高能微波武器 - 电磁炸弹

原标题：HIGH ENERGY MICROWAVE WEAPON - ЕLECTROMAGNETIC BOMB

以下内容为AI翻译，谬误自辩

原作者：Goran M. Banjac等

贝尔格莱德国防大学，军事学院， 空军防御系，贝尔格莱德，塞尔维亚共和国。

摘要：

引言/目的：技术的进步导致了高能微波武器及其使用问题的实际化，尤其是电磁炸弹。然而，在近期的军事专业文献中，这一议题的讨论较为有限。

方法：分析了现有相关领域的文献资料。

结果与发现：已经明确了工作原理的一般原则和理论基础广泛存在并且已知多年。在专门机构进行的大量实验证实了电磁脉冲的有效性，尤其是对基于半导体技术的设备敏感度方面的效果更为明显。假设在当前技术水平下，可用的技术解决方案为众多实体提供了广泛的可能。文献中讨论最常见的一种电磁炸弹模型是压缩电流发生器和具有虚拟阴极的振荡器的实现方式。据作者所述，这种方案能确保最终产品的实际物理尺寸和足够的强度，使其成为实用工具。

另一个在文献中识别的问题是，对电磁脉冲影响的有效防护措施的普遍缺乏，这不仅适用于民用领域，也适用于军事领域。这一问题要求投资大量资源以增加系统的韧性，从而提高其抵抗电磁脉冲的能力。

结论：现有文献表明，有可能制造出物理尺寸和功率均符合接受标准的电磁炸弹。据预测，其将能够产生约10GW功率、频率为5GHz的电磁脉冲，并与高精度武器结合使用时，即使对设备进行了保护，也能成功地使其失效。半导体技术在生活各领域的广泛存在使得此武器极其有效，并且可以预期在未来一段时间内得到更广泛的使用。

引言

电磁脉冲的有害影响早已为人所知。最著名的例子是在太平洋上空250英里处激活一颗功率为1.45兆吨的弹头。这次实验的后果比预期的要严重得多。电磁脉冲的影响在距离爆炸中心1445公里的夏威夷都能感受到。其后果包括街道照明、警报系统和电信系统的破坏。距离如此之远的六颗卫星，甚至被认为不可能受到影响，也被完全摧毁。

在此事件之后，电磁脉冲效应在军事应用方面变得极为重要。进一步的研究使人们对使用此类武器的后果有了更准确的认识。因此，一颗功率为1-2兆吨的核弹头，在250英里的高度激活，将释放出10-50千伏/米的电场，这将导致美国大陆更大范围的损害（Miller，2005年，第390页）。

众多实验室研究显著促进了人们对电磁脉冲影响机制的理解。在这些研究中，电磁脉冲并非作为核爆炸的产物产生，而是由某些高频高功率设备创造的。尽管这些技术解决方案可以多次使用，但由于其尺寸限制，它们并未在专业科学研究机构之外找到更广泛的应用。

目前，被称为高能微波武器的技术解决方案在军事应用中显得非常重要。这些设备能够发射定向的高频电磁能量。它们的脉冲功率为100兆瓦至100吉瓦，工作频率为1至300吉赫兹（Ni等人，2005年，第2页）。近几十年来，它们的发展进步主要体现在减小物理尺寸的同时，保持并增加功率。目前，这类系统在空间范围上有所限制，但能产生足够强的电场，以禁用集成电路（Miller，2005年，第391页）。

它们的构造和使用类型各不相同，特别关注的是一种以电磁炸弹形式实现的解决方案。这种炸弹被设计为一次性设备，其主要功能单元采用压缩同轴磁通发生器、带有虚拟阴极振荡器的高频发生器和基于螺旋天线的天线系统实现。

在这一领域中，高能微波武器与电子战、定向能武器等方向的研究相辅相成，为军事和防御策略提供了新的技术和战术选择。

爆炸泵送磁通压缩发生器

构建此类武器的主要挑战在于提供足够的能量来源。若采用一次性的武器概念，即电磁炸弹（e-bomb），这一问题则容易解决。流行的方法是使用爆炸泵送磁通压缩发生器。该方法的优势在于其工作原理明确、技术简单且效率高，在任何具备发达信息技术的国家都能制造出来（Miller, 2005年, p.392）。

其构建理念是利用爆炸的力量迅速压缩磁场，从而确保将爆炸能量转换为电磁场能量。这一点的解释在现有文献中很容易找到，并在图1的简化横截面上有所展示（Kopp，1996年，第3页）。 其构造的基础是在铜管上绕制的电线圈，其中装有形状爆炸装药。线圈代表发电机定子。外部有一个由介电材料制成的附加外壳，以便更好地引导电磁场。中心爆炸装药沿着铜管的全长延伸。 在装药的一侧，即爆炸路径开始的地方，有一个爆炸透镜，它应该提供一定的爆炸波形成和传播法则。这使得铜管变形为规则的圆锥形状。这样做的目的是将铜管均匀地展开到整个定子直径上，从而在定子绕组之间造成短路。这种变形将随着爆炸波向定子输出接触点移动，如图2所示（Kopp，1996年，第3页）

这一设计通过快速压缩磁通量来使用爆炸能量，进而确保爆炸能转换为电磁场能。相关信息与示意图可以在可用文献中找到，并在图1和图2中进行了简化解释（Kopp, 1996年, p.3）

·Insulation Block：绝缘块

·Armature Tube：转子管

·Stator Winding：定子绕组

·Input Ring：输入环

·Stator Output Ring：定子输出环

·Explosive：爆炸物

·Insulator Block：绝缘块

·Explosive Lense Plain Generator：爆炸透镜平面发生器

图1 - 爆炸泵送磁通压缩发生器的构造

图2 - 在爆炸波作用下铜管的变形

在激活爆炸装药之前，线圈被供应以高功率电流，数量级为兆安培（为此可以使用另一个较小的磁通发生器）。由于电流的流动，产生了一个大而迅速减小的电磁场。爆炸装药的激活被定时，以对应定子绕组中电流达到峰值的那一刻。

带有透镜的爆炸发生器被激活，并形成一个爆炸波，将铜管变形为圆锥形状，这扩展到定子绕组的内径上，短路它们，并在设备中“困住”电流。沿着发生器本体移动的短路具有压缩磁场的同时减小定子绕组电感的效果。其结果是形成一个迅速增长的脉冲，其最大值在发生器本身物理破坏之前立即达到。

结果是产生了快速增长的脉冲效应，在发电机物理破坏前达到最大值。这个过程在理论上使爆炸泵送磁通压缩发生器能够迅速且有效地转换爆炸能量为电磁场能量，并通过控制电流峰值和短路状态，实现对磁场的有效压缩，进而生成强大的脉冲输出（Kopp, 1996年）。

根据现有结果，最大值在几毫秒或微秒内达到。同样，对于10兆安培的电流峰值，提供的输出功率为几十兆焦耳（Kopp，1996年，第5页）。以这种方式，在大约2公里的距离处创建1千伏/米的电磁场，或在175米的距离处创建10千伏/米的电磁场。这种强度的场将确保所有电气系统的安全破坏（Miller，2005年，第392页）。然而，主要问题是这种脉冲的频率低，通常低于1兆赫，这对于尺寸较小的目标（如集成电路）提供的效率不足。

虚拟阴极振荡器

有几种可能的解决方案可以从磁通发生器的输出脉冲提供足够功率的高频脉冲。现有文献提供了几种不同的高频源，其特性可以在表1中看到（Ni等人，2005年，第3页）。

有趣的是，从制造电磁炸弹的角度来看，最常见的选项是带有虚拟阴极振荡器（vircator）的设备变体。尽管它不能提供最高的输出功率，也不能覆盖微波频谱更高的频率，并且效率低，但它是制造电磁炸弹的流行解决方案。主要原因是结构简单、尺寸小，因此具有很大的实际使用可能性。值得注意的是，在轴向vircator变体的实现中，效率方面表现突出（Kopp，1996年，第5页）。

Kop对vircator工作的原理进行了简单的解释，参见图3。其基本思想是将一束强电子流加速到接地并与设备本体相连的网状阳极。大多数电子将通过阳极并在其后形成带电空间。这个带电区域代表了虚拟阴极。 虚拟阴极将以适当的频率振荡，其频率可以通过操纵它在腔体内的位置来调整。输出功率范围从170千瓦到40吉瓦，频率范围覆盖分米波和厘米波波长范围。 尽管它的效率非常低，仅为1%，但设计简单、尺寸小且无需外部磁场的特点使其成为一个受欢迎的解决方案（Dražan & Vrána，2009年，第622页）。

Kopp提到，使用vircator时最大的限制是脉冲持续时间。它通常是微秒级的，受限于阳极的熔化时间和由发射功率决定的振荡频率的稳定性。

表1 不同高频源的参数

阴极（Cathode） 绝缘体（Insulator） 阳极（Anode） 虚拟阴极（Virtual Cathode） 介质窗口（Dielectric Window） 外部电源（External Power Supply） 

图3 - Vircator构造和工作原理的简化表示

天线系统

在构建电磁炸弹的下一步是选择一个合适的天线系统。这里的主要问题是vircator的高输出功率和确保发射天线的最大利用。

实际问题作为一个最佳选择强加了圆形极化天线的选用。这相对于线性极化解决方案带来了以下优势：

- 反射 - 信号强度不会降低，因为它在所有平面发射，所以其反射不会主要表现在一个平面上；

- 吸收 - 由于在所有平面广播，与目标设备耦合的概率更高；

- 相位 - 由于这些是更高频率的信号，这种极化类型提供了更高的耦合概率，无论目标物体的位置和形状以及障碍物如何；

- 多径问题 - 当基本信号和反射信号几乎同时到达接收器时，会出现这个问题。这可能产生死区和减少接收总功率的问题。圆形极化天线对此问题的敏感性较低；

- 视线 - 当视线被植被和小型建筑物等障碍物干扰时，圆形极化具有更好的与目标物体建立耦合的能力；以及

- 大气条件的影响 - 由于上述特性，对雨、雪和其他微条件对信号吸收的影响有更大的抵抗力。

作为一个最优解决方案，Krop提出了使用缩窄螺旋或锥形螺旋天线。根据所展示的解决方案，图4（Kopp，1996年，第10页），连接是通过vircator的谐振腔中的探针进行的，这些探针直接连接到天线。

轴向振子（Axial Vircator） 背火反射器（Backfire Reflector） 介质鼻锥罩（Dielectric Nosecone Radome） 馈电端口（Antenna Feed Ports in phase） 多螺旋锥形天线（Multifilar Conical Helix Antenna） 圆极化辐射（Circularly Polarised Radiation）

图4 - vircator和天线之间连接的示例

电磁脉冲对电路的影响 电磁脉冲对电路运行影响的重要性体现在它是专门机构研究课题的事实上。例如，在瑞典，有一个微波测试设施，其最初的任务是测试高频信号对飞机的影响，后来开始测试商业电气设备。

电磁脉冲对电路的影响通过以下方面进行考虑：脉冲特性、耦合模式和影响机制。定义电磁脉冲并估算其对电路影响的量包括：脉冲增长时间（v/s）、电场强度（V/m）和频率（Hz）（Miller，2005年，第387页）。增长时间是“绕过”过载保护的基本因素。电场强度直接指示可以传输的能量量，而频率指示传输效率。测试表明，集成电路对高频电磁脉冲更敏感，而物理尺寸较大的电气系统（如电网）对低频电磁脉冲更敏感。200兆赫至5吉赫的电磁脉冲被认为对电气系统最具危险性。（这是雷达、电视系统、移动电话系统等数量最多的频率区域。）

耦合是电磁脉冲引入电气系统的方式，可以通过两种方式实现（Vasilevich & Pershenkov，2016年，第621-629页）。第一种是通过前门，即电气电路的预期输入/输出点。最简单的例子是各种设备的收发天线。第二种方式是通过后门，或通过旨在将系统部分连接成一个功能整体的点（信号传输、电源元件等）。在这种情况下，与脉冲频率谱的相关性非常重要。因为电磁脉冲覆盖了广泛的频率，它可以轻易穿透寄生天线并连接到电气系统。

无论耦合类型如何，这两位作者进一步列出了对电气系统的四个基本影响级别。它们分别是：upset、lock-up、latch-up和burnout。

前两种方式是干扰电气设备的运行，因此在外国文献中被称为软杀伤。Upset是暂时干扰设备中的一个或多个电气节点。由于寄生电压的出现，设备无法正常工作。当干扰源关闭时，故障得到纠正。Lock-up与上一个案例类似，不同之处在于，除了停止干扰外，现在还需要关闭或重置设备。

随着功率的增加，实现电气设备的永久性损坏和破坏。这种影响在文献中被称为硬杀伤。消除此类行动后果的唯一方法是修复或更换电路的某些部分。Latch-up是锁定过程的极端变体，其中由于诱导电压的水平，电路中的某些节点要么自毁，要么关闭。Burnout是对电路的最极端影响形式。它通过短路甚至某些节点的物理燃烧或熔化电容器、电阻器或导电路径来发生。

烧毁通常发生在更多导体相交的点，更多基极、集电极或发射极连接的地方。损坏发生是因为，由于上述现象，电路组件被加热到超过300°C的温度。

对半导体元件损坏的主要因素如下：

- 电路中电压和过载电流的出现，

- 介电和空气绝缘在导电路径之间和附近的破裂，

- 在寄生晶闸管结构中形成短路，以及

- 诱导电磁脉冲的重组电流。

哪种机制将发挥关键作用主要取决于目标与电磁脉冲源的距离、其频率、目标本身的易感性、电磁脉冲连接的程度以及入口点。

这些作者给出了一个表格概述，表2，关于实现半导体技术中某些元件物理破坏所需的电压量。可以看到，半导体元件极其敏感，需要达到几十伏的电压诱导才能确保这些元件的安全破坏。计算机和集成电路尤其敏感，仅需10伏的电压。相比之下，基于管技术的“旧技术”要坚韧得多。

表2 - 损坏各种半导体元件所需的电压水平

1. 硅高频双极型晶体管 - 击穿电压范围：15V 至 65V

2. 砷化镓场效应晶体管 - 击穿电压：10V

3. 高密度动态随机存取存储器（DRAM） - 击穿电压：7V

4. 通用CMOS逻辑电路 - 击穿电压范围：7V 至 15V

5. 由3.3V或5V电源供电的微处理器 - 击穿电压范围：3.3V 至 5V

正在进行许多实验，以更好地理解电磁脉冲（EMP）的影响。这个问题的重要性表明，世界上有专门的机构数十年来一直在研究这个领域。一个例子是瑞典的微波测试设施。他们能够产生高达15GHz的电磁脉冲频率和高达10GV的脉冲功率（Bäckström等人，2002年）。

在这个机构进行了一次有趣的计算机网络对电磁脉冲影响的抵抗测试（Arnesen等人，2005年）。测试的对象是局域网（LAN）和无线局域网（WLAN）网络，这些网络在三个台式机和五个笔记本电脑上实现。使用最大强度为29 kV/m（频率为1.3GHz）和17.5 kV/m（频率为2.86 GHz）的电磁场作为干扰源。测试设备分布在三个不同的辐射区域（根据强度）。

这项研究的结果如下。测试的部分设备表现出不同程度的故障，从干扰到故障（可能是瞬时的，或者延迟5分钟显现）。无线网络非常敏感，因为接入点在175 V/m的场强下就受到了损害。当场强为2 kV/m时，局域网网络的运行就已经受到影响，而更高强度的干扰则发生在场强超过4 kV/m时。电气组件的物理损坏始于8 kV/m，而12 kV/m的电场产生了某些破坏作用。电脑表现出不同程度的敏感性。笔记本电脑比台式机抵抗能力强十倍，但也取决于具体的类型和制造商。

值得注意的是，网络设备的部分部件比电脑本身更具有抵抗力。尽管局域网在500 V/m时就已经受到中断（disrupted），在8 V/m的场强下其正常运行受到扰乱（interrupted），该设备部件没有受到物理损害（频率f 2.857 GHz）。

这些以及类似的实验表明，可以制造出足够强大的电磁脉冲来影响电气设备。除了制造电磁炸弹的可能性之外，这些数据还表明了设计成功对抗这种威胁的防护措施的问题。

电磁脉冲保护

保护措施及其效率取决于几个因素，其中装甲保护和接地已被证明是最有效的。装甲保护的最佳例子是使用法拉第笼。这种保护通过完全屏蔽、受保护设备、导电材料实现。

这确保了电力在装甲表面的分布，消除了其内部的电场。尽管有效，但这种系统存在由于需要为受保护设备提供电源和信号流而产生的缺点。这导致了需要在装甲上打孔，这将是静电装甲的缺陷。这些开口将是所有EMP波长的“开放门户”，其尺寸小于它们，从而降低了这种保护类型的效果。此外，使用导体代表与EMP耦合的额外点。信号流的问题通过使用光缆成功解决，而电源供应问题仍然是主要问题。

虽然有标准的保护解决方案，但它们必须适应特定的威胁模式，即电磁脉冲的类型。最好的例子是不同类型电磁脉冲的图形表示，如图5所示（Kopp，1996年，第3页）。可以看到，最明显的区别是增长时间和持续时间。因此，由核爆炸引起的EMP几乎立即达到最大值并持续极短时间，这决定了保护系统设计的特定条件。相反，由磁通发生器产生的EMP逐渐达到最大值并持续时间更长。美国进行的研究结果表明，这些差异是显著的，Kopp也引用了这些结果。

根据他们，为防止核打击引起的EMP影响而开发的保护措施，在防止由高能微波武器产生的脉冲效应方面不够有效。

核电磁脉冲瞬变（Nuclear EMP Transient） 闪电击打（Lightning Stroke） 通量压缩发生器（Flux Compression Generator）

图5 - 电磁脉冲的形式

最具经济可行性的是在设备本身建造时设计和安装保护措施，而后续保护的成本要高得多。可以引用美国对电磁脉冲敏感性使用的研究作为例子（Foster等人，2008年，第23页）。据他们估计，在现有的高能电力、天然气和电信网络元素中安装保护的成本在200亿至300亿美元之间。需要为保护电力系统的基本部分（如高压变压器）预留8亿美元至15亿美元。加强大多数军事系统将增加成本的10%，而仅加强军事能源网络将增加成本的10%。所有人都同意，在民用和军事领域都有大量的系统没有任何保护。这个问题仍然极其紧迫，因为最近的估计表明，对电磁脉冲的抵抗力水平仍然很低，需要更积极的方法来消除这种危险（评估美国电磁脉冲（EMP）攻击威胁的委员会，2017年）。

电介质鼻锥（Dielectric Nosecone） 微波天线（Microwave Antenna） 脉冲整形网络（Pulse Shaping Network） 配重环（Ballast Ring） 电源供应（Power Supply） 电池（Battery） 同轴电容银行（Coaxial Capacitor Bank） 同轴飞轮发电机（Stage 1和Stage 2）（Coaxial FCG） Virctor管（Virctor Tube） 同轴轨道炮（Coaxial Railgun）

图6 - 装在Mk.84航空炸弹体内的电磁炸弹

Mk.84型航空炸弹的弹体，长3.8米，直径0.46米，可以成功容纳一个基于两级压缩磁通发生器的电磁炸弹，其中包含虚拟阴极发生器。这将提供一个可用的模型，其最大的问题是有限的行动范围，可以通过高杀伤概率来克服。此外，通过降低激活高度，可以减少致命区域，但电场的强度会增加。这样，可以摧毁更具抵抗力的目标。

Michael Abrams估计了电磁脉冲功率可以达到多少（Abrams，2003年）。应用Kop提出的技术解决方案，这样的炸弹将具有10吉瓦的功率，频率为5吉赫兹，并具有直径为400-500米的致命足迹。在这个区域内，它将产生每米几千瓦的电场。即使目标区域内的电气设备具有一定的保护，这也会产生极其破坏性的效果。

结论

社会所有领域的数字化趋势带来了半导体技术的广泛应用。除了众多优点外，这无疑也带来了一定的弱点。最大的弱点，从攻击和保护的角度来看都非常有趣，就是对电磁脉冲效应的敏感性。这个领域很重要，因为影响电气设备的机制已经被充分了解并通过大量实验得到证实。

电磁炸弹的理论基础和技术制造适用于实际尺寸的模型已被广泛掌握。最优的技术解决方案，如作为电源的磁通发生器和作为高频发生器的vircator，将确保生产出具有大约10吉瓦的功率和5吉赫兹频率的电磁炸弹。与高精度武器结合，可以实现满意的投送精度，从而补偿有限的功率。从雷达和导弹系统，通过通信系统，到现代战车，大量有利可图的目标将证明开发和使用此类武器的合理性。

电磁炸弹的高效率表明，这个问题不仅在民用领域，而且在军事领域都非常重要。主要原因是安装保护措施的重要性日益下降；即使存在保护措施，它们在对抗由电磁炸弹产生的EMP方面也不完全有效。一个主要问题是军事部门的商业化趋势日益增强，导致电气组件的数量增加，而这些组件并没有得到充分的保护。这很重要，因为可以合理预期此类武器系统在未来一段时间内将得到更广泛的应用。此外，及时在设计阶段安装保护措施，与整个项目的成本相比，财务负担要小得多。

参考文献 略

（完）