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电磁脉冲效应最早是科学家在进行高空核武器爆炸试验时发现的。科学家们注意到,核爆炸可以在零点几微秒的极短时间内在爆炸附近空域产生能量非常高的电磁辐射,并可以在暴露的天线、导线、导体和电子设备的电路板内产生上千伏的瞬间耦合高压,击穿、破坏或瘫痪电子设备。
后来,科学家又发现,除了核武器之外,常规武器也可以产生类似的电磁脉冲辐射。在战争开始时大量使用电磁脉冲武器,如果能够在短时间内给敌方的指挥及作战系统造成重大损失,造成敌方的作战及指挥系统失灵,同时可避免由于造成大量人员伤亡而带来的舆论压力,大大提高作战效能,减少作战资源的投入,则这种武器就会成为可在现代战争中使用的新概念武器的首选。
超级武器的奥秘
常规电磁脉冲武器产生高能电磁脉冲的方法有很多种,主要有:爆炸驱动产生电磁脉冲、燃料燃烧驱动产生电磁脉冲和微波器件产生高功率微波辐射。这里我们主要讨论使用简单、转换效率高的爆炸驱动产生电磁脉冲的方法。
大家知道,通电的线圈会在线圈的周围产生磁场,如果使用强大的能量去激励磁场,使磁场发生波动,那么强变化的磁场就会耦合出强变化的电场,而强变化的电场又会耦合出新的强变化的磁场……如此往复下去,就激发出了强电磁脉冲辐射。
美国科学家卡拉伦斯·富尔在20世纪五十年代末就发明了一种产生高能电磁脉冲的方法,即利用爆炸的能量去压缩磁场,能够在几百微秒的时间内产生几十兆焦耳的电磁脉冲能量并辐射出去。这种炸弹在起爆前,炸弹内部的强电流发生系统产生非常强的电流,该电流流过环绕炸弹高爆炸药安装的环形线圈,使环形线圈在炸弹的内部产生非常强的磁场。炸弹起爆后,爆炸的能量直接压缩磁场,使磁场波动产生强电磁脉冲辐射,从而产生高能量的电磁脉冲。
电磁脉冲又是如何对电子设备进行破坏的呢?我们知道,电子设备一般都装有防电磁辐射的金属屏蔽外壳,但金属屏蔽外壳对电磁脉冲的屏蔽作用是十分有限的,电磁脉冲可以通过前向耦合和后向耦合两种方式越过金属屏蔽层。前向耦合是指利用电台、微波通信系统的天线、雷达天线、导弹的雷达导引头等为高能量电磁脉冲开通的一条高增益的耦合通道,使电磁脉冲的能量可直接进入系统造成破坏。而后向耦合是指连接电子设备所使用的大量电缆因受高能电磁脉冲的影响产生耦合高压,通过电缆本身传导到电子设备内造成破坏。
对于通信设备来讲,通信设备间彼此连接的电缆极易将高频的电磁能量耦合到设备内部。各类电子设备内部接收系统也是一样,特别是在接收系统前端的高频二极管和二极管,很容易被感应的高压摧毁。像雷达、电子战系统、卫星、微波系统、电视等安装有天线的系统都非常容易受到攻击。另外,电子设备的电源系统在电磁脉冲的作用下也可能引起输出电压和电流的强烈波动,这种波动也能摧毁电子系统的元器件。
公路和铁路的信号系统、军用计算机系统、信号处理机、电子飞行控制系统、发动机数字控制系统等,也都非常容易受到电磁脉冲效应的影响。计算机系统对电磁脉冲尤其敏感,因为大部分计算机系统的元器件是MOS器件,而MOS器件对耦合电压极其敏感,几十伏特的耦合电压就会完全破坏MOS器件。有时,在感应电压较为微弱的情况下,虽然不能直接烧毁元器件,但可使MOS器件逻辑产生混乱而导致计算错误。
产生电磁脉冲效应的弹头可以安装在多种武器系统上,如炸弹、巡航导弹、空地导弹、反辐射导弹等,其中以航空炸弹为基础改装研制的电磁脉冲武器备受青睐,如:美国诺斯罗普·格鲁曼公司的“加姆”卫星辅助制导弹药、采用GPS/惯性制导的GBU-29/30“杰达姆”联合直接攻击弹药、澳大利亚的AGM灵巧滑翔武器等。这些炸弹都由航空炸弹改装而来,成本低廉,通过加装GPS和惯性导航装置,使这些武器具有很高的命中精度,通常圆概率误差半径在10米以内。
灵活的战术使用
电磁脉冲武器的作战使用可以分成以下四个方面: 一是对地面部队进行打击。我们知道,现代常规精确制导武器的制导精度已经相当高,通常可以达到10米以内。
目前,美军正在着手将电磁脉冲战斗部安装到“杰达姆”、“杰索”等空对地武器上。这样既保持了“杰达姆”等武器系统制导精度高、制造成本低等优点,又进一步开拓了该系列武器弹药的作战领域。使用电磁脉冲武器可以对地面指挥控制系统的无线及有线通信设施、地面雷达站、计算机及数字化通信及信息传输设备、坦克火控及瞄准系统、战场监视雷达、数字化士兵的GPS和便携式计算机等系统进行破坏,进而破坏指挥中心与基层控制中心、基层控制中心与作战单元间的控制和联系,使敌方战场的指挥控制陷入混乱。这样一来,高技术装备的现代化地面作战部队就变成了瞎子,使高技术部队丧失了必要的信息支持而变成了一支普通的机械化部队。例如,对于装甲部队而言,由于指挥控制系统失灵、各种传感器和瞄准控制系统受损,导致武器仅能依靠本身的可见光光学瞄准系统进行直瞄,打击精度和距离都大大降低。如果炮塔的控制系统也被摧毁的话,坦克炮塔无法转动,就会完全丧失战斗力。
二是对地面防空火力及水面舰艇进行打击。如果使用安装有电磁脉冲战斗部的防区外发射导弹、滑翔炸弹或动力滑翔炸弹对地面防空火力阵地和水面舰艇进行打击,可以有效地摧毁或破坏其搜索预警雷达、火控雷达及自卫式电子对抗系统,使其可用的防空武器变成了没有雷达引导和控制的红外制导导弹和采用光学直瞄的防空高炮。这种情况下防空作战效能会大大下降,就如同海湾战争中伊拉克军队使用防空高炮对空盲目射击一样,根本就谈不上命中率,同时也为使用精确制导,甚至常规武器将其击毁创造了极为有利的条件。
在现代战争中,对来袭导弹、精确制导武器的防卫已经成为重要的作战科目。如果参与攻击的飞机起飞,可能会被对方的远程预警雷达密切跟踪监视,当发现攻击飞机发射了空对地或空对舰导弹时,预警雷达会立即引导火控雷达,用防空导弹和高炮对来袭导弹进行拦截。我们知道,无论雷达使用的是普通的机械扫描天线,还是有源或无源相控阵天线,工作在跟踪状态时天线在导弹方向上的增益都会相当高,通常都会达到几百倍或数千倍。如果导弹携带电磁脉冲战斗部并在一定距离上突然起爆,通过雷达天线汇集的高能量会直接进入雷达的接收机,对雷达造成严重的破坏,此时对雷达的杀伤效果就如同人使用放大镜直接看太阳会严重灼伤眼睛一样。即使雷达没有跟踪上导 弹,高能量的电磁脉冲也会通过雷达波束的旁瓣蹿入雷达而将其损坏。由于电磁脉冲系统的辐射能量很高,所以不必在非常近的距离上引爆,通常在数十或十几公里的距离上,引爆即可。在这样的距离上防空系统对来袭导弹这样的小目标拦截能力很差,很难将导弹拦截住。
受到电磁脉冲武器破坏的雷达、通信和电子战设备在战场环境下修复的可能性很小。单纯红外制导的防空导弹和没有雷达和光电瞄准系统控制的防空火炮根本无法抵御来自空中的精确打击,加之电子对抗系统被破坏完全丧失了防卫作战能力,成为了空地导弹、反舰导弹甚至各种常规炸弹攻击的靶子。
三是对空中目标进行打击。作战飞机上使用的中距拦射空空导弹,如美国的AIM-120和俄罗斯的R-77,远程空空导弹,如美国的AIM-54和俄罗斯的R-33等,远程地对空导弹,如美国的“爱国者”、“标准”,俄罗斯的S-300、S-400等,都可以搭载电磁脉冲战斗部。这些导弹可以依据雷达向飞行中导弹传输的无线电指令飞向目标,在距离对方机群较近的距离上引爆电磁脉冲战斗部、破坏对方飞机的雷达、通信、导航、电子战、电传操纵和数字式发动机调节控制系统等。
雷达受损使敌方飞机无法搜索、跟踪和攻击目标。电子战系统受损使飞机失去了电子自卫的能力。而现代作战飞机为了提高机动能力,大多采用了非安定的气动布局,如果进行飞行状态控制的电传操纵系统受损,飞机仅能依靠应急操纵系统维持基本的平飞状态,进行机动飞行很容易使飞机失控。如果数字式发动机调节系统受损,飞机发动机状态的控制也会出现严重的问题……
在现代空中作战时,作战飞机一般都在电子战飞机的支援下执行作战任务。如果在射程较远的空空或地空导弹上安装电磁脉冲战斗部,在适当的距离上引爆导弹上的电磁脉冲战斗部,这样敌方的电子干扰飞机上的电子对抗系统就会被高能电磁脉冲完全摧毁,使敌方飞机编队暴露在己方的雷达屏幕上,便于己方雷达引导导弹准确命中敌目标。
俄罗斯军事专家认为:如果俄罗斯的苏-47“金雕”飞机在采用等离子体隐身技术的基础上,配合使用装有电磁脉冲战斗部的R-77中距拦截导弹,就可以有效地避开美国F-22“猛禽”战斗机的技术优势,很容易就可以将F-22飞机击落。
四是对其他系统进行打击。如果使用弹道导弹、飞机发射的反卫星导弹携带电磁脉冲武器对卫星进行攻击,可以严重破坏卫星的电子系统,导致敌方战场的侦察、通信、导航定位等多种功能受到严重破坏,而在轨飞行的卫星在严重受损后很难进行修复,会给敌方造成巨大损失。
如果执行攻击任务的弹道导弹除了携带正常的战斗部外,再装上一个小的电磁脉冲装置,在弹头再入大气层时将电磁脉冲战斗部作为弹头的诱饵释放并引爆,可以破坏对弹道导弹弹头进行拦截的防空导弹,可以减少弹道导弹被拦截的概率……
在信息化和自动化日益普及的今天,军事装备,甚至是国民经济的正常运行越来越依赖以计算机和通信技术为基础的现代技术,一旦计算机和通信系统遭到破坏,高技术武器的威力将大打折扣。大功率电磁脉冲武器的出现,无疑给世界各国的武器研究者提出了严峻的挑战。
后来,科学家又发现,除了核武器之外,常规武器也可以产生类似的电磁脉冲辐射。在战争开始时大量使用电磁脉冲武器,如果能够在短时间内给敌方的指挥及作战系统造成重大损失,造成敌方的作战及指挥系统失灵,同时可避免由于造成大量人员伤亡而带来的舆论压力,大大提高作战效能,减少作战资源的投入,则这种武器就会成为可在现代战争中使用的新概念武器的首选。
超级武器的奥秘
常规电磁脉冲武器产生高能电磁脉冲的方法有很多种,主要有:爆炸驱动产生电磁脉冲、燃料燃烧驱动产生电磁脉冲和微波器件产生高功率微波辐射。这里我们主要讨论使用简单、转换效率高的爆炸驱动产生电磁脉冲的方法。
大家知道,通电的线圈会在线圈的周围产生磁场,如果使用强大的能量去激励磁场,使磁场发生波动,那么强变化的磁场就会耦合出强变化的电场,而强变化的电场又会耦合出新的强变化的磁场……如此往复下去,就激发出了强电磁脉冲辐射。
美国科学家卡拉伦斯·富尔在20世纪五十年代末就发明了一种产生高能电磁脉冲的方法,即利用爆炸的能量去压缩磁场,能够在几百微秒的时间内产生几十兆焦耳的电磁脉冲能量并辐射出去。这种炸弹在起爆前,炸弹内部的强电流发生系统产生非常强的电流,该电流流过环绕炸弹高爆炸药安装的环形线圈,使环形线圈在炸弹的内部产生非常强的磁场。炸弹起爆后,爆炸的能量直接压缩磁场,使磁场波动产生强电磁脉冲辐射,从而产生高能量的电磁脉冲。
电磁脉冲又是如何对电子设备进行破坏的呢?我们知道,电子设备一般都装有防电磁辐射的金属屏蔽外壳,但金属屏蔽外壳对电磁脉冲的屏蔽作用是十分有限的,电磁脉冲可以通过前向耦合和后向耦合两种方式越过金属屏蔽层。前向耦合是指利用电台、微波通信系统的天线、雷达天线、导弹的雷达导引头等为高能量电磁脉冲开通的一条高增益的耦合通道,使电磁脉冲的能量可直接进入系统造成破坏。而后向耦合是指连接电子设备所使用的大量电缆因受高能电磁脉冲的影响产生耦合高压,通过电缆本身传导到电子设备内造成破坏。
对于通信设备来讲,通信设备间彼此连接的电缆极易将高频的电磁能量耦合到设备内部。各类电子设备内部接收系统也是一样,特别是在接收系统前端的高频二极管和二极管,很容易被感应的高压摧毁。像雷达、电子战系统、卫星、微波系统、电视等安装有天线的系统都非常容易受到攻击。另外,电子设备的电源系统在电磁脉冲的作用下也可能引起输出电压和电流的强烈波动,这种波动也能摧毁电子系统的元器件。
公路和铁路的信号系统、军用计算机系统、信号处理机、电子飞行控制系统、发动机数字控制系统等,也都非常容易受到电磁脉冲效应的影响。计算机系统对电磁脉冲尤其敏感,因为大部分计算机系统的元器件是MOS器件,而MOS器件对耦合电压极其敏感,几十伏特的耦合电压就会完全破坏MOS器件。有时,在感应电压较为微弱的情况下,虽然不能直接烧毁元器件,但可使MOS器件逻辑产生混乱而导致计算错误。
产生电磁脉冲效应的弹头可以安装在多种武器系统上,如炸弹、巡航导弹、空地导弹、反辐射导弹等,其中以航空炸弹为基础改装研制的电磁脉冲武器备受青睐,如:美国诺斯罗普·格鲁曼公司的“加姆”卫星辅助制导弹药、采用GPS/惯性制导的GBU-29/30“杰达姆”联合直接攻击弹药、澳大利亚的AGM灵巧滑翔武器等。这些炸弹都由航空炸弹改装而来,成本低廉,通过加装GPS和惯性导航装置,使这些武器具有很高的命中精度,通常圆概率误差半径在10米以内。
灵活的战术使用
电磁脉冲武器的作战使用可以分成以下四个方面: 一是对地面部队进行打击。我们知道,现代常规精确制导武器的制导精度已经相当高,通常可以达到10米以内。
目前,美军正在着手将电磁脉冲战斗部安装到“杰达姆”、“杰索”等空对地武器上。这样既保持了“杰达姆”等武器系统制导精度高、制造成本低等优点,又进一步开拓了该系列武器弹药的作战领域。使用电磁脉冲武器可以对地面指挥控制系统的无线及有线通信设施、地面雷达站、计算机及数字化通信及信息传输设备、坦克火控及瞄准系统、战场监视雷达、数字化士兵的GPS和便携式计算机等系统进行破坏,进而破坏指挥中心与基层控制中心、基层控制中心与作战单元间的控制和联系,使敌方战场的指挥控制陷入混乱。这样一来,高技术装备的现代化地面作战部队就变成了瞎子,使高技术部队丧失了必要的信息支持而变成了一支普通的机械化部队。例如,对于装甲部队而言,由于指挥控制系统失灵、各种传感器和瞄准控制系统受损,导致武器仅能依靠本身的可见光光学瞄准系统进行直瞄,打击精度和距离都大大降低。如果炮塔的控制系统也被摧毁的话,坦克炮塔无法转动,就会完全丧失战斗力。
二是对地面防空火力及水面舰艇进行打击。如果使用安装有电磁脉冲战斗部的防区外发射导弹、滑翔炸弹或动力滑翔炸弹对地面防空火力阵地和水面舰艇进行打击,可以有效地摧毁或破坏其搜索预警雷达、火控雷达及自卫式电子对抗系统,使其可用的防空武器变成了没有雷达引导和控制的红外制导导弹和采用光学直瞄的防空高炮。这种情况下防空作战效能会大大下降,就如同海湾战争中伊拉克军队使用防空高炮对空盲目射击一样,根本就谈不上命中率,同时也为使用精确制导,甚至常规武器将其击毁创造了极为有利的条件。
在现代战争中,对来袭导弹、精确制导武器的防卫已经成为重要的作战科目。如果参与攻击的飞机起飞,可能会被对方的远程预警雷达密切跟踪监视,当发现攻击飞机发射了空对地或空对舰导弹时,预警雷达会立即引导火控雷达,用防空导弹和高炮对来袭导弹进行拦截。我们知道,无论雷达使用的是普通的机械扫描天线,还是有源或无源相控阵天线,工作在跟踪状态时天线在导弹方向上的增益都会相当高,通常都会达到几百倍或数千倍。如果导弹携带电磁脉冲战斗部并在一定距离上突然起爆,通过雷达天线汇集的高能量会直接进入雷达的接收机,对雷达造成严重的破坏,此时对雷达的杀伤效果就如同人使用放大镜直接看太阳会严重灼伤眼睛一样。即使雷达没有跟踪上导 弹,高能量的电磁脉冲也会通过雷达波束的旁瓣蹿入雷达而将其损坏。由于电磁脉冲系统的辐射能量很高,所以不必在非常近的距离上引爆,通常在数十或十几公里的距离上,引爆即可。在这样的距离上防空系统对来袭导弹这样的小目标拦截能力很差,很难将导弹拦截住。
受到电磁脉冲武器破坏的雷达、通信和电子战设备在战场环境下修复的可能性很小。单纯红外制导的防空导弹和没有雷达和光电瞄准系统控制的防空火炮根本无法抵御来自空中的精确打击,加之电子对抗系统被破坏完全丧失了防卫作战能力,成为了空地导弹、反舰导弹甚至各种常规炸弹攻击的靶子。
三是对空中目标进行打击。作战飞机上使用的中距拦射空空导弹,如美国的AIM-120和俄罗斯的R-77,远程空空导弹,如美国的AIM-54和俄罗斯的R-33等,远程地对空导弹,如美国的“爱国者”、“标准”,俄罗斯的S-300、S-400等,都可以搭载电磁脉冲战斗部。这些导弹可以依据雷达向飞行中导弹传输的无线电指令飞向目标,在距离对方机群较近的距离上引爆电磁脉冲战斗部、破坏对方飞机的雷达、通信、导航、电子战、电传操纵和数字式发动机调节控制系统等。
雷达受损使敌方飞机无法搜索、跟踪和攻击目标。电子战系统受损使飞机失去了电子自卫的能力。而现代作战飞机为了提高机动能力,大多采用了非安定的气动布局,如果进行飞行状态控制的电传操纵系统受损,飞机仅能依靠应急操纵系统维持基本的平飞状态,进行机动飞行很容易使飞机失控。如果数字式发动机调节系统受损,飞机发动机状态的控制也会出现严重的问题……
在现代空中作战时,作战飞机一般都在电子战飞机的支援下执行作战任务。如果在射程较远的空空或地空导弹上安装电磁脉冲战斗部,在适当的距离上引爆导弹上的电磁脉冲战斗部,这样敌方的电子干扰飞机上的电子对抗系统就会被高能电磁脉冲完全摧毁,使敌方飞机编队暴露在己方的雷达屏幕上,便于己方雷达引导导弹准确命中敌目标。
俄罗斯军事专家认为:如果俄罗斯的苏-47“金雕”飞机在采用等离子体隐身技术的基础上,配合使用装有电磁脉冲战斗部的R-77中距拦截导弹,就可以有效地避开美国F-22“猛禽”战斗机的技术优势,很容易就可以将F-22飞机击落。
四是对其他系统进行打击。如果使用弹道导弹、飞机发射的反卫星导弹携带电磁脉冲武器对卫星进行攻击,可以严重破坏卫星的电子系统,导致敌方战场的侦察、通信、导航定位等多种功能受到严重破坏,而在轨飞行的卫星在严重受损后很难进行修复,会给敌方造成巨大损失。
如果执行攻击任务的弹道导弹除了携带正常的战斗部外,再装上一个小的电磁脉冲装置,在弹头再入大气层时将电磁脉冲战斗部作为弹头的诱饵释放并引爆,可以破坏对弹道导弹弹头进行拦截的防空导弹,可以减少弹道导弹被拦截的概率……
在信息化和自动化日益普及的今天,军事装备,甚至是国民经济的正常运行越来越依赖以计算机和通信技术为基础的现代技术,一旦计算机和通信系统遭到破坏,高技术武器的威力将大打折扣。大功率电磁脉冲武器的出现,无疑给世界各国的武器研究者提出了严峻的挑战。