殷德飞 田启祥李胜水陈宇王华林

(总装工程兵科研一所,江苏无锡214035)

摘要:电磁脉冲武器独特的攻击方式,对现代作战样式提出新的考验,分析了电磁脉冲武器的特 性,针对现代战争电磁脉冲武器已经取得了实战应用的情况,野战指挥所等装备无法对抗电磁脉冲打 击的问题,提出了研发防电磁脉冲打击屏蔽帐篷的思路,及屏蔽帐篷防护的参数。

关键词:电磁脉冲;防护;帐篷;设计

引言

自从核爆炸产生核电磁脉冲(NEMP)以来,人们对瞬态电磁脉冲的作用开始有了新的认 识。20世纪50年代后期,人们发现NEMP具有强大的破坏作用,数百公里甚至上千公里以内的 电子设备和电力系统都程度不同地遭到损伤和破坏。20世纪60年代以来,半导体和集成电路得 到迅猛发展,并广泛应用于电子设备和武器系统中,这种器件对核电磁脉冲非常敏感,极易被 核电磁脉冲所攻击,从而促使人们对核电磁脉冲进行研究。一方面研究对核电磁脉冲的防护加 固技术,另一方面研究探索非核爆方法产生电磁脉冲的技术途径。本文对电磁脉冲武器的原理 和作用方式进行了分析,提出了一种能够防御电磁脉冲打击的屏蔽帐篷的构想,提高本身不具 备电磁防护设备的战场生存能力。

1电磁脉冲武器作用原理

电磁脉冲武器是将电磁频谱能量集中投射的一种武器系统,其特点就是能量集中,使投向 目标物的能量密度(单位面积中的能量)很高,可由直接照射及耦合侵入的热能累积效应造成 目标物损坏,并造成微波同频段的严重干扰。电磁脉冲是短暂瞬变的电磁现象,它以空间辐射 传播形式,透过电磁波,可对电子、信息、电力、光电、微波等设施造成破坏,可使电子设备 半导体绝缘层或集成电路烧毁,甚至设备失效或永久损坏,作用的方式主要为:

①强大的电磁 脉冲建立的瞬间电场,使通信系统内部电场重新分布,形成电涌电压,对通信信号系统造成损 坏;

②通信系统内部电场瞬间重新分布形成涌流,对通信信号系统造成损坏;

③强大的电磁场, 穿过通信系统内部电路,产生感生电流,造成通信信号差模干扰,损坏系统;

④强大的电磁脉 冲中丰富的频谱,微电子器件极易产生谐振发热损坏。

电磁脉冲武器一般是由能源、能量转换器件、高功率微波发生器、大型聚焦天线、跟踪瞄准设备和其他系统控制等配套设备构成,其杀伤机理是电磁脉冲炸弹爆炸时能产生极短的强电磁脉冲,通过波导管送到发射天线,发射天线把能量发射到目标,使之毁伤。它可在裸露的导 电体上急剧产生数千伏的瞬变电压,对大量电子设备造成无法挽回的损失。电磁脉冲武器的工 作原理是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,将部分炸药能量转 换成电能,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后由“前门”(天线、接线柱等)或“后”(孔、缝、 洞、电缆等)耦合至敌方电子信息系统实施干扰、破坏。

电磁脉冲武器工作原理如图1所示。

                      1电磁脉冲武器的作用机理

 

电磁脉冲武器其作用原理同电磁干扰不同,电磁干扰采用相同波段较强功率的电磁信号压 制对方电子设备接受到的电磁信号,从而使得对方针对工作状态的设备无法进行正常工作,设 备性能不会受到影响;电磁脉冲武器主要以强大电磁场,对于能够接受信号或具备导电性能的 物体能够在其表面产生强电场,对设备是否处于工作状态无关,只要有强电流的存在就能够破 坏装备中集成电路的元器件等,从而导致装备失效。

2电磁脉冲武器与传统武器的区别

电磁脉冲武器作为一种新概念武器,与传统武器相比,在基本原理、杀伤破坏力和作战方 式等方面都显著不同。具有如下特点:

(1) 频谱覆盖范围大。电磁脉冲的频率覆盖范围从几赫兹到数十吉赫兹,基本上涵盖了目 前战略、战术通信使用的所有频段。

(2) 脉冲持续时间短。电磁脉冲武器产生的电磁脉冲,其持续时间都非常短,一般在几纳 秒至数十微秒之间。在能量相同的情况下,脉冲持续时间越短,电磁脉冲的瞬时功率越大,这 对在一定距离内的电子设备的打击无疑是毁灭性的。

(3) 耦合途径多。电磁能量对打击目标的耦合效率是评价电磁脉冲武器杀伤力的一个重要 指标,电子设备本身以及连结电子设备之间的导线均可以耦合。这使得对电磁脉冲攻击的防御 非常困难。

(4) 杀伤目标多元。电磁脉冲武器堪称“全能杀手”,在作战半径内的飞机、雷达、计算 机、电话和手机等几乎所有的电子设备都“在劫难逃”。辐射出的强电磁脉冲还可以通过暴露在 地面上的天线产生感应电流,进入地下破坏各种隐蔽在地下设施中的电子设备。

(5) 费效比高。电磁脉冲炸弹成本低廉,制造一枚普通的小型炸弹只需几百美元,远低于常规炸弹。用巡航导弹携载一枚电磁脉冲炸弹,只需出动一个架次,就可以同时打击多个目标。

(6) 具有软、硬杀伤能力。既可对敌方的指挥控制系统、雷达系统、通讯设备实施电子干扰,令其探测、控制和通信设备致盲、致聋、致哑,也可以定时、定点地给敌方的雷达系统、 通信设备等以致命的破坏。

据此,电磁脉冲武器必将成为敌未来空袭作战的“撒手铜”之一,从而给我城市防空作战 和目标防护带来全新的特点与影响。

3国外电磁脉冲武器研究动态和应用分析

20世纪以来,在军事需求背景牵引下,高功率微波技术研究受到世界各国高度重视,尤其 是美俄两个军事强国,投入了大量人力和财力开展研究工作,试图研制出一种微波武器,以期 在未来高技术战争中取得制信息权,为赢得战争胜利打下基础。

1993年,美国进行了代号为“竖”的电磁脉冲武器实验,天线群向电离层发射电磁脉冲, 阻断通信和摧毁来袭导弹。1996年,美国一国家实验室研制出手提箱大小的高能电磁脉冲武器, 以及可装备在巡航导弹上的电磁脉冲武器,其有效作战半径达10km1998年,俄罗斯发明了重8kg的小型强电流电子加速器,爆炸时发出X射线、高功率微波,可破坏电子设备。近期,美国 空军公布了一种将电磁脉冲弹头安装在空射巡航导弹上的高功率微波弹方案,它可以飞行上千 千米的距离,在目标上空爆炸,能破坏半径约300 - 500m圆形区域内的电子设备。俄罗斯在大研制高功率微波源的基础上,利用现有技术研制出了用于地面防空的陆基型高功率微波武器, 目前已制造出试验样机,并进行了外场试验。这种微波武器系统能辐射lkMW以上的强微波电 磁脉冲,杀伤距离为l~10km,这种车载微波武器主要用来保护重要军事基地和作战指挥中心, 它不仅能有效地破坏敌方武器系统与电子设备以及杀伤作战人员,并具有对抗反辐射导弹的能力。

在近几场高技术局部战争中,电磁脉冲武器作为一种崭新的高威力作战兵器引起了人们的 广泛关注,美军首先将电磁脉冲武器用于实战中。海湾战争伊始,美海军首先使用携带微波弹 头的“战斧”巡航导弹,有效地破坏和摧毁了伊拉克的电子系统指挥控制系统和防空系统;19993月科索沃战争中,美国在对南联盟的轰炸中,使用微波炸弹和石墨炸弹瘫痪了南联盟 的通信系统和供电系统,造成南联盟部分地区通信设施瘫痪3个多小时;伊拉克战争中,美军 于20033月,美军使用了一种它历时4年研制的高功率微波炸弹轰炸巴格达电视台,爆炸时 产生的电磁微波能量为数十亿瓦,瞬间切断了炸弹射程内的电源供应,使巴格达地区大面积停 电12h,雷达、电脑、电话、广播通讯陷入瘫痪,一些交通工具无法使用。有国际军事专家分析 认为,海湾战争中,伊拉克之所以被动挨打,重要原因是指挥控制系统和防空设施遭到破坏, 丧失电磁环境控制权。除俄罗斯和美国外,英、法、德、日等国家,也都在进行高功率微波武 器的开发

目前,从国外发表的文献和相关报道看,以导弹为载体,将电磁脉冲发生源装载到导弹上弹载电磁脉冲武器比较成熟,达到实用水平。此外,陆基电磁脉冲武器、有人机载、无人机 载电磁脉冲武器,也取得了一定的进展。天基电磁脉冲武器作为一种能改变未来作战模式的新 概念作战武器也被军事强国列入未来发展方向之一。

4电磁屏蔽帐篷的设计

电磁屏蔽帐篷的工作原理类似一种全金属效能的屏蔽体,屏蔽由于电磁脉冲武器所产生的微波造成的影响和对电子元器件造成的毁伤,为在屏蔽内部各种电子设备提供电磁防护。

4.1帐篷的结构设计

帐篷的设计可以采用双层结构设计较为可靠。帐篷的开门尽量开小,能够满足使用要求即可。单层屏蔽层在测试时,可能效果也能达到要求,但在实际使用过程中,对于门的接缝处理 很难做到复合屏蔽的效能,会降低整体屏蔽效用。而采用双层结构设计时,可解决因为人为操 作所造成的部分接口不紧密而导致屏蔽效能下降的问题,帐篷的整体屏蔽效能能够得到进一步保证。

帐篷透气性的处理:由于采用的导电布均为紧密结构,透气性很差,人员在帐篷中长时间 使用会带来诸多不舒服感觉,因此屏蔽帐篷需设置通风装置,通风装置可以设计成窗口形状, 既可以通风也可以进行部分采光,材料可釆用200 - 300目的铜网。

接入到帐篷内部各种线路的处理设计:由于帐篷内部为一个密封的屏蔽体,为保障通信、 电源、网络等线路需进入到帐篷内部时,一定需要对这些接入线路进行处理。目前,通用的处 理方式,就是在由外部线路进入到帐篷内部时,通过滤波器对线路进行的处理,解决因为电磁 波对线路的耦合效应带来的危害,提升整体的屏蔽可靠性。

接缝处理设计:采用导电金属线进行缝制,缝纫针眼需进行封闭处理。对于门的处理,由于存在经常性人员的出入,对门的设置方式,采用底部略高越750px,便于人员的进出和门的封闭处理,门的材质同帐篷相同,门的开口设置,由内部向外部通过导电毛刺搭扣进行密封处理。

帐篷基材的优选:帐篷的材质采用柔性导电布为主要屏蔽材料,由于导电布在低频和高频波段的电磁波段屏蔽效能不同,应尽量优选低频屏蔽效果较好的材料来作为制备。

4.2防护波段的设计

针对目前最为先进电磁脉冲武器的设计参数值,提出设计的电磁屏蔽帐篷的防护波段和屏 蔽效能。通过对国内外电磁脉冲相关研究,提出帐篷的防护频率范围指标为15MHz~lGHz,该参数基于电磁脉冲的能量在各个频率上的分量提出的。

2所示为德国DIEHL公司DS系列产品,辐射的电磁波波形如图3所示,经过对波形的频 谱分析,其频率范围在50-500MHz。

 


2 DS110                                                                                             3电磁脉冲波形



4所示为国内某电磁脉冲发生器产生的波形,图5所示为该波形的频谱分析图,从图中可 以看出其频率范围为0 ~ 1GHz,但能量集中在100 -400MHz,而其他范围,能量则相对分布

4实测波形


研究表明:宽带电磁脉冲的能量基本集中在50 ~500MHz频率范围内,因此在屏蔽帐篷设计 中,需要将其频率范围覆盖,并根据情况,适当拓宽。由于电磁脉冲在作战时主要是起到破坏 电子设备,对不同电子设备,毁伤的频率点不同,因此国内外也是努力的提高电磁脉冲的上升 前沿,以获取更丰富的频谱,从而取得最佳毁伤效果。因此,对高频段进行了大幅度的拓展, 提出了 1GHz的技术指标要求,而在低频段则提出了 15MHz的要求。

4.3屏蔽效能指标的设计

为验证提出的屏蔽效能指标的合理性,本文以计算机毁伤阈值作为参考,提出计算的结果。大量的效应试验表明,计算机的毁伤阈值为E°=70V/cm,根据电磁脉冲输出能量计算。


计算如下:

假设电磁脉冲武器在距车辆10m处起爆,产生电磁脉冲;电磁脉冲输出功率P,10GW, 天线增益C,假设为20dB;根据E= (60 - P, - G,ys/d公式计算,得出距离爆点位置10m处的 电场强度E3464V/cmo

验证相关文献中报道的电磁脉冲武器的攻击范围,据报道美国最新研制出功率在10GW能微波武器,其攻击作用半径是400 ~ 500m,500m距离代入计算可以得出在电场强度为 69. 2V/cm,处于计算机的E°=70V/cm以下,丧失了毁伤能力,验证了提出指标的合理性。

为了将电场强度降低至计算机的毁伤阈值以下,即Eo =70V/cm,将参数代入公式:SE = 201g会计算,得出电磁屏蔽效能为33.9dB,即要求屏蔽帐篷的屏蔽效能在33.9dB以上才可以满足对计算机的防护,因此将防护效能适当的提高,提出了屏蔽帐篷对电磁能量的衰减值为35dB。

5结束语

电磁脉冲武器独特的攻击方式给现代战争中的电子设备带来了新的考验,采用电磁屏蔽帐篷的结构形式可使不具备抗电磁武器打击的电子设备具备对抗的能力。屏蔽帐篷在对结构和性 能的要求进行设计,屏蔽指标不宜提的过高,能够满足防护要求即可;屏蔽帐篷的制备对工艺 要求苛刻,特别是对接缝、拼接面的处理,使用中是否规范,这些都会对屏蔽帐篷的整体屏蔽 效能产生较大影响。

参考文献

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防电磁脉冲武器屏蔽帐篷

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