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国外微波武器及其发展

时间 : 2010-06-22 14:19:10点击数 : -

河南微波设备网讯:微波是一种高频电磁波,波长范围在1mm~1m之间。微波波束可用特殊的高增益天线聚成方向性极强、能量极高的窄波束,在空中以光速沿直线传播,在几十公里的距离,瞬时到达,没有时间延迟。微波武器可在远距离(一般指几十公里)上对目标的光电设备进行干扰,在近距离上杀伤有生力量,引爆各种装药或直接摧毁目标。它是一种具备软硬多种杀伤效应的定向能武器,又称射频武器。

强大的微波汇聚在窄波束内,可用于攻击军事卫星、洲际弹道导弹、巡航导弹、飞机、舰艇、坦克、C4I系统以及空中、地(海)面上的雷达、通信和计算机设备,尤其是指挥通信枢纽、作战联络网等重要的信息战节点和部位,使目标遭受物理性破坏,并丧失作战效能。使用微波武器压制和摧毁武器系统的电子设备会比用普通的杀伤爆破弹取得更好的效果。

高频率微波武器的发射峰值功率通常在100MW以上。它一般由微波器件、高频率微波发生器、天线装置、电磁波定向发射装置和控制系统组成。只要目标处于高频率的覆盖范围内,都会因受到其攻击而丧失作战效能。对目标能形成杀伤作用的电磁脉冲的功率密度为100W~1MW/m2,因此,微波作为武器使用时,要求能在距辐射源0.1~1km以外达到这么大的功率密度。

根据核爆炸的电磁脉冲效应,对核武器加以改造,使其在爆炸时,将更多的能量转换为电磁脉冲,以这样的原理研制的微波武器属于战略微波武器。它作为电子战压制武器,用于在战略、战役纵深内对武器系统电子设备的压制。根据激光效应和带电粒子束效应或利用普通炸药、火箭推进剂、碳氢化合物燃料燃烧时释放的化学能转换为脉冲电能的原理研制的微波武器属于战术微波武器。以飞机上30mm的机炮弹药为例,它可用于产生10kJ、1GW的电脉冲,其功率密度为0.1MW/m2,能量密度达1J/cm2,可通过天线对前方1km处的地面目标进行照射,利用重复发射来对付敌方的预警、通信、指挥控制和武器系统。

微波武器与激光、粒子束武器相比,其波束宽得多,作用距离更远,受气候影响更小,并且只需大致指向目标,不必像激光、粒子束武器那样精确跟踪、瞄准目标,便于火力控制,从而使敌方对抗措施更加困难和复杂化。

微波武器的技术特点及作战运用

微波武器对目标的杀伤效果取决于微波发射源的输出功率、发射天线的增益和目标与微波源的距离。一个吉瓦级的微波发射源经40~50dB高增益天线发射的微波,在10km处可达到W/cm2级的辐射强度,能杀伤人员和设备。

当电磁波能量集中在单一频率为主的窄波段内,波长以毫米或厘米为主时,对无屏蔽或有屏蔽但有缝隙的电子设备的破坏性很强。当电磁波能量分散在一个很宽的频段内时,任何一种频率对应的能量都极小。它对有长电缆的设备干扰和破坏性极大。

微波武器的杀伤作用主要体现在以下三个方面:

1.杀伤人员。这一杀伤机理分为“非热效应”和“热效应”。非热效应指当微波照射强度低时,使导弹和雷达的操纵人员、飞机驾驶员以及炮手、坦克手等的生理功能紊乱(如烦躁、头痛、记忆力减退、神经错乱以及心脏功能衰竭等)。微波的功率密度达到13mW/cm2时,武器操纵人员的工作状态会发生变化,导致武器系统失灵。热效应指在高频率微波照射下,人的皮肤灼热,眼白内障,皮肤内部组织严重烧伤和致死等。当微波的功率密度为0.5W/cm2、单个脉冲释放的能量达到20J/cm2时,会造成人体皮肤轻度烧伤;当功率密度为20W/cm2时照射2s,可造成三度烧伤;当功率密度为80W/cm2时,仅1s就可使人丧命。

微波武器的另一个特点是,只要目标的缝隙大于微波的波长,它就可以经过这些缝隙进入目标的内部,还可通过玻璃或纤维等不良导体进入驾驶舱内,杀伤里面的人员。

2. 破坏各种武器系统中的电子设备,使其丧失作战效能,又称非核电磁脉冲效应。当微波的功率密度为0.01~1μW/cm2时,可以干扰相应频段的雷达、通信、导航设备的正常工作;0.01~1W/cm2时,可使探测系统、C4I系统和武器系统设备中的电子元器件失效或烧毁;10~100W/cm2时,高频率微波辐射形成的瞬变电磁场可使金属表面产生感应电流,通过天线、导线、电缆和各种开口或缝隙耦合到卫星、导弹、飞机、舰艇、坦克、装甲车辆等内部,破坏各种敏感元件,如传感器和电子元器件,使元器件产生状态反转、击穿,出现误码、记忆信息抹掉等。强大的电磁辐射会使整个通信网络失控,这是因为大脉冲功率超过敏感元器件的额定值,设备会因过载而造成永久性毁伤。如果辐射的微波功率足够强,则装备外壳开口与缝隙处可以被电离,从而变成良导体;103~104W/cm2时,会在很短的时间内使目标受高热而破坏,甚至能够提前引爆导弹中的战斗部或炸药。

3. 能够攻击隐身武器。隐身武器除了具有独特的气动外形设计以减少雷达反射波之外,更重要的是采用吸波材料,吸取雷达要探测的电磁波。如美国的B-2隐身轰炸机不仅机体采用吸波材料,而且机体表面也涂有吸波涂料。高频率微波的强度和能量密度要比雷达微波高几个数量级,它产生的纳秒级脉冲的主瓣频带达数千兆,远超过吸波涂层的带宽。气动外形设计和吸波涂层的隐身效果约为30dB,而高频率微波源的发射功率足以抵消这种隐身效果,轻者可使机毁人亡,重者甚至可使武器即刻熔化。

高功率微波武器还能破坏反辐射导弹的制导系统,使其偏离航向。

微波武器的主要缺点有:

1. 微波穿过大气层传播时,要受到电击穿、绕射和衰减的影响,受影响的程度与微波束的强度、频率、脉冲宽度及空气条件有关。在通常大气压下,空气介质被电击穿的功率密度为105~106W/cm2,此时微波脉冲宽度大于数个纳秒。

大气中的水蒸气、氧气和雨水对微波具有吸取作用。当微波频率在22GHz、185GHz时被水蒸气吸取,在60GHz、118GHz时被氧气吸取。在战术微波武器1~100km的作用距离内在以上频率处附近有衰减。

即使一个校准得很好的微波束也会随发射距离的增加而扩散。采用高频率和大直径的天线可以减少这种绕射效应,所以一般天线对固定发射装置为10m,对移动发射装置为3m。

2. 对有核防护设施的武器设备无效。目前世界上一些国家的武器装备和军用电子系统装有防原子破坏的设施,并且制定了军用电子设计标准。这些设施对微波武器同样有防范作用,因为金属板可保护电子设备不受热效应的影响。

3. 由于微波武器的发射功率很大,在作战使用中,可能会在一定范围内对友邻部队的电子系统和C3I系统造成威胁和影响,必须采用高度定向的天线或利用地面的屏蔽物。

微波武器的关键技术、研制现状及未来发展

微波发生器用于发射微波束的电磁脉冲,微波发射装置用于将电子束的能量或爆炸的化学能量转换为微波束的脉冲能量。高功率微波发生器如下表所示。 微波发射管的工作频率从500MHz至几十吉赫,脉冲宽度从10ms至连续波。由于不同武器系统的电子设备的灵敏度在不同频段有极值,所以战术微波武器的发射机做成宽频带或在十倍频程范围内可调是最为理想的。等离子体辅助波振荡器是较为理想的宽频带微波源,虚阴极振荡器是较为理想的可调微波源。

和雷达一样,微波波束也可以相位阵列控制。它的相阵采用多个微波功率产生器,反应时间快,可发射高能量脉冲,并可处理多目标。

电磁脉冲比连续波更容易使电子系统失效,而且敌方难以确定微波武器的位置,因此采取对抗措施非常困难。发射电磁脉冲与发射连续波所要求的电源不同。在微波武器的设计中,除了高功率微波发生器外,脉冲电源是一个难题。脉冲电源和通风冷却装置,尤其是其尺寸要适合车载、机载和空间作战平台。

按照一般的理论计算,假设微波管和微波电源的效率是10%左右,对固定武器系统来说,高功率微波发生器发射脉冲的能量为5~20MJ/个;对移动武器来说为0.5~2MJ/个。如果采用电容电感储能,对固定武器体积为几十立方米,移动武器为几个立方米。

目前具备这种能量数值的脉冲电源,已在质子加速器、电磁脉冲产生器以及慢速核聚变的实验中应用。美国的桑迪国家实验室研制了一种小型爆炸压缩脉冲电源,其基本原理是:储存电能的电容经电感充电,而电感则通过爆炸得到压缩,在被压缩的电感中磁通量保持不变,结果在电感中得到一个比充电电流大的脉冲电流。这种电源可做成各种形式,将炸药中20%的化学能转变为脉冲电能,适于用在高功率微波火箭和微波重力炸弹上。

近20年来,美国和前苏联/俄罗斯一直在积极发展微波武器,重点是研究微波的杀伤和破坏机理以及高功率微波辐射源。

美国一些重要的发展计划都列入了微波发展项目。在发展高功率微波技术中,美国善于应用已成熟的技术,即首先选定小功率和中功率的微波武器,其功率比现有的电子干扰机提高了3个和6个数量级。中功率微波武器只要有合适的高重复频率、频带宽度和脉冲形状,就会得到比现有干扰机高得多的毁伤效应。中功率微波武器一旦研制成功,将取代现行使用的电子干扰机。海湾战争伊始,美海军首先使用由战斧巡航导弹携带的微波弹头,用于破坏和摧毁伊拉克的电子系统和指挥控制系统,压制防空武器。美国目前正在研制能产生吉瓦级脉冲功率的实验型微波发射管,并希翼最终的脉冲功率达到100GW。

多年来,美国一直在进行宽频带、高功率微波武器和窄频带定向微波武器的研究与开发。1987年开始实行的平衡技术倡议计划,把高功率微波武器列为五大关键技术之一。按照美国国防部制定的微波武器2000年发展目标,美国空军将进行飞机自卫、空间控制、压制敌防空力量以及作战指挥控制通信方面的一系列试验。美国空军在1995年和休斯企业签订了一项600万美金的合同,研制吉瓦级高功率微波防空压制武器,并进行了摧毁飞机等目标的试验。美国空军在使用这种武器时,飞机远离目标飞行,通过相关控制指示系统,将微波脉冲弹发射到目标上空,用爆炸产生的窄频带高功率脉冲,摧毁导弹、雷达、计算机、通信网络和指挥中心等设备的敏感元器件,使防空武器系统丧失作战效能。目前美空军正在研制一种性能优良的微波武器防护装置,以克服在未来战场上使用微波武器时,对友邻部队作战系统的影响。

在高功率微波发生器的开发方面,重点是虚阴极振荡器。从20世纪70年代开始,美先后开发出普通虚阴极振荡器试验样机、旁虚阴极振荡器和轴向激励虚阴极振荡器。80年代,美研制出比一般雷达发射管功率高100~1000倍、能产生3GW脉冲功率的实验型虚阴极振荡器,瞬时功率转换效率接近20%,基本上能达到武器应用水平。此外,美国还研制了自由电子激光器、以相对原理偏转电子束的磁控管、回波振荡器等微波产生器件和先进的自由电子半导体开关。这些微波辐射源的峰值功率大于1GW,转换效率达30%~50%。1992年又研制出等离子体辅助波振荡器并进行原理性试验,达到了较高水平。100kV的电子束能产生3~5MW的脉冲功率,脉冲宽度为现有脉冲宽度的1000倍,每脉冲能辐射399~500J的能量,电子束转换效率为15%~20%。这种振荡器采用的新技术使设备的体积减小3/4。但作为战场使用存在的问题是如何将机动的微波器所需要的能源安装在车辆或飞机上。

在科索沃战争中,美国将南联盟当作了新武器的试验场。试验的武器包括:B-2隐身轰炸机、联合防区外发射武器(JSOW)、微波脉冲弹和石墨炸弹。在1999年3月24日北约对南联盟的轰炸中,美国使用了尚在试验的微波武器,它由“二战”中研制原子弹的洛斯阿拉莫斯实验室研制。这次微波弹的使用,使南联盟部分地区的各种通信设施瘫痪了3个多小时。美空军现已研制一种适合于装在改装的巡航导弹上的电磁脉冲发生器,它利用普通炸药产生具有高度方向性的电磁脉冲。它的精密加工天线类似圆盘反射器,天线把发生器的输出汇聚在30°范围内,便于对目标进行聚集。

《美国空军2025年战略规划》的研究报告在未来武器构想中提出发展空基高功率微波武器,要求这种武器对地面、空中和空间目标具有不同的杀伤力。它用低轨道(500~916km)的一组卫星站把超宽带微波投射到地面、空中和空间目标上,在这样的目标区产生一个几十到几百米范围内的高频电磁脉冲,摧毁或干扰所有目标区内的电子设备,而且具有一定的气象修正能力。

美国各军种对微波武器有特殊的要求。陆军提出战术微波武器要能装在大型履带战车上,而且要把定向性极高的天线装在直立的桅杆上,以利于最佳瞄准。空军要求武器体积小,并采用专用天线。海军的舰载微波武器要求具有高功率、大天线和远的作用距离。可以看出,海军对微波武器在重量、空间和功率等方面提出的限制条件较小。因此,海军的微波武器极有可能在未来20年内首先投入作战使用。

前苏联的研究重点是相对原理的磁控管和回波振荡器。它研制的单脉冲回波振荡器的脉冲输出功率达到15GW,能量转换效率为50%。10Hz重复频率的回波振荡器的脉冲输出功率为1GW,能量转换效率为30%。20世纪80年代末研制成功的磁控管工作频率7GHz,脉冲输出功率为60~100MW,能量转换效率为25%。

前苏联已经研制出用于防空的高功率微波武器样机,峰值功率为1GW,杀伤距离为1~10km,整个系统重约3t,分装在三辆越野载重车上,并进行过外场试验。前苏联和美国的高功率微波技术水平大体相当,在部分微波辐射源技术方面,前苏联的水平要高于美国。

在1998年2月25日美国国会举行的关于微波武器扩散问题的听证会上,美国陆军导弹防御与航天技术中心专家在作证时说,他们一直在跟踪俄、法等国微波武器的发展动向及这种武器对战场电子战系统和计算机系统的破坏机理,研究它的对抗措施,并称俄罗斯已经研制出一种高功率微波脉冲炸弹,应用的是小型强电子加速器原理。它有一个定向天线,用12V充电电池供电,可将爆炸的化学能转换为强大的脉冲电能,激发出激光、X射线、宽带无线电波和高功率微波,破坏导弹和炸弹的电子解保装置和点火引信电路或使车辆的发动机熄火。使用时,一次释放出10GW的高功率脉冲和100MJ的能量,相当于10个标准核电机组的功率。其体积比手提箱还小,重量只有8kg,可用于攻击导弹、飞机、核电站和C4I系统的电子及计算机设备,对北约的指挥通信系统威胁极大。据报道,瑞典和澳大利亚已从俄罗斯购买了这种微波炸弹。法国也有类似的研究计划。

目前,英、法、德、日、印等国也在进行微波武器和微波炸弹的研究,但水平低于美国和俄罗斯。1992年英国国防部研制出了一种用飞机投放的微波炸弹和用导弹携带的微波弹头,它们在空中爆炸后,发射大量的微波脉冲,能烧毁一定区域内的计算机电路和电话线,并扰乱人们的大脑神经系统,使人暂时失去知觉。法国从1988年起将“用微波武器烧毁电子设备”的研究列为重点课题,10年后达到了能辐射10~100J能量的水平。

印度在1999年9月宣称,它将研制高功率微波武器的实验系统。其巴巴原子研究中心研制的高能电子加速设备在同年9月进入最后组装阶段,1999年底进行系统测试。它是印度研制的第一种定向能武器试验系统,其产生的微波在吉瓦级,能严重损坏敌方导弹、飞机上的电子设备和计算机系统。

未来微波武器发展的关键技术是空间和无人飞行器所用高功率微波武器所需的重量轻、功率高的微波器件。

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