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日志

 
 

略谈电磁脉冲武器攻击和防护方法  

2014-03-17 19:01:57|  分类: 电力主题 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    略谈电磁脉冲武器攻击和防护方法
   电网中断、银行崩溃、所有引擎失去控制……这是遭到电磁脉冲弹大规模袭击后的可怕场景。美国媒体报道,现在,电磁脉冲武器已列为21世纪的大规模破坏性武器,有专家甚至将其称为“21世纪的原子弹”。而英国《每日邮报》2012年12月3日报道,美国已经测试无人机投放电磁脉冲弹,能让一个目标区域的电子设备陷入全部瘫痪。一時“电磁脉冲武器”突然成为国內的热门話題,在此茲就“电磁脉冲武器”的分类、作用原理、损害能力、防御方法,以及最近研究进展等作一扼要說明。
1.电磁脉冲武器发展现状
  虽然在国际社会,电磁脉冲武器被列入大规模杀伤性武器。但美国海军作战部长拉夫·黑德上将认为电磁脉冲武器为“革命性的海战武器”,“绝不能让美国海军错过这种武器”。事实上,这是太空战中的一种非常规武器,它依靠人工技术产生的电磁脉冲,在特定地区或目标周围空间造成瞬间的破坏性电磁环境,致使敌方的电子设备遭到破坏或干扰,从而达成战役、战术目的,是一种新概念武器。
    它利用短时间强大的电磁场来破坏对方的电子电路、雷达、通信指挥系统。以前,美国用核爆炸产生电磁脉冲,由于核武器的限制性,现在各国研究使用常规爆炸(化学能)产生电磁脉冲。
  现在,世界上很多国家都已经研制出电磁脉冲武器,包括美国、俄罗斯、德国、中国等,都已经拥有这种先进的现代战争武器。相比之下美国在研制电磁脉冲武器方面处于领先地位,且具有唯一用于实战国家。
    早在1958年美国在太平洋上空进行的氢弹实验时,就发现那次核爆炸产生的伽马射线,刺激大气中的空气而產生大量电子流的电磁脉冲,如海啸般地扫过半径数百公里的区域,致使夏威夷的街灯全部熄灭,无线导航系統中斷了18个小时,甚至便澳大利亞也遭到一定影响。由此引发美国开始研发可抵抗电磁脉冲的电子設备和电磁脉冲武器。
    上世纪80年代,美国、前苏联已先后研发完成低当量“內爆式”核弹,又分別拥有各型弹著精准的弹道导弹,因此早已完全具有研发电磁脉冲武器和投送能力。目前美国已有电磁脉冲武器MK-84炸弹和用于投送的AGM-86巡航导弹,
    资料显示:美军在1999年3月24日北約对前南联盟的轰炸中,美国使用电磁脉冲弹,使得前南联盟部分地区的各种通信設施癱瘓了3个多小时。2003年3月伊拉克战争中,美军首先派出多架电子干扰飞机,对预定空袭区域进行定向强电磁干扰,随后战斧巡航导弹携带高功率微波弹,其产生类似于高空核电磁脉冲的强电磁辐射,直接摧毁或损伤了伊拉克的各种通信設施和敏感电子部件,使美国牢牢掌控了战场的制电子权。
    据外媒最新报道,美国正在启动的“反电子设备高功率微波先进导弹项目”(CHAMP),资料显示:无人机搭载一台电磁脉冲炮。这台脉冲炮利用功率超强的微波器生成一束集中的能量束,导致电子设备发生电涌(电压急剧升高)从而瘫痪,而电涌保护器根本来不及作出反应。
  这是美国利用无人机进行测试电磁脉冲武器。利用一架隐形飞机发射了一架无人机,无人机向地面建筑物发射无线电波,导致建筑物中的电脑系统瘫痪。以往,电磁脉冲弹通过导弹远程投射,现在,这个投射设备越做越小,应用到了无人机上,可是实现现场投掷,目标势必更精准。所以,无人机近距离投掷电磁脉冲弹更有优势。
    美国空军菲利普实验室已研发出小型等离子螺旋管(toroids)。它有约10千焦耳的能量。但螺旋管产生的高能等离子会因大气而迅速耗散,据了解,实际上美国拥有的技术已超出了媒体公开的内容,事实上,美国掌握的技术可能已测试成功,也有可能已拥有更高功率或者打击范围更广的技术。专业研究人员认为,这款电磁脉冲弹的功率会达到几十吉瓦(109瓦),属于超高功率的电磁脉冲弹,杀伤力很大。
    俄罗斯对电磁脉冲武器的研究和试验已有20多年历史,在1993年就研制出了能够摧毁小范围电子设备的手持式小型电磁脉冲武器---“阿特洛普斯”电磁脉冲武器,不过它是一款用火炮发射的炮彈,“阿特洛普斯”电磁脉冲炮彈不仅可以压制射频电子装备,而且可以压制红外线和光学电子装备。现已出現在俄军的武器运用手冊中。
    中国于1996年进行了最后一次核实验,完成低当量“內爆式”核弹实验,且中国已拥有东风系列等长中程弹道导弹,因此中国也基本具有研发电磁脉冲武器和投送能条件。从而使电磁脉冲武器的能力所必需的「內爆式引爆技技术」有可能已经突破。
2.電磁脉冲武器特点
     中程弹道导弹是发动电磁脉冲攻击的常用平台,第一招就是摧毁敌方无保护的电子设备、司令部和指挥中心。在30至40公里的高度对敌方使用电磁脉冲武器,可“将其效果局限于敌方及其邻近地区,而把对我电子设备的损害降到最低”。
    电磁脉冲武器最大特点就是,在任何天气条件下,其攻击速度都像光速一样快,可击中广泛区域内的多个目标,对环境的污染也很小。其产生的伽马射线,都是电磁脉冲能的形式。电磁脉冲炸弹在高空引爆,可摧毁在一片广泛的地理区域里的一切未受保护的电子设备,包括电网、计算机和汽车。不过,电磁脉冲武器并不直接伤害人体。
   电磁脉冲武器可谓电子设备的“绝命杀手”,它可以瞬间将电脑连同里边的所有数据全部“销毁”。这时世界将重回“石器时代”——标志文明世界的声音都将消失。除了柴油机,所有引擎都再也发动不了。
   据悉一部装有小型电磁脉冲武器的小货车可轻易摧毁一家银行的计算机系统;一枚强电磁脉冲弹,就足以使数十公里内各种电子设备遭受严重物理损伤。因为,现代半导体器件,特别是基于MOS技术的那些器件(例如商用计算机)由于瞬变高压而最易损坏。
  现代战争中,各种军用电磁辐射体如雷达、通信、导航等辐射源的功率也越来越大,数量成倍增加,频谱也越来越宽,再加上高功率微波武器等定向能武器和电磁脉冲弹及超宽带、强电磁辐射干扰机的出现,使战场的电磁环境变得异常复杂。组成战场神经网络的电磁平台一旦遭到破坏,会使整个城市或方圆上百公里区域瘫痪。直接影响战争的结局,
3.电磁脉冲武器的分类及原理
3.1 分类
“电磁脉冲武器”可概分为“弱核爆电磁脉冲弹”与“非核爆电磁脉冲弹”两类。
“弱核爆电磁脉冲导弹”是利用弹道导弹投送“低当量核弹”在目标区的适宜高空爆炸、而对广大的地面目标区产生强大的电磁脉冲(Electro Magnetic Pulse,简称EMP)损毁效果;“非核爆电磁脉冲导弹/炸弹(或炮弹)”则是巡航导弹携带电磁脉冲弹在目标区附近引爆,对有限的局部目标区产生电磁脉冲损毁效果。
3.2 原理
3.2.1 “弱核爆电磁脉冲弹”原理
    “弱核爆电磁脉冲弹”通常低当量核弹約为1KT(即相当于1,000吨黃色炸药)、或更低的“內爆式”核弹,以弹道导弹发射至目标区上空距地面約40公里的平流层顶引爆,瞬间释放出約900亿焦耳能量的伽马射线,与大气层空气作用而衍生大量电子(約為每立方公尺100兆个电子),这些加速奔向地面的电子流,虽然其寿期只有“毫秒”級,但却能在目标区地球表面300公里范围內产生强大的电磁脉冲冲击波,衍生的电场强度可高达每米1,000-34,000伏特!使得电子裝备內部的晶体管、二极管、放大器、集成电路、逻輯电路、微处理器等元件、組件,皆因瞬间超载短路,造成无法修复的永久损坏。同时,电磁脉冲冲击波涵盖范围內的无线电通訊,均因大气层电荷密度的剧变,在超高次頻率中,会产生長达一小时以上的干扰(只有大于300MHz的超高頻通訊可避开干扰)。
    总之,在核爆电磁脉冲冲击下,国家指管通情侦监电脑(C4ISR)系統全面毀坏,军方與民间通訊系統一概癱瘓,整体战力与运作机制遭受破坏。核当量約为1KT的核核弹、在40公里的平流层顶上引爆,其核爆所产生的高温火球,高压震波皆无法达到地表;微量的輻射落尘被阻滯在平流层內,也不会立即飄降下來,这才是“干净核爆”。因此。炸高控制极为重要,炸得过低核爆的火球与高压震波会伤及目标区內人員,炸得过高电磁脉冲会损毀目标区外的电子裝备。也就是说,“弱核爆电磁脉冲弹”攻击后,不会直接伤害被攻击地区人员,但会对国家的整体战力与运作机制造成毀坏。
3.2.1 “非核爆电磁脉冲弹”原理
    “非核爆电磁脉冲弹”通常是以巡航导弹或飞机携带电磁脉冲炸彈投放,也可用火炮发射的炮彈。它的基本原理就是利用“非核爆电磁脉冲弹”內火炸药的“爆炸”,引发“非核爆电磁脉冲弹”內压縮的“磁通压縮发生器”或“磁流体动力学发生器”,使其发生器能产生瞬間大功率电磁脉冲。目前,“磁通压縮发生器”则已用于美軍的MK-84电磁脉冲炸彈与AGM-86巡航导弹,以及俄军的“阿特洛普斯“电磁脉冲炮彈;而“磁流体动力学发生器”的技术更为复杂,现在仍在研發中。
   “磁通压縮发生器”是利用其高爆炸药的爆炸压力迅速地壓縮其“定子”产生的磁場,將大部份的爆炸能量轉換为电磁能,使它在数十至数百微秒內产生数亿至数十亿焦耳的電能,比自然的“闪雷”放电电流还高出数倍。
    “磁通压縮发生器”分为螺线型与锥形两种。“非核爆电磁脉冲弹”通常多采用螺线型,因為其构造緊湊易于制造。螺线型磁通压縮发生器外形为圆柱形,“磁通压縮发生器”主体为“电枢”的一段圆柱形铜管。该铜管內裝有高爆炸药——如B炸药、铜管周圍是铜导线制成的螺线型线圈,构成“磁通压縮发生器”的“定子”。该“定子”绕組分为数段,并作一些特殊设计,以使“电枢”线圈的电磁感应达到最佳。为了增强所产生的电磁脉冲能量,弹药內多采用二級或三級“磁通压縮发生器”,如美軍的MK-84炸彈就采用二級式。“非核爆电磁脉冲弹”內除了“磁通压縮发生器”,还有引爆裝置、电池、电源电容組、供电控制器、炸药透鏡平面波发生器、同轴负荷线圈、平衡环等。
    当非核爆电磁脉冲弹药作用时,起动电源电容組先行放電,定子因而产生一个逐渐增强的磁场,当起动电流达到一个峰值时(高达10万安培以上),由“炸药透鏡平面波發生器”起爆炸药,该发生器在炸药中产生的均勻平面爆轰波阵面,在电枢中穿过炸药进行传播。当电枢在爆轰的作用下被扩张成与定子口径相当时,磁场受到快速压縮而产生强烈的电磁脉冲。其电磁脉冲的有效范围当然不能与弱核爆电磁脉冲弹相比,其有效范围只有几米至数百米,但已足以损毀爆炸点附近飞机、舰船、导弹、雷达、通訊系統和武器系統中的电子元件与主件,而使其失去功能。
    总而言之,“弱核爆电磁脉冲弹”和“非核爆电磁脉冲弹”各有所长,各尽其能用。“弱核爆电磁脉冲弹”以攻击大面积和固定目标(如指挥系统、通信設施等),施实战略性打击;“非核爆电磁脉冲弹”用以攻击小面积和活動目标(如飞机、舰船等),施实战术攻击。
4.损毀机制与防护
4.1 损毀机制
4.1.1 电磁脉冲的物理特性
    电磁脉冲的物理特性与其他电磁波相似,其主要区別是电磁脉冲有較大的强度与较宽的頻谱,而大多数电磁波的頻谱很窄或不能连续。电磁脉冲比闪电快50倍,用正常防雷电的方法无法防护电磁脉冲侵袭。电磁脉冲对人和生物沒有杀伤力,只对电力、电子裝备等产生损毀作用。
    暴露在电磁场中的导体能搜集电磁能量,它所吸收的总能量取決於它的物理特性与相对极化的位置。物体愈大,所截取的能量也越大。由于导体在电磁脉冲中所搜集到的是电能,它能通过不同的方式,将大量能量聚集在敏感的電子元件、主机与裝备上,进而产生噪音、错乱、失效或永久性损坏。
4.1.2 电磁脉冲的耦合方式
   电磁脉冲弹药的主要关键是“耦合”,只有耦合到目标上的能量才能产生有效的破坏力。
   电磁脉冲能量耦合到目標上的方式有两种:
   1、前门耦合——通常发生在当电磁脉冲弹药的电磁波能量被耦合到与雷达或通訊裝备相边连接的天线上时,天线分系統可将电磁波能量耦入与耦出這些雷達或通訊裝備,提供通道让电磁波能量流入裝备并造成破坏。
  2、后門耦合——通常透过导线、电源线、屏障不良的构架、具有孔洞的机壳等进入裝備。电磁脉冲弹药爆炸后产生的电磁场先形成強大的瞬间电流,继而电磁场在与裝备相连的电源线或电缆线上形成电驻波。瞬间电流或电驻波攻击與暴露的电源线或电缆线相连的裝备,将破坏毫无防护的电力供应裝备与通信系統。如果瞬间侵入到裝备內部,还可以造成对其他內部裝置的损毀。
4.2 电磁脉冲弹的防护方法
    如同先有了矛再有盾一样,电磁脉冲的打击和防护也是如此。面对当前复杂的国际环境,电磁脉冲武器等新概念武器不断出现。各大国都在致力于对这些电磁脉冲武器防护的研究,我国也是如此。比如,我国各大院所就采用笨重而昂贵的电磁屏蔽、良好设计的滤波器和仔细接地等措施来加以完善保护。
    电磁脉冲的防护在理论上很简单,但实现上却很困难,防护裝置的維护保养就更加重要。专家曾提出两种防护电磁脉冲的主要方法:
    1、是电磁屏蔽。就是利用屏蔽裝置阻止电磁脉冲的穿入,同时在所有穿过屏蔽的导线、电缆与水管上施加防护措施,这样电磁脉冲将不能达到設备內部的的敏感元件、主件。比如很多军事建筑屋顶都是铁皮,侧面墙壁里面也有金属屏蔽层。
    但仅对设备本身加以屏蔽是不夠的,必須对所有的对外通道都加以屏蔽,这样整体屏蔽性能才不致降低。
   2、是設計、製造特殊的线路与元件使其能承受电磁脉冲侵袭,或者当它們感受到电磁脉冲时,能自动切斷电源的措施来阻止电磁脉冲的穿入。
    原則上大多数裝备采用这两种方法复合防护是可行的。特別值得注意的是防护措施中即使有一点不大的失误,就能使价值上千万的防护裝置失灵,因此,还必须其他防护措施加以强化。
    3、是采用光传输代替电传输。比如光纤代替电缆进行数据传输,第四代战斗机使用光传操纵系统代替电传操纵系统。
    4、是内置保护电路。比如原始的电子管比晶体管抗电磁脉冲能力强2个数量级。美国E-4空中指挥所就大量采用电子管,为的就是避免核战争中指挥通讯被核武器释放的电磁脉冲所伤。
    关键是检验与維护。为了确保防护系統的可靠性,唯一的办法就是进行測試,而此項測試既复杂又昂贵。此外,经常維护也是需要的,因这防护裝置的性能会隨裝置阻設时间增加而逐漸降低,另外,能否在战争中避免电磁脉冲弹的袭击,还很难说。因为电磁脉冲能量袭击的时间非常短,很有可能防护措施来不及反应。

 
   

 

 

 


 

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