美军高功率电磁武器领域近期发展综述

2016-11-22  by:CAE仿真在线  来源:互联网

Oh Wind, if winter comes, can spring be far behind?

——Percy Shelley

电子战领域内,有三类技术可产生硬杀伤效果:反辐射导弹、高能激光武器、高功率电磁武器。其中,高能激光武器、大功率微波武器通常还被统称为定向能武器。

大功率微波武器和高能激光武器被统称为定向能武器(上图为美国空军研制的主动拒止系统)

一、暮冬重生 :美军高功率电磁武器冷遇中艰难起步

尽管同为硬杀伤类电子战武器,但上述三类技术近年来的发展态势可谓天壤之别:高能激光武器百花齐放;反辐射导弹炙手可热;高功率电磁武器系统则仅仅是艰难起步。

(一)美军高功率电磁武器领域发展遭遇严冬

从过去两年美军高功率电磁武器领域的发展来看,以“遭遇严冬”概之绝不为过:2013年全年几乎没有看到美军在高功率电磁武器领域内取得任何进展,这与高能激光领域如鱼得水的发展态势形成巨大反差;整个2014年,与高功率电磁武器相关的技术、项目发展动态也非常有限。

下列进展是2014年度高功率电磁武器领域惨淡态势中为数不多的亮点:

Diehl推出新型高功率电磁(HPEM)系统“carStop”

2014年6月17日,Diehl公司称,其在法国巴黎防务展上首次推出了名为“carStop”的新型高功率电磁(HPEM)系统。该系统可集成到各类车辆上,用于拦停逃跑车辆,同时不损伤人员或车辆。

北约对“carStop”新型高功率电磁(HPEM)系统进行测试 时长6分11秒

该系统主要利用发射脉冲来破坏车辆发动机电子元件。该系统已在不同生产商的60多辆车辆上进行了成功测试,未来还有望用于对抗快艇、小型空中侦察系统、简易爆炸装置。

2014年8月份的《Microwave & RF》杂志上刊登的一篇文章指出,美陆军正参与美国防部非致命武器项目,以开发一种毫米波固态主动拒止技术(SS-ADT),该技术采用95 GHz可操纵天线阵列来向人群发射大功率电磁波,以驱散人群。

毫米波固态主动拒止技术(SS-ADT)毁伤机理动画演示 时长1分59秒

该频段电磁波可穿透人体皮肤0.04厘米,并加热人体的水分子和神经系统,但不会产生永久性伤害。

此外,2014年9月,美空军近期透露,经过五年开发,美空军反电子高功率微波先进导弹项目(CHAMP)有望于2016年获得成功并投入使用。届时,美空军计划在一枚AGM-86常规空射巡航导弹上设计、研制并测试一种能针对多个目标、多次发射的高功率微波装置。

该实验室高功率微波武器发展路线图指出,将在2020年代中期在增程型联合空对面防区外导弹(JASSM-ER)等武器上集成高功率微波技术,在21世纪20年代末实现在F-35或先进无人机上的应用。

(二)高功率电磁武器领域遭遇严冬的原因分析

之所以呈现上述这种状态,原因大致可归结为如下几点:

1.与其它硬杀伤技术手段相比,作战效能方面劣势明显

目前,高功率电磁武器系统的数个关键技术尚未突破,很难实现小型化、实战化

与其它两种硬杀伤电子战技术手段相比,高功率电磁武器“先天”劣势明显。

反辐射导弹硬杀伤效能明显、确定,因此,始终是电子战领域内的“常青树”。

高能激光武器系统较之传统武器系统,其优势明显:无限次发射(只要电力足够);光速传输,与传统武器的音速量级相比,激光的传输时间可忽略不计;精确攻击,由于激光几乎不怎么发散,因此,可精确摧毁目标;功率可调,根据功率从小到大,激光武器可实现致眩、致盲、硬摧毁等不同效能。

高功率电磁武器系统则因为囿于关键技术尚未突破(尤其是小型化、大功率微波材料、器件与系统相关技术),因此很难实现小型化、实战化。

2.基础理论尚不成熟,导致该领域发展分散、不聚焦

与反辐射导弹、高能激光武器系统不同,高功率电磁武器领域的基础理论尚没有成熟到能够支撑武器化的程度。

高功率电磁武器基础理论的形成时间可追溯到20世纪50年代初,当时的研究主要关注电磁脉冲能量的产生与转化。

1961年,前苏联在新地岛进行的一次空中核爆实验导致了阿拉斯加和格陵兰岛预警雷达失效、4000公里范围内的无线通信失灵达24小时之久。后续研究表明,此次事件主要由核爆能量中的电磁脉冲引起。该事件以后,引发了学术界研究电磁脉冲基础理论的热潮,此时的研究重点扩展到了电磁脉冲的产生、释放(辐射)、影响等各个环节。

然而,尽管起步很早,但由于高功率电磁武器的“核心力量来源”电磁脉冲具备一些相对难以控制的特点,因此该领域的基础理论方面的研究还在继续,而基础理论的不完备也导致该领域始终难以在实战应用方面取得突破性进展。电磁脉冲的这些特点主要包括:

全向辐射、穿透性强(不受地形、掩体限制)、覆盖范围广,影响范围难控制;

短时间(纳秒量级)内释放巨大能量(电场强度可达数万伏每米的量级),破坏性难控制;

频率覆盖范围广(数十MHz到数GHz,常规通信频段均位于该范围),附带损伤、误伤难控制。

3.作战效能评估手段、技术缺乏,导致武器化程度不高

高功率电磁脉冲武器作战效能评估手段、技术缺乏,导致武器化程度不高

高功率电磁脉冲武器的作战效能的作用方式主要包括“前门”耦合和“后门”耦合两种:前者指的是是指直接通过天线耦合进电子设备,后者指的是通过屏蔽不完善的导线、小孔或缝隙等进入电子设备。无论是“前门”耦合还是“后门”耦合,作用机理都基于高功率电磁脉冲对目标装备中的元器件和设备的电场击穿效应和热效应。

尽管高功率电磁武器的作用机理很清晰,但其针对不同目标或同一目标的不同层级(系统级、子系统级、元件级等)时所产生的具体效能(即“易感性”),尚缺乏定量性数值分析,也缺乏相关的具体数学模型。

效能评估手段的缺乏直接导致高功率电磁脉冲领域的武器化程度不高,难以满足实际作战需求。

4.作战使用方式尚待探索,导致军方无所适从

上述诸多方面的不确定性、不完备性导致高功率电磁武器系统的应用方式存在很大的不确定性,这让军方在使用这类武器方面显得无所适从。这也导致了军方在规划、开发高功率电磁武器时,总是雷声大雨点小、高举轻放、实质性投资很少,难有实质性进展。

二、春之希望 :美空军高调研发一系列高功率电磁技术

正如雪莱《西风颂》中那经典的诗句,数年惨淡的严冬后,2015年的春天,晨光熹微。

作为美国三军中高功率电磁武器领域的领军者,美国空军终于在2015年春天向严冬发起了最强有力的挑战——2015年1~5月间,美空军研究实验室(AFRL)定向能理事会陆续发布了一系列高功率电磁武器领域相关项目的广泛机构公告(BAA),以寻求充分利用美空军在该领域技术积累,巩固其在该领域的优势地位,进而全面提升美国空军乃至美国所有武装力量在该领域的能力。

2015年1~5月间,美空军研究实验室(AFRL)定向能理事会陆续发布了一系列高功率电磁武器领域相关项目的广泛机构公告(BAA)

与以往零星发布的广泛机构公告不同,美国空军此次发布的一系列公告非常有针对性且自成体系。

(一)顶层设计:高功率电磁研究项目(RDH-1)

2015年5月5日,美国空军研究实验室发布了高功率电磁研究项目(RDH-1)预招标书,从顶层设计方面对美空军高功率电磁领域的发展重点进行了系统阐述。

高功率电磁研究项目(RDH-1)预招标书内容可参见:https://www.fbo.gov/spg/USAF/AFMC/AFRLPLDED/BAA-RVKD-2014-0003/listing.html

该项目主要研究如下6方面内容:

高功率电磁转化

主要工作是研究、分析、开发那些能够支撑高功率电磁系统、部件、信息等方面技术转化的方法。例如,将高功率电磁技术集成到具体武器平台中的具体方法。

高功率电磁在赛博战/电子战领域的应用(HPEM CEWA)。主要工作是确定、开发有可能提升赛博战、电子战效能的高功率电磁技术。其中包括高功率电磁技术在赛博战或电子战领域内的具体应用方式。

高功率电磁效能

主要工作是收集、分析高功率电磁武器攻击各类电子设备时产生的经验效能数据,并研究高功率电磁武器在设备级、电路级、系统级层面产生效能的机理。并根据经验数据、效能产生机理来开发效能预测模型与工具。

电磁武器技术

主要工作是调查、开发并最终转化新型高功率电磁武器概念、高功率电磁材料与部件、紧凑型脉冲功率拓扑。具体研究内容包括紧凑型可重复脉冲功率拓扑、高能粒子束及其作用机理、超短脉冲激光(USPL)生成强/弱等离子区的机理、利用高能电磁产生各类等离子区的机理、先进高功率微波材料功率源等。

数值仿真

主要研究:新一代粒子模拟(PIC)工具;基于量子力学和密度泛函原理(DFT)进行第一性原理材料建模,提升高功率电磁系统内部件的性能。

下一代高功率电磁系统

主要开发满足具体平台、能力需求的高功率电磁系统功率源、宽带高功率放大器、可调谐高功率振荡器、宽带天线等。

(二)武器化研究:电磁武器技术(EMWT)

2015年1月23日,美国空军研究实验室发布了电磁武器技术(EMWT)信息征集书,该项目主要目标是寻求高功率电磁技术的武器化,重点关注那些有助于直接用于、或有望支撑高功率电磁技术武器化的领域。

电磁武器技术(EMWT)信息征集书内容可参见:https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=d1c2dad24ccc6cb9fef948de6a8f9843&tab=core&_cview=1

该项目主要研究如下5方面内容:

可重复脉冲功率

旨在研究并提升紧凑型脉冲功率技术,以驱动如下高功率电磁源:Marx bank发生器、脉冲成形网络、脉冲成形线、直线变压器驱动源、混合脉冲源、非线性传输线、固态/气态开关脉冲源、相关电磁源材料等。

超短脉冲激光(USPL)

旨在研究:短波到中波红外频段USPL激光源高级概念,其激光脉宽最小可达飞秒(10-15秒)量级、瞬时功率最高可达拍瓦(1015瓦)量级;USPL效应试验,包括应用于导体/半导体/绝缘体材料、系统、子系统时的效应;USPL产生的激光尾场加速器(LWA)试验。

毫米波对高温材料的影响

旨在研究毫米波辐射对高温材料的作用机理,以开发可用于无线能量传输(power beaming)的材料,衡量这类材料的主要性能指标是高达30兆瓦每平方米(自由空间)的连续波或准连续波毫米波功率密度。

高功率微波驱动型等离子区

旨在研究利用高功率微波或高功率毫米波波束来生成并保持低压(1个大气压以内)等离子区的基本原理,该等离子区应能够存在5秒以上,微波波束功率应达到数千瓦。

高能粒子束(HEPB)对电子系统的影响

主要研究高能粒子束辐射对电子系统或电子元件的影响。首先将对传统粒子加速器以及诸如激光尾场加速器、等离子尾场加速器等新型粒子加速器进行建模与仿真,然后在此基础上测试高能粒子束对电子系统的影响。

(三)效能评估研究:实验室用高功率微波技术与电磁易感性(HPMTESLA)

美国空军研究实验室从2010年至今一直在研究实验室用高功率微波技术与电磁易感性(HPMTESLA,代号RD-03)项目,借着此次美国空军整合高功率电磁武器领域相关项目的契机,正尝试逐步融入美空军这种新的高功率电磁武器研究体系。该项目的主要目标是评估高功率电磁武器、技术的作战效能,包括高功率电磁攻击效能以及防御高功率电磁攻击的防护效能等方面。

实验室用高功率微波技术与电磁易感性(HPMTESLA,代号RD-03)项目内容可参见:https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=8caec8237ed592602a0af10918e37369&tab=core&_cview=1

该项目主要研究如下5方面内容:

易感性试验

即,测量高功率电磁武器攻击地基电子系统、子系统、元件时所产生的效果,以提供所需的感应性效能数据(包括目标恢复时间数据),进而对攻击同类目标所产生的效能进行预测。承包商应开发出能有效衡量高功率微波/高功率电磁(HPM/HPEM)攻击效能的方法。

建模仿真与分析

开发与高功率微波/高功率电磁效能测试相关的理论、方法、计算工具,并借助开发出的工具来构建高功率电磁交战模型。具体研究:

开发能够精确、高效地分析高功率电磁攻击针对不同目标所产生效能的工具与方法,这些目标包括空基和地基电子系统及其子系统。分析得出的经验效能数据可用来在攻击效能和攻击波形参数之间建立关联,即,将攻击效能表示为攻击波形参数(频率、功率密度、脉冲波形、脉冲重复频率)的函数。

对于目标电子系统的特定部分,深入研究其在遭受高功率电磁攻击时的电磁响应,以得出精确的电磁响应描述;对于目标电子系统的其它部分,则通过逼近、统计等方法来得到有参考价值的电磁响应结果。

基于目标电子系统的系统构成、子系统分布情况、系统体系结构来预测其遭受高功率电磁攻击时的效果。

高功率电磁攻击缓解技术

对那些易受高强度电磁场攻击的电子系统/子系统进行数值分析和实验分析,以确定最适合特定系统/子系统的高功率电磁攻击缓解与防护的方法与级别。此外,还要对缓解与防护方法所带来的经济、技术、时间成本进行评估。

高功率微波/高功率电磁功率源技术实验室研究

根据高功率微波/高功率电磁场作用效能开发有助于提升高功率微波/高功率电磁功率源能力的理论与实验分析方法。功率源所涉及的频段覆盖了从射频到伽马射线(1018~1022 Hz)的所有频段,主要分析这些功率源对空中带电粒子目标、固态目标的作用机理。

高功率电磁与加速粒子计算物理学和软件开发

旨在实现如下目标:模拟、设计最新的功率辐射源、辐射器;研究高功率电磁与加速粒子攻击的物理机理;跟上定向能功率源领域的高速发展。

(四)实战应用研究:高功率电磁交战建模与验证

2015年5月6日美国空军研究实验室发布了高功率电磁交战建模与验证方案征集书。

高功率电磁交战建模与验证方案征集书内容可参见:https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=17459c910f917fcd7c66be4f4d45ff88&tab=core&_cview=0

该项目是实验室用高功率微波技术与电磁易感性(HPMTESLA)项目的一个子项目,旨在开发并验证一种用于高功率电磁领域和赛博领域的能力更加强大的交战建模工具(engagement modeling tool),以克服当前所用的联合射频效能模型(JREM)存在的两方面不足之处:

其一,根据经验定义的效能概率(Pe)曲线(该曲线源自电子目标效能数据)与从目标子系统实际测得的功率密度(PD)之间缺乏严格的关联性。

其二,缺乏恰当的目标恢复时间模型,所谓“目标恢复时间”指的是被攻击的电子系统或子系统在遭受高功率电磁攻击后恢复到正常状态所需要的时间。

为解决上述两方面问题,根据实验室用高功率微波技术与电磁易感性(HPMTESLA)项目的总体要求,该子项目主要对HPMTESLA项目的如下几个领域进行部分研究:易感性试验、建模仿真与分析、高功率电磁与加速粒子计算物理学和软件开发。

(五)作战应用扩展研究:用于赛博-电子战的高功率电磁(HPEM CEWA)

2015年2月4日,美国空军研究实验室发布了用于赛博-电子战的高功率电磁(HPEM CEWA)信息征集书。

用于赛博-电子战的高功率电磁(HPEM CEWA)信息征集书内容可参见:https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=3d2ac83ddae70df1923dbb4aa7d83885&tab=core&_cview=1

该项目主要研究高功率电磁技术如何支持、提升军事赛博作战、电子战任务,致力于研究出高功率电磁技术在赛博作战或电子战领域的典型应用场景,并开展相关试验与演示验证。该项目体现出了美国空军在高功率电磁武器领域作战使用方面的扩展性研究。

此外,该项目还研究通过无线路由器等无线设备“前门”耦合(如,通过天线注入能量)以外的创新攻击理念。

编后语:“本文副标题引用自《Percy Bysshe Shelleyselected poems》”;“本文的两个一级标题引用了美国作家史蒂芬·金1982年出版的《四季》中两篇小说的标题。《四季》是由四篇独立的小说构成的中长篇小说集,这4部小说分别是:《春之希望——肖申克的救赎》、《夏日沉沦——纳粹高徒》、《不再纯真的秋天——尸体》、《暮冬重生——呼吸、呼吸》。”——作者 中国电科张春磊。以人文的视角照进工程现实,让冷冰冰的“高功率电磁武器领域”颇添几分色彩,感谢中国电科张春磊赐稿支持,向作者致敬!

关于出处:本公众号尊重知识产权,转载的文章都有注明作者和出处,若不正确或侵权行为请联系射频百花潭更正或删除!

内容转载自公众号

相关标签搜索：美军高功率电磁武器领域近期发展综述 ADS电磁培训 ADS电磁培训课程 ADS电磁分析 ADS电磁在线视频教程 ADS电磁技术学习教程 ADS电磁软件教程 ADS电磁资料下载 ADS电磁代做 ADS电磁基础知识 Fluent、CFX流体分析 HFSS电磁分析 Ansys培训