(解放軍91404部隊(duì) 秦皇島 066001)
隨著新技術(shù)不斷投入戰(zhàn)場使用,以高功率微波、電磁炸彈等為代表的新概念武器,能產(chǎn)生極具破壞性的電磁效應(yīng),通過傳感器天線前門耦合、電器接口后門耦合等方式,對(duì)電子信息武器裝備造成不可逆毀傷。目前,電子戰(zhàn)裝備主要以完成偵察支援、有源/無源干擾等任務(wù)為關(guān)注重點(diǎn),但隨著強(qiáng)電磁脈沖武器的迅猛發(fā)展,電子對(duì)抗裝備基于外部他擾的高威脅電磁輻射防護(hù)要求日益凸顯,如何客觀評(píng)價(jià)雷達(dá)對(duì)抗裝備電磁防護(hù)能力變得更加迫切。
高功率微波武器(HPMW)是一種發(fā)射高功率微波(HPM),直接殺傷、破壞或使目標(biāo)喪失作戰(zhàn)能力的新概念武器[1]。高功率微波武器工作范圍在30MHz~300GHz之間,功率大于100MW,主要利用強(qiáng)大能量以電磁波的形式對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)甚至電力系統(tǒng)等設(shè)施進(jìn)行破壞,從而癱瘓整個(gè)指揮、通訊、情報(bào)系統(tǒng)。
高功率微波武器既能夠?qū)﹄娮有畔⒀b備產(chǎn)生毀傷,同時(shí)也對(duì)作戰(zhàn)人員產(chǎn)生一定傷害,具備“軟”、“硬”殺傷能力[2~3]。
高功率微波武器對(duì)電子武器裝備毀傷機(jī)理主要包括電效應(yīng)和熱效應(yīng)。電效應(yīng)是在傳感器前段通過“前門”耦合,大功率信號(hào)對(duì)抗燒毀模塊進(jìn)行沖擊形成損傷,同時(shí)也會(huì)通過電纜、電連接器等“后門”耦合,在金屬表面和導(dǎo)線產(chǎn)生表面電流,并在終端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生電壓,使電子設(shè)備出現(xiàn)假信號(hào)或造成電擊穿。熱效應(yīng)是電子武器裝備表面吸收微波能量,引起過量發(fā)熱,使電子設(shè)備失效或使武器表面的物理形狀變形,甚至直接燒毀[4]。
高功率微波武器對(duì)人員毀傷機(jī)理主要包括熱效應(yīng)和病效應(yīng)。熱效應(yīng)是人體受到微波輻射后,全身或局部組織受熱導(dǎo)致溫度升高,可致皮膚或內(nèi)部組織嚴(yán)重?zé)齻?,甚至死亡。病效?yīng)是人體受到一定強(qiáng)度微波輻射后,中樞神經(jīng)系統(tǒng)及心血管等系統(tǒng)受到影響,產(chǎn)生神經(jīng)錯(cuò)亂、記憶力衰退、行為錯(cuò)誤,甚至致盲、致聾或心肺功能衰竭[5]。
在不同功率密度條件下形成的毀傷效應(yīng)見表1。
表1 不同功率密度條件下的毀傷效應(yīng)
高功率微波武器作戰(zhàn)平臺(tái)主要有三種形式,分別是陸基式、海基式和空基式。陸基、?;饕苑雷o(hù)為主,以車輛、艦船為平臺(tái),用來保護(hù)指揮中心、重要基地、機(jī)場和艦船等目標(biāo)??栈街饕且赃M(jìn)攻為主,以飛機(jī)、導(dǎo)彈為平臺(tái),攻擊空中、陸地和海上目標(biāo)[6]。
1)陸基高功率微波武器
陸基高功率微波武器安裝在地面固定設(shè)施或移動(dòng)車輛上,主要用于攻擊飛機(jī)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、裝甲車輛等,通過對(duì)目標(biāo)定位和跟蹤,發(fā)射高功率微波束進(jìn)行照射,具有極強(qiáng)的毀傷能力,一般可重復(fù)使用。如美國Phaser高功率微波武器系統(tǒng)能夠擊落無人機(jī)蜂群,還能摧毀目標(biāo)范圍內(nèi)的汽車、坦克、直升機(jī)及其他電子設(shè)備。俄羅斯研制的Krasukha-2車載高功率微波干擾系統(tǒng),可在上百千米外對(duì)預(yù)警機(jī)實(shí)施干擾,Krasukha-4是最新的陸基電子壓制和防護(hù)系統(tǒng),能夠?qū)箲?zhàn)場監(jiān)視機(jī)、無人偵察機(jī)以及偵察衛(wèi)星等。
還有一種微波武器是主動(dòng)拒止系統(tǒng)(ADS),功率較低,一般作為非致命武器用于反恐行動(dòng)。它發(fā)出的微波被人吸收后,會(huì)導(dǎo)致人體皮膚的生物反應(yīng)和非致命疼痛。美軍目前將“無聲衛(wèi)士”系統(tǒng)和“警惕鷹”系統(tǒng)一起組成探測網(wǎng),可用來作為機(jī)場或港口機(jī)動(dòng)的遠(yuǎn)程防御[7~9]。
2)?;吖β饰⒉ㄎ淦?/p>
?;吖β饰⒉ㄎ淦饕运媾炌?、潛艇和艦載機(jī)等海軍裝備為發(fā)射平臺(tái),主要有艦載式和彈載式。艦載式主要裝備在艦船固定設(shè)施上,具有功率高、天線大和作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),對(duì)來襲目標(biāo)可以保證比較高的殺傷概率,主要用來裝備自身的防護(hù)。彈載式主要依托艦船等裝備而發(fā)射的高功率微波彈,具有作用距離遠(yuǎn)、作戰(zhàn)靈活等優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)罩幸δ繕?biāo),甚至地面重要目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程打擊,是一種典型的攻防兼?zhèn)湫蜌⑹诛滴淦鳌?/p>
美國海軍已經(jīng)在提康德羅加級(jí)導(dǎo)彈巡洋艦上開展了多次微波武器系統(tǒng)試驗(yàn),并可利用艦載雷達(dá)天線發(fā)射高微波能量,對(duì)其改裝后,可作為?;吖β饰⒉ㄎ淦鞯陌l(fā)射系統(tǒng),以殺傷電子設(shè)備。
3)空基高功率微波武器
空基高功率微波武器以作戰(zhàn)飛機(jī)、無人機(jī)及導(dǎo)彈等空中飛行器為發(fā)射平臺(tái),具有高機(jī)動(dòng)性、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離作戰(zhàn)、效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn),一般分為機(jī)載式和彈載式。機(jī)載式能夠?qū)罩小⒌孛婕昂C婺繕?biāo)實(shí)施攻擊,主要應(yīng)用飛機(jī)的近距自衛(wèi)、無人作戰(zhàn)飛機(jī)、機(jī)載遠(yuǎn)距離干擾武器以及聯(lián)合戰(zhàn)機(jī)的超視距攻擊等。彈載式是通過在炸彈或?qū)棏?zhàn)斗部上加裝高功率微波發(fā)射系統(tǒng),將炸藥爆炸的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電磁能,再由微波器件和天線向目標(biāo)輻射高能微波,以擊穿或燒毀目標(biāo)中的敏感電子器件。以導(dǎo)彈為微波發(fā)射平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了高機(jī)動(dòng)性,拓展了作戰(zhàn)范圍,能夠?qū)﹃?、海、空等目?biāo)實(shí)施遠(yuǎn)程精確打擊。
美國空軍啟動(dòng)一個(gè)聯(lián)合能力技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目-反電子設(shè)備高功率微波先進(jìn)導(dǎo)彈項(xiàng)目(CHAMP),將高功率微波武器系統(tǒng)配裝在巡航導(dǎo)彈上,甚至無人機(jī)和第五代戰(zhàn)機(jī),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陸地目標(biāo)的全頻譜干擾覆蓋及毀傷打擊,能夠破壞艦船上的大量電子設(shè)備,從而大大降低其戰(zhàn)斗效能,并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空中目標(biāo)的超視距干擾和攻擊。
高功率微波武器對(duì)雷達(dá)對(duì)抗裝備的影響主要有兩種方式:前門耦合和后門耦合。前門藕合通過天線前端進(jìn)人,主要?dú)薹鞯瓤篃龤K;后門藕合則是通過一些端口、電纜等饋入,主要對(duì)電子器件、電路板、存儲(chǔ)介質(zhì)等產(chǎn)生損傷。
當(dāng)雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)遭受高功率微波武器攻擊時(shí),因?yàn)閭刹煜到y(tǒng)需要接收電磁波,因而“前門”始終是敞開的,電磁脈沖通過天線饋入,一般傳感器后端都有抗燒毀模塊,高微波能量首先對(duì)限幅器產(chǎn)生沖擊。如果脈沖功率突破限幅器等保護(hù)器件防護(hù)閾值,就會(huì)造成器件損毀。因此,對(duì)雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)的損傷程度與進(jìn)入傳感器的能量以及防護(hù)器件本身的易損性有關(guān)。
在高功率微波武器發(fā)射的有效功率確定的情況下,進(jìn)入雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)的能量與兩者之間的距離以及天線增益等因素有關(guān):
式中:Pl為雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)接收前端的功率;Gl為雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)接收天線增益;Pj為高功率微波武器發(fā)射機(jī)功率;Gj為高功率微波武器發(fā)射機(jī)天線增益;R為高功率微波武器與雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)之間距離;λ為波長。
假設(shè)高功率微波武器功率1GW,X波段,雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)接收機(jī)天線增益17dBi,可以推算出高功率微波武器在不同距離上形成的功率密度,以及接收機(jī)抗燒毀模塊所承受的脈沖功率值,具體見表2。
高功率微波輻射也會(huì)通過穿透設(shè)備的各種縫隙、孔洞或電纜接口等“后門”耦合方式進(jìn)入雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)內(nèi)部。當(dāng)耦合的功率值足夠大時(shí),會(huì)對(duì)設(shè)備電子元器件、集成電路、存儲(chǔ)介質(zhì)等造成噪聲干擾、高壓擊穿和器件燒毀。不同的電子設(shè)備因其耐壓值的不同有不同的毀傷閾值,“后門”耦合的功率能量很難直接進(jìn)行量化,一般需要通過試驗(yàn)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。
表2 高功率微波武器在不同距離處形成的功率密度
通過“前門耦合”和“后門耦合”進(jìn)入雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)的高功率微波能量按其影響效應(yīng)大小大致分為三個(gè)等級(jí):第一級(jí),相當(dāng)于超級(jí)干擾系統(tǒng),高于當(dāng)前戰(zhàn)場上普遍使用的干擾系統(tǒng)功率,能夠形成壓制干擾;第二級(jí),能夠破壞系統(tǒng)中的電子元器件;第三級(jí),能夠?qū)δ繕?biāo)加熱形成毀傷[10]。
雷達(dá)對(duì)抗裝備單系統(tǒng)電磁防護(hù)試驗(yàn),從考核內(nèi)容上分為兩個(gè)層面,一個(gè)是“前門”抗燒毀能力,按指標(biāo)進(jìn)行考核;另一個(gè)是“后門”抗感應(yīng)能力,按效果進(jìn)行考核。從考核形式以上可以分為內(nèi)場仿真試驗(yàn)和外場動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。
內(nèi)場仿真試驗(yàn)一般在微波暗室內(nèi)進(jìn)行,利用高功率微波源形成相應(yīng)強(qiáng)度的高功率脈沖微波,檢驗(yàn)雷達(dá)對(duì)抗裝備抗燒毀能力和防電磁感應(yīng)能力。
具體設(shè)備布設(shè)情況見圖1。
圖1 微波暗室設(shè)備布設(shè)圖
在進(jìn)行脈沖功率強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)未來作戰(zhàn)樣式需求進(jìn)行量化。想定敵人采用巡航導(dǎo)彈方式在距離雷達(dá)偵察裝備50m~1000m處爆炸形成高功率電磁脈沖,功率1GW,則在偵察天線口面形成的功率密度為8mW/cm2~3W/cm2。要想考核雷達(dá)對(duì)抗裝備電磁防護(hù)能力,就要利用微波信號(hào)源通過功率放大器生成相應(yīng)的功率密度。
在考核電磁防護(hù)能力時(shí),通過“前門”耦合的脈沖功率能量,主要反應(yīng)在天線前端限幅器的抗燒毀能力,通常情況下通過到達(dá)偵察天線口面的脈沖功率值來反映,一般不直接采用功率密度。微波信號(hào)源在偵察機(jī)天線口面形成的功率密度和功率之間的的轉(zhuǎn)換關(guān)系見表3。
表3 微波信號(hào)源形成的功率密度與功率轉(zhuǎn)換關(guān)系
在內(nèi)場仿真進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),需要重點(diǎn)關(guān)注幾個(gè)要素環(huán)節(jié):
1)輻射脈沖功率值需要逐步增加,以防設(shè)備器件突然大面積毀傷;
2)在偵察天線口面需要加裝監(jiān)測設(shè)備,用于監(jiān)測脈沖功率;
3)設(shè)備機(jī)柜需要安置于屏蔽艙或電磁隔離空間內(nèi),以防電磁脈沖直接輻射;
4)測試時(shí),轉(zhuǎn)臺(tái)需要360°轉(zhuǎn)動(dòng),以便全方位檢測;
5)效果評(píng)估時(shí),既要檢查限幅器抗燒毀情況,也要檢查機(jī)柜內(nèi)部器件損毀情況。
外場動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在海上實(shí)際環(huán)境下進(jìn)行,微波信號(hào)源需要高功率微波模擬設(shè)備架設(shè)在保障艦船上,通過空間輻射的方式進(jìn)行。由于電子對(duì)抗裝備安裝在實(shí)際艦艇上,在全艦電磁防護(hù)下,電子對(duì)抗裝備的“后門”耦合效應(yīng)更加接近實(shí)際。
在外場試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),需要重點(diǎn)關(guān)注以下環(huán)節(jié):
1)高功率微波模擬設(shè)備進(jìn)行大功率脈沖輻射時(shí),功率需要可控并逐步遞增;
2)艦船上人員需要進(jìn)行防護(hù),以免遭受輻射危害;
3)艦船上測量保障電子設(shè)備需要考慮防護(hù)措施,以免影響數(shù)據(jù)測試記錄。
通過內(nèi)場仿真試驗(yàn)和外場動(dòng)態(tài)試驗(yàn),基本可以摸清雷達(dá)對(duì)抗裝備抗電磁輻射能力,同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以指導(dǎo)修訂完善裝備指標(biāo)論證[11]。
未來戰(zhàn)場上高功率微波武器的使用已引起各國強(qiáng)烈關(guān)注[12],面對(duì)高功率微波武器的威脅,摸清雷達(dá)對(duì)抗裝備的電磁防護(hù)能力底數(shù)是目前我們急需解決的問題。只有在深入關(guān)注高功率微波武器發(fā)展的同時(shí)做好電子武器裝備的電磁防護(hù)工作,才能提前做好預(yù)防工作,才能在未來戰(zhàn)爭中掌握主動(dòng)權(quán)。本文介紹的雷達(dá)對(duì)抗裝備電磁防護(hù)能力試驗(yàn),對(duì)其他電子設(shè)備的電磁防護(hù)能力驗(yàn)證也具有普遍的借鑒應(yīng)用價(jià)值。