搜索能拿科技進步一等獎的中國首創微波反導武器有何神奇？
2017-06-18 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
據報道,西北核技術研究所副所長黃文華榮獲國家科技進步獎一等獎。黃文華及其團隊獲獎的項目是高功率微波反導系統,這種武器系統可能用于艦載反導武器,其主要用途是干擾乃至燒毀來襲敵方電子設備。
黃文華向媒體表示:“該成果是一項顛覆性技術,實現了重大跨越,在國際上也為首創。”那么,微波反導武器到底是怎么回事呢?
西北核技術研究所副所長黃文華
什么是高功率微波武器
微波是一種波長范圍在1mm—1m之間,傳播速度為光速的高頻電磁波。高功率微波顧名思義就是峰值功率很高的微波,目前并沒有權威的嚴格定義,一般將頻率為1 GHz—300 GHz,峰值功率大于100 MW (1MW=100萬瓦)以上電磁脈沖均稱為高功率微波。
高功率微波在使用特殊天線等手段匯聚后,能夠形成方向性強、能量高的波束,由于這種大功率微波束毀壞和干擾敵方武器系統、信息系統中的電子元件,比如導彈中的CPU,因而得到了各國的高度重視,中國、美國等國家都在致力于開發高功率微波武器。這種武器輻射的頻率一般在1GHz—30GHz范圍內,脈沖功率在GW級(1GW=10億瓦)。
高功率微波武器的理念并不復雜,但技術上較難突破,除了大功率元器件,高功率微波傳輸和發射等固有因素外,還包含天線輻射場的旁瓣對周圍的影響(天線方向圖上,最大輻射波束叫做主瓣,主瓣旁邊的小波束叫做旁瓣——觀察者網注)。對于武器級別的微波功率,其旁瓣也可能對周邊的人或電子設備造成殺傷和傷害。
而解決這一難題,有可能用到高功率脈沖信號的天線特性。簡單的說,大口徑天線(包括相控陣),在天線遠場處,改變微波激勵的脈沖寬度,對天線主軸輻射場波形基本沒有影響;但在偏離主軸處,輻射場波形會根據不同的脈沖展寬和幅度減小等衰變,越偏離主軸,衰減越厲害。所以利用特殊的脈沖信號,就可以取得比靜態輻射場更好的匯聚作用,更高的瞬時能量,以及更小的周圍影響。
必須說明的是,雖然高功率微波武器以光速的高能電磁波攔截導彈聽起來很科幻,但也不宜過度吹捧。其實大功率雷達也有作為高功率微波武器的潛力,像中國和美國已經裝備的一些雷達,也能在局部范圍內產生類似的效應。
軍艦反導(圖中為激光反導示意圖,僅供參考)
導彈中的電子元件的怎樣被燒毀的
高功率微波武器要能燒壞導彈中的電子元件,首先是要有高功率微波的發射裝置,也就是微波輻射源。其次是發射出去的高功率微波能夠“進入”導彈內部并燒毀電子元件,畢竟,如果來襲的導彈是一個電磁波無法穿透的物體,那么高功率微波武器自然武功盡廢。
目前,高功率微波“進入”導彈內部有兩種途徑:
第一種途徑,是通過導彈上各種傳感器窗口和彈體天線進入導彈內部。
現在的導彈一般有紅外制導、雷達制導、衛星制導、激光制導等類別,由于有制導的需要,就必須有各種傳感器窗口(比如可見光/紅外/微波雷達)獲取制導信息,以及彈體天線和外界連接獲取數據,而這就給高功率微波“進入”導彈內部提供了可乘之機,高功率微波通過導彈上各種傳感器窗口和彈體天線進入導彈內部,傳播路徑與導彈接收和處理的各種回波信號傳遞路徑基本一致。
第二種途徑,是通過導彈彈頭、彈體、尾翼、前翼等部位存在的各類物理孔縫“進入”導彈內部。
無論是那種途徑,由于高功率微波本質上是電磁波,加上電磁感應的客觀規律,高功率微波都能在導彈內部腔體形成駐波,并對電路產生感應電流。當感應電流較小時,會使電路功能產生混亂,而當感應電流較大時,則會燒毀各類電子元器件。周所周知,和傳統依靠慣性制導的炸彈相比,導彈能夠精確打擊很大程度上就是因為搭載了各種電子元件,在將導彈里的CPU等電子元件燒毀,或電磁干擾造成工作紊亂后,能夠指哪打哪的精確制導武器就部分甚至完全喪失作戰能力了。
高功率微波武器不局限于攔截導彈
雖然本次報道中,黃文華研究員獲獎項目的具體運用方向很可能是用于軍艦攔截來襲反艦導彈。但高功率微波武器并非只能用來攔截導彈,高功率微波武器還能用于攻擊敵方的飛機,甚至是對人員造成一定殺傷。
由于現代戰爭已經全面進入信息化時代,各類戰機上都搭載了復雜的電子設備,而各種電子元件在高功率微波武器面前都是敏感而脆弱的,一旦遭到高功率微波武器攻擊,機載電子設備很有可能就會燒毀或無法正常工作。如果技術足夠成熟,可以實現對區域范圍內進行掃描型的撒網式的攻擊,即便是美國F22、F35這樣高度信息化的戰機,也很有可能會遭遇電子設備失靈的窘境。事實上,美國就曾經發生過因地面基地進行微波武器實驗,進而導致一架飛過該基地的戰機墜毀,2名飛行員身亡的慘劇。
此外,高功率微波武器在理論上也能對人員造成一定殺傷,對人員的殺傷原理和使用微波爐加熱食物的原理是類似的。雖然目前還沒有這類武器問世,但根據相關實驗和統計,高功率微波武器對人員的殺傷是客觀存在的。
舉例來說,在高漏電磁場環境下工作的工人,眼睛水晶體老化比正常人要早5年。美國陸軍醫學研究實驗室所做的強微波照射試驗也表明,當微波能量密度達到0.5MW/cm2時,會造成人體皮膚輕度燒傷。達到20MW/cm2時,只需照射2秒,即可造成人體3度皮膚燒傷。當微波能量密度達到80MW/cm2 時,僅僅1秒就能使人喪命。
在國際上也為首創
正是由于高功率微波武器的巨大潛力,中國、美國、以及一些歐洲國家都在致力于研究高功率微波武器。
美國的研究重點是在飛機、無人機、導彈上安裝高功率微波武器用于攻擊敵方防空、指揮系統的電子設備。以及用高功率微波武器來驅散人群,畢竟之前提到過,微波能量密度提高到一定程度時,是可以讓人感到灼燒感的。將高功率微波武器用于擊落導彈目前還只是構想,未進行過打靶試驗。
美國陸軍研制的用于驅散人群的高功率微波武器
歐洲國家在高功率微波研究上頗有建樹,還曾經測試了五枚導彈。不過,雖然歐洲開展過相關測試,但并沒有采用高功率微波武器成功攔截導彈的公開報道。此外,瑞典在高功率微波外場實驗上具有非常高的水平,并將研究領域擴展到了電氣化鐵路系統、GPS、無線局域網、計算機等系統的電磁易損性的研究上。
雖然黃文華研究員在2017年1月9日才獲得國家科技進步獎一等獎。但在2010年11月18日,高功率微波反導系統就在我國西北某地進行了打靶試驗并取得成功。這項技術在軍事上意義重大,而且還有非常大的潛力可以挖,想必這也是其榮獲此大獎的原因所在了。
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