電磁脈沖武器對車輛裝備的損傷效應(yīng)研究

李慧梅，唐彥峰，劉祥凱，邢文華

（軍事交通學(xué)院 汽車工程系，天津 300161）

電磁脈沖武器已應(yīng)用于實戰(zhàn)，我國周邊的大國已擁有或者正在研制電磁脈沖武器。電磁脈沖武器是一種非傳統(tǒng)殺傷性武器，它具有瞬時巨大能量（0.001 s的能量可達1×104～1×105V/m2）、大殺傷范圍以及多投送方式（導(dǎo)彈、戰(zhàn)機、炮彈和人工設(shè)置）等優(yōu)勢，是毀傷各類電子信息系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的武器。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，車輛裝備電器電子設(shè)備呈現(xiàn)技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及逐漸增多的趨勢，發(fā)揮著越來越重要的作用。在未來戰(zhàn)爭中，電磁脈沖武器將對車輛裝備上電子設(shè)備運行的可靠性和穩(wěn)定性構(gòu)成嚴重的威脅。因此，采用理論分析和試驗研究相結(jié)合的方法，研究電磁脈沖武器對車輛裝備的威脅，為有針對性地提出有效的車輛裝備防護方法提供參考。

1 電磁脈沖武器的損傷機理及特點

1.1 損傷機理

電磁脈沖武器按產(chǎn)生電磁脈沖的方式可分為3類[1]：1）利用低當量（約1 000 t級TNT當量）核彈在高空引爆產(chǎn)生電磁脈沖的“弱核爆電磁脈沖彈”；2）利用高爆炸藥及相關(guān)裝置（磁通壓縮發(fā)生器或磁流體動力學(xué)產(chǎn)生器）的“非核爆電磁脈沖彈”；3）利用高功率微波器件（磁控管、虛陰極振蕩器等）的高功率微波武器。后面兩類統(tǒng)稱為“非核爆電磁武器”。

電磁脈沖武器產(chǎn)生的電磁脈沖（電磁能量）通過“前門”、“后門”耦合等耦合途徑進入電子敏感設(shè)備，對電子系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。其作用方式如圖1所示。其損傷機理主要是高壓擊穿、器件燒毀、微波加熱、電涌沖擊、瞬間干擾。

圖1 電磁脈沖武器作用方式Fig.1 Effect mode of electromagnetic pulse weapon

1.2 特點

電磁脈沖武器作為一種新概念武器，與傳統(tǒng)武器相比，在基本原理、殺傷破壞力和作戰(zhàn)方式等方面都顯著不同。其獨特之處在于：

1）頻譜覆蓋范圍大。電磁脈沖的頻率覆蓋范圍從幾Hz 到數(shù)十GHz，基本上涵蓋了目前戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)通信使用的所有頻段。

2）脈沖持續(xù)時間短。電磁脈沖武器產(chǎn)生的電磁脈沖，其持續(xù)時間都非常短，一般在數(shù)十納秒至數(shù)十微秒之間。在能量相同的情況下，脈沖持續(xù)時間越短，電磁脈沖的瞬時功率越大，這對在一定距離內(nèi)的電子設(shè)備的打擊無疑是毀滅性的。

3）耦合途徑多。電磁能量對打擊目標的耦合效率是評價電磁脈沖武器殺傷力的一個重要指標。根據(jù)目標系統(tǒng)的2種基本分類——電子設(shè)備本身以及連結(jié)電子設(shè)備之間的導(dǎo)線，耦合也可以分成2 種模式：前門耦合模式和后門耦合模式。這使得對電磁脈沖攻擊的防御非常困難。

4）殺傷目標多元。電磁脈沖武器堪稱“全能殺手”，半徑數(shù)十千米內(nèi)的飛機、雷達、計算機、電話和手機等幾乎所有的電子設(shè)備都“在劫難逃”。輻射出的強電磁脈沖還可以通過暴露在地面上的天線產(chǎn)生感應(yīng)電流，進入地下破壞各種隱蔽在地下設(shè)施中的電子設(shè)備。

式中，?為一種模糊關(guān)系運算方式，一般有3種運算形式，本文采用加權(quán)平均法進行對應(yīng)的模糊運算； fi為駕駛員對象相對于駕駛行為評價集指標的隸屬度.

5）費效比高。電磁脈沖炸彈成本低廉，制造一枚普通的小型炸彈只需幾百美元，遠低于常規(guī)炸彈。用巡航導(dǎo)彈攜載一枚電磁脈沖炸彈，只需出動一個架次，就可以同時打擊多個目標。

6）具有軟、硬殺傷能力。既可對敵方的指揮控制系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、通訊設(shè)備實施電子干擾，令其探測、控制和通信設(shè)備致盲、致聾、致啞，也可以定時、定點地給敵方的雷達系統(tǒng)、通信設(shè)備等以致命的破壞。

2 電磁脈沖武器對車輛裝備的損傷效應(yīng)

2.1 電磁脈沖進入車輛裝備的途徑

電磁脈沖主要通過以下耦合途徑進入車輛裝備。

1）車身、屏蔽體或機殼的耦合。對于車輛而言，車身均為金屬制作，電磁能量首先輻射到車身外表面，產(chǎn)生趨膚電流和電荷的聚集。這些電流和電荷就像天線或開口一樣，引起電磁場穿透，于是電磁能量就耦合到車輛內(nèi)部。內(nèi)部的能量可以耦合到電纜或管腳等物體上，進一步被引入到電磁敏感的元器件上。

屏蔽是一種有效的電磁防護措施，按照屏蔽對象的不同，車輛裝備電磁屏蔽分為：車體屏蔽、線束屏蔽和電控單元屏蔽。這些屏蔽體也為電磁脈沖提供了耦合途徑，比如當屏蔽電纜接收電磁波后，會在屏蔽層表面產(chǎn)生電流，雖有趨膚效應(yīng)，但強度大，通過阻抗耦合，在芯線中也會有很強的電流流動。

2）“天線”耦合。對于車輛而言，“天線”主要包括電纜敷設(shè)的路線、導(dǎo)管、導(dǎo)管系統(tǒng)和金屬小管管線等。電磁輻射可以在這些“天線”上感應(yīng)出電流和電壓，并向遠方傳播，引入到與之相連的設(shè)備。據(jù)報道[2]，距離高功率電磁波l km處，其場強仍能達到2～30 kV/m2，會在電纜上產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓。

3）縫隙和孔洞的耦合。當電磁能量入射到殼體的孔洞上時，孔洞就如同一個輻射源被激勵，并在殼體內(nèi)產(chǎn)生電磁場。車輛裝備上總是存在著縫、孔、窗等縫隙，構(gòu)成電磁能量耦合的后門。對于車輛裝備而言，常見的屏蔽不連續(xù)形式包括：兩個緊密接觸的不同金屬接縫（如銜接、焊接），加有金屬襯墊的金屬表面間接縫或孔隙通風孔或?qū)Ь€、電纜、水管、表頭面板以及照明燈的入口。例如：車窗、發(fā)動機艙與駕駛室結(jié)合部位等。車身內(nèi)各種電控單元（ECU）的屏蔽殼體大部分是用金屬板材加工而成的，在接縫處難免存在縫隙，這些孔洞和縫隙的存在使得殼體的屏蔽效能大大降低。

2.2 車輛裝備電磁敏感對象

圖2 車輛裝備上應(yīng)用的電控技術(shù)Fig.2 Electronic control technology for vehicle

車輛裝備電子控制裝置主要由傳感器、以單片機為核心的控制器及執(zhí)行器3個部分組成。傳感器的主要功能是檢測車輛的運行參數(shù)或狀態(tài)。它將非電量的有關(guān)參數(shù)或狀態(tài)轉(zhuǎn)化成電信號，然后提供給控制器?？刂蒲b置能否可靠穩(wěn)定地運行，在很大程度上取決于控制器。它是一個典型的數(shù)字式控制器，由單片微型計算機、接口電路等硬件和軟件組成。信息的采集、處理、傳輸和時間程序控制是控制器的主要功能。執(zhí)行器由驅(qū)動部分、執(zhí)行電器和機械執(zhí)行機構(gòu)等構(gòu)成，它對車輛裝備電控系統(tǒng)實現(xiàn)最終調(diào)控，按照控制器的“意圖”工作。控制器輸出的控制決策信號一般很小，不能直接驅(qū)動執(zhí)行電器，需要專門設(shè)計驅(qū)動電路。

2.3 電磁脈沖對車輛裝備的損傷效應(yīng)

2.3.1 工作失靈

在受到敵方電磁干擾以及與己方其他電子設(shè)備之間的因電磁兼容問題而不能正常工作的情況常稱為工作失靈。工作失靈有兩種情況。一種是指電磁脈沖沖擊造成的瞬時干擾出現(xiàn)在電路的某一輸入點，其它輸入點仍固定在原來的邏輯電平上，而輸出暫時改變。在這種情況下，電磁瞬變過程產(chǎn)生的干擾信號進入放大電路，并當作控制信號，使系統(tǒng)失靈。另一種情況是受電磁脈沖沖擊后，電路中的半導(dǎo)體器件閉鎖。

對于車輛裝備而言，主要是第1種情況。對于瞬態(tài)干擾來說，數(shù)字電路的輸入線是最敏感的部位，其次是直流電源線和搭鐵線。車輛裝備電控系統(tǒng)的輸入線、直流電源線及搭鐵線通常都是不加屏蔽的普通導(dǎo)線，同時現(xiàn)代車輛上所采用的大量電控裝置，基本上都是靠弱電信號作為控制依據(jù)的，如氧傳感器、防爆震傳感器、ABS的輪速傳感器等，其信號電壓大多小于1.0 V，工作靈敏度極高，不允許有過大的外來干擾，這樣使得電控系統(tǒng)很容易受到這種瞬態(tài)干擾而使系統(tǒng)工作失靈。日本曾對車用微機進行過電磁波照射試驗、脈沖噪聲試驗，在試驗時選用了不同頻率的電磁波，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微機發(fā)出的誤動作較多[4]。

2.3.2 功能損壞

功能損壞是指通過各種耦合途徑進入車輛電子設(shè)備系統(tǒng)的電磁脈沖能量在設(shè)備元器件上或組件輸入端建立的電流、電壓一旦超過某一閾值，造成元器件或組件的永久性失效，最典型的是半導(dǎo)體器件的燒毀。當感應(yīng)電壓足夠高時，晶體管發(fā)生嚴重的二次擊穿，使其損壞；CMOS電路的氧化層介質(zhì)擊穿，產(chǎn)生短路故障；感應(yīng)電流足夠大以至于使集成電路內(nèi)部引線過熱融化，產(chǎn)生斷路故障；有些電阻器也非常敏感，例如CMOS數(shù)字電路LC4023，最易受損的部件就是電阻（輸入端多晶硅電阻）和導(dǎo)線（輸出端鋁條）；電容器在脈沖過電應(yīng)力作用下，無論是充電電壓，還是充放電電流，當超過電容器所能承受的容限，將發(fā)生電壓擊穿、熱擊穿或燒毀等損傷。

車輛裝備遭受電磁脈沖攻擊時最易受損的是電子控制系統(tǒng)，電控系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)是電控單元（ECU），其次是傳感器。目前，車輛裝備電子控制系統(tǒng)越來越多地采用大規(guī)模集成電路。一般情況是電子元器件的集成度越高，工作功率越小，其受損或破壞的閾值就越低。試驗表明，電控單元各部件的毀壞電壓比較低，如微處理器的毀壞電壓約為5 V，高密隨機存儲器的毀壞電壓為7 V，CMOS 的毀壞電壓為7～15 V，高達上百千伏的電磁脈沖將很容易造成電控單元硬件的損壞。

3 模擬電磁脈沖炸彈輻射場輻射試驗研究

3.1 試驗方法

選取車輛裝備典型系統(tǒng)——發(fā)動機電控系統(tǒng)進行試驗。試驗參考GJB 151A-97《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》和GJB 152A-97《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量》中的瞬變電磁場敏感度試驗（RS105）以及GJB 1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》中的有關(guān)要求和程序?qū)嵤?。試驗電磁場波形為：脈沖峰值E0大于50 kV/m，脈沖前沿小于10 ns，后沿大于75 ns，如圖3 所示。試驗環(huán)境強度見表1。

圖3 試驗用電磁脈沖波形Fig.3 Electromagnetic pulse waveform of test

表1 輻射試驗環(huán)境強度Table 1 Strength of radiation test environment

3.2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見表2。

表2 輻射試驗試驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)Table 2 Phenomena and data of radiation test

由表2 可以看出：當脈沖觸發(fā)時間在點火信號處于高電平時，電控系統(tǒng)的點火信號受到干擾但不會錯亂，轉(zhuǎn)速信號基本正常，噴油信號出現(xiàn)意外觸發(fā)現(xiàn)象；當脈沖觸發(fā)時間在點火信號處于低電平時，噴油信號出現(xiàn)多次意外觸發(fā)現(xiàn)象，電控系統(tǒng)的點火信號受到干擾發(fā)生錯亂并持續(xù)一段時間，外加電壓到達一定程度時，轉(zhuǎn)速信號也隨之發(fā)生錯亂并持續(xù)一段時間。干擾后發(fā)動機電控系統(tǒng)都能恢復(fù)正常工作，沒有造成硬損傷。

4 結(jié)論

1）針對電磁干擾作用三要素，分析了電磁脈沖武器的特點、車輛裝備電磁能量耦合途徑和車輛裝備上的電磁敏感對象。結(jié)果表明：車輛裝備電磁能量耦合途徑多、電磁敏感對象多，這大大增強了車輛裝備對電磁脈沖武器的易感性。在未來戰(zhàn)場上，要加強對車輛裝備的電磁防護。車輛裝備的電磁防護可以從減少耦合途徑、加強敏感對象防護入手。

2）電磁脈沖武器對車輛裝備的損傷效應(yīng)主要是工作失靈和功能損壞。車輛裝備遭受電磁脈沖攻擊時最易受損的是電子控制系統(tǒng)，電控系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)是電控單元（ECU），其次是傳感器。

3）電磁脈沖炸彈的電磁脈沖輻射峰值場強≯105 kV/m 時，會造成發(fā)動機電控系統(tǒng)短暫的可恢復(fù)性信號消失，但不會造成硬損傷。隨著峰值場強的增加，電控系統(tǒng)遭到的破壞漸趨嚴重。在何種情況下會出現(xiàn)功能損壞，損壞現(xiàn)象如何，需要進一步補充試驗進行研究。

[1]徐惕.電磁脈沖武器發(fā)展新動向[J].通信導(dǎo)航與指揮自動化，2007，6（5）：70—74.

[2]王遠，郭宜忠，宮迅勛，等.電磁脈沖武器對雷達的損傷效應(yīng)及防護措施[J].航天電子對抗，2006，22（6）：17—19.

[3]楊生輝，唐彥峰，劉祥凱，等.復(fù)雜電磁環(huán)境下車輛裝備保障措施研究[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報，2009，9（4）：32—34.

[4]劉軍民，王鵬飛.現(xiàn)代車用微機抗電磁干擾技術(shù)分析[J].交通標準化，2005，33（1）：66—68.