舰船电子信息装备强电磁脉冲防护技术发展

徐 哲，黄 珏

(解放军91977部队，北京 100000)

0 引 言

以高功率微波武器(HPM)为代表的强电磁脉冲(EMP)攻击武器，其能量强度大、峰值高、频谱宽度宽、作用范围广，因而具有较强的可控性、较小的制约性及较高的打击效率。利用强电磁脉冲对电磁波收发设备及其传播途径进行干扰，可以直接或间接地削弱甚至造成敌方武器系统瘫痪，从而导致战场感知迷茫、指挥协同紊乱、用频装备效能下降，影响乃至误导指挥决策，令交战双方作战能力的不对称优势逐渐扩大。传统的基于电磁兼容(EMC)考虑的装备设计已难以应对强电磁脉冲武器带来的威胁。我军舰艇电子信息装备防抗强电磁脉冲武器的问题必须引起重视，并尽早布局、不断推进技术发展，以保证舰船电子信息装备在强电磁环境下的正常使用效能[1]。

1 需求分析

1.1 国外电磁脉冲武器发展现状

以美、俄为首的世界军事强国针对EMP武器都相继开展了研究。从国外发表的文献和相关报道看，目前弹载强电磁脉冲武器较为成熟，已达到实战水平。

1.1.1 美国EMP武器发展

1991年，美国海军在海湾战争中首次使用基于战斧巡航导弹平台的实验型强电磁脉冲弹，对伊拉克防空系统和指挥中心的电子系统进行干扰和毁伤。1999年3月24日，在北约对南联盟的轰炸中，美军使用EA-6B“徘徊者”电子干扰飞机投放电磁炸弹，致瘫南联盟部分地区的各种通信设施和电子设备长达3个多小时。2003年，美英联军在伊拉克战争中再次使用功率2 MW、毁伤半径2.5 km的EMP武器，造成巴格达所有电子信号被覆盖。目前，美国已经成功研制搭载于GPS/INS航空制导炸弹的采用二级式磁通压缩发生器的EMP战斗部，并计划将其移植至卫星辅助制导弹药(GAM)、联合直接攻击弹药(JDAM)、敏捷滑翔武器(AGW)、联合防区外发射武器(JSOW AGM-154)等平台[2]。

美空军持续推进EMP武器的研究进展。2008年底，由美国太平洋司令部提出需求，美国空军研究实验室牵头，基于巡航导弹平台的高功率微波先进导弹(CHAMP)项目开始启动。2012年10月16日，CHAMP项目在犹他实验场成功进行了首次作战飞行试验。CHAMP按照既定路线飞行了1 h，在自毁前使7个目标的电子系统降级或失效，甚至关闭了试验记录用的遥控TV相机。2013年，美国空军的1份国防研究委员会NRC的研究报告显示，美国正在进行CHAMP的后续项目——Super CHAMP项目。2014年11月，美国空军公布定向能武器路线图的EMP武器部分，计划在2016年实现可配装AGM-86C/D常规空射巡航导弹(CALCM)的第2代EMP套件，实现多次、多目标打击能力。2024年实现可配装AGM-158B增程型联合空对地防区外导弹(JASSM-ER)的EMP武器，优化波形以增强效能，提高能源效率，降低尺寸、重量和功耗。2029年实现可配装第5代战斗机和无人机的EMP武器[3]。

2017年1月，美国国家利益网站报道，美国陆军正在研制以大炮(例如155 mm榴弹炮)作为投掷系统的EMP炮攻击系统，旨在研发一种低功率武器，用来精确打击一小片地理区域，精确影响电磁频谱的某个特定部分。

1.1.2 俄罗斯EMP武器发展

2001年，俄罗斯在马来西亚兰卡威岛(Lankagwi)国际海洋及航天展期间推出Ranets-E移动式EMP武器系统。Ranets-E系统在X波段可辐射500 MW～1 GW的EMP脉冲。通过45～50 dBi增益的高定向性天线，Ranets-E可在1 km和10 km远处分别形成400 W/cm2和4 W/cm2的功率密度，对敏感电子系统的毁伤打击距离可达32 km。Ranets-E 武器系统辐射性能如图1所示。

图1 Ranets-E 武器系统辐射性能

2015年，俄罗斯无线电电子技术公司(KRET)在第12届莫斯科国际航空展上推出了Krasukha-2和Krasukha-4车载EMP武器系统。Krasukha-2于1996年开始研制，2011年完成系统设计，2014年提前交付俄罗斯军队。Krasukha-2系统装有100 kW发电机和功率调节系统，采用直径约2.7 m的抛物面天线，馈源由1个主馈源喇叭和2个次级馈源组成，安装于可360°旋转的平台上，最大俯仰角5°，在天线主瓣45°范围内都可实施有效干扰。Krasukha-2系统和Krasukha-4系统已经在2014年的乌克兰冲突和2015年的叙利亚战争中进行了应用。图2为Krasukha-4车载EMP武器系统。

图2 Krasukha-4车载EMP武器系统

根据已公布的资料推断，至2025年，外军特别是美军将进入强电磁脉冲全面武器化阶段，能力水平将达到：时域脉宽和工作频段实现大范围可调；窄谱HPM强电磁脉冲武器可实现点频攻击，脉宽>20 ns；宽谱HPM强电磁脉冲武器时域脉宽<1 ns；爆破式HPM强电磁脉冲武器峰值功率>200 GW，非爆破式峰值功率达到TW量级；小型化水平进一步发展，战斗部重量<50 kg，体积<0.5 m3。

1.2 强电磁脉冲毁伤效应

强电磁脉冲对电子、电气设备的毁伤效应归纳起来主要包括高压击穿、器件烧毁、微波加温、电涌冲击、瞬时干扰等5种典型效应。

(1) 高压击穿：电磁能接收后可转化为大电流,在高电阻处也可能转化为高电压。这样可引起接点、部件或回路间的电击穿,引起器件的损坏或瞬时失效。若电流为1 A，脉宽为0.1 μs，接点间的电容为1 pF，则可产生100 kV电压，击穿后还会产生数百kHz 的衰减正弦振荡，辐射出电磁波。

(2) 器件烧毁：包括半导体器件的结烧蚀、金属连线熔断等，这将造成永久性损伤。

(3) 微波加温：微波可使金属、含水介质加温，以致器(部) 件不能正常工作。

(4) 电涌冲击：微波脉冲在金属屏蔽壳体上产生脉冲大电流，如浪涌一样在壳体上流动，缝隙、孔洞、外露引线等将此电涌电流引进一小部分至壳体内的系统，就足以使敏感的器件损坏。

(5) 瞬时干扰：当进入系统的功率较低，但不足以损坏系统时，能感应瞬时电流及引起器件瞬时失效或产生干扰，致使系统不能正常工作。

强电磁脉冲对电子、电气设备的损坏程度如图3所示。

图3 强电磁脉冲攻击造成的系统损毁程度

以0.2 GHz～2 GHz的相控阵雷达阵面为例，仿真了其强电磁脉冲效应，重点分析当阵列天线受到强电磁脉冲攻击时(正入射圆极化高斯脉冲)，其辐射特性的变化情况。当强电磁脉冲照射到天线阵面，将在天线的金属表面激励起感应电流。此感应电流与天线本身的表面电流叠加后，将改变天线原本的辐射方向图。仿真结果如图4所示。

图4 天线辐射方向图变化情况

可见，当入射波垂直入射后，且入射脉冲电平与发射脉冲电平可以比拟时，方向图畸变较大，原有的4个不同指向的波束已经消失。这表明，在此干扰下，天线已完全不可用。

图5为某型舰船在强电磁脉冲波形的照射下，舰船表面感应电流的仿真结果。可见在高强度电磁脉冲照射下，船体金属表面上多个部位呈现出较强的电磁感应电流或电压，已远远超过外部射频电磁环境标准限值，将直接导致位于舰船平台上的电子信息装备等面临比较严重的电磁毁伤问题。

图5 某舰船表面感应电流仿真

2 国内外强电磁脉冲防护研究现状

2.1 国外电磁脉冲防护研究与管理现状

美军非常重视强电磁脉冲防护，针对武器装备系统内电磁兼容性、外部射频电磁环境、高功率微波(HPM)、雷电(LEMP)、高空核爆电磁脉冲(HEMP)、TEMPEST防信息泄漏、分系统和设备电磁干扰、静电荷控制、全寿命期的电磁环境效应加固、电搭接、外部接地、系统辐射性发射等共15个方面的要求进行了详细研究。针对电磁干扰对武器装备的破坏机理，美军从强化自身角度出发，注重武器装备的前期设计，设计制造上采取自上而下的系统技术措施，加强武器装备的电磁防护。

首先，从项目采办开始，美军在武器系统电磁环境效应管理和控制中就采取了规范化的措施，在系统方案研制阶段及部署期间，都有相应的标准去规范和遵循。从顶层设计上来保证武器装备的电磁防护水平：在方案探索阶段，探索所计划的电磁环境和现有的频谱利用所预计的性能；在方案研制阶段，充分运用系统工程避免电磁不兼容、预防有电磁危害的暴露，在可行性之处改进设计方案，以消除电磁不兼容和干扰状况；在验收和确认阶段，明确和实施全面而严密的电磁环境效应规范、体系，提供规范和采办文件中电磁环境效应设计要求的追踪能力，为控制实施规范中的电磁环境效应提出安装要求；在全面研制阶段，根据试验和评定结果，改进技术规范中的电磁环境效应要求，保证对未经电磁环境效应性能验证的装备不批准生产；在生产与验收阶段，确保与采办项目规范中电磁环境效应要求的一致性，确保生产验收试验与电磁环境效应设计要求的一致性；在保障与使用阶段，在采办项目寿命期始终保持电磁环境效应要求的完善。

其次，以具体指标体系来规范武器装备的电磁防护设计。所有武器系统包括综合电子信息系统，都必须满足美军标规定的预期电磁环境要求，包括《设计和采购电气、电子设备时对电磁辐射环境要求》(MIL-HDBK-235/1B)、《武器系统电磁环境效应要求》(MIL-STD-464A)、《系统预防电磁能量效应的设计和试验指南》(MIL-HDBK-253)、《设计和采购电子设备及电气设备时应考虑的电磁辐射环境因素》(MIL-HDBK-285-79)。

最后，从技术维护上来保证武器装备的电磁防护要求。通过技术维护，使美军武器装备必须满足相关的规定、指令和标准要求。如满足：《设备电磁脉冲和TEMPEST防护》(MIL-STD-461F、COE EP 1110-3-2)、《设备或设施电磁脉冲和电磁泄露防护》(COE EP 1110-3-2)、《陆基设施高空电磁脉冲防护》(NAV DM-12.02)、《电磁环境效应信息收集和分析报告》(DI-EMCS-81540)、《电磁效应验证步骤与程序》(DI-EMCS-81294和DI-R-7061)、《固定或可移动陆基C4I设施的高空核电磁脉冲防护》(MIL-HDBK-423)。美国建立了电场梯度高达100 kV/m、时间尺度10 ns～1.8 ns的电磁脉冲模拟装置，专门研究瞬态超强电磁脉冲毁伤机理和屏蔽方法，开发出了抗损毁的轻质屏蔽材料，如Chomerics公司开发的premier材料，但抗瞬态超强电磁脉冲技术细节及相关资料和方法都列为机密。

2.2 国内电磁脉冲防护技术研究现状

目前，国内对于电磁脉冲效应的研究大多集中在电磁兼容方向，强电磁脉冲防护技术研究基本停留在毁伤机理的定性研究上面。在专业研究力量方面，研究目标和人员比较分散，主要为国内的一些高校和科研院所；在强电磁脉冲整体防护方案设计方面，国内研究单位较少，还没有形成统一的系统级电磁防护解决规范和流程；在强电磁脉冲防护器件方面，目前主要局限于对雷电、5～10 ns上升沿的强电磁脉冲的滤波器件的防护上，对于上升沿更快、幅值更高的强电磁脉冲还处于初步的研究阶段；在模拟和测试方面，多家单位都建立了相应的实验室，但模拟器的数量和测试环境等方面均与发达国家存在很大的差距；且实验配套设施不够健全，测量手段不够先进，影响定量研究和电磁脉冲效应评估工作。

3 研究重点与发展建议

根据美国等主要对手国家强电磁武器发展情况，预判其形成战斗力的时间不会迟于2025年，未来我舰船电子信息装备将必然受到其强烈威胁，预先布局抗强电磁防护势在必行。未来一段时间，在标准体系、基础技术、试验环境建设方面，应加大投入，尽快弥补短板弱项，重点建设方向建议如下：

3.1 强电磁防护规范标准体系建设

现行标准主要是集中在电磁兼容领域，强电磁脉冲防护方面的标准体系尚为空白。为有效完成舰船电子信息装备的电磁脉冲防护工作，需加强顶层设计，在标准规范方面加大研究力度。建议重点开展以下工作：重视基础研制工作，开展强电磁脉冲对系统、电子元器件及电路的辐照效应研究，形成防护设计总要求和防护细则；搭建大型开阔场电磁环境效应验证环境，对舰载平台系统进行抗电磁脉冲的模拟试验；通过试验搜集整理试验数据，研究毁伤安全阈值，建立丰富完善的系统脉冲效应毁伤数据库和防护数据库，指导强电磁脉冲防护的正向设计和试验验证工作。在此基础上，起草强电磁脉冲规范标准。

3.2 强电磁脉冲防护基础技术研究

(1) 强电磁脉冲防护体系设计技术。针对舰船电子信息装备在强电磁对抗环境下的薄弱部位和环节开展有针对性的防护设计，采用“自顶向下”的正向设计思路，在设计阶段就充分考虑装备所面临的强电磁干扰和毁伤等问题，杜绝后加固带来的防护短板等问题，保证舰船电子信息装备在复杂电磁对抗环境下的作战效能不降低。

(2) 开展强电磁脉冲防护新方法、新技术和新材料研究。以平台内外强电磁脉冲仿真与毁伤机理研究成果为支撑，采用理论分析与数值仿真等方法开展相应的研究工作。根据防护需求，研究防护指标量化、归一化方法。通过对各耦合途径提出覆盖海军电子信息装备、部件、元器件的防护建议，制定分级分类的防护策略，研制电磁脉冲防护组件。

3.3 强电磁脉冲防护试验环境建设

开展电子系统电磁脉冲效应及防护技术研究必须建立相应的辐射环境。强电磁脉冲试验环境的建设，不但能为电子信息系统的研发和测试提供一个与实际应用环境相似的真实工作场景，生成各类战场电磁环境信息，包括通信信号、雷达信号、电子对抗、高功率微波信号及超宽谱电磁脉冲等，用以评估电子信息装备抗强电磁环境的能力，还能够验证电磁防护材料和部件设计完成后应用于系统中的效果，同时也可为军事训练和演练提供逼真的战场电磁环境，为提高电子信息装备在强电磁环境下的作战能力奠定基础。

4 结束语

近年来，外军不断加强电磁脉冲武器发展，在海上方向低劣度冲突中对我实施强电磁脉冲攻击的可能性现实存在，保证我军舰船电子信息装备在强电磁环境下的作战效能不降低的需求现实而急迫。当前在我军舰船电子信息装备强电磁脉冲防护工作中，仍存在研究不成体系、技术基础薄弱等一系列问题，需要加强顶层规划，在标准规范、基础研究、试验保障条件等方面下大力气持续推进，以期在未来较短的一段时间内，达到“实施有标准、研制有手段、试验有环境”的目标。