电磁脉冲武器对飞机的影响及防护

飞 机 设 计 第29卷 飞 机 设 计 AIRCRAFTDESIGN Vol.29No.6Dec 2009第29卷 第6期2009年 12月 文章编号：1673-4599（2009）06-0044-04 电磁脉冲武器对飞机的影响及防护 摘 要：介绍了电磁脉冲武器的工作原理和特点。分析电磁脉冲武器的作战效能以及对飞机的电磁效应。研究 了电磁脉冲的防护措施，并在最后谈及飞机电磁脉冲防护的重要性。 关键词：电磁脉冲武器；电磁脉冲；电磁波；电磁防护；耦合；屏蔽；滤波 中图分类号：TJ99 文献标识码：A TheElectromagneticEffectsonProtectionof ElectromagneticPulseWeaponsonAirplane WANGQiang1，WANGMing-hao2，SUNYan-peng1,ZHUJin-rong2 （1.SchoolofElectronicandInformationEngineering，ShenyangInstituteofAeronauticalEngineering，Shenyang110036，China） （2.ShenyangAircraftDesign&ResearchInstitute，Shenyang110035，China） Abstract:Theworkingprincipleandcharacteristicsoftheelectromagneticpulseweaponsareintroduced，andthecombateffectivenessoftheelectromagneticpulseweaponsareanalyzed，aswellaselectromagneticeffectsonaircraft.Theprotectivemeasuresofelectromagneticpulseisresearchedon.Finallytheimportanceofelectromagneticpulseprotectionisproclaimed. Keywords:electromagneticpulseweapons； electromagneticpulse； electromagneticwave；electromagneticprotection；coupling；shielding；filtering 收稿日期：2009-04-28；修订日期：2009-10-27 王 强 1 ，王明皓 2 ，孙延鹏 1 ，朱金荣 2 （1.沈阳航空工业学院 电子信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，辽宁 沈阳 110036） （2.沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035） 在近几场高技术局部战争中，电磁脉冲武器 作为一种崭新的高威力作战兵器引起了人们的广 泛关注。海湾战争、科索沃战争中美国都使用了 电磁脉冲武器，给对方的电子设备、通信系统、 指挥系统造成了巨大的破坏，随着战场环境的变 化和战略战术上要求的提高，我们预测电磁脉冲 武器将会大量应用到未来的战场当中，战场的电 磁环境也会变的愈加复杂，深入研究这种武器对 飞机的伤害机理，找出应对当今复杂电磁环境下 作战的策略，已成为当务之急。 1 电磁脉冲武器工作原理和特点 电磁脉冲武器按产生电磁脉冲的方式可分为 三类：一是利用低当量核弹（约1000吨级）在高空 引爆产生电磁脉冲的“弱核爆电磁脉冲弹”，二 是利用高爆炸药及相关装置（磁通压缩发生器或磁 流体动力学产生器）的“非核爆电磁脉冲弹”，三是 利用高功率微波器件（磁控管、虚阴极振荡器等）的 万方数据 第6期 图1 虚阴极震荡器与天线连接图 回火反射器 多丝状锥形螺旋天线 天线馈电端口（同相） 介质头锥天线罩 圆极化辐射 介质窗口 绝缘体 阴极 阳极虚阴极 馈电短线 + - 王 强 等：电磁脉冲武器对飞机的影响及防护 高功率微波武器。后两种统称为“非核爆电磁武 器”。 1.1 电磁脉冲武器的工作原理 [1] 我们以高功率微波武器为例分析一下电磁脉 冲武器的工作原理 [1] 。高功率微波武器的主要工 作部件是虚阴极震荡器（原理图如图1所示）。虚阴 极振荡器的基本原理是：栅网阴极加速强流电子 束，使许多电子通过阴极网，在阴极后面形成一 个空间电荷“泡”称为虚阴极。在适当的条件 下，虚阴极将后来的电子反射回去，形成电子在 阴极与虚阴极之间来回振荡而产生微波。如果使 这个空间电荷区位于适当调谐的谐振腔中就能达 到很高的峰值功率，一般功率在0.1～40GW，频 率在分米波段和厘米波段，微波功率通过天线辐 射到空间。要使虚阴振荡器工作，需要一个强流 电子束来激励，这个电子束的峰值电流值高达几 十兆安培。强电子束将由爆炸激励磁能量压缩发 生器来产生，高能微波武器有2级磁通量压缩发 生器。第1级产生爆炸的启动电流，当爆炸启动 后爆炸将使电枢管膨胀变形，使之与线圈形成短 路，将会压缩电磁场并减少线圈的电感，使线圈 中的电流直线上升，直到发生器崩溃为止，电流 上升时间为数十纳秒，峰值电流为几百兆安培， 于是就产生巨大的电磁脉冲。 1.2 电磁脉冲武器的特点 电磁脉冲武器爆炸时释放的电磁波含有强大 的电磁能量，电磁波能在瞬间偶合进入目标后， 对目标产生损伤。根据积累的观测和试验的结果 证实，典型的电磁脉冲波是双指数函数形式，上 升前沿极其陡峭，上升时间一般在数纳秒到几十 纳秒之间，持续时间0.1～1μs，峰值高达5~ 10×10 5 V/m，频谱非常宽，涵盖了较大部分的通 信系统、导航系统、雷达系统、电子战系统和计 算机系统等电子设备的频率范围。所以电磁脉冲 可以在瞬间对机载的雷达、通信、导航、电子战 等设备的电子元器件造成功能性的损伤，甚至是 毁灭性的打击，直接导致作战任务失败。 2 电磁脉冲武器对飞机的电磁效应 电磁脉冲武器产生的电磁波能否对飞机进行 有效的毁伤，取决于电磁能量能否有效地耦合进 入飞机，只有进入飞机内部的电磁能量达到一定 的强度，才能有效的摧毁和干扰电子设备。 机载电子系统由许多不同的电子元器件组 成，但这些器件抗脉冲电压的能力较弱，一般几 十伏的瞬间电压就会使器件损坏。另一方面，即 使脉冲电压未达到毁坏器件的程度，也会降低器 件工作的可靠性和稳定性，从而使系统失效。例 如通信系统中常用的高频双极晶体管的典型击穿 电压在15～65V之间，砷化镓场效应管的击穿电 压一般为10V左右。在计算机或通信的供电系统 或外部接口中采用的隔离变压器，其击穿电压为 几百伏到3000V，但当保护电路失效时，即使低 至50V的冲击也会使受保护的计算机系统或通信 系统受到致命的损坏 [2] 。而耦合的方式有2种：前 门耦合和后门耦合。 2.1 前门耦合 它是指能量从电磁脉冲武器耦合进入与雷达或 通信设备相连的天线。天线子系统是用来将射频能 量从设备中导入导出的，因此它为能量从电磁脉冲 武器流入设备并造成破坏提供了有效的路径 [3] 。 机载雷达是飞机上的重要电子设备，由于雷 达接受天线的增益较高，进入雷达接收机的电磁 脉冲功率很强，比较容易破坏雷达接受机内的电 子元件。下面我们以电磁脉冲弹为例说明电磁脉 冲武器对机载雷达的电磁效应。在电磁脉冲弹攻 击雷达时，设电磁脉冲弹的发射功率为P e ，雷达 距电磁脉冲弹的距离为R，并认为电磁脉冲弹发 射的能量在其工作频带内是均匀分布的，若电磁 脉冲弹发射的强电磁脉冲从主瓣进入机载雷达， 从“前门”耦合到雷达内部的能量是电磁脉冲弹 覆盖雷达工作频率范围的那部分能量，则电磁脉 冲弹从雷达主瓣耦合到雷达内部的能量为 [4，5] ： P j = P e G e G r λ 2 B r （4π） 2 R 2 L e B e （1） 式中：P j 为电磁脉冲弹耦合到被攻击雷达内部的 45 万方数据 飞 机 设 计 第29卷 能量；P e 为电磁脉冲弹的发射功率；G e 为电磁脉 冲弹天线增益；G r 为被攻击雷达的天线增益，λ 为发射的波长；L e 为从电磁脉冲弹发射天线到被 攻击雷达天线的传输损耗,主要为天线罩；B e 为电 磁脉冲弹带宽；B r 为被攻击雷达带宽。由式（1）得 出的电磁脉冲武器耦合到雷达内部的电磁能量若 是大于雷达接收机前端的敏感器件的损伤阈值， 雷达的前端就会受到损伤。式（1）即是判断雷达是 否遭到电磁脉冲弹损伤的基本公式。电磁能量从 副瓣耦合到雷达内部的能量与式（1）类似，不同 的是接收机增益取副瓣增益。同样电磁脉冲通过 其他机载电子设备的天线耦合到设备内部，对电 子元件造成毁伤的原理是一样的。 2.2 后门耦合 它是指电磁脉冲武器产生的电磁场在互连电 缆或电线中，激起强大的瞬间电流或电驻波。如 果与电缆或电线相连的设备没有足够防护的话， 那么它们将承受高电压脉冲或驻波。而且如果瞬 间进入设备，内部的其他装置也将受损。 我们可以理解为电磁脉冲通过孔洞、缝隙、 电源线、接地线、传输电缆、屏蔽体的透射等方 式进入系统，干扰或毁坏电子设备。 由于飞机的结构关系，电磁脉冲主要与机身 的结构孔缝和机载电子设备壳体上的孔缝耦合对 机身内部线路和设备内部线路造成影响，在强电 磁脉冲作用下，保护处理不彻底的信号电缆、电 源电缆以及设备连接处都会产生感应电流，再经 线路到达器件，从而造成损坏。对于装在屏蔽盒 内的电子系统来说，强电磁脉冲通过屏蔽盒上的 缝隙、孔、窗口的耦合进入到屏蔽盒内，并在其 内部产生驻波，从而造成部件损坏 [6] 。 此外通过大量实验分析，腔体内场强与孔洞 面积的积分成正比，因此孔洞面积越大，腔体内 的场强越大。当小孔面积相同的情况下，形状是 正方形腔体内的场强越小，而对长方形，当脉冲 的极化方向与孔洞短边平行时，腔体场强越大， 此外，把单个孔洞分成面积不变的孔洞后，腔体 内场强减小。电磁波斜入射时在腔体内产生的的 场强比垂直入射时小，电磁波与孔面的入射角度 越大，腔体内的场强越小。 3 预防电磁脉冲武器电磁效应的措施 3.1 在系统设计时就应考虑电磁防护 由于电磁脉冲的损害是多方面的，而且某个 部件的损害可能会影响到整个系统的正常工作， 因此必须对整个系统进行电磁脉冲防护。因为对 已有系统进行防护改造往往是不彻底的，并且也 不经济，所以在系统开始设计时就要将电磁防护 纳入考虑范围并对可能存在的耦合部位尽量采用 多重防护措施 [7] 。 3.2 屏蔽 屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减少电磁能的传 输，达到电磁防护的一种重要手段。电磁屏蔽的 机理是当电磁波入射到金属板时，由于金属板两 侧的传播媒质均为空气，因此在板的第一界面因 阻抗的突变，一部分电磁波就被反射，剩余部分 透过界面进入金属板内。电磁波在金属板内传播 时又消耗掉一部分能量。透射波在离开板的第二 分界面时又要产生反射，而且在两个分界面之间 要产生多次反射，最后只剩下一小部分进入被屏 蔽空间，因此屏蔽效能是电磁波在金属板内的吸 收损耗、进入两个界面的反射损耗和多次反射修 正项的总和 [8] 。有效的加固方法是使设备完全置 于一个导电的法拉第笼内，这种箱体能够阻止电 磁场到达被保护的设备。但是所有的电子设备都 要获得电力也都要与外界通信，这些进入点为电 磁脉冲信号的引入提供了条件。为了解决这个问 题可以采用光纤通信以满足传送数据的要求，还 可以对所有进入设备体内的导电通路加装电磁抑 制器件 [9] 。 3.3 滤波 [10] 滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作， 是抑制和防止干扰的一项重要措施。由于电磁脉 冲武器释放的能量很大，为防止外部电磁脉冲干 扰通过电源线进入设备内部耦合到其他电缆，需 要在设备内电源入口处加滤波器。单独使用滤波 器可能效果不明显，比如电源线上滤波器往往承 受不了峰值电压。因此滤波器通常与浪涌抑制器 一起使用，如火花隙放电器与电磁脉冲隔离起来。 这些浪涌抑制器通常有：火花隙放电器与气体放 电管、变阻器（如金属氧化物压敏电阻器MOV）和半 导体器件(如雪崩二极管)。某些情况下，遇到能 量大的电磁脉冲，对于TVS（瞬变抑制）作成的电 磁脉冲滤波器来说，由于TVS承受的能量有限， 会引起箝位电流急剧增大，功耗剧增，一旦超过 它的功耗极限，TVS就会损坏，引起电磁脉冲滤 波器失效。而MOV元件承受的冲击能量虽然比 TVS要大，但是每受一次电磁脉冲冲击，性能就 46 万方数据 第6期 会下降。经受10次左右的冲击便有可能失效， 丧失对电磁脉冲的防护能力。某些特殊设计的 含有差模电感和共模电感的多级滤波器，其Cy 电容器采用穿心电容器，可以对电磁脉冲起到 很好的效果。 3.4 采用可更换的易损部件板块 由于电磁脉冲对器件的损害有时不是致命的 往往使系统处于时好时坏状态，甚至还难于查 找，因此将易损部件的板块设计成易于更换的形 式这样，可以使受损设备尽可能快地恢复工作。 3.5 搭接 搭接就是指将两个等电位导体连接在一起。 飞机内部有许多金属部件，金属部件之间要做好 搭接，避免金属部件绝缘，以防止金属部件受到 电磁脉冲作用时产生局部打火和辐射现象，对设 备造成影响和损坏。 3.6 通信线路接口的防护 电磁脉冲可以通过通信线路的接口对通信线 路造成影响，干扰正常的通信。飞机设备内部的 通信线路，可以通过各种检验和滤波方法，防止 数字信号受到电磁脉冲的干扰而影响飞机的正常 通信。 4 结束语 我们可以预见不久的将来，电磁脉冲武器将 会作为主角登上现代战争的舞台，虽然目前它只 是出露端倪，可是它的作战效能是有目共睹的， 这也提醒我们必须作好飞机的电磁脉冲防护工作， 这样才能在战争中最大限度的发挥战机的作用赢 取制空权，从而为整场战争的胜利奠定基础。 参 考 文 献 [1]郑高谦.高能微波电磁脉冲武器[J].现代电子技术，2003， （10）：4—6. 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[10]黄明亮，候冬云，孟凡民.CS116实验项目与设备电磁脉冲 防护[J].船舶电子工程，2004，（24）：259-262. 作 者 简 介 王 强（1981—），男，硕士研究生，主要从事航电系统的电磁脉 冲防护与研究。 王明皓（1964—），男，研究员，主要研究领域为航空电子信息系 统。 孙延鹏（1973—），男，教授，主要从事信号获取与处理，嵌入式 系统应用，航空电子信息系统的研究。 朱金荣（1976—），女，工程师，主要从事飞机设备的电磁兼容测 试和设计。 王 强 等：电磁脉冲武器对飞机的影响及防护 47 万方数据 电磁脉冲武器对飞机的影响及防护 作者： 王强， 王明皓， 孙延鹏， 朱金荣， WANG Qiang， WANG Ming-hao， SUN Yan-peng， ZHU Jin-rong 作者单位： 王强,孙延鹏,WANG Qiang,SUN Yan-peng(沈阳航空工业学院,电子信息工程学院,辽宁,沈阳,110036)， 王明 皓,朱金荣,WANG Ming-hao,ZHU Jin-rong(沈阳飞机设计研究所,辽宁,沈阳,110035) 刊名： 飞机设计 英文刊名： AIRCRAFT DESIGN 年，卷(期)： 2009,29(6) 参考文献(10条) 1.黄明亮;候冬云;孟凡民 CS116实验项目与设备电磁脉冲防护 2004(24) 2.王天顺 电磁脉冲武器产生的电磁效应分析[期刊论文]-飞机设计 2008(02) 3.王天顺 设备辐射发射研究[期刊论文]-飞机设计 2004(03) 4.杨欣 电磁脉冲孔耦合 2006 5.司守训 电磁脉冲防护技术研究 2006 6.张胜涛;娄寿春 电磁脉冲弹对地空导弹火力单元的威胁及其对策[期刊论文]-飞航导弹 2006(04) 7.赵国庆 雷达对抗原理 2001 8.Thode L E Virtual-cathode microwave device research 1992(34) 9.刘学观;蔡文锋;郭辉萍 电磁脉冲弹及其防护[期刊论文]-通信技术 2003(09) 10.郑高谦 高能微波电磁脉冲武器[期刊论文]-现代电子技术 2003(10) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_fjsj200906011.aspx