搜索美軍高功率電磁武器領域近期發展綜述
2016-11-22 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
Oh Wind, if winter comes, can spring be far behind?
——Percy Shelley
電子戰領域內,有三類技術可產生硬殺傷效果:反輻射導彈、高能激光武器、高功率電磁武器。其中,高能激光武器、大功率微波武器通常還被統稱為定向能武器。
大功率微波武器和高能激光武器被統稱為定向能武器(上圖為美國空軍研制的主動拒止系統)
一、暮冬重生 :美軍高功率電磁武器冷遇中艱難起步
盡管同為硬殺傷類電子戰武器,但上述三類技術近年來的發展態勢可謂天壤之別:高能激光武器百花齊放;反輻射導彈炙手可熱;高功率電磁武器系統則僅僅是艱難起步。
(一)美軍高功率電磁武器領域發展遭遇嚴冬
從過去兩年美軍高功率電磁武器領域的發展來看,以“遭遇嚴冬”概之絕不為過:2013年全年幾乎沒有看到美軍在高功率電磁武器領域內取得任何進展,這與高能激光領域如魚得水的發展態勢形成巨大反差;整個2014年,與高功率電磁武器相關的技術、項目發展動態也非常有限。
下列進展是2014年度高功率電磁武器領域慘淡態勢中為數不多的亮點:
2014年6月17日,Diehl公司稱,其在法國巴黎防務展上首次推出了名為“carStop”的新型高功率電磁(HPEM)系統。該系統可集成到各類車輛上,用于攔停逃跑車輛,同時不損傷人員或車輛。
該系統主要利用發射脈沖來破壞車輛發動機電子元件。該系統已在不同生產商的60多輛車輛上進行了成功測試,未來還有望用于對抗快艇、小型空中偵察系統、簡易爆炸裝置。
美國陸軍正在開發一種毫米波固態主動拒止技術(SS-ADT)
2014年8月份的《Microwave & RF》雜志上刊登的一篇文章指出,美陸軍正參與美國防部非致命武器項目,以開發一種毫米波固態主動拒止技術(SS-ADT),該技術采用95 GHz可操縱天線陣列來向人群發射大功率電磁波,以驅散人群。
該頻段電磁波可穿透人體皮膚0.04厘米,并加熱人體的水分子和神經系統,但不會產生永久性傷害。
波音公司反電子高功率微波先進導彈(CHAMP)假想圖
此外,2014年9月,美空軍近期透露,經過五年開發,美空軍反電子高功率微波先進導彈項目(CHAMP)有望于2016年獲得成功并投入使用。屆時,美空軍計劃在一枚AGM-86常規空射巡航導彈上設計、研制并測試一種能針對多個目標、多次發射的高功率微波裝置。
反電子高功率微波先進導彈項目(CHAMP)動畫演示 時長40秒
該實驗室高功率微波武器發展路線圖指出,將在2020年代中期在增程型聯合空對面防區外導彈(JASSM-ER)等武器上集成高功率微波技術,在21世紀20年代末實現在F-35或先進無人機上的應用。
(二)高功率電磁武器領域遭遇嚴冬的原因分析
之所以呈現上述這種狀態,原因大致可歸結為如下幾點:
1.與其它硬殺傷技術手段相比,作戰效能方面劣勢明顯
目前,高功率電磁武器系統的數個關鍵技術尚未突破,很難實現小型化、實戰化
與其它兩種硬殺傷電子戰技術手段相比,高功率電磁武器“先天”劣勢明顯。
反輻射導彈硬殺傷效能明顯、確定,因此,始終是電子戰領域內的“常青樹”。
高能激光武器系統較之傳統武器系統,其優勢明顯:無限次發射(只要電力足夠);光速傳輸,與傳統武器的音速量級相比,激光的傳輸時間可忽略不計;精確攻擊,由于激光幾乎不怎么發散,因此,可精確摧毀目標;功率可調,根據功率從小到大,激光武器可實現致眩、致盲、硬摧毀等不同效能。
高功率電磁武器系統則因為囿于關鍵技術尚未突破(尤其是小型化、大功率微波材料、器件與系統相關技術),因此很難實現小型化、實戰化。
2.基礎理論尚不成熟,導致該領域發展分散、不聚焦
高功率微波武器的基礎理論有待完善
與反輻射導彈、高能激光武器系統不同,高功率電磁武器領域的基礎理論尚沒有成熟到能夠支撐武器化的程度。
高功率電磁武器基礎理論的形成時間可追溯到20世紀50年代初,當時的研究主要關注電磁脈沖能量的產生與轉化。
1961年,前蘇聯在新地島進行的一次空中核爆實驗導致了阿拉斯加和格陵蘭島預警雷達失效、4000公里范圍內的無線通信失靈達24小時之久。后續研究表明,此次事件主要由核爆能量中的電磁脈沖引起。該事件以后,引發了學術界研究電磁脈沖基礎理論的熱潮,此時的研究重點擴展到了電磁脈沖的產生、釋放(輻射)、影響等各個環節。
然而,盡管起步很早,但由于高功率電磁武器的“核心力量來源”電磁脈沖具備一些相對難以控制的特點,因此該領域的基礎理論方面的研究還在繼續,而基礎理論的不完備也導致該領域始終難以在實戰應用方面取得突破性進展。電磁脈沖的這些特點主要包括:
全向輻射、穿透性強(不受地形、掩體限制)、覆蓋范圍廣,影響范圍難控制;
短時間(納秒量級)內釋放巨大能量(電場強度可達數萬伏每米的量級),破壞性難控制;
頻率覆蓋范圍廣(數十MHz到數GHz,常規通信頻段均位于該范圍),附帶損傷、誤傷難控制。
3.作戰效能評估手段、技術缺乏,導致武器化程度不高
高功率電磁脈沖武器作戰效能評估手段、技術缺乏,導致武器化程度不高
高功率電磁脈沖武器的作戰效能的作用方式主要包括“前門”耦合和“后門”耦合兩種:前者指的是是指直接通過天線耦合進電子設備,后者指的是通過屏蔽不完善的導線、小孔或縫隙等進入電子設備。無論是“前門”耦合還是“后門”耦合,作用機理都基于高功率電磁脈沖對目標裝備中的元器件和設備的電場擊穿效應和熱效應。
盡管高功率電磁武器的作用機理很清晰,但其針對不同目標或同一目標的不同層級(系統級、子系統級、元件級等)時所產生的具體效能(即“易感性”),尚缺乏定量性數值分析,也缺乏相關的具體數學模型。
效能評估手段的缺乏直接導致高功率電磁脈沖領域的武器化程度不高,難以滿足實際作戰需求。
4.作戰使用方式尚待探索,導致軍方無所適從
高功率電磁武器作戰使用方式尚待探索
上述諸多方面的不確定性、不完備性導致高功率電磁武器系統的應用方式存在很大的不確定性,這讓軍方在使用這類武器方面顯得無所適從。這也導致了軍方在規劃、開發高功率電磁武器時,總是雷聲大雨點小、高舉輕放、實質性投資很少,難有實質性進展。
二、春之希望 :美空軍高調研發一系列高功率電磁技術
正如雪萊《西風頌》中那經典的詩句,數年慘淡的嚴冬后,2015年的春天,晨光熹微。
作為美國三軍中高功率電磁武器領域的領軍者,美國空軍終于在2015年春天向嚴冬發起了最強有力的挑戰——2015年1~5月間,美空軍研究實驗室(AFRL)定向能理事會陸續發布了一系列高功率電磁武器領域相關項目的廣泛機構公告(BAA),以尋求充分利用美空軍在該領域技術積累,鞏固其在該領域的優勢地位,進而全面提升美國空軍乃至美國所有武裝力量在該領域的能力。
2015年1~5月間,美空軍研究實驗室(AFRL)定向能理事會陸續發布了一系列高功率電磁武器領域相關項目的廣泛機構公告(BAA)
與以往零星發布的廣泛機構公告不同,美國空軍此次發布的一系列公告非常有針對性且自成體系。
(一)頂層設計:高功率電磁研究項目(RDH-1)
2015年5月5日,美國空軍研究實驗室發布了高功率電磁研究項目(RDH-1)預招標書,從頂層設計方面對美空軍高功率電磁領域的發展重點進行了系統闡述。
高功率電磁研究項目(RDH-1)預招標書內容可參見:https://www.fbo.gov/spg/USAF/AFMC/AFRLPLDED/BAA-RVKD-2014-0003/listing.html
該項目主要研究如下6方面內容:
高功率電磁轉化
主要工作是研究、分析、開發那些能夠支撐高功率電磁系統、部件、信息等方面技術轉化的方法。例如,將高功率電磁技術集成到具體武器平臺中的具體方法。
高功率電磁在賽博戰/電子戰領域的應用(HPEM CEWA)。主要工作是確定、開發有可能提升賽博戰、電子戰效能的高功率電磁技術。其中包括高功率電磁技術在賽博戰或電子戰領域內的具體應用方式。
高功率電磁效能
主要工作是收集、分析高功率電磁武器攻擊各類電子設備時產生的經驗效能數據,并研究高功率電磁武器在設備級、電路級、系統級層面產生效能的機理。并根據經驗數據、效能產生機理來開發效能預測模型與工具。
電磁武器技術
主要工作是調查、開發并最終轉化新型高功率電磁武器概念、高功率電磁材料與部件、緊湊型脈沖功率拓撲。具體研究內容包括緊湊型可重復脈沖功率拓撲、高能粒子束及其作用機理、超短脈沖激光(USPL)生成強/弱等離子區的機理、利用高能電磁產生各類等離子區的機理、先進高功率微波材料功率源等。
數值仿真
主要研究:新一代粒子模擬(PIC)工具;基于量子力學和密度泛函原理(DFT)進行第一性原理材料建模,提升高功率電磁系統內部件的性能。
下一代高功率電磁系統
主要開發滿足具體平臺、能力需求的高功率電磁系統功率源、寬帶高功率放大器、可調諧高功率振蕩器、寬帶天線等。
(二)武器化研究:電磁武器技術(EMWT)
2015年1月23日,美國空軍研究實驗室發布了電磁武器技術(EMWT)信息征集書,該項目主要目標是尋求高功率電磁技術的武器化,重點關注那些有助于直接用于、或有望支撐高功率電磁技術武器化的領域。
電磁武器技術(EMWT)信息征集書內容可參見:https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=d1c2dad24ccc6cb9fef948de6a8f9843&tab=core&_cview=1
該項目主要研究如下5方面內容:
可重復脈沖功率
旨在研究并提升緊湊型脈沖功率技術,以驅動如下高功率電磁源:Marx bank發生器、脈沖成形網絡、脈沖成形線、直線變壓器驅動源、混合脈沖源、非線性傳輸線、固態/氣態開關脈沖源、相關電磁源材料等。
超短脈沖激光(USPL)
旨在研究:短波到中波紅外頻段USPL激光源高級概念,其激光脈寬最小可達飛秒(10-15秒)量級、瞬時功率最高可達拍瓦(1015瓦)量級;USPL效應試驗,包括應用于導體/半導體/絕緣體材料、系統、子系統時的效應;USPL產生的激光尾場加速器(LWA)試驗。
毫米波對高溫材料的影響
旨在研究毫米波輻射對高溫材料的作用機理,以開發可用于無線能量傳輸(power beaming)的材料,衡量這類材料的主要性能指標是高達30兆瓦每平方米(自由空間)的連續波或準連續波毫米波功率密度。
高功率微波驅動型等離子區
旨在研究利用高功率微波或高功率毫米波波束來生成并保持低壓(1個大氣壓以內)等離子區的基本原理,該等離子區應能夠存在5秒以上,微波波束功率應達到數千瓦。
高能粒子束(HEPB)對電子系統的影響
主要研究高能粒子束輻射對電子系統或電子元件的影響。首先將對傳統粒子加速器以及諸如激光尾場加速器、等離子尾場加速器等新型粒子加速器進行建模與仿真,然后在此基礎上測試高能粒子束對電子系統的影響。
(三)效能評估研究:實驗室用高功率微波技術與電磁易感性(HPMTESLA)
美國空軍研究實驗室從2010年至今一直在研究實驗室用高功率微波技術與電磁易感性(HPMTESLA,代號RD-03)項目,借著此次美國空軍整合高功率電磁武器領域相關項目的契機,正嘗試逐步融入美空軍這種新的高功率電磁武器研究體系。該項目的主要目標是評估高功率電磁武器、技術的作戰效能,包括高功率電磁攻擊效能以及防御高功率電磁攻擊的防護效能等方面。
實驗室用高功率微波技術與電磁易感性(HPMTESLA,代號RD-03)項目內容可參見:https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=8caec8237ed592602a0af10918e37369&tab=core&_cview=1
該項目主要研究如下5方面內容:
易感性試驗
即,測量高功率電磁武器攻擊地基電子系統、子系統、元件時所產生的效果,以提供所需的感應性效能數據(包括目標恢復時間數據),進而對攻擊同類目標所產生的效能進行預測。承包商應開發出能有效衡量高功率微波/高功率電磁(HPM/HPEM)攻擊效能的方法。
建模仿真與分析
開發與高功率微波/高功率電磁效能測試相關的理論、方法、計算工具,并借助開發出的工具來構建高功率電磁交戰模型。具體研究:
開發能夠精確、高效地分析高功率電磁攻擊針對不同目標所產生效能的工具與方法,這些目標包括空基和地基電子系統及其子系統。分析得出的經驗效能數據可用來在攻擊效能和攻擊波形參數之間建立關聯,即,將攻擊效能表示為攻擊波形參數(頻率、功率密度、脈沖波形、脈沖重復頻率)的函數。
對于目標電子系統的特定部分,深入研究其在遭受高功率電磁攻擊時的電磁響應,以得出精確的電磁響應描述;對于目標電子系統的其它部分,則通過逼近、統計等方法來得到有參考價值的電磁響應結果。
基于目標電子系統的系統構成、子系統分布情況、系統體系結構來預測其遭受高功率電磁攻擊時的效果。
高功率電磁攻擊緩解技術
對那些易受高強度電磁場攻擊的電子系統/子系統進行數值分析和實驗分析,以確定最適合特定系統/子系統的高功率電磁攻擊緩解與防護的方法與級別。此外,還要對緩解與防護方法所帶來的經濟、技術、時間成本進行評估。
高功率微波/高功率電磁功率源技術實驗室研究
根據高功率微波/高功率電磁場作用效能開發有助于提升高功率微波/高功率電磁功率源能力的理論與實驗分析方法。功率源所涉及的頻段覆蓋了從射頻到伽馬射線(1018~1022 Hz)的所有頻段,主要分析這些功率源對空中帶電粒子目標、固態目標的作用機理。
高功率電磁與加速粒子計算物理學和軟件開發
旨在實現如下目標:模擬、設計最新的功率輻射源、輻射器;研究高功率電磁與加速粒子攻擊的物理機理;跟上定向能功率源領域的高速發展。
(四)實戰應用研究:高功率電磁交戰建模與驗證
2015年5月6日美國空軍研究實驗室發布了高功率電磁交戰建模與驗證方案征集書。
高功率電磁交戰建模與驗證方案征集書內容可參見:https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=17459c910f917fcd7c66be4f4d45ff88&tab=core&_cview=0
該項目是實驗室用高功率微波技術與電磁易感性(HPMTESLA)項目的一個子項目,旨在開發并驗證一種用于高功率電磁領域和賽博領域的能力更加強大的交戰建模工具(engagement modeling tool),以克服當前所用的聯合射頻效能模型(JREM)存在的兩方面不足之處:
其一,根據經驗定義的效能概率(Pe)曲線(該曲線源自電子目標效能數據)與從目標子系統實際測得的功率密度(PD)之間缺乏嚴格的關聯性。
其二,缺乏恰當的目標恢復時間模型,所謂“目標恢復時間”指的是被攻擊的電子系統或子系統在遭受高功率電磁攻擊后恢復到正常狀態所需要的時間。
為解決上述兩方面問題,根據實驗室用高功率微波技術與電磁易感性(HPMTESLA)項目的總體要求,該子項目主要對HPMTESLA項目的如下幾個領域進行部分研究:易感性試驗、建模仿真與分析、高功率電磁與加速粒子計算物理學和軟件開發。
(五)作戰應用擴展研究:用于賽博-電子戰的高功率電磁(HPEM CEWA)
2015年2月4日,美國空軍研究實驗室發布了用于賽博-電子戰的高功率電磁(HPEM CEWA)信息征集書。
用于賽博-電子戰的高功率電磁(HPEM CEWA)信息征集書內容可參見:https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=3d2ac83ddae70df1923dbb4aa7d83885&tab=core&_cview=1
該項目主要研究高功率電磁技術如何支持、提升軍事賽博作戰、電子戰任務,致力于研究出高功率電磁技術在賽博作戰或電子戰領域的典型應用場景,并開展相關試驗與演示驗證。該項目體現出了美國空軍在高功率電磁武器領域作戰使用方面的擴展性研究。
此外,該項目還研究通過無線路由器等無線設備“前門”耦合(如,通過天線注入能量)以外的創新攻擊理念。
編后語:“本文副標題引用自《Percy Bysshe Shelleyselected poems》”;“本文的兩個一級標題引用了美國作家史蒂芬·金1982年出版的《四季》中兩篇小說的標題。《四季》是由四篇獨立的小說構成的中長篇小說集,這4部小說分別是:《春之希望——肖申克的救贖》、《夏日沉淪——納粹高徒》、《不再純真的秋天——尸體》、《暮冬重生——呼吸、呼吸》。”——作者 中國電科張春磊。以人文的視角照進工程現實,讓冷冰冰的“高功率電磁武器領域”頗添幾分色彩,感謝中國電科張春磊賜稿支持,向作者致敬!
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