高功率微波彈垂直攻擊目標時的毀傷能力分析*

張璟琿

(電子工程學院,合肥 230037)

高功率微波彈垂直攻擊目標時的毀傷能力分析*

張璟琿

(電子工程學院,合肥 230037)

為了研究高功率微波彈垂直攻擊目標時的毀傷能力,以其毀傷范圍威力圓為基礎,結合高功率微波損壞和干擾電子元器件的能量閾值,提出了毀傷區域失效區、干擾區及安全區的概念,建立了能夠體現高功率微波彈毀傷效應的毀傷區域模型;最后通過具體的示例定量描述了高功率微波彈的毀傷能力,得到了它在不同高度起爆攻擊時威力圓內的毀傷區域情況。研究過程及結論為高功率微波彈攻擊參數的設定提供了一定的理論依據。

高功率微波彈;垂直攻擊;毀傷能力;毀傷效應;毀傷區域模型

0 引言

高功率微波(HPM)武器是利用定向發射的高功率微波去損壞敵方電子設備的一種定向能武器。高功率微波武器將高功率微波源產生的微波經高增益定向天線向空間發射,形成功率高、能量集中且具有方向性的微波波束,損壞或干擾敵方電子設備中的重要電子元器件,以此來破壞敵方雷達及通信、指揮控制與計算機系統。而高功率微波彈(HPMB)就是一種將炸藥爆炸能量轉換成高功率微波能量,再由定向天線發射出去毀傷目標的高功率微波武器[1-3]。

全面精確的掌握HPMB的毀傷能力是作戰人員在戰場上科學合理的運用HPMB的前提?，F有的研究成果在這方面還存在一些不足:重復性的定性分析和引用較多,未形成一個合理規范的HPMB毀傷效應分析體系;毀傷能力方面的定量研究較少,或不夠深入,學術和應用指導價值有限。文中根據HPM損壞和干擾電子元器件的能量閾值,對HPMB的毀傷效應進行了科學的分類;以HPMB垂直攻擊目標的毀傷范圍威力圓為基礎,建立了能夠體現HPM輻射方向與雷達指向關系以及HPMB毀傷效應的毀傷區域模型;最后通過具體的示例定量描述了HPMB的毀傷能力。這些工作對于HPMB攻擊參數的設定有一定的實際指導作用。

1 HPMB的毀傷范圍分析

HPMB起爆時通過定向輻射天線以一定寬度的波束角向目標輻射微波脈沖,在空間中形成一個立體的圓錐形毀傷范圍。HPMB的起爆姿態主要有兩種,垂直姿態和傾斜姿態。起爆姿態不同,HPMB輻射的微波脈沖對目標的攻擊入射角度就不同,其圓錐形毀傷范圍與攻擊水平面所成的切面也將不同,由此HPMB的平面毀傷范圍按照起爆姿態可分為以下兩種模型,如圖1所示[1,4]。

圖1 HPMB平面毀傷范圍示意圖

圖1中,A為HPMB起爆點,h為起爆高度,AB為HPM波束的輻射方向(波束中心線),θ為波束角。陰影覆蓋區域即為HPMB在其攻擊水平面上的殺傷區域。其中,圖1(a)描述的是HPMB垂直攻擊目標的情況,毀傷范圍為圓形,稱為威力圓;圖1(b)描述的是HPMB以一定的傾角攻擊目標的情況,φ即其攻擊角度(波束中心線AB與水平面的夾角),毀傷范圍為橢圓形,稱為威力橢圓。

可知,毀傷范圍的大小與HPMB的波束角、起爆高度和攻擊傾角等因素相關。文中主要以圖1(a)所示的威力圓為基礎,建立HPMB的毀傷區域模型,討論HPMB的毀傷能力。

HPMB輻射的高能量微波經大氣傳播到目標處,根據電磁波理論,輻射功率密度S在遠場區以距離平方的倒數規律逐漸減小[5],計算公式為:

(1)

式中:P為HPMB的輻射功率;GH為定向輻射天線的增益;R為遠場區目標到HPMB爆炸點的距離。由于圖1(a)中B、C、E、D都是處于威力圓邊界或內部,則有GB=GC=GE=CD=GH[6],那么各點處的HPM功率密度為:

(2)

(3)

2 HPMB對雷達的毀傷區域建模

HPMB對雷達的毀傷效應最終取決于其耦合進入接收機的能量,不同大小的能量將對接收機內部的電子元件造成不同程度的毀傷。典型的雷達接收機框圖如圖2所示。

圖2 雷達接收機前端框圖

圖中混頻器中的微波二極管的HPM能量破壞閾值約為Epd=1×10-5J,高放中的微波低噪聲三極管的HPM能量破壞閾值也近似為Epd=1×10-5J。即當HPM進入雷達接收機,能量超過Epd=1×10-5J時,將損壞微波混頻器或高放,從而使雷達接收機失效[7]。而引起接收機內部電路失常或對內部電子器件造成擾亂的HPM能量閾值近似為Epj=1×10-9J。即當高功率微波進入雷達接收機,能量超過Epj=1×10-9J而低于Epd=1×10-5J時,將對雷達接收機產生干擾。因此,將HPMB對雷達的毀傷效應按照毀傷程度主要分為失效和干擾兩種。

那么HPM損壞微波二極管或低噪聲三極管引起接收機失效所需的功率為:

(4)

擾亂內部電路造成接收機干擾所需的功率為:

(5)

式中τ為HPMB的脈沖寬度。

而HPMB輻射的HPM脈沖從雷達天線進入接收機前端的功率Pin為:

(6)

式中L為傳播總損耗;S為HPM在目標處的功率密度;Ae為雷達接收天線有效接收面積。

根據天線理論可知:

(7)

式中,λ為HPMB輻射的HPM波長。那么HPM脈沖從雷達天線進入接收機前端的功率Pin為:

(8)

式中:Gr(φ)為雷達接收天線在φ方向上的增益,有:

(9)

式中:Gr為雷達接收天線在主瓣方向上的增益;φr為雷達天線波瓣寬度;φ為雷達波束中心線與HPMB起爆點到雷達之間連線的夾角,如圖3所示;q為常數,取0.04～0.10[6]。

可見圖3和式(9)體現出了HPM輻射方向與雷達指向之間的關系。

圖3 雷達波束中心線與HPMB起爆點到雷達之間連線的夾角示意圖

下面對HPMB對雷達的毀傷區域進行具體分析。

首先是失效區的建模。這里將HPMB高功率微波輻射在地面上的威力圓內使雷達接收機失效的區域稱為失效區,將威力圓圓心即坐標原點到失效區邊界的距離稱為失效區的半徑。顯然,失效區與威力圓是同心圓。

綜合式(3)、式(4)和式(8),可得HPMB的某一起爆高度hd為:

(10)

對應的威力圓半徑rd為:

(11)

這兩個參數的含義是,當HPMB在hd的高空垂直起爆實施攻擊時,在其天線波束角輻射范圍內位于地面上半徑為rd的圓形區域中,波束中心線與HPMB起爆點到自身之間連線的夾角為φ的雷達,將因接收機內部重要元件損壞而失效。這里將波束中心線與HPMB起爆點到自身之間連線的夾角為φ的雷達簡稱為φ方向上的雷達。

圖4 HPMB起爆高度h≤hd時的毀傷區域示意圖

圖5 HPMB起爆高度h>hd時的毀傷區域示意圖

(12)

此時的h為已知參數,綜合式(3)、式(4)和式(12),可得:

(13)

隨著HPMB起爆高度逐漸增大,地面上威力圓內各點處的HPM脈沖功率密度將逐漸減小,那么必然存在一個高度值hd,max,一旦起爆高度h>hd,max,HPMB地面上威力圓內任意一點處的功率都會小于式(4)中的最小功率,則失效區將不復存在。從圖1(a)中可知,圓心B點接收到的HPM能量最大。因此,綜合式(2)、式(4)和式(8),可得hd,max為:

(14)

即當hd

而后是干擾區的建模。將HPMB高功率微波輻射在地面上的威力圓內失效區外,造成雷達接收機失?；驍_亂的區域稱為干擾區。

綜合式(3)、式(5)和式(8),可得HPMB的某一起爆高度hj為:

(15)

對應的威力圓半徑rj為:

(16)

即當HPMB在hj的高空起爆實施攻擊時,在其天線波束角輻射范圍內,位于地面上半徑為rj的圓形區域中失效區外φ方向上的雷達,將會受到干擾。

圖6 HPMB起爆高度hd

而當HPMB的起爆高度hd,max

圖7 HPMB起爆高度hd,max

圖8 HPMB起爆高度hj

同前文式(13)的求解方法相同,可得干擾區半徑rj為:

(17)

此時威力圓中該半徑外任意一點處的功率都小于式(5)中的最小功率,因而無法再對雷達接收機內部的元件造成任何影響。因此,將威力圓中干擾區外的圓環區域稱為安全區,如圖8所示。

當然,起爆高度h>hj并不是沒有上界,當HPMB爆炸輻射在地面上的威力圓中,接收到的最大能量都無法對雷達接收機產生干擾時,HPMB的攻擊就失去了意義。綜合式(2)、式(5)和式(8),可得HPMB垂直攻擊目標時起爆高度的上界hmax為:

(18)

由上可知,HPMB垂直攻擊目標時,隨著起爆高度的變化,對地面雷達的毀傷區域主要分為4種情況:1)是起爆高度h≤hd,威力橢圓內僅有失效區存在,無干擾區和安全區,如圖4所示;2)是起爆高度hd

3 HPMB對目標的毀傷能力示例分析

通過計算可得,hd=3.95 km,hd,max=4.22 km,hj=395.44 km,hmax=422.02 km,而當前主流戰斗機的飛行高度均低于20 km,無人機的飛行高度一般也低于30 km,這表明由戰斗機或無人機投放的HPMB的起爆高度一般低于30 km,hd,max<30 km

表1 HPMB垂直攻擊目標雷達時毀傷區域隨起爆高度h變化的情況

可見在實際的作戰運用中,HPMB垂直攻擊目標雷達的毀傷區域只有3種情況,安全區將不會出現。

4 結束語

文中在現有研究的基礎上,根據HPM損壞和干擾電子元器件的能量閾值,科學的劃分了HPMB毀傷效應的類別;以HPMB垂直攻擊目標的毀傷范圍威力圓為基礎,建立了能夠體現HPM輻射方向與雷達指向關系以及HPMB毀傷效應的毀傷區域模型;最后通過具體的示例定量描述了HPMB的毀傷能力,得到了它在不同高度起爆攻擊時威力圓內的毀傷區域情況。這些工作為HPMB攻擊參數的設定提供了一定的理論依據。

[1] 張興華,張建華,尹成友.高功率微波武器及其應用 [M].北京:解放軍出版社,2003:116-119.

[2] 姜百匯,米小川,查旭.國外電磁脈沖武器的應用 [J].航天制造技術,2010(1):12-16.

[3] 楊永武,吳金才.電磁脈沖彈的損傷模式與防護措施 [J].科技研究,2011,27(2):94-96.

[4] 肖金石,劉文化,張世英,等.爆磁壓縮電磁脈沖彈的殺傷能力分析與仿真 [J].彈道學報,2009,21(1):91-94.

[5] 楊顯清,趙家升,王園,等.電磁場與電磁波 [M].北京:國防工業出版社,2003:231-245.

[6] 邵國培.電子對抗作戰效能分析原理 [M].北京:軍事科學出版社,2013:100-101.

[7] D.C施萊赫.信息時代的電子戰 [M].成都:信息產業部第二十九所,2001:468-469.

AnalysisontheDamageCapabilityofHighPowerMicrowaveBombAttackingTargetVertically

ZHANG Jinghui

(Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China)

In order to study the damage capability of high power microwave bomb (HPMB) attacking target vertically,based on its damage range power circle,and combined with the energy threshold of HPM damage and interference electronic components,the concepts of failure zone,interference area and safe area of damage area were proposed,and the damage zone model which could reflect the damage effect of HPMB was established.Finally the damage capability of HPMB was quantitatively described by a specific example; and the situation of damage area in power circle while HPMB detonating at different heights was obtained.The research process and conclusions offered theoretical basis for setting the attack parameters of HPMB.

high power microwave bomb; vertical attack; damage capability; damage effect; damage regional model

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.018

2015-10-31

張璟琿(1988-),男,安徽蕪湖人,工程師,博士,研究方向:電子對抗裝備作戰效能評估。

E927

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