高功率微波彈垂直攻擊目標(biāo)時(shí)的毀傷能力分析*

張璟琿

(電子工程學(xué)院,合肥 230037)

高功率微波彈垂直攻擊目標(biāo)時(shí)的毀傷能力分析*

張璟琿

(電子工程學(xué)院,合肥 230037)

為了研究高功率微波彈垂直攻擊目標(biāo)時(shí)的毀傷能力,以其毀傷范圍威力圓為基礎(chǔ),結(jié)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(qū)域失效區(qū)、干擾區(qū)及安全區(qū)的概念,建立了能夠體現(xiàn)高功率微波彈毀傷效應(yīng)的毀傷區(qū)域模型;最后通過(guò)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(shí)威力圓內(nèi)的毀傷區(qū)域情況。研究過(guò)程及結(jié)論為高功率微波彈攻擊參數(shù)的設(shè)定提供了一定的理論依據(jù)。

高功率微波彈;垂直攻擊;毀傷能力;毀傷效應(yīng);毀傷區(qū)域模型

0 引言

高功率微波(HPM)武器是利用定向發(fā)射的高功率微波去損壞敵方電子設(shè)備的一種定向能武器。高功率微波武器將高功率微波源產(chǎn)生的微波經(jīng)高增益定向天線向空間發(fā)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(shè)備中的重要電子元器件,以此來(lái)破壞敵方雷達(dá)及通信、指揮控制與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。而高功率微波彈(HPMB)就是一種將炸藥爆炸能量轉(zhuǎn)換成高功率微波能量,再由定向天線發(fā)射出去毀傷目標(biāo)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(zhàn)人員在戰(zhàn)場(chǎng)上科學(xué)合理的運(yùn)用HPMB的前提?，F(xiàn)有的研究成果在這方面還存在一些不足:重復(fù)性的定性分析和引用較多,未形成一個(gè)合理規(guī)范的HPMB毀傷效應(yīng)分析體系;毀傷能力方面的定量研究較少,或不夠深入,學(xué)術(shù)和應(yīng)用指導(dǎo)價(jià)值有限。文中根據(jù)HPM損壞和干擾電子元器件的能量閾值,對(duì)HPMB的毀傷效應(yīng)進(jìn)行了科學(xué)的分類(lèi);以HPMB垂直攻擊目標(biāo)的毀傷范圍威力圓為基礎(chǔ),建立了能夠體現(xiàn)HPM輻射方向與雷達(dá)指向關(guān)系以及HPMB毀傷效應(yīng)的毀傷區(qū)域模型;最后通過(guò)具體的示例定量描述了HPMB的毀傷能力。這些工作對(duì)于HPMB攻擊參數(shù)的設(shè)定有一定的實(shí)際指導(dǎo)作用。

1 HPMB的毀傷范圍分析

HPMB起爆時(shí)通過(guò)定向輻射天線以一定寬度的波束角向目標(biāo)輻射微波脈沖,在空間中形成一個(gè)立體的圓錐形毀傷范圍。HPMB的起爆姿態(tài)主要有兩種,垂直姿態(tài)和傾斜姿態(tài)。起爆姿態(tài)不同,HPMB輻射的微波脈沖對(duì)目標(biāo)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(tài)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(diǎn),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(qū)域即為HPMB在其攻擊水平面上的殺傷區(qū)域。其中,圖1(a)描述的是HPMB垂直攻擊目標(biāo)的情況,毀傷范圍為圓形,稱(chēng)為威力圓;圖1(b)描述的是HPMB以一定的傾角攻擊目標(biāo)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(chēng)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(guān)。文中主要以圖1(a)所示的威力圓為基礎(chǔ),建立HPMB的毀傷區(qū)域模型,討論HPMB的毀傷能力。

HPMB輻射的高能量微波經(jīng)大氣傳播到目標(biāo)處,根據(jù)電磁波理論,輻射功率密度S在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)以距離平方的倒數(shù)規(guī)律逐漸減小[5],計(jì)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(yuǎn)場(chǎng)區(qū)目標(biāo)到HPMB爆炸點(diǎn)的距離。由于圖1(a)中B、C、E、D都是處于威力圓邊界或內(nèi)部,則有GB=GC=GE=CD=GH[6],那么各點(diǎn)處的HPM功率密度為:

(2)

(3)

2 HPMB對(duì)雷達(dá)的毀傷區(qū)域建模

HPMB對(duì)雷達(dá)的毀傷效應(yīng)最終取決于其耦合進(jìn)入接收機(jī)的能量,不同大小的能量將對(duì)接收機(jī)內(nèi)部的電子元件造成不同程度的毀傷。典型的雷達(dá)接收機(jī)框圖如圖2所示。

圖2 雷達(dá)接收機(jī)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(dāng)HPM進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī),能量超過(guò)Epd=1×10-5J時(shí),將損壞微波混頻器或高放,從而使雷達(dá)接收機(jī)失效[7]。而引起接收機(jī)內(nèi)部電路失常或?qū)?nèi)部電子器件造成擾亂的HPM能量閾值近似為Epj=1×10-9J。即當(dāng)高功率微波進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī),能量超過(guò)Epj=1×10-9J而低于Epd=1×10-5J時(shí),將對(duì)雷達(dá)接收機(jī)產(chǎn)生干擾。因此,將HPMB對(duì)雷達(dá)的毀傷效應(yīng)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(jī)失效所需的功率為:

(4)

擾亂內(nèi)部電路造成接收機(jī)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(dá)天線進(jìn)入接收機(jī)前端的功率Pin為:

(6)

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

根據(jù)天線理論可知:

(7)

式中,λ為HPMB輻射的HPM波長(zhǎng)。那么HPM脈沖從雷達(dá)天線進(jìn)入接收機(jī)前端的功率Pin為:

(8)

式中:Gr(φ)為雷達(dá)接收天線在φ方向上的增益,有:

(9)

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

可見(jiàn)圖3和式(9)體現(xiàn)出了HPM輻射方向與雷達(dá)指向之間的關(guān)系。

圖3 雷達(dá)波束中心線與HPMB起爆點(diǎn)到雷達(dá)之間連線的夾角示意圖

下面對(duì)HPMB對(duì)雷達(dá)的毀傷區(qū)域進(jìn)行具體分析。

首先是失效區(qū)的建模。這里將HPMB高功率微波輻射在地面上的威力圓內(nèi)使雷達(dá)接收機(jī)失效的區(qū)域稱(chēng)為失效區(qū),將威力圓圓心即坐標(biāo)原點(diǎn)到失效區(qū)邊界的距離稱(chēng)為失效區(qū)的半徑。顯然,失效區(qū)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(duì)應(yīng)的威力圓半徑rd為:

(11)

這兩個(gè)參數(shù)的含義是,當(dāng)HPMB在hd的高空垂直起爆實(shí)施攻擊時(shí),在其天線波束角輻射范圍內(nèi)位于地面上半徑為rd的圓形區(qū)域中,波束中心線與HPMB起爆點(diǎn)到自身之間連線的夾角為φ的雷達(dá),將因接收機(jī)內(nèi)部重要元件損壞而失效。這里將波束中心線與HPMB起爆點(diǎn)到自身之間連線的夾角為φ的雷達(dá)簡(jiǎn)稱(chēng)為φ方向上的雷達(dá)。

圖4 HPMB起爆高度h≤hd時(shí)的毀傷區(qū)域示意圖

圖5 HPMB起爆高度h>hd時(shí)的毀傷區(qū)域示意圖

(12)

此時(shí)的h為已知參數(shù),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(nèi)各點(diǎn)處的HPM脈沖功率密度將逐漸減小,那么必然存在一個(gè)高度值hd,max,一旦起爆高度h>hd,max,HPMB地面上威力圓內(nèi)任意一點(diǎn)處的功率都會(huì)小于式(4)中的最小功率,則失效區(qū)將不復(fù)存在。從圖1(a)中可知,圓心B點(diǎn)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(dāng)hd

而后是干擾區(qū)的建模。將HPMB高功率微波輻射在地面上的威力圓內(nèi)失效區(qū)外,造成雷達(dá)接收機(jī)失?；驍_亂的區(qū)域稱(chēng)為干擾區(qū)。

綜合式(3)、式(5)和式(8),可得HPMB的某一起爆高度hj為:

(15)

對(duì)應(yīng)的威力圓半徑rj為:

(16)

即當(dāng)HPMB在hj的高空起爆實(shí)施攻擊時(shí),在其天線波束角輻射范圍內(nèi),位于地面上半徑為rj的圓形區(qū)域中失效區(qū)外φ方向上的雷達(dá),將會(huì)受到干擾。

圖6 HPMB起爆高度hd

而當(dāng)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(qū)半徑rj為:

(17)

此時(shí)威力圓中該半徑外任意一點(diǎn)處的功率都小于式(5)中的最小功率,因而無(wú)法再對(duì)雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)部的元件造成任何影響。因此,將威力圓中干擾區(qū)外的圓環(huán)區(qū)域稱(chēng)為安全區(qū),如圖8所示。

當(dāng)然,起爆高度h>hj并不是沒(méi)有上界,當(dāng)HPMB爆炸輻射在地面上的威力圓中,接收到的最大能量都無(wú)法對(duì)雷達(dá)接收機(jī)產(chǎn)生干擾時(shí),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(biāo)時(shí)起爆高度的上界hmax為:

(18)

由上可知,HPMB垂直攻擊目標(biāo)時(shí),隨著起爆高度的變化,對(duì)地面雷達(dá)的毀傷區(qū)域主要分為4種情況:1)是起爆高度h≤hd,威力橢圓內(nèi)僅有失效區(qū)存在,無(wú)干擾區(qū)和安全區(qū),如圖4所示;2)是起爆高度hd

3 HPMB對(duì)目標(biāo)的毀傷能力示例分析

通過(guò)計(jì)算可得,hd=3.95 km,hd,max=4.22 km,hj=395.44 km,hmax=422.02 km,而當(dāng)前主流戰(zhàn)斗機(jī)的飛行高度均低于20 km,無(wú)人機(jī)的飛行高度一般也低于30 km,這表明由戰(zhàn)斗機(jī)或無(wú)人機(jī)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(biāo)雷達(dá)時(shí)毀傷區(qū)域隨起爆高度h變化的情況

可見(jiàn)在實(shí)際的作戰(zhàn)運(yùn)用中,HPMB垂直攻擊目標(biāo)雷達(dá)的毀傷區(qū)域只有3種情況,安全區(qū)將不會(huì)出現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)HPM損壞和干擾電子元器件的能量閾值,科學(xué)的劃分了HPMB毀傷效應(yīng)的類(lèi)別;以HPMB垂直攻擊目標(biāo)的毀傷范圍威力圓為基礎(chǔ),建立了能夠體現(xiàn)HPM輻射方向與雷達(dá)指向關(guān)系以及HPMB毀傷效應(yīng)的毀傷區(qū)域模型;最后通過(guò)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(shí)威力圓內(nèi)的毀傷區(qū)域情況。這些工作為HPMB攻擊參數(shù)的設(shè)定提供了一定的理論依據(jù)。

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

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

[3] 楊永武,吳金才.電磁脈沖彈的損傷模式與防護(hù)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(xué)報(bào),2009,21(1):91-94.

[5] 楊顯清,趙家升,王園,等.電磁場(chǎng)與電磁波 [M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2003:231-245.

[6] 邵國(guó)培.電子對(duì)抗作戰(zhàn)效能分析原理 [M].北京:軍事科學(xué)出版社,2013:100-101.

[7] D.C施萊赫.信息時(shí)代的電子戰(zhàn) [M].成都:信息產(chǎn)業(yè)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(duì)抗裝備作戰(zhàn)效能評(píng)估。

E927

A