美國海軍全艦電磁脈沖模擬器發(fā)展綜述

馮寒亮，劉逸飛，劉峰

西北核技術(shù)研究院，陜西 西安 710024

0 引 言

電磁脈沖（electromagnetic pulse, EMP）是一種瞬間電磁能的爆發(fā)，通常由高空核爆炸引起，與電力或電子系統(tǒng)耦合，能夠產(chǎn)生破壞性電流和浪涌電壓，會對海軍艦船平臺、艦載電子信息系統(tǒng)及武器裝備等造成嚴(yán)重的影響甚至是損傷。為了解此類影響，評估艦船的EMP 生存能力，有必要利用EMP 模擬器對艦船進(jìn)行測試。對全艦進(jìn)行測試，是其中一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容，而全艦EMP 模擬器則是試驗(yàn)需求的重中之重。美軍在相關(guān)評估結(jié)論和軍標(biāo)中指出：利用EMP 模擬器開展全艦EMP 威脅生存能力測試，是演示驗(yàn)證艦船防護(hù)威脅級高空電磁脈沖（high altitude electromagnetic pulse, HEMP）并保障海軍執(zhí)行任務(wù)的最佳方法，可對整艘艦船進(jìn)行試驗(yàn)的威脅級EMP 模擬器是驗(yàn)證軍艦EMP 生存能力所必須的基礎(chǔ)試驗(yàn)設(shè)施[1-6]。

美國海軍很早就開始了全艦EMP 試驗(yàn)與研究，建造并使用了兩代艦船EMP 輻射環(huán)境模擬器（Electromagnetic pulse radiation environment stimulation for ships, EMPRESS）I & II，開展了多次全艦EMP試驗(yàn)，目前正在根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，籌劃構(gòu)建新一代全艦威脅級EMP 模擬器（electromagnetic pulse threat level simulator, EMP TLS）[7]。

1 電磁脈沖對艦船的影響及危害

目前，在艦船上使用的許多電子設(shè)備大都以集成電路為基礎(chǔ)。這些器件、設(shè)備通過密集的線纜互連形成了龐大、復(fù)雜的艦船系統(tǒng)。同時，隨著更加先進(jìn)、復(fù)雜的電子設(shè)備集成到海軍艦船上，其對EMP 環(huán)境越來越敏感，艦船在EMP 環(huán)境中的生存能力問題也變得更加嚴(yán)峻[8-9]。

EMP 通常以2 種耦合途徑進(jìn)入艦船內(nèi)部，即“前門”和“后門”耦合?！扒伴T”耦合是指電磁脈沖能量通過天線、電纜、金屬管道等直接傳導(dǎo)進(jìn)入艦載設(shè)備端口，損傷電子器件。當(dāng)艦船處于EMP 環(huán)境中時，天線、電纜、金屬管道等作為艦船上主要的EMP 能量收集器，會將收集到的能量以瞬態(tài)電流的形式通過金屬導(dǎo)體穿透甲板傳導(dǎo)至內(nèi)部艙室，或者直接流向敏感的電子器件，從而影響艦載器件和設(shè)備的運(yùn)行?！昂箝T”耦合是指EMP 場通過孔洞、接縫、艙口、風(fēng)道等耦合到艦船內(nèi)部，或重新輻射和耦合到其他電纜，從而影響艙內(nèi)設(shè)備[10]。EMP 耦合通常會對艦船的電氣和電子系統(tǒng)造成2 種瞬態(tài)效應(yīng)，即功能損傷和運(yùn)行故障。功能損傷是永久性的，而運(yùn)行故障則是暫時性的。

艦船上層建筑具有復(fù)雜的耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及大量的連接線纜和通道，這就意味著EMP 與艦船上器件和設(shè)備的相互作用極其復(fù)雜，對這種相互作用的分析也就變得相當(dāng)困難。一般的測試方法是對艦船系統(tǒng)和子系統(tǒng)進(jìn)行有限的測試，然后利用這些結(jié)果推測EMP 對整艘艦船的影響，但這種方法不能提供艦船EMP 生存能力評估所需的全部數(shù)據(jù)，而且現(xiàn)有的EMP 建模與仿真所能提供的有關(guān)艦船生存能力信息非常有限，不確定性非常大[3]。因此，可以說在未進(jìn)行系統(tǒng)測試和評估的情況下，無法得出關(guān)于艦船系統(tǒng)加固或生存能力的準(zhǔn)確結(jié)論。那么，對艦船進(jìn)行EMP 模擬測試，對于識別漏洞和驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性就變得至關(guān)重要。而且，只有在接近真實(shí)的威脅條件下進(jìn)行測試，才能得出高可信度的結(jié)論。也就是說，只有將整艘艦船暴露于威脅級EMP 模擬環(huán)境中，才能準(zhǔn)確確定EMP 對艦上各類器件、設(shè)備的影響，特別是各類細(xì)節(jié)響應(yīng)（如器件引腳電流等），從而開展精確有效的系統(tǒng)性評估。而這就對產(chǎn)生威脅級環(huán)境水平的EMP 模擬器提出了更高的要求：模擬的EMP場強(qiáng)要達(dá)到威脅級水平，并且具有足夠大的測試空間、場地，適用于海軍艦船等。

2 美國海軍艦船電磁脈沖輻射環(huán)境模擬器

冷戰(zhàn)期間，美國十分重視核電磁脈沖威脅，相繼建成一些大型EMP 模擬器。美國海軍就曾建了兩代用于評估整艘艦船EMP 生存能力及防護(hù)能力的EMPRESS I & II[8]。

2.1 EMPRESS I

2.1.1 概 況

1972 年，美國海軍在馬里蘭州帕圖克森特河河口的所羅門建造了EMPRESS I[11-13]。這是當(dāng)時唯一一個能對整艘艦船進(jìn)行EMP 試驗(yàn)的模擬器。該模擬器由IIT 研究所設(shè)計(jì)和建造，是一個陸基次威脅級EMP 試驗(yàn)設(shè)施，分布在鄰近的兩塊場地上，分別可產(chǎn)生垂直極化和水平極化2 種輻射場，主要通過測試錨泊在模擬器鄰近的水面艦船和各類設(shè)備組件來評估艦上電氣和電子系統(tǒng)的生存能力，也可開展飛機(jī)飛越試驗(yàn)和在模擬器附近（如50 m 以內(nèi)）進(jìn)行小型子系統(tǒng)的近威脅級試驗(yàn)。

EMPRESS I 設(shè)施采用了脈沖星聯(lián)合公司設(shè)計(jì)開發(fā)的高可靠度2.5 MV 分布式峰化電容源，脈沖源是垂直模式的單錐脈沖源和水平模式的雙錐脈沖源(圖1)。兩種模式的脈沖源和天線均可由3 名工作人員在2 天的時間內(nèi)操作轉(zhuǎn)換完畢。EMPRESS I的參數(shù)如表1～表2 所示[14-17]。

圖1 EMPRESS I 模擬器脈沖源[14]Fig. 1 EMPRESS I pulsers in horizontal configuration and vertical configuration[14]

表1 EMPRESS I 脈沖源參數(shù)Table 1 EMPRESS I pulser data

表2 EMPRESS I 天線參數(shù)Table 2 EMPRESS I antenna data

該脈沖源采用了較高電感的50 級MARX 發(fā)生器，最大充電電壓為±25 kV，總輸出電容為4 nF，最大存儲能量為12.5 kJ，但通常在±17.5 kV 的充電電壓下運(yùn)行，輸出脈沖峰值電壓為1.75 MV。由于EMP 與艦船耦合最嚴(yán)重的情況出現(xiàn)在垂直模式，因此，EMPRESS I 對艦船進(jìn)行測試時，主要以垂直模式運(yùn)行。

EMPRESS I 模擬器也存在嚴(yán)重的局限性。首先，EMPRESS I 脈沖波形的前沿、脈寬等波形指標(biāo)不夠嚴(yán)格，特別是場強(qiáng)達(dá)不到威脅級標(biāo)準(zhǔn)。這是由于其位于陸地上，周邊水域?yàn)闇\水區(qū)，艦船距離模擬器的最近錨泊距離為300 m，使得艦船上的最大電場強(qiáng)度只能達(dá)到2.7 kV/m，僅為威脅級EMP 場的5%左右。其次，EMPRESS I 的場地限制了待測艦船的尺寸和型號。這是由于通往EMPRESS I 的大型艦船會被附近一條只有9.45 m深的航道和一座43.89 m 高的公路橋所阻擋。

為了改善這種局限，1979 年，美國海軍設(shè)施工程司令部列出了97 個可能遷移EMPRESS I 模擬器的潛在陸上場址，美國海軍也研究考慮了在陸地上建設(shè)EMPRESS II 模擬器的可能性。由于艦船需要從開闊的海域進(jìn)入，以及受水深、橋梁高度、海岸面積、溫和的氣候和保障設(shè)施等要求的限制，沒有一個場址能夠保證艦船錨地與模擬器之間的距離滿足有效實(shí)施威脅級EMP 測試的要求。這些備選場址均需對航道、錨地和海岸線等進(jìn)行大規(guī)模的疏浚（以便艦船更靠近陸上模擬器天線），但這些活動又會嚴(yán)重影響大部分備選場址的環(huán)境，EMP 也可能影響附近的電子設(shè)備。因此，這2 種選項(xiàng)均未被接受[16]。

2.1.2 EMPRESS I 全艦試驗(yàn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1972～1984 年間，EMPRESS I 模擬器共試驗(yàn)了約41 143 發(fā)次[13]。USS FFG15，DDG3 和加拿大驅(qū)逐艦“休倫”號、英國驅(qū)逐艦“謝菲爾德”號、美國DD 級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦“拉菲”號(USS Laffey)與“瓦庫爾”(USS Valcour)號，以及數(shù)臺“宙斯盾”設(shè)備在此進(jìn)行了測試（部分試驗(yàn)情況如表3 所示）[15]。通常，被測艦船上的EMP 場強(qiáng)由艦船距脈沖源的錨泊距離控制。例如，“謝菲爾德”號驅(qū)逐艦在試驗(yàn)中距EMPRESS I 垂直模擬器375 m，距水平模擬器約300 m，脈沖源-船中心連線與船頭方向成62°夾角。艦船試驗(yàn)布局如圖2所示。

表3 EMPRESS I 開展的部分試驗(yàn)Table 3 A part of ship tests at EMPRESS I

圖2 EMPRESS I 位置及艦船試驗(yàn)布局[19]Fig. 2 Location of EMPRESS I and test configuration

2.2 EMPRESS II

2.2.1 概 況

考慮到EMPRESS I 的局限性及條件限制，美國海軍于上世紀(jì)80 年代初開始建造新的輻射場強(qiáng)能達(dá)到威脅級水平的全艦EMP 模擬器—EMPRESS II，以作為設(shè)計(jì)、開發(fā)和驗(yàn)證美國海軍艦船EMP 加固的工具。上世紀(jì)80 年代，美軍戰(zhàn)區(qū)核戰(zhàn)項(xiàng)目辦公室(PMS 423)為EMPRESS II 和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建造提供了資金。EMPRESS II 于1988 年建成，1990 年具備全面運(yùn)行能力，每年可運(yùn)行60 天，其中，在受保護(hù)水域中試驗(yàn)20 天，在海洋中試驗(yàn)40 天[20-21]。在冷戰(zhàn)結(jié)束的時代背景下，1993 年初，由于維護(hù)費(fèi)用高等原因，美國海軍在“安齊奧”號巡洋艦試驗(yàn)結(jié)束后不久就拆除了該模擬器。EMPRESS II 模擬器完成了其作為美國海軍基本EMP 測試工具的使命[11]。

EMPRESS II 是第1 個由駁船搭載的，能對驅(qū)逐艦、航空母艦等整艘大型艦船進(jìn)行試驗(yàn)的威脅級EMP 模擬器。該模擬器由脈沖源、天線、IX-513駁船、脈沖源輔助保障系統(tǒng)等組成。其中，脈沖源輸出電壓為4～7 MV，錐形天線高45.7 m，能夠產(chǎn)生威脅級垂直極化EMP 場。在距離模擬器100 m 和200 m 處，最大場強(qiáng)分別為50 kV/m 和25 kV/m。IX-513 駁船配備有內(nèi)部通信系統(tǒng)、燃料和淡水的貯存與循環(huán)系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)，但無推進(jìn)系統(tǒng)，需拖船（USS Mohawk）牽引。EMPRESS II 參數(shù)如表4 所示[11-13]。

2.2.2 EMPRESS II 全艦試驗(yàn)

資料顯示[11,22-23]，EMPRESS II 先后針對“斯普魯恩斯”級“戴約”號驅(qū)逐艦 (USS Deyo: DD 989）、“奧利弗·哈澤德·佩里”號護(hù)衛(wèi)艦（USS Oliver Hazard Perry: FFG 7）、英國23 型“蘭開斯特”號護(hù)衛(wèi)艦（HMS LANCASTER: F229）、“提康德羅加”級“安濟(jì)奧”號“宙斯盾”巡洋艦（USS Anzio: CG 68)開展了全艦及設(shè)備試驗(yàn)（部分試驗(yàn)情況如表5，圖3和圖4 所示）。一系列艦船EMP 試驗(yàn)使美國海軍知曉了其艦船在核作戰(zhàn)環(huán)境中的生存能力情況，特別是其“宙斯盾”巡洋艦?zāi)軌驊?yīng)對EMP 的威脅。這一事實(shí)直接影響到美國海軍未來的戰(zhàn)術(shù)發(fā)展和艦隊(duì)?wèi)?zhàn)略[11]。

表4 EMPRESS II 參數(shù)Table 4 EMPRESS II data

表5 EMPRESS II 開展的部分試驗(yàn)Table 5 Some ship tests at EMPRESS II

圖3 由拖船牽引的EMPRESS IIFig. 3 EMPRESS II tugged by the USS Mohawk

圖4 1993 年6 月，試驗(yàn)中的“安濟(jì)奧”號“宙斯盾”巡洋艦[25]Fig. 4 USS Anzio (CG 68) EMPRESS II trial in June 1993

根據(jù)設(shè)計(jì)，EMPRESS II 至少有2 種試驗(yàn)方式，即單點(diǎn)系泊方式和在航位置保持方式。1988年，EMPRESS II 模擬器在北卡羅萊納州海岸附近的國際水域進(jìn)行了系泊作業(yè)，1989 年，又在北卡羅萊納州海岸31.2 km 外的海域進(jìn)行了在航位置保持試驗(yàn)[18]。

圖5 單點(diǎn)系泊試驗(yàn)布局示意圖Fig. 5 The test configuration of the single-point moor concept

1） 單點(diǎn)系泊試驗(yàn)。將EMPRESS II 駁船和待試艦船系泊在預(yù)定水域開展試驗(yàn)。圖5 給出了一種可能的單點(diǎn)系泊試驗(yàn)布局示意圖。4 個系泊設(shè)備放置在一個正方形或長方形的結(jié)構(gòu)中，用于系泊EMPRESS II 駁船和待試艦船，并使兩者之間保持100～400 m。通過牽引或釋放系泊索，使EMPRESS II 駁船相對于待試艦船向前和向后移動。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在颶風(fēng)、105 kn 的大風(fēng)和4.9 m高的海浪中，系泊設(shè)備也能穩(wěn)住駁船[13]。

2） 在航位置保持試驗(yàn)。在航位置保持是指在指定區(qū)域內(nèi)規(guī)定航線上拖曳EMPRESS II 駁船，通過操縱，保持試驗(yàn)設(shè)備相互間的距離和方位。如圖6（a）所示，經(jīng)EMP 加固的拖船緩慢地牽引EMPRESS II 駁船，并且之間至少保持300 m 的距離。待試艦船在另一側(cè)航行，與拖船和EMPRESS II駁船航線保持100 ～400 m。通過調(diào)整待試艦船與EMPRESS II 駁船之間的距離和方位，以測量不同位置、場強(qiáng)的EMP 響應(yīng)。在航位置保持試驗(yàn)有多種布局，例如1992 年8 月英國23 型“蘭開斯特”號護(hù)衛(wèi)艦（HMS LANCASTER: F229）在Cape Hatteras 開展的加固保證試驗(yàn)中，就有3 種布局，如圖6（b）所示。

美國海軍評估認(rèn)為，從操作角度來看，采取在航位置保持方式的近距離測試比單點(diǎn)系泊方式測試更具優(yōu)勢。在航位置保持方式試驗(yàn)考慮了EMP 對艦船的非對稱性影響，不僅可從不同角度和位置評估EMP 對船舶電子的影響，而且即使是在惡劣海況下也能夠最大限度地保證EMPRESS II與待試艦船的穩(wěn)定性，同時有助于降低艦船測試成本[17]。

圖6 在航位置保持方式試驗(yàn)中EMPRESS II 與待試艦船位置圖Fig. 6 EMPRESS II - test ship positioning in underway station-keeping operations

3 美國海軍新一代全艦威脅級電磁脈沖模擬器

雖然EMPRESS II 模擬器于1993 年“安濟(jì)奧”號試驗(yàn)后被拆除，但美國海軍水面艦船仍然面臨著抗EMP 加固的要求，海軍對用于艦船EMP 模擬器的需求也未減。特別是近年來，2015～2018財(cái)年連續(xù)幾年的美國國防部《作戰(zhàn)試驗(yàn)與鑒定局年度報告》均指出[1-4]，美軍目前對艦船系統(tǒng)和子系統(tǒng)進(jìn)行有限的測試、建模與仿真等的方法及能力有限，不足以支撐整艘艦船的EMP 生存能力評估。美國國防部國防威脅降低局也認(rèn)為：使用全艦威脅級EMP 模擬器（EMP TLS）是演示驗(yàn)證艦船防護(hù)威脅級HEMP 并保障海軍執(zhí)行任務(wù)的最佳方法。同時，該類型模擬器的海上測試也將通過為HEMP 建模提供測試數(shù)據(jù)及為艦員提供真實(shí)的HEMP 訓(xùn)練場景來支持海軍任務(wù)，利用此項(xiàng)能力，演示驗(yàn)證全艦EMP 的生存能力并保證美國的核威懾態(tài)勢。2016 年發(fā)布的美軍標(biāo)MIL-STD-4023 和《DDG 51 艦船規(guī)范》中已經(jīng)明確了有關(guān)艦船EMP 試驗(yàn)的要求，并認(rèn)可了全艦EMP TLS 是驗(yàn)證軍艦EMP 生存能力所必須的[2-3]。因此，全艦EMP TLS 將成為美國海軍水面艦船EMP 評估試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源需求最重要的硬件設(shè)備之一。美軍相關(guān)機(jī)構(gòu)和部門已在考慮建造此類模擬器。

3.1 參數(shù)及要求

2014 年11 月4 日，美國國防威脅降低局發(fā)布了名為《全艦威脅級電磁脈沖模擬器》的信息征詢通知，透露出該模擬器的主要參數(shù)及要求[7]。

該模擬器主要組件包括脈沖源、輻照天線、支持保障設(shè)備（脈沖源診斷、試驗(yàn)空間內(nèi)的自由場診斷等），并特別提出該模擬器能夠利用垂直極化EMP 輻照一艘航空母艦（圖7）。具體參數(shù)及要求如下：

1） EMP TLS 能夠輻照航空母艦，其產(chǎn)生的輻射場從舷側(cè)入射，并與水線垂直。

2） EMP TLS 波 形 規(guī) 范：與MIL-STD-464C圖A-3 中給出的脈沖波形相同（圖8）。圖中給出了用于描述早期高空電磁脈沖的雙指數(shù)解析函數(shù)表達(dá)式E1(t)。式中：t 為脈沖持續(xù)時間；E01為峰值場強(qiáng)；a1，b1為表征脈沖前、后沿的參數(shù)；k1為修正系數(shù)。

圖7 全艦EMP 試驗(yàn)概念圖Fig. 7 Full ship EMP test concept

圖8 MIL-STD-464C 中EMP 時域波形[26]Fig. 8 EMP time-domain environment in MIL-STD-464C

3） EMP TLS 的試驗(yàn)空間定義：EMP 入射到核動力航空母艦的舷側(cè)，高度為250 in（約76.2 m，水線至桅桿頂部），深度252 in（約76.81 m），長度（舷側(cè)）1 100 in（約335.28 m）。

4） 在EMP TLS 試驗(yàn)空間內(nèi)，所有3 個波形參數(shù)（如峰值電場值為N1）的變化范圍不會超過2 倍（如（N1Max-N1Min）《2N1電場），即每一個參數(shù)在試驗(yàn)空間內(nèi)的最大變化范圍為2∶1。

5） EMP TLS 將被安裝在可在開闊海域行駛的駁船上，具體環(huán)境要求待定。

6） 需要有用于測量EMP TLS 性能的儀器。

7） 需要有能夠測試航空母艦上100 個測試點(diǎn)響應(yīng)的儀器設(shè)備，以及相應(yīng)的具有10 kHz～1 GHz帶寬的100 個同步數(shù)字化通道。

美國國防威脅降低局與海軍海上系統(tǒng)司令部估算，要建造一套全艦EMP TLS 并具備相應(yīng)的能力，成本約4 900～5 400 萬美元。一旦開始運(yùn)行，前9 次試驗(yàn)的成本約為1 750～1 860 萬美元。

3.2 美軍標(biāo)MIL-STD-4023 關(guān)于艦船HEMP試驗(yàn)的分類

2016 年1 月25 日，美軍發(fā)布了軍標(biāo)MIL-STD-4023《軍用水面艦船的HEMP 防護(hù)》。該標(biāo)準(zhǔn)給出了關(guān)于艦船HEMP 試驗(yàn)的一般性分類（圖9），即在艦船建造和艦船系統(tǒng)/子系統(tǒng)開發(fā)過程中進(jìn)行有限的一系列測試，以確保通過全艦驗(yàn)證測試的風(fēng)險最小，并給出了艦船HEMP 試驗(yàn)涉及的3 個主要測試階段：開發(fā)試驗(yàn)、全艦驗(yàn)證試驗(yàn)、壽命周期試驗(yàn)[5]。其中，關(guān)于全艦驗(yàn)證試驗(yàn)，MILSTD-4023 指出，需要通過全艦EMP TLS 測試來支持水面艦船的生存能力評估，并列出了全艦驗(yàn)證試驗(yàn)的3 種類型：

1) 主動系統(tǒng)試驗(yàn)：確保沒有關(guān)鍵任務(wù)故障；識別有缺陷的設(shè)備或錯誤的安裝應(yīng)用。

2) 被動系統(tǒng)試驗(yàn)：表征殘余的內(nèi)部瞬態(tài)應(yīng)力，以外推至威脅級，并加上裕度用于脈沖電流注入測試。

3) 直驅(qū)試驗(yàn)：通過脈沖電流注入來演示殘余的內(nèi)部瞬態(tài)電流加上裕度不會導(dǎo)致任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)的關(guān)鍵故障；通過試驗(yàn)后檢查、性能校驗(yàn)和響應(yīng)數(shù)據(jù)分析證明防護(hù)裝置不會因?yàn)榕c威脅相關(guān)（威脅與加固裕度）的瞬變而受損或降級；為加固維護(hù)/監(jiān)測計(jì)劃的基線數(shù)據(jù)和艦船的HEMP 加固評估提供數(shù)據(jù)；根據(jù)需要更新加固指標(biāo)分配報告。

圖9 MIL-STD-4 023 中關(guān)于艦船HEMP 試驗(yàn)分類Fig. 9 Ship HEMP tests classification in MIL-STD-4 023

根據(jù)以上要求不難看出，美國海軍新一代全艦威脅級EMP 模擬器將成為實(shí)施EMP 試驗(yàn)、滿足艦船HEMP 防護(hù)要求的關(guān)鍵試驗(yàn)資源。

雖然美國軍標(biāo)MIL-STD-4023 定義了評估海軍水面艦船早期高空電磁脈沖（HEMP E1）生存能力的要求：從施工階段的試驗(yàn)開始，歷經(jīng)主動和被動系統(tǒng)試驗(yàn)，以威脅級輻照試驗(yàn)結(jié)束，并可能進(jìn)行“高裕度”系統(tǒng)脈沖電流注入試驗(yàn)。但目前還未有按照該標(biāo)準(zhǔn)建造的艦船，特別是還沒有滿足該標(biāo)準(zhǔn)測試要求的威脅級輻照器。這直接導(dǎo)致其水面艦船采辦計(jì)劃（如DDG 51）中還沒有進(jìn)行全艦EMP 試驗(yàn)的安排。另外，現(xiàn)有的美國海軍水面艦船始建于20 世紀(jì)70 年代，與當(dāng)前艦船的施工技術(shù)和現(xiàn)代化的艦載系統(tǒng)存在巨大差異，導(dǎo)致這些早期建造的艦船難以按照MIL-STD-4023 標(biāo)準(zhǔn)中定義的方法開展HEMP 評估。在美國軍方看來，這一現(xiàn)狀的主要癥結(jié)在于當(dāng)前美國海軍用于水面艦船EMP 評估的試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源不足。

3.3 當(dāng)前替代品-低幅度連續(xù)波掃頻輻照系統(tǒng)

為進(jìn)一步確定美國海軍在水面艦船上開展HEMP E1 測 試 的 試 驗(yàn) 資 源 需 求，2017 年11 月15 日，美國陸軍部合同司令部發(fā)布了題為《用于海軍水面艦船HEMP 評估的試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源需求》信息征詢書[27]。征詢書中列出了目前美國海軍水面艦船EMP 試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源需求涉及的5 個方面：1）建造低幅度連續(xù)波掃頻輻照系統(tǒng)；2）建設(shè)基于歷史試驗(yàn)記錄的水面艦船HEMP 測試數(shù)據(jù)庫；3）研發(fā)針對非MIL-STD-4023 要求的水面艦船的HEMP評估方法；4）建設(shè)三維海基輻射場測繪陣列；5）研究LLCW 儀器數(shù)據(jù)采集和分析能力。

其中，排在首位的LLCW I 掃頻輻照系統(tǒng)就是為了在美國海軍全艦威脅級EMP 模擬器尚未建成前，彌補(bǔ)其當(dāng)前全艦EMP 試驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔愕奶娲桨浮?/p>

該信息征詢書指出，LLCW I 掃頻輻照系統(tǒng)作為EMP TLS 的替代品，應(yīng)覆蓋100 kHz～1 GHz 的頻率范圍，并且輻射場最大可覆蓋500～1 100 in（船艏至船艉152.4～335.28 m）的空間，高度從艦船水線以上至最高點(diǎn)達(dá)250 in（約76.2 m）。LLCW I的垂直極化和水平極化波需要使用單獨(dú)的天線或單個多極天線，輸出場強(qiáng)至少為1 V/m，而艦上的場強(qiáng)變化則限于±6 dB。輻照器必須能夠進(jìn)行陸基或?；鶞y試，具體何種測試待將來的選址決定。該系統(tǒng)應(yīng)包括輻照器電源、輻射場條件控制、精確的頻率參考，以及與艦載電流探頭實(shí)時協(xié)調(diào)所需的所有電子設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)較高的信噪比。

4 美國海軍全艦電磁脈沖模擬器的啟示

美國海軍一直十分重視艦船EMP 生存能力，建造過兩代全艦EMP 模擬器，開展過多次全艦EMP 試驗(yàn)，驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)和方法，并計(jì)劃于近年建造指標(biāo)要求更高的新一代全艦EMP TLS，以解決這一關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施資源長期缺失的問題，補(bǔ)齊水面艦船EMP 試驗(yàn)與鑒定工作的技術(shù)短板。這表明，美國海軍對艦船EMP 研究逐步深入，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及要求逐漸嚴(yán)格，且隨著艦船建造工藝和艦載電子系統(tǒng)現(xiàn)代化水平的提升，將與時俱進(jìn)地調(diào)整研究新的艦船EMP 試驗(yàn)方法，開發(fā)新的試驗(yàn)設(shè)施。美國海軍的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)揭示了開展全艦EMP 試驗(yàn)的必要性、全艦EMP 模擬器的重要作用以及需要解決的關(guān)鍵問題。

4.1 開展全艦EMP 試驗(yàn)的必要性

1） 現(xiàn)代海上戰(zhàn)場電磁環(huán)境的惡化，使得海軍艦船的EMP 防護(hù)變得至關(guān)重要。只有在真實(shí)的環(huán)境中通過全面的測試與驗(yàn)證，才能充分認(rèn)識艦船對EMP 的易損性，從而進(jìn)一步做好艦船的EMP防護(hù)。

2） 對復(fù)雜的艦船拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、EMP 耦合過程進(jìn)行精確建模與分析在當(dāng)前仍然是一項(xiàng)極其困難的任務(wù)，而且利用建模與仿真結(jié)果外推EMP 對整艘艦船的易損性，仍然存在相當(dāng)大的不確定性。需要在真實(shí)的EMP 環(huán)境下進(jìn)行全艦試驗(yàn)，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，以彌補(bǔ)建模與仿真的不足。

3） 艦船子系統(tǒng)測試、小尺寸模型試驗(yàn)等是當(dāng)前艦船EMP 易損性評估和加固測試的主要方式，但采用這些方法所得測試結(jié)果往往不夠全面，響應(yīng)細(xì)節(jié)反映不足，而且由于缺少全尺寸艦船EMP測試的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)致難以與真實(shí)情況進(jìn)行比擬。

4） 全艦EMP 試驗(yàn)不僅能夠獲取艦船EMP 易損性數(shù)據(jù)，掌握艦船的生存能力情況，而且還能模擬真實(shí)的EMP 作戰(zhàn)場景，掌握艦員在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境下的響應(yīng)，從而針對性地開展作戰(zhàn)場景下的訓(xùn)練。

鑒于以上主要因素，現(xiàn)代海軍艦船有必要進(jìn)行真實(shí)EMP 威脅環(huán)境下的全艦試驗(yàn)，以得出高可信度的EMP 易損性結(jié)論，從而指導(dǎo)艦船系統(tǒng)的EMP 加固，提高艦船生存能力。因此，用于構(gòu)建真實(shí)EMP 威脅環(huán)境的全艦EMP 模擬器就成為完成這項(xiàng)任務(wù)的核心內(nèi)容。

4.2 建造全艦威脅級EMP 模擬器的主要問題

1） 脈沖源與天線技術(shù)需要突破。美國海軍新一代全艦威脅級EMP 模擬器需要產(chǎn)生威脅級EMP 場（50 kV/m），其能提供的測試空間顯著擴(kuò)大（約335 m×76.8 m×76 m），可對航空母艦等大型艦船進(jìn)行測試，滿足MIL-STD-464C 標(biāo)準(zhǔn)要求。這對EMP 場的強(qiáng)度和均勻度等均提出了更高要求。滿足這一指標(biāo)的大型模擬器尚無成熟的設(shè)計(jì)方案可供借鑒。相比美軍現(xiàn)已建成的模擬器，一是脈沖源輸出電壓可能需要大于10 MV 甚至更高，這對絕緣、開關(guān)等的設(shè)計(jì)提出了更高要求；二是輻射天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是一大挑戰(zhàn)。

2） ?；M器面臨工程設(shè)計(jì)難題。?；M器工作在海洋高濕高鹽環(huán)境下，對高壓絕緣的設(shè)計(jì)要求更高，故保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性將成為一項(xiàng)重大工程挑戰(zhàn)；海基模擬器的載船將集成通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)，集成要求高，EMP 加固、EMC 問題較為突出，工程技術(shù)難度大；此外，在高海況條件下，尺寸巨大模擬器的穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)，特別是天線及其支撐結(jié)構(gòu)需解決防雷、防腐蝕、抗風(fēng)浪等問題，這些都是工程設(shè)計(jì)需要考慮的重點(diǎn)。

3） 試驗(yàn)測繪要求更高。精確地測繪三維輻射場是EMP 輻照試驗(yàn)的關(guān)鍵。對于擁有大量電子設(shè)備且大面積分布的大型艦船系統(tǒng)來說，其布線復(fù)雜且耗時，特別是對于確定測試空間的EMP 場均勻性是否滿足試驗(yàn)需求、如何選取試驗(yàn)布局，以及在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的艦船中如何選擇測點(diǎn)，精確測繪輻射場也變得更為重要和困難。面對與航空母艦相當(dāng)?shù)木薮笥行y試空間，輻射場測繪系統(tǒng)還需要有足夠的靈敏度和空間分辨率。同時，試驗(yàn)中會同時開展多個測量項(xiàng)目、布置多個測點(diǎn)，大量傳感設(shè)備數(shù)據(jù)、信號的傳輸、采集與處理也都是需要重點(diǎn)解決的問題。美國海軍目前缺乏這種輻射場三維測繪能力或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

4） 低幅度連續(xù)波掃頻輻照系統(tǒng)指標(biāo)要求有待提升。美國海軍認(rèn)為，在全艦EMP 模擬器未建成之前，低幅度連續(xù)波掃頻輻照系統(tǒng)是比較適宜的替代試驗(yàn)設(shè)施，其建造和運(yùn)行相對便宜，可在水平和垂直極化模式下運(yùn)行，一般可用于加固維護(hù)或加固監(jiān)視，但仍存在一些局限性，如已有設(shè)施的輻射場強(qiáng)度、覆蓋范圍和均勻性有限，且達(dá)不到威脅級環(huán)境要求。因此，低幅度連續(xù)波掃頻輻照模擬器源、輻照天線、地基/?；椪障到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造是當(dāng)前研發(fā)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

5） 全艦EMP 試驗(yàn)方法需要創(chuàng)新。當(dāng)前，海軍水面艦船的建造施工技術(shù)已發(fā)生巨大變化，隨著艦載系統(tǒng)不斷升級和改進(jìn)，以及全電驅(qū)動艦船等多種新型艦船的出現(xiàn)[28]，需要新的試驗(yàn)方法來支持現(xiàn)有水面艦船的EMP 評估。此外，與陸上EMP 試驗(yàn)場安置和測試要求不同，海上自然環(huán)境和作戰(zhàn)環(huán)境給全艦EMP 試驗(yàn)方案提出了新的要求，存在技術(shù)、環(huán)境等更多的制約因素。

6） 試驗(yàn)場選址考慮因素復(fù)雜。鑒于電磁輻射、電力供應(yīng)、后勤補(bǔ)給、維修保障、自然環(huán)境、試驗(yàn)安全等多方面的因素，全艦EMP 模擬器的安置或試驗(yàn)場選址是一個十分復(fù)雜的問題，需要考慮后勤、環(huán)境、安全、加固等多種因素：

（1） 考慮到電力供應(yīng)、后勤補(bǔ)給、維修保障的可靠與便捷性，應(yīng)盡量將EMP 模擬器安置在后勤基地附近，以保障EMP 試驗(yàn)順利進(jìn)行。

（2） 為滿足EMP 試驗(yàn)的靈活性，既能夠進(jìn)行多種狀態(tài)下的全艦試驗(yàn)，也能夠進(jìn)行子系統(tǒng)試驗(yàn)，EMP 模擬器的安置應(yīng)具有一定機(jī)動性。

（3） EMP 試驗(yàn)場地應(yīng)足夠大，進(jìn)出試驗(yàn)場的航道應(yīng)足夠深，能夠停泊、通行各類大型待測艦船。

（4） EMP 試驗(yàn)會產(chǎn)生高強(qiáng)度輻射場，應(yīng)規(guī)劃安全水域、空域，不應(yīng)影響周圍船舶、飛機(jī)、設(shè)施等的安全。因此，EMP 模擬器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離船舶航道、船舶錨地、捕魚作業(yè)區(qū)、飛行航線、海底電纜和管道等，盡量減少對海上、陸上和空中交通的影響。可設(shè)置禁航/禁飛區(qū)域以滿足試驗(yàn)安全要求。

（5） 全艦EMP 試驗(yàn)中產(chǎn)生的強(qiáng)電磁輻射，必然會對待查設(shè)備載船/拖船、附近設(shè)備等造成影響，因此必須對相關(guān)設(shè)施設(shè)備采取加固措施。

（6） 艦船EMP 試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)試驗(yàn)，試驗(yàn)所需時間較長，成本相對昂貴。試驗(yàn)期間，對海洋環(huán)境、季節(jié)、氣象條件有一定的要求，應(yīng)盡量減少高海況、雷電、臺風(fēng)、暴雨等惡劣天氣等對試驗(yàn)的影響。因此，EMP 試驗(yàn)場應(yīng)選擇在環(huán)境、氣象條件相對穩(wěn)定，一年中試驗(yàn)時間窗口較寬的區(qū)域。

應(yīng)綜合以上因素來確定全艦EMP 模擬器的部署模式，即采用岸基固定還是海上漂浮部署。同時根據(jù)實(shí)際部署模式，設(shè)計(jì)制定與之相適應(yīng)的試驗(yàn)方案。

5 結(jié) 語

當(dāng)前，海軍艦船作為技術(shù)綜合性強(qiáng)、電子信息系統(tǒng)集成度高的現(xiàn)代化武器平臺，面臨著日益嚴(yán)峻的EMP 威脅，為確保艦船在未來戰(zhàn)場復(fù)雜高功率電磁環(huán)境下具備強(qiáng)大的生命力，應(yīng)重視開展全艦EMP 生存能力評估及加固防護(hù)等研究。需開展的工作主要集中在以下幾個方面：

1） 建立先進(jìn)完善的試驗(yàn)設(shè)施，是開展全艦EMP防護(hù)研究的基礎(chǔ)。美國海軍的實(shí)踐表明，和建模與仿真、縮比試驗(yàn)等方式相比，全艦EMP 試驗(yàn)具有不可替代性。全艦EMP 試驗(yàn)不僅能夠獲取艦船EMP 易損性數(shù)據(jù)，而且能夠模擬真實(shí)的EMP作戰(zhàn)環(huán)境，開展作戰(zhàn)場景下的訓(xùn)練。因此，全艦EMP 模擬器在水面艦船EMP 防護(hù)工作中的重要地位毋庸置疑。

2） 重視對全艦EMP 效應(yīng)的建模與仿真，為制定試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)做好知識與技術(shù)儲備。由于艦船的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、EMP 耦合過程十分復(fù)雜，故進(jìn)行精確建模與分析在當(dāng)前依然是一項(xiàng)極其困難的工作。因此，仍應(yīng)重視建模與仿真，為預(yù)測EMP在艦船上的耦合情況、建造全艦EMP 模擬器、制定全艦EMP 試驗(yàn)方法與規(guī)劃、制定全艦EMP 防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等做好準(zhǔn)備。

3） 制定全艦EMP 試驗(yàn)與防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，為開展海軍艦船EMP 試驗(yàn)提供操作指南和加固要求。美國海軍在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，預(yù)先制定了MILSTD-4023 標(biāo)準(zhǔn)，使未來開展艦船EMP 試驗(yàn)與防護(hù)加固、建造相應(yīng)的試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施有“標(biāo)”可依。這種“標(biāo)準(zhǔn)先行”、“逐步完善”的發(fā)展思路值得借鑒。