张胜涛,娄寿春

(空军工程大学导弹学院,陕西 三原713800

摘要:电磁脉冲武器已在现代战争中崭露头角,它的出现为抗击空袭飞机(包括隐身飞 机)提供了|条新的思路。在分析电磁脉冲武器特点和国内外电磁脉冲武器研究进展的基础 上,论述了电磁脉冲武器抗击来袭飞机(包括隐身飞机)的可行性和方法。

关键词:电磁脉冲武器;高功率微波;隐身飞机

中图分类号:E927 文献标识码:A

Researdi on EMP weapon countering attaddng aircraft

Zhang Shengtao, Lou Shouchun

M issile Institute of Air Force Engineering U niversity, Sanyuan 713800, Shanxi, China

Abstract: Electrom magnetic pulse weapon has cut a conspicuous figare in modern war. Its appearance offers a new way on countering aircraft, including stealth aircraft. On the base of analyzing the characters of the electrom magnetic pulse weapon and its evolution, the feasibility and methods of electrom magnetic pulse wcapons countering aircrafts are discussed.

Key wordselectrom magnetic pulse weapon; high power microwave; stealth aircraft

 

1 引言

随着高新技术的发展,军用飞机越来越向着隐身化、智能化、自动化、数字化发展,但同时也日益依赖于电子设备及大量的通信网络设备。电磁脉冲武器是一种在爆炸时能产生强电磁脉冲辐射的武器,它以极高的强度照射目标,能干扰、击穿或烧毁目标平台上的电子设备,造成武器系统平台失效,而且在电磁脉冲的照射下,隐身飞机的隐身性能也大大降低这使得电磁脉冲武器成为抗击现代飞机的一条有效途径。

 

2电磁脉冲武器的工作原理及特点

 

2.1电磁脉冲武器的工作原理

电磁脉冲弹是一种高功率微波(HPM)武器,常规电磁脉冲弹战斗部主要由初级电源、爆炸磁压缩发生器、功率调制系统、高功率微波源和微波天线发射系统 组成,各部件之间用超短时同步开关连接,如图1所 示。其工作原理为山气当战斗部到达预定的起爆位 置时,由引信启动第一个同步开关,初级电源放电,脉冲电流通过爆炸磁压缩发生器的线圈;接着启动第二个同步开关,起爆炸药,将部分炸药能力转换成电能, 则形成强大的脉冲电流;再通过功率调制系统和高功 率微波源,将脉冲电流的能量转换成高功率微波,经微波天线发射出去由“前门”或“后门”耦合至敌方电子信息系统实施干扰、破坏。“前门”是指电子设备的天线, 假如设法获得敌方接收设备的工作频率,就可以通过 巧妙的设计,使电磁脉冲武器给敌电子设备造成更大的破坏;“后门”是指设备的导线,动力电缆、通讯线、失 效的屏蔽部件,甚至屏蔽箱上的洞孔等,电磁脉冲的能 量通过它们耦合到电子设备中,造成破坏。

 

                                       

1 电磁脉冲弹试验样机示意框图

 

2.2电磁脉冲武器的特点

电磁脉冲作为一种新概念武器有着自己独特的特点,其毁伤模式、作战范围都有所不同,其主要特点句有:

1全天候作战能力。电磁武器的能量以输出点 为顶点呈锥形向外延伸,在传输过程中不受大气、云雾 等影响,能量损失少。电磁脉冲武器利用发射到空中的强电磁波来杀伤和破坏目标,在大气中这种高功率电磁波不存在严重的传输衰减问题,因此具有全天候 作战能力。

2对瞄准精度要求不高。作用目标是在其有效 空间内的所有电子设备,对于精确定位技术的依赖性 不高。电磁脉冲武器产生的强电磁波通过天线发射出 去,对天线的要求不一定统一,可以根据作战实际需 求,选择定向或全向天线;同时在传输过程中,通过衍 射可以形成足够大的斑点,以弥补跟踪和瞄准的不足。 波束比较宽,能使高强度辐射场覆盖被攻击的目标,因 此对波束瞄准没有太高的要求,并且有可能同时杀伤 多个目标。

3软硬兼施。当电磁脉冲弹产生的强微波波束 照射目标时,其辐射形成的电磁场,可以在金属目标的 表面产生感应电流,通过天线、导线、金属开口或隙缝进入导弹、飞机、卫星、坦克等武器系统的电子设备的 电路中,感应电流比较大,会使电路功能产生紊乱、出 现误码、中断数据或信息传输等;如果感应电流很大时,则会烧毁电路中的元器件,使电子装备和武器系统 失效甚至在瞬间摧毁目标、引爆导弹、炸弹、核弹等 武器。

4单价和维护费用较低。与普通的杀伤武器相 ,高功率微波武器消耗能量较少,造价较低,在许多应 用中,唯一的消耗品是常规发电机/交流发电机的燃料。

另外电磁脉冲武器还可以通过“热效应”和“非热 效应”对人体产生杀伤作用。前苏联和美国的科学家 分别进行的实验表明,当人员受到能量密度为313 mW /cm2的微波波束照射时,会产生神经混乱、行为 错误;接收微波功率密度达到10~ 50 mW/cm2、频率 10GHz以下时,可以使人员发生痉挛或失去知觉; 当能量密度达到80mW/ cm2时,只需要1s时间,即可 造成人员死亡。

 

3.国内外情况[1,2,5]

 

目前美国进行高功率微波技术研究的机构有:桑 迪亚国家实验室、L awrence Livermore 国家实验室、洛斯•阿拉莫斯国家实验室、美国能源部核武器研究所、陆军Harry Diamond实验室、海军研究实验室、空 军武器实验室、空军空间技术中心、马里兰大学、功率 频谱有限公司、波音公司等。桑迪亚国家实验室于 1983年试验成功一种炸药爆炸磁通量压缩器,目前已 达到能产生18MJ磁能脉冲的水平。美国Lawrence Livermore国家实验室在自己的高能炸药脉冲装置 上,也曾产生过(1. 21. 6) x 107A脉冲,上升时间仅 500ns有效功率有效功率4x1012W。洛斯·阿拉莫斯国家实验室研制出了高能炸药驱动的电磁脉冲发生器,该发 生器可产生持续时间非常短的高功率电磁脉冲。美国 能源部核武器研究所正在研制一种新型的空投高功率 爆磁压缩微波炸弹,这种炸弹可产生宽频带的高功率 微波辐射,是战略防御计划(SDI)的组成部分。Phillips 实验室在小型爆炸脉冲功率计划中提出了以下指标:电压500kV,高阻抗负载,脉冲上升时间100ns,脉 冲宽度1队。波音公司已研制出一种高功率微波炸弹,可用来破坏敌方武器上的电子设备。

前苏联已研制岀用于防空的陆基HPM武器样机系系统[2,6-7],并已进行过外场实验,其组成如图2所示。 此系统分装3辆卡车,第1辆是电源车,第2辆微波 车,第3辆是雷达车。该系统的微波辐射功率为 1GW,杀伤距离为1~ 10km,照射在1km远的目标上 的功率密度达到400W/ cm2 o该试验系统主要用于保 护重要的军事设施和指挥中心,不仅能在作战距离上 使敌方武器系统的电子设备失效,杀伤操作人员,而且 具有抗反辐射导弹攻击的能力。目前,俄罗斯还研制了小型便携式高功率微波源,可产生。11GW的峰 值功率,脉冲重复频率达l00GHz

 

                                  

 

2前苏联用于防空的HPM武器系统

另外,英国、日本、法国和德国都在开展这方面的 研究工作。HPM武器研究的发展趋势是:高功率、小 型化、高重复频率和微波频率可调。

我国自70年代开始开展HPM的研究工作,整体水平与美俄相比,还有较大差距[2]。西北核技术研究 所已研制成功了一套新体制IIPM短脉冲雷达,该发 射机以强流电子束加速器为泵浦源,以相对论返波管 为微波源,其主要指标为:X波段,输出峰值功率100 1200MW,工作脉宽525ns,脉冲重复频率50200Hz中物院应用电子学研究所利用感应直线加速 器产生的33MW>J5kAA90ns电子束,釆取4m长的新型双向聚焦的线极化电磁铁摇摆器,于1994年成功进 行了自由电子激光放大器实验,获得了 34.5 GHz. 140MW的峰值功率。国防科技大学已研制成功一系 列HPM源,典型的有:500MW, 30 ~ 40ns,频率 27GHz, S波段相对论磁控管;频率10GHz,输出功率 500M W,脉冲宽度40ns, X波段相对论返波管;目前改 进的有功率6MW>8mm绕射辐射振荡器。

 

4.电磁脉冲武器毁伤飞机的机理研究

高功率微波电磁脉冲武器方面取得的成果,为其 在军事上的应用成为可能。或许可以研制出一种可以 探测目标,又可以跟踪目标并发射电磁脉冲的雷达,对 来袭飞机进行照射并发射高能电磁脉冲进行杀伤;也 可以由目前的地空导弹或空空导弹搭载电磁脉冲弹来 替代目前的破片式杀伤战斗部。

 

4.1电磁脉冲武器对飞机雷达的毁伤[6-7]

电磁脉冲武器对飞机雷达的损伤实际上是“前门” 耦合,为了说明问题且使计算简单,设电磁脉冲武器的 发射天线对准飞机头部的雷达,在电磁脉冲武器的发 射天线没有对准飞机头部雷达时,其计算公式是类似 的,但飞机接收的功率会有所变化。

设电磁脉冲的功率为电磁脉冲武器发射天线 的增益为G,则在距离飞机R处功率密度S[6-7]:

S=PtGt/(4 πR2)                    1

飞机上雷达较多,一般最重要的是头部雷达,设飞 机头部雷达的增益为Gr有效接收面积为小,则飞机雷达在距电磁脉冲武器R处的接收到的功率为:

Pr= SGrAr= PtGtGrAr/ (4πR2         2

(2)式可求出不同距离R下攻击区域内的敌机 天线接收的微波功率PrPr大于接收机前端敏感 器件的损伤阈值,则造成接收系统的损伤。

根据以上两式可以得出,若地基防空电磁脉冲武 器的发射天线为直径为3m的旋转抛物面天线,发射的微波频率为10GHz,就可以损伤大多数无防护的飞机头部雷达,同时,也会给飞机机舱内的其它电子设备 造成一定的干扰。

上述的讨论是假设电磁脉冲的发射天线是对准飞机头部雷达的,而对于其它没有对准的飞机雷达,接收 到的电磁脉冲功率会有所下降,但是只要加大电磁脉 冲的功率仍然可以杀伤未对准的飞机雷达。且如果发 射功率足够大,就可以杀伤几十千米外甚至更远的目 标。同时地基防空电磁脉冲武器最大的优点是可以连 续发射电磁脉冲。但是地基雷达连续发射高功率微波时,自己也容易暴露给敌方,这是一个需要注意的问题。

将电磁脉冲搭载在地空导弹或空空导弹上也是一 种有效的抗击来袭飞机的方法,其具体实现还有待进一 步研究。其毁伤机理与地基防空电磁脉冲武器相同。

电磁脉冲武器对飞机其它电子设备的杀伤方式属 '后门”耦合。用10- 100W/cm2的强微波辐射能量 照射金属目标,可利用其形成的瞬变电磁场在目标金 属表面产生感应电流,通过导线屏蔽不完善的各种小 孔和机壳的接缝,后门耦合到飞机的电子设备系统中, 破坏其敏感传感器和电路系统。表1给出几种典型电 子器件的破坏阀值。

从表中可以看出,大多电子元器件的损伤阈值是 比较低的,很容易受到电磁脉冲的攻击。当感应电流 较小时,可使电路功能产生混乱,出现误码,信息传输中断,抹掉记忆信息等;当感应电流较大时,则会造成 电路和电子器件永久性损伤。

隐身飞机在近几场局部现代化战争中大出风头, 它可对预定目标进行隐蔽、突然、精确和猛烈的攻击, 是现代战场上的一支常规威慑力量。它的广泛应用, 必将改变现代防空体系的性质和结构,给防御系统构 成严重的威胁。隐身飞机隐身的两个重要途径是采用 独特的外形和能够吸收雷达波的复合材料,而这些在高功率微波武器的攻击下都会失去作用。

从外形隐身来看,由于受到航空动力学的限制,目前外形隐身只能在120GHz频率范围内进行,超出 该频率范围,隐身能力就迅速下降。高功率微波武器 辐射的脉冲宽度极窄,频谱含量相当丰富,其中所包含的短波或米波低频频谱分量,可用于发现隐身目标;从吸收材料看,目前可用隐身的涂敷材料多数为窄带, 且限于120GHz范围内,因此高功率微波的超宽带特性,可显著降低吸波材料的吸收能力,同时利用高功率微波照射吸波材料,可使吸波材料软化,分子结构改变,失去吸波隐身能力。而且由于吸波材料对高功率 微波的吸热效应,导致隐身目标金属表面温度显著提 高且可能烧毁金属蒙皮;隐身目标可能达到的隐身能 力是使其雷达散射面积减少30dB左右,而利用吉瓦 级的高功率微波武器对付隐身目标,则可抵消雷达散 射面积的30dB隐身效果。在使隐身飞机失去隐身效 果后,可以用对付非隐身飞机的方法对其进行抗击

 

器件名称


微波二极管

微波混频管

开关二极管

整流二极管

音频二极管

线性集成电路

能量密度/(J/cm2)

1x10-7

1x10-5

5x10-5

6x10-4

5x10-3

1x10-1

损伤程度

烧毁

烧毁

烧毁

损伤

损伤

损伤或烧毁

 

1典型电子元器件高功率能量破坏阈值

 

5.结束语

电磁脉冲武器已在现代化战争中崭露头角,它的 出现必将影响敌对双方的作战样式。本文初步讨论了 电磁脉冲武器抗击来袭飞机的可行性。电磁脉冲武器 真正应用到防空武器系统中还有大量的工作要做。可 以相信在未来的战争中,它的众多优点很可能使其成 为克敌制胜的“撒手铜”武器。


参考文献:

刘勇波,樊祥,孟凡科.爆磁压缩电磁脉冲弹浅析[J].航天 电子对抗,2002( 5) : 14- 17.

戴大富.高功率微波的发展与现状[J] .真空电子技术,2004 (5): 18- 20.

赖祖武.强电磁脉冲的破坏效应及防护[J].电子科技导报, 1997(1 1) : 32- 34.

刘学观等.电磁脉冲弾及其防护[J].通信技术,2003(9): 112- 114.

黄裕年.高功率微波武器技术的发展评述[J].微波学报, 1999(12).

龚金桓,高功率微波武器一一|种新概念电子战武器[J]. 电子对抗技术,1995(2) : 1- 9.

张洪起.高功率微波(HPM)与武器[J] .现代防御技术,1995 (4): 38- 46.

8 蔺国民等.隐身飞机综述[J]・航空制造技术,2005(9) :73- 76.


电磁脉冲武器对抗空袭飞机研究

本网站由阿里云提供云计算及安全服务 Powered by CloudDream