國(guó)外微波武器及其發(fā)展

1、國(guó)外微波武器及其發(fā)展=袁 俊=微波是一種高頻電磁波，波長(zhǎng)范圍在1mm1m之間（300GHz300MHz）。微波波束可用特殊的高增益天線 聚成方向性極強(qiáng)、能量極高的窄波束，在空中以光速沿直線傳播，在幾十公里的距離，瞬時(shí)到達(dá)，沒有時(shí)間延 遲。微波武器可在遠(yuǎn)距離（一般指幾十公里）上對(duì)目標(biāo)的光電設(shè)備進(jìn)行干擾，在近距離上殺傷有生力量，引爆各 種裝藥或直接摧毀目標(biāo)。它是一種具備軟硬多種殺傷效應(yīng)的定向能武器，又稱射頻武器。強(qiáng)大的微波匯聚在窄波束內(nèi)，可用于攻擊軍事衛(wèi)星、洲際彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦艇、坦克、C4I 系統(tǒng)以及空中、地（海）面上的雷達(dá)、通信和計(jì)算機(jī)設(shè)備，尤其是指揮通信樞紐、作戰(zhàn)聯(lián)絡(luò)網(wǎng)等重要的信

2、息戰(zhàn) 節(jié)點(diǎn)和部位，使目標(biāo)遭受物理性破壞，并喪失作戰(zhàn)效能。使用微波武器壓制和摧毀武器系統(tǒng)的電子設(shè)備會(huì)比用 普通的殺傷爆破彈取得更好的效果。高頻率微波武器的發(fā)射峰值功率通常在100MW以上。它一般由微波器件、高頻率微波發(fā)生器、天線裝置、 電磁波定向發(fā)射裝置和控制系統(tǒng)組成。只要目標(biāo)處于高頻率的覆蓋范圍內(nèi)，都會(huì)因受到其攻擊而喪失作戰(zhàn)效能。 對(duì)目標(biāo)能形成殺傷作用的電磁脈沖的功率密度為100W1MW/m2，因此，微波作為武器使用時(shí)，要求能在距輻射 源0.11km以外達(dá)到這么大的功率密度。根據(jù)核爆炸的電磁脈沖效應(yīng)，對(duì)核武器加以改造，使其在爆炸時(shí)，將更多的能量轉(zhuǎn)換為電磁脈沖，以這樣 的原理研制的微波武器屬于戰(zhàn)

3、略微波武器。它作為電子戰(zhàn)壓制武器，用于在戰(zhàn)略、戰(zhàn)役縱深內(nèi)對(duì)武器系統(tǒng)電子 設(shè)備的壓制。根據(jù)激光效應(yīng)和帶電粒子束效應(yīng)或利用普通炸藥、火箭推進(jìn)劑、碳?xì)浠衔锶剂先紵龝r(shí)釋放的化 學(xué)能轉(zhuǎn)換為脈沖電能的原理研制的微波武器屬于戰(zhàn)術(shù)微波武器。以飛機(jī)上30mm的機(jī)炮彈藥為例，它可用于產(chǎn)生 10kJ、1GW的電脈沖，其功率密度為0.1MW/m2，能量密度達(dá)1J/cm2，可通過天線對(duì)前方1km處的地面目標(biāo)進(jìn)行 照射，利用重復(fù)發(fā)射來對(duì)付敵方的預(yù)警、通信、指揮控制和武器系統(tǒng)。微波武器與激光、粒子束武器相比，其波束寬得多，作用距離更遠(yuǎn)，受氣候影響更小，并且只需大致指向 目標(biāo)，不必像激光、粒子束武器那樣精確跟蹤、瞄準(zhǔn)目標(biāo)，

4、便于火力控制，從而使敵方對(duì)抗措施更加困難和復(fù) 雜化。微波武器的技術(shù)特點(diǎn)及作戰(zhàn)運(yùn)用微波武器對(duì)目標(biāo)的殺傷效果取決于微波發(fā)射源的輸出功率、發(fā)射天線的增益和目標(biāo)與微波源的距離。一個(gè) 吉瓦級(jí)的微波發(fā)射源經(jīng)4050dB高增益天線發(fā)射的微波，在10km處可達(dá)到W/cm2級(jí)的輻射強(qiáng)度，能殺傷人員 和設(shè)備。當(dāng)電磁波能量集中在單一頻率為主的窄波段內(nèi)，波長(zhǎng)以毫米或厘米為主時(shí)，對(duì)無屏蔽或有屏蔽但有縫隙的 電子設(shè)備的破壞性很強(qiáng)。當(dāng)電磁波能量分散在一個(gè)很寬的頻段內(nèi)時(shí)，任何一種頻率對(duì)應(yīng)的能量都極小。它對(duì)有 長(zhǎng)電纜的設(shè)備干擾和破壞性極大。微波武器的殺傷作用主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：殺傷人員。這一殺傷機(jī)理分為“非熱效應(yīng)”和“熱效

5、應(yīng)”。非熱效應(yīng)指當(dāng)微波照射強(qiáng)度低時(shí)，使導(dǎo)彈和 雷達(dá)的操縱人員、飛機(jī)駕駛員以及炮手、坦克手等的生理功能紊亂（如煩躁、頭痛、記憶力減退、神經(jīng)錯(cuò)亂以 及心臟功能衰竭等）。微波的功率密度達(dá)到13mW/cm2時(shí)，武器操縱人員的工作狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致武器系統(tǒng) 失靈。熱效應(yīng)指在高頻率微波照射下，人的皮膚灼熱，眼白內(nèi)障，皮膚內(nèi)部組織嚴(yán)重?zé)齻椭滤赖取．?dāng)微波的 功率密度為0.5W/cm2、單個(gè)脈沖釋放的能量達(dá)到20J/cm2時(shí)，會(huì)造成人體皮膚輕度燒傷；當(dāng)功率密度為20W/cm2 時(shí)照射2s，可造成三度燒傷；當(dāng)功率密度為80W/cm2時(shí)，僅1s就可使人喪命。微波武器的另一個(gè)特點(diǎn)是，只要目標(biāo)的縫隙大于微波的波長(zhǎng)，

6、它就可以經(jīng)過這些縫隙進(jìn)入目標(biāo)的內(nèi)部，還 可通過玻璃或纖維等不良導(dǎo)體進(jìn)入駕駛艙內(nèi)，殺傷里面的人員。破壞各種武器系統(tǒng)中的電子設(shè)備，使其喪失作戰(zhàn)效能，又稱非核電磁脈沖效應(yīng)。當(dāng)微波的功率密度為0.011W/cm2時(shí)，可以干擾相應(yīng)頻段的雷達(dá)、通信、導(dǎo)航設(shè)備的正常工作；0.011W/cm2時(shí)，可使探測(cè)系統(tǒng)、 C4I系統(tǒng)和武器系統(tǒng)設(shè)備中的電子元器件失效或燒毀；10100W/cm2時(shí)，高頻率微波輻射形成的瞬變電磁場(chǎng)可 使金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過天線、導(dǎo)線、電纜和各種開口或縫隙耦合到衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦艇、坦克、 裝甲車輛等內(nèi)部，破壞各種敏感元件，如傳感器和電子元器件，使元器件產(chǎn)生狀態(tài)反轉(zhuǎn)、擊穿，出現(xiàn)誤碼、記

7、 憶信息抹掉等。強(qiáng)大的電磁輻射會(huì)使整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)失控，這是因?yàn)榇竺}沖功率超過敏感元器件的額定值，設(shè)備 會(huì)因過載而造成永久性毀傷。如果輻射的微波功率足夠強(qiáng)，則裝備外殼開口與縫隙處可以被電離，從而變成良 導(dǎo)體；103104W/cm2時(shí)，會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)使目標(biāo)受高熱而破壞，甚至能夠提前引爆導(dǎo)彈中的戰(zhàn)斗部或炸藥。能夠攻擊隱身武器。隱身武器除了具有獨(dú)特的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)以減少雷達(dá)反射波之外，更重要的是采用吸 波材料，吸收雷達(dá)要探測(cè)的電磁波。如美國(guó)的B-2隱身轟炸機(jī)不僅機(jī)體采用吸波材料，而且機(jī)體表面也涂有吸 波涂料。高頻率微波的強(qiáng)度和能量密度要比雷達(dá)微波高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，它產(chǎn)生的納秒級(jí)脈沖的主瓣頻帶達(dá)數(shù)千兆， 遠(yuǎn)超

8、過吸波涂層的帶寬。氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)和吸波涂層的隱身效果約為30dB，而高頻率微波源的發(fā)射功率足以抵消 這種隱身效果，輕者可使機(jī)毀人亡，重者甚至可使武器即刻熔化。高功率微波武器還能破壞反輻射導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)，使其偏離航向。微波武器的主要缺點(diǎn)有：微波穿過大氣層傳播時(shí)，要受到電擊穿、繞射和衰減的影響，受影響的程度與微波束的強(qiáng)度、頻率、脈 沖寬度及空氣條件有關(guān)。在通常大氣壓下，空氣介質(zhì)被電擊穿的功率密度為105106W/cm2，此時(shí)微波脈沖寬 度大于數(shù)個(gè)納秒。大氣中的水蒸氣、氧氣和雨水對(duì)微波具有吸收作用。當(dāng)微波頻率在22GHz、185GHz時(shí)被水蒸氣吸收，在60GHz、 118GHz時(shí)被氧氣吸收。在戰(zhàn)術(shù)微波

9、武器1100km的作用距離內(nèi)在以上頻率處附近有衰減。即使一個(gè)校準(zhǔn)得很好的微波束也會(huì)隨發(fā)射距離的增加而擴(kuò)散。采用高頻率和大直徑的天線可以減少這種繞 射效應(yīng)，所以一般天線對(duì)固定發(fā)射裝置為10m，對(duì)移動(dòng)發(fā)射裝置為3m。對(duì)有核防護(hù)設(shè)施的武器設(shè)備無效。目前世界上一些國(guó)家的武器裝備和軍用電子系統(tǒng)裝有防原子破壞的設(shè) 施，并且制定了軍用電子設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這些設(shè)施對(duì)微波武器同樣有防范作用，因?yàn)榻饘侔蹇杀Ｗo(hù)電子設(shè)備不受熱 效應(yīng)的影響。由于微波武器的發(fā)射功率很大，在作戰(zhàn)使用中，可能會(huì)在一定范圍內(nèi)對(duì)友鄰部隊(duì)的電子系統(tǒng)和C3I系統(tǒng) 造成威脅和影響，必須采用高度定向的天線或利用地面的屏蔽物。微波武器的關(guān)鍵技術(shù)、研制現(xiàn)狀及未來

10、發(fā)展微波發(fā)生器用于發(fā)射微波束的電磁脈沖，微波發(fā)射裝置用于將電子束的能量或爆炸的化學(xué)能量轉(zhuǎn)換為微波 束的脈沖能量。高功率微波發(fā)生器如下表所示。微波發(fā)射管的工作頻率從500MHz至幾十吉赫，脈沖寬度從10ms 至連續(xù)波。由于不同武器系統(tǒng)的電子設(shè)備的靈敏度在不同頻段有極值，所以戰(zhàn)術(shù)微波武器的發(fā)射機(jī)做成寬頻帶 或在十倍頻程范圍內(nèi)可調(diào)是最為理想的。等離子體輔助波振蕩器是較為理想的寬頻帶微波源，虛陰極振蕩器是 較為理想的可調(diào)微波源。和雷達(dá)一樣，微波波束也可以相位陣列控制。它的相陣采用多個(gè)微波功率產(chǎn)生器，反應(yīng)時(shí)間快，可發(fā)射高 能量脈沖，并可處理多目標(biāo)。電磁脈沖比連續(xù)波更容易使電子系統(tǒng)失效，而且敵方難以確定微

11、波武器的位置，因此采取對(duì)抗措施非常困 難。發(fā)射電磁脈沖與發(fā)射連續(xù)波所要求的電源不同。在微波武器的設(shè)計(jì)中，除了高功率微波發(fā)生器外，脈沖電 源是一個(gè)難題。脈沖電源和通風(fēng)冷卻裝置，尤其是其尺寸要適合車載、機(jī)載和空間作戰(zhàn)平臺(tái)。按照一般的理論計(jì)算，假設(shè)微波管和微波電源的效率是10%左右，對(duì)固定武器系統(tǒng)來說，高功率微波發(fā)生 器發(fā)射脈沖的能量為520MJ/個(gè)；對(duì)移動(dòng)武器來說為0.52MJ/個(gè)。如果采用電容電感儲(chǔ)能，對(duì)固定武器體積 為幾十立方米，移動(dòng)武器為幾個(gè)立方米。目前具備這種能量數(shù)值的脈沖電源，已在質(zhì)子加速器、電磁脈沖產(chǎn)生器以及慢速核聚變的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。美 國(guó)的桑迪國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制了一種小型爆炸壓縮脈沖電源，

12、其基本原理是：儲(chǔ)存電能的電容經(jīng)電感充電，而電感 則通過爆炸得到壓縮，在被壓縮的電感中磁通量保持不變，結(jié)果在電感中得到一個(gè)比充電電流大的脈沖電流。 這種電源可做成各種形式，將炸藥中20%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖電能，適于用在高功率微波火箭和微波重力炸彈 上。近20年來，美國(guó)和前蘇聯(lián)/俄羅斯一直在積極發(fā)展微波武器，重點(diǎn)是研究微波的殺傷和破壞機(jī)理以及高功 率微波輻射源。美國(guó)一些重要的發(fā)展計(jì)劃都列入了微波發(fā)展項(xiàng)目。在發(fā)展高功率微波技術(shù)中，美國(guó)善于應(yīng)用已成熟的技術(shù)， 即首先選定小功率和中功率的微波武器，其功率比現(xiàn)有的電子干擾機(jī)提高了 3個(gè)和6個(gè)數(shù)量級(jí)。中功率微波武 器只要有合適的高重復(fù)頻率、頻帶寬度和脈沖形狀

13、，就會(huì)得到比現(xiàn)有干擾機(jī)高得多的毀傷效應(yīng)。中功率微波武 器一旦研制成功，將取代現(xiàn)行使用的電子干擾機(jī)。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)伊始，美海軍首先使用由戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈攜帶的微波 彈頭，用于破壞和摧毀伊拉克的電子系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)，壓制防空武器。美國(guó)目前正在研制能產(chǎn)生吉瓦級(jí)脈 沖功率的實(shí)驗(yàn)型微波發(fā)射管，并希望最終的脈沖功率達(dá)到100GW。多年來，美國(guó)一直在進(jìn)行寬頻帶、高功率微波武器和窄頻帶定向微波武器的研究與開發(fā)。1987年開始執(zhí)行 的平衡技術(shù)倡議計(jì)劃，把高功率微波武器列為五大關(guān)鍵技術(shù)之一。按照美國(guó)國(guó)防部制定的微波武器2000年發(fā)展 目標(biāo)，美國(guó)空軍將進(jìn)行飛機(jī)自衛(wèi)、空間控制、壓制敵防空力量以及作戰(zhàn)指揮控制通信方面的一系列試

14、驗(yàn)。美國(guó) 空軍在1995年和休斯公司簽訂了一項(xiàng)600萬美元的合同，研制吉瓦級(jí)高功率微波防空壓制武器，并進(jìn)行了摧毀 飛機(jī)等目標(biāo)的試驗(yàn)。美國(guó)空軍在使用這種武器時(shí)，飛機(jī)遠(yuǎn)離目標(biāo)飛行，通過相關(guān)控制指示系統(tǒng)，將微波脈沖彈 發(fā)射到目標(biāo)上空，用爆炸產(chǎn)生的窄頻帶高功率脈沖，摧毀導(dǎo)彈、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)和指揮中心等設(shè)備的 敏感元器件，使防空武器系統(tǒng)喪失作戰(zhàn)效能。目前美空軍正在研制一種性能優(yōu)良的微波武器防護(hù)裝置，以克服 在未來戰(zhàn)場(chǎng)上使用微波武器時(shí)，對(duì)友鄰部隊(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)的影響。在高功率微波發(fā)生器的開發(fā)方面，重點(diǎn)是虛陰極振蕩器。從20世紀(jì)70年代開始，美先后開發(fā)出普通虛陰 極振蕩器試驗(yàn)樣機(jī)、旁虛陰極振蕩器和軸向激勵(lì)

15、虛陰極振蕩器。80年代，美研制出比一般雷達(dá)發(fā)射管功率高 1001000倍、能產(chǎn)生3GW脈沖功率的實(shí)驗(yàn)型虛陰極振蕩器，瞬時(shí)功率轉(zhuǎn)換效率接近20%，基本上能達(dá)到武器 應(yīng)用水平。此外，美國(guó)還研制了自由電子激光器、以相對(duì)原理偏轉(zhuǎn)電子束的磁控管、回波振蕩器等微波產(chǎn)生器 件和先進(jìn)的自由電子半導(dǎo)體開關(guān)。這些微波輻射源的峰值功率大于1GW，轉(zhuǎn)換效率達(dá)30%50%。1992年又研制 出等離子體輔助波振蕩器并進(jìn)行原理性試驗(yàn)，達(dá)到了較高水平。100kV的電子束能產(chǎn)生35MW的脈沖功率，脈 沖寬度為現(xiàn)有脈沖寬度的1000倍，每脈沖能輻射399500J的能量，電子束轉(zhuǎn)換效率為15%20%。這種振蕩 器采用的新技術(shù)使設(shè)備

16、的體積減小3/4。但作為戰(zhàn)場(chǎng)使用存在的問題是如何將機(jī)動(dòng)的微波器所需要的能源安裝 在車輛或飛機(jī)上。在科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)將南聯(lián)盟當(dāng)作了新武器的試驗(yàn)場(chǎng)。試驗(yàn)的武器包括：B-2隱身轟炸機(jī)、聯(lián)合防區(qū)外 發(fā)射武器(JSOW)、微波脈沖彈和石墨炸彈。在1999年3月24日北約對(duì)南聯(lián)盟的轟炸中，美國(guó)使用了尚在試 驗(yàn)的微波武器，它由“二戰(zhàn)”中研制原子彈的洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室研制。這次微波彈的使用，使南聯(lián)盟部分地 區(qū)的各種通信設(shè)施癱瘓了 3個(gè)多小時(shí)。美空軍現(xiàn)已研制一種適合于裝在改裝的巡航導(dǎo)彈上的電磁脈沖發(fā)生器， 它利用普通炸藥產(chǎn)生具有高度方向性的電磁脈沖。它的精密加工天線類似圓盤反射器，天線把發(fā)生器的輸出匯 聚在3

17、0。范圍內(nèi)，便于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行聚集。美國(guó)空軍2025年戰(zhàn)略規(guī)劃的研究報(bào)告在未來武器構(gòu)想中提出發(fā)展空基高功率微波武器，要求這種武器 對(duì)地面、空中和空間目標(biāo)具有不同的殺傷力。它用低軌道(500916km)的一組衛(wèi)星站把超寬帶微波投射到地 面、空中和空間目標(biāo)上，在這樣的目標(biāo)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)幾十到幾百米范圍內(nèi)的高頻電磁脈沖，摧毀或干擾所有目標(biāo) 區(qū)內(nèi)的電子設(shè)備，而且具有一定的氣象修正能力。美國(guó)各軍種對(duì)微波武器有特殊的要求。陸軍提出戰(zhàn)術(shù)微波武器要能裝在大型履帶戰(zhàn)車上，而且要把定向性 極高的天線裝在直立的桅桿上，以利于最佳瞄準(zhǔn)?？哲娨笪淦黧w積小，并采用專用天線。海軍的艦載微波武 器要求具有高功率、大天線和遠(yuǎn)的作用距

18、離。可以看出，海軍對(duì)微波武器在重量、空間和功率等方面提出的限 制條件較小。因此，海軍的微波武器極有可能在未來20年內(nèi)首先投入作戰(zhàn)使用。前蘇聯(lián)的研究重點(diǎn)是相對(duì)原理的磁控管和回波振蕩器。它研制的單脈沖回波振蕩器的脈沖輸出功率達(dá)到 15GW，能量轉(zhuǎn)換效率為50%。10Hz重復(fù)頻率的回波振蕩器的脈沖輸出功率為1GW，能量轉(zhuǎn)換效率為30%。20世 紀(jì)80年代末研制成功的磁控管工作頻率7GHz，脈沖輸出功率為60100MW，能量轉(zhuǎn)換效率為25%。前蘇聯(lián)已經(jīng)研制出用于防空的高功率微波武器樣機(jī)，峰值功率為1GW，殺傷距離為110km，整個(gè)系統(tǒng)重約 3t，分裝在三輛越野載重車上，并進(jìn)行過外場(chǎng)試驗(yàn)。前蘇聯(lián)和美國(guó)的

19、高功率微波技術(shù)水平大體相當(dāng)，在部分微 波輻射源技術(shù)方面，前蘇聯(lián)的水平要高于美國(guó)。在1998年2月25日美國(guó)國(guó)會(huì)舉行的關(guān)于微波武器擴(kuò)散問題的聽證會(huì)上，美國(guó)陸軍導(dǎo)彈防御與航天技術(shù)中 心專家在作證時(shí)說，他們一直在跟蹤俄、法等國(guó)微波武器的發(fā)展動(dòng)向及這種武器對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)的破壞機(jī)理，研究它的對(duì)抗措施，并稱俄羅斯已經(jīng)研制出一種高功率微波脈沖炸彈，應(yīng)用的是小型強(qiáng)電子加 速器原理。它有一個(gè)定向天線，用12V充電電池供電，可將爆炸的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為強(qiáng)大的脈沖電能，激發(fā)出激光、 X射線、寬帶無線電波和高功率微波，破壞導(dǎo)彈和炸彈的電子解保裝置和點(diǎn)火引信電路或使車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。 使用時(shí)，一次釋放出10GW的高功率脈沖和100MJ的能量，相當(dāng)于10