eng
Выпуск #6/1999
К. Фомичев, Л. Юдин.
Электромагнитное оружие. Перспективы применения в информационной борьбе
Электромагнитное оружие. Перспективы применения в информационной борьбе
Просмотры: 14306
Электромагнитное оружие – новейшее средство ведения войны, предназначенное для воздействия на информационные системы. Массовое применение этого оружия может нарушить функционирование информационно-процессорной инфраструктуры, парализовать военные системы управления и жизненно важные производства противника, что значительно снизит его боеготовность и эффективность проведения боевых операций.
Электромагнитное оружие (ЭМО) представляет собой перспективный инструмент информационной борьбы, получивший свое развитие в 80-е годы и обеспечивающий высокую эффективность нарушения работоспособности информационных систем. Сам термин “информационная борьба” вошел в обиход с времен войны в зоне Персидского залива, при ведении которой было впервые применено ЭМО в ракетном варианте [1–4].
Оценка специалистами электромагнитного оружия как одного из наиболее эффективных средств ведения современной войны обусловлена высокой значимостью информационных потоков в основных сферах деятельности людей – управлении экономикой, производством, обороной страны. Нарушение функционирования информационной системы, обеспечивающей постоянный обмен управленческими решениями и включающей множество устройств сбора и обработки информации, вызовет тяжелые последствия. При ведении боевых операций объектами воздействия ЭМО становятся системы командования, управления, разведки и связи, и поражение этих средств приведет к дезинтеграции информационной системы, снижению эффективности или полному нарушению работы систем ПВО и ПРО.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОРУЖИЯ НА ОБЪЕКТЫ
Принцип действия ЭМО основан на кратковременном электромагнитном излучении большой мощности, способном вывести из строя радиоэлектронные устройства, составляющие основу любой информационной системы. Элементная база радиоэлектронных устройств весьма чувствительна к энергетическим перегрузкам, поток электромагнитной энергии достаточно высокой плотности способен выжечь полупроводниковые переходы, полностью или частично нарушив их нормальное функционирование. Как известно, напряжения пробоя переходов невысоки и составляют от единиц до десятков вольт в зависимости от типа прибора. Так, даже у кремниевых сильноточных биполярных транзисторов, обладающих повышенной прочностью к перегревам, напряжение пробоя находится в пределах от 15 до 65 В, а у арсенидгаллиевых приборов этот порог равен 10 В. ЗУ, составляющие существенную часть любого компьютера, имеют пороговые напряжения порядка 7 В. Типовые логические ИС на МОП-структурах – от 7 до 15 В, а микропроцессоры обычно прекращают свою работу при напряжениях 3,3–5 В [1, 4 - 7].
Помимо необратимых отказов импульсное электромагнитное воздействие может вызвать восстанавливаемые отказы, или парализацию радиоэлектронного устройства, когда из-за возникающих перегрузок оно на какой-то отрезок времени теряет чувствительность. Возможны также ложные срабатывания чувствительных элементов, что может привести, например, к детонации боеголовок ракет, бомб, артиллерийских снарядов и мин.
По спектральным характеристикам ЭМО можно разделить на два вида: низкочастотное, создающее электромагнитное импульсное излучение на частотах ниже 1 МГц, и высокочастотное, обеспечивающее излучение СВЧ-диапазона. Оба вида ЭМО имеют различия также в способах реализации и в какой-то мере в путях воздействия на радиоэлектронные устройства. Так, проникновение низкочастотного электромагнитного излучения к элементам устройств обусловлено, в основном, наводками на проводную инфраструктуру, включающую телефонные линии, кабели внешнего питания, подачи и съема информации. Пути же проникновения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона более обширны – они еще включают прямое проникновение в радиоэлектронную аппаратуру через антенную систему, поскольку СВЧ-спектр охватывает и рабочую частоту подавляемой аппаратуры. Имеющее место проникновение энергии через конструктивные отверстия и стыки зависит от их размеров и длины волны электромагнитного импульса – наиболее сильная связь возникает на резонансных частотах, когда геометрические размеры соизмеримы с длиной волны. На волнах, длиннее резонансной, связь резко уменьшается, поэтому воздействие низкочастотного ЭМО, зависящее от наводок через отверстия и стыки в корпусе аппаратуры, невелико. На частотах же выше резонансной спад связи происходит медленнее, но из-за множества типов колебаний в объеме аппаратуры возникают острые резонансы.
Если поток СВЧ-излучения достаточно интенсивен, то воздух в отверстиях и стыках ионизируется и становится хорошим проводником, экранирующим аппаратуру от проникновения электромагнитной энергии. Таким образом, увеличение падающей на объект энергии может привести к парадоксальному уменьшению энергии, воздействующей на аппаратуру, и, как следствие, к снижению эффективности ЭМО.
Электромагнитное оружие обладает также биологическим воздействием на животных и человека, в основном связанное с их нагревом. При этом страдают не только непосредственно нагреваемые органы, но и те, что напрямую не контактируют с электромагнитным излучением. В организме возможны хромосомные и генетические изменения, активация и дезактивация вирусов, изменения иммунологических и даже поведенческих реакций. Опасным считается подъем температуры тела на 1оС, и продолжение облучения в этом случае может привести к смертельному исходу.
Экстраполяция данных, полученных на животных, позволяет установить опасную для человека плотность мощности. При длительном облучении электромагнитной энергией с частотой до 10 ГГц и плотностью мощности от 10 до 50 мВТ/см2 могут возникнуть конвульсии, состояние повышенной возбудимости и произойти потеря сознания. Заметный нагрев тканей при воздействии одиночных импульсов такой же частоты происходит при плотности энергии около 100 Дж/см2. На частотах выше 10 ГГц допустимый порог нагрева снижается, поскольку вся энергия поглощается поверхностными тканями. Так, на частоте в десятки гигагерц и плотности энергии в импульсе всего 20 Дж/см2 наблюдается ожог кожи.
Возможны и другие последствия облучения. Так, может временно нарушиться нормальная разность потенциалов мембран клеток тканей. При воздействии одиночного СВЧ-импульса длительностью от 0,1 до 100 мс с плотностью энергии до 100 мДж/см2 меняется активность нервных клеток, возникают изменения в электроэнцефалограмме. Импульсы малой плотности (до 0,04 мДж/см2 ) вызывают слуховые галлюцинации, а при более высокой плотности энергии может быть парализован слух или даже повреждена ткань слуховых органов [6,8].
СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОРУЖИЯ
Сегодня основным техническим средством получения мощных электромагнитных импульсов, составляющих основу низкочастотного ЭМО, является генератор с взрывным сжатием магнитного поля, который впервые был продемонстрирован еще в конце 50-х годов в лос-аламосской национальной лаборатории США [1]. Позднее было разработано и испытано много модификаций такого генератора в США и СССР, развивавших электрическую энергию в десятки мегаджоулей в отрезки времени от десятков до сотен микросекунд. При этом уровень пиковой мощности достигал единиц и десятков тераватт, а производимый генератором ток в 10–1000 раз превышал ток, порождаемый разрядом молнии.
Основу коаксиального генератора с взрывным сжатием магнитного поля составляет цилиндрическая медная трубка с взрывчатым веществом, выполняющая функции ротора (рис.1а) [1]. Статором генератора служит спираль из прочного (обычно медного) провода, окружающая роторную трубку. Во избежание преждевременного разрушения генератора поверх статорной обмотки устанавлен кожух из немагнитного материала, обычно из цемента или стекловолокна с эпоксидной смолой.
Первоначальное магнитное поле в генераторе, предшествующее взрыву, формируется стартовым током. При этом может быть использован любой внешний источник, способный обеспечить импульс электрического тока силой от единиц килоампер до мегаампер. Подрыв взрывчатого вещества происходит с помощью специального генератора в момент, когда ток в статорной обмотке достигает максимума. Образующийся при этом плоский однородный фронт взрывной волны распространяется вдоль взрывчатого вещества, деформируя структуру роторной трубки – превращая ее цилиндрическую форму в коническую (рис.1б). В момент расширения трубки до размеров статорной обмотки происходит короткое замыкание обмотки, приводящее к эффекту сжатия магнитного поля и возникновению мощного импульса тока порядка нескольких десятков мегаампер. Увеличение выходного тока по сравнению со стартовым зависит от конструкции генератора и может достигать нескольких десятков раз.
Реализация низкочастотного ЭМО в эффективном варианте требует антенн больших размеров. Для решения этой проблемы применяют катушки с намотанными на них кабелями определенной длины, выбрасываемые в момент взрыва электромагнитного устройства (бомбы), или осуществляют достаточно точную доставку боевого средства к цели. В последнем случае наводка электромагнитного импульса на радиоэлектронное устройство противника может произойти непосредственно за счет связи с этим устройством обмотки генератора и будет тем сильнее, чем ближе генератор к подавляемому объекту.
Другим типом источника низкочастотной магнитной энергии высокого уровня может явиться магнитодинамический генератор, приводимый в действие с помощью ракетного топлива или взрывчатки. Работа данного генератора основана на возникновении тока в проводнике, движущемся в магнитном поле, только в качестве проводника используется плазма, состоящая из ионизированного взрывчатого вещества или газообразного топлива. Однако на сегодняшний день уровень разработки этого типа генератора ниже, чем генератора с взрывным сжатием магнитного поля, и потому пока он имеет меньшие перспективы применения в ЭМО.
При реализации высокочастотного ЭМО в качестве генератора мощного СВЧ-излучения могут использоваться такие электронные приборы, как известные широкополосные магнетроны и клистроны, а также гиротроны, генераторы с виртуальным катодом (виркаторы), лазеры на свободных электронах и плазменно-лучевые генераторы. Существующие на сегодня лабораторные источники СВЧ-излучения способны работать как в импульсном (длительностью 10 нс и более), так и в непрерывном режимах, и перекрывать диапазон от 500 МГц до десятков гигагерц при частоте повторения от единиц до тысяч импульсов в секунду. Максимальная генерируемая мощность достигает нескольких мегаватт в непрерывном режиме и нескольких гигаватт в импульсном. По данным бывшего руководителя разработок “несмертельного оружия” Джона Александера, специалистам лос-аламосской лаборатории удалось довести пиковую мощность микроволновых генераторов с взрывным сжатием магнитного поля уже до десятков тераватт [1,9].
Все типы СВЧ-генераторов имеют различные параметры. Так, плазменно-лучевые генераторы обладают широкой полосой, гиротроны работают в миллиметровом диапазоне волн с высоким КПД (десятки процентов), а виркаторы – в сантиметровом и имеют низкий КПД (единицы процентов). Наибольший интерес вызывают виркаторы, которые легче всех перестраиваются по частоте. Как видно из рис.2, конструкция виркатора с соосным виртуальным катодом представляет собой круглый волновод, переходящий в конус с диэлектрическим окном на торце. Катодом служит металлический цилиндрический стержень диаметром в несколько сантиметров, анодом – натянутая на обод металлическая сетка. При подаче на анод положительного потенциала порядка 105–106 В с катода, вследствие взрывной эмиссии, устремляется к аноду поток электронов и проходит через него в пространство за анодом, где тормозится собственным “кулоновским полем”. Затем он отражается обратно к аноду, образуя тем самым виртуальный катод на расстоянии от анода, равном примерно расстоянию от него до реального катода. Отраженные электроны проходят сквозь сетку анода и вновь тормозятся у поверхности реального катода. В результате формируется облако электронов, осциллирующее у анода в потенциальной яме между виртуальным и реальным катодами. Образованное на частоте колебаний электронного облака СВЧ-поле излучается в пространство через диэлектрическое окно.
Стартовые токи в виркаторах, при которых возникает генерация, составляют 1–10 кА. Виркаторы наиболее приемлемы для генерации импульсов наносекундной длительности в длинноволновой части сантиметрового диапазона. Экспериментально от них получены мощности от 170 кВт до 40 ГВт в сантиметровом и дециметровом диапазонах [1]. Низкий КПД виркаторов объясняется многомодовым характером генерируемого электромагнитного поля и интерференцией между модами.
Преимущество высокочастотного ЭМО перед низкочастотным состоит в возможности фокусирования генерируемой энергии в направлении цели с помощью достаточно компактных антенных систем с механическим или электронным управлением. На рис.3 приведен один из возможных вариантов компоновки антенны типа конической спирали, способной работать на высоких уровнях мощности генератора-виркатора. Наличие круговой поляризации способствует увеличению поражающего действия ЭМО, правда, при этом возникают проблемы с обеспечением широкой полосы.
Представляет интерес американский демонстрационный образец генератора высокомощного СВЧ-излучения в диапазоне 0,5–1,0 ГГц MPS-II, использующий зеркальную антенну диаметром 3 м. Данная установка развивает импульсную мощность около 1 ГВт (265 кВх3,5 кА) и обладает большими возможностями ведения информационной войны. В руководстве по ее эксплуатации и техническому обслуживанию определена зона поражения – 800 м от устройства в секторе 24. Людям с электронными стимуляторами сердца доступ к установке запрещен. Указывается также, что излучение установки стирает кредитные карточки и записи на магнитных носителях [8].
При необходимости поражения сразу нескольких целей можно использовать фазированные антенные решетки, позволяющие формировать одновременно несколько лучей и быстро менять их положение. Примером может служить активная антенная решетка GEM2, разработанная по заказу фирмы Boeing южно-африканской фирмой PSI, которая состоит из 144 твердотельных излучателей импульсов длительностью менее 1 нс с суммарной мощностью 1 ГВт. Габариты данной антенной решетки позволяют устанавливать ее на самолете [10].
Однако при наращивании мощности с помощью фазированных антенных решеток следует увязывать допустимые уровни электромагнитного излучения с возможными электрическими пробоями в атмосфере. Ограниченная электрическая прочность воздуха устанавливает предел плотности потока СВЧ-излучения. Экспериментально установлено, что значение граничной плотности СВЧ-энергии меняется с частотой, длительностью импульса, давлением воздуха и плотностью свободных электронов, при которой начинается лавинный процесс пробоя. При наличии свободных электронов и нормальном атмосферном давлении пробой начинается при плотности СВЧ-мощности 105–106Вт/см2, если длительность импульса больше 1 нс.
При выборе рабочей частоты СВЧ-излучения учитываются также условия распространения электромагнитных волн в атмосфере. Известно, что при частоте 3 ГГц излучение ослабляется на расстоянии 10 км при умеренном дожде на 0,01 дБ, но на частоте 30 ГГц при тех же условиях ослабление уже возрастает до 10 дБ [6].
ТАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОРУЖИЯ
Электромагнитное оружие может применяться как в стационарном, так и мобильном вариантах. При стационарном варианте легче выполнить массогабаритные и энергетические требования к аппаратуре и упростить ее обслуживание. Но в этом случае необходимо обеспечивать высокую направленность электромагнитного излучения в сторону цели во избежание поражения собственных радиоэлектронных устройств, что возможно только благодаря применению остронаправленных антенных систем. При реализации СВЧ-излучения использование остронаправленных антенн не составляет проблемы, чего нельзя сказать относительно низкочастотного ЭМО, для которого мобильный вариант имеет ряд преимуществ. Прежде всего, легче решается проблема защиты собственных радиоэлектронных средств от воздействия ЭМО, поскольку боевое средство можно доставить непосредственно к месту расположения объекта воздействия и только там привести его в действие. И кроме того, отпадает необходимость в применении направленных антенных систем, а в ряде случаев вообще можно обойтись без антенн, ограничившись непосредственной электромагнитной связью между генератором ЭМО и электронными устройствами противника.
При реализации мобильного варианта ЭМО необходимо предусмотреть сбор соответствующей информации о целях, подлежащих электромагнитному воздействию, в связи с чем важная роль отводится средствам радиотехнической разведки. Поскольку подавляющее большинство интересующих целей излучают радиоволны, обладающие определенными характеристиками, средства разведки способны не только их идентифицировать, но и устанавливать их местоположение с достаточной точностью. Средствами доставки ЭМО в мобильном варианте могут служить самолеты, вертолеты, беспилотные летательные аппараты, различные ракеты, корабли, планирующие бомбы.
Эффективное средство доставки ЭМО к цели представляет планирующая бомба, которую можно запускать с самолета (вертолета) с расстояния, превышающего дальность действия системы ПВО противника, что минимизирует риск поражения самолета этой системой и риск повреждения собственных бортовых радиоэлектронных средств при взрыве бомбы. При этом автопилот планирующей бомбы можно запрограммировать таким образом, что профиль полета бомбы к цели и высота ее подрыва будут оптимальны. При использовании бомбы в качестве носителя ЭМО доля массы, приходящаяся на боеголовку, доходит до 85%. Подрыв бомбы может быть осуществлен с помощью радиолокационного высотомера, барометрического устройства или глобальной спутниковой навигационной системы (ГСНС). На рис. 4 представлен комплект бомб, а на рис.5 – профили их доставки к цели с использованием ГСНС [1].
Доставка ЭМО к цели возможна также с помощью специальных снарядов. Электромагнитный боеприпас среднего калибра (100–120 мм) при срабатывании формирует импульс излучения длительностью в несколько микросекунд со средней мощностью в десятки мегаватт и пиковой – в сотни раз больше. Излучение – изотропное, способное на расстоянии 6–10 м подорвать детонатор, а на расстоянии до 50 м – вывести из строя систему опознавания “свой-чужой”, блокировать пуск зенитной управляемой ракеты из переносного зенитно-ракетного комплекса, временно или окончательно вывести из строя неконтактные противотанковые магнитные мины [11].
При размещении ЭМО на крылатой ракете момент его срабатывания определяется датчиком навигационной системы, на противокорабельной ракете – радиолокационной головкой наведения, а на ракете “воздух-возудух” – непосредственно системой взрывателя. Использование ракеты в качестве носителя электромагнитной боеголовки неизбежно влечет ограничение массы ЭМО из-за необходимости размещения электрических аккумуляторов для приведения в действие генератора электромагнитного излучения. Отношение полной массы боеголовки к массе запускаемого оружия составляет примерно от 15 до 30% (для американской ракеты AGM/BGM-109 “Томагавк” – 28%).
Эффективность ЭМО была подтверждена в военной операции “Буря в пустыне”, где применялись преимущественно самолеты и ракеты и где основой военной стратегии было воздействие на электронные устройства сбора и обработки информации, целеуказания и элементы связи с целью парализации и дезинформации системы ПВО [1,8].
ЗАЩИТА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОРУЖИЯ
Наиболее эффективная защита от ЭМО – это, конечно, предотвращение его доставки путем физического уничтожения носителей, как и при защите от ядерного оружия. Однако это не всегда достижимо, поэтому следует прибегать также к мерам электромагнитной защиты самой радиоэлектронной аппаратуры. К таким мерам, очевидно, следует прежде всего отнести полную экранировку самой аппаратуры, а также помещений, в которых она размещается. Известно, что если помещение уподобить клетке Фарадея, предотвращающей проникновение внешнего электромагнитного поля, то защита аппаратуры от ЭМО будет полностью обеспечена. Однако в реальности такая экранировка невозможна, поскольку аппаратуре необходимы подводка электропитания извне и каналы связи для приема и передачи информации. Сами каналы связи также должны иметь защиту от проникновения по ним к аппаратуре электромагнитных воздействий. Установка фильтров в данном случае не спасает, поскольку они работают только в определенной полосе частот и соответствующим образом настраиваются, и фильтры, предназначенные для защиты от низкочастотного ЭМО, не будут защищать от воздействия высокочастотного и наоборот. Хорошую защиту от электромагнитных наводок по каналам связи могут обеспечить используемые вместо них волоконно-оптические линии, однако для цепей питания этого сделать невозможно.
Проблему защиты от ЭМО усугубляет еще и то, что развитие современных информационных систем идет по пути их дезинтеграции. Вместо больших центров по приему и обработке информации в каждом учреждении предпочитают иметь свои компьютерные сети, использующие телефонные линии. Это повышает уязвимость радиоэлектронной аппаратуры по отношению к ЭМО, в результате чего применение ЭМО в военных конфликтах становится еще более целесообразным и реальным.
При рассмотрении способов защиты от ЭМО следует также учитывать необходимость устранения любых паразитных излучений защищаемой аппаратуры, поскольку они не только демаскируют аппаратуру, но и способствуют прицельному наведению ЭМО.
Существует достаточно оснований полагать, что в будущем все значимые боевые операции будут начинаться с массированного применения ЭМО, способного нанести серьезный ущерб военно-промышленному потенциалу страны и облегчить проведение последующих военных операций.
Учитывая эффективность и перспективность использования ЭМО в военных операциях, а также преимущества тех, кто владеет этим видом оружия, разработку ЭМО держат в строжайшей тайне под грифом более высоким, чем “Совершенно секретно”, и все проблемы обсуждают только на закрытых заседаниях. Примером может служить секретная научно-техническая конференция, проведенная в июне 1995 г. в предместье Вашингтона только для американцев, на которой обсуждались эффекты от воздействия ЭМО не только на радиоэлектронное оборудование, но также на животных и человека [8]. Отсутствие данных о результатах использования ЭМО в Югославии объясняется и режимом секретности, и желанием сохранить столь эффективное оружие для более серьезных боевых операций.
Сегодня технологией ЭМО в полной мере владеют только США и Россия, однако нельзя не учитывать возможности овладения этой технологией и другими странами, в том числе странами третьего мира.m
Литература
1. Carlo Kopp. The E-bomb – а Weapon of Electronical Mass Destruction. – Information Warfare: Thunder’s Month Press, New York, 1996.
2. Прищепенко А. Электронный бой кораблей – бой будущего. – Морской сборник, 1993, №7.
3. Elmar Berwanger. Information Warfare – The Key to Success or Failure, not only on the Future Battlefield. – Battlefield Systems International 98 Conference Proceeding, v.1.
4. Clayborne D., Teylor and Nicolas H. Younan. Effects from High Power Microwave Illumination. – Microwave Journal, 1992, v.35, №6.
5. Антипин В., Годовицин В. и др. Влияние мощных импульсных микроволновых помех на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы. – Зарубежная радиоэлектроника, 1995, №1.
6. Florid H.K. The Future Battlefield – a Blast of Gigawatts. – IEEE Spectrum, 1988, v.25, №3.
7. Панов В., Саркисьян А. Некоторые аспекты проблемы создания СВЧ-средств функционального поражения. – Зарубежная радиоэлектроника, 1995, №10–12.
8. Winn Schwartau. More about HERF than some? – Information Warfare: Thunder’s month press, New York, 1996.
9. David A. Fulghum. Microwave Weapons Await a Future War. – Aviation Week and Space Technology, June 7, 1999.
10. Кардо-Сысоев А. Сверхширокополосная электродинамика.– Импульсные системы. – Санкт-Петербург, 1997.
11. Прищепенко А. Электромагнитное оружие в бою будущего. – Морской сборник, 1995, №3.
Оценка специалистами электромагнитного оружия как одного из наиболее эффективных средств ведения современной войны обусловлена высокой значимостью информационных потоков в основных сферах деятельности людей – управлении экономикой, производством, обороной страны. Нарушение функционирования информационной системы, обеспечивающей постоянный обмен управленческими решениями и включающей множество устройств сбора и обработки информации, вызовет тяжелые последствия. При ведении боевых операций объектами воздействия ЭМО становятся системы командования, управления, разведки и связи, и поражение этих средств приведет к дезинтеграции информационной системы, снижению эффективности или полному нарушению работы систем ПВО и ПРО.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОРУЖИЯ НА ОБЪЕКТЫ
Принцип действия ЭМО основан на кратковременном электромагнитном излучении большой мощности, способном вывести из строя радиоэлектронные устройства, составляющие основу любой информационной системы. Элементная база радиоэлектронных устройств весьма чувствительна к энергетическим перегрузкам, поток электромагнитной энергии достаточно высокой плотности способен выжечь полупроводниковые переходы, полностью или частично нарушив их нормальное функционирование. Как известно, напряжения пробоя переходов невысоки и составляют от единиц до десятков вольт в зависимости от типа прибора. Так, даже у кремниевых сильноточных биполярных транзисторов, обладающих повышенной прочностью к перегревам, напряжение пробоя находится в пределах от 15 до 65 В, а у арсенидгаллиевых приборов этот порог равен 10 В. ЗУ, составляющие существенную часть любого компьютера, имеют пороговые напряжения порядка 7 В. Типовые логические ИС на МОП-структурах – от 7 до 15 В, а микропроцессоры обычно прекращают свою работу при напряжениях 3,3–5 В [1, 4 - 7].
Помимо необратимых отказов импульсное электромагнитное воздействие может вызвать восстанавливаемые отказы, или парализацию радиоэлектронного устройства, когда из-за возникающих перегрузок оно на какой-то отрезок времени теряет чувствительность. Возможны также ложные срабатывания чувствительных элементов, что может привести, например, к детонации боеголовок ракет, бомб, артиллерийских снарядов и мин.
По спектральным характеристикам ЭМО можно разделить на два вида: низкочастотное, создающее электромагнитное импульсное излучение на частотах ниже 1 МГц, и высокочастотное, обеспечивающее излучение СВЧ-диапазона. Оба вида ЭМО имеют различия также в способах реализации и в какой-то мере в путях воздействия на радиоэлектронные устройства. Так, проникновение низкочастотного электромагнитного излучения к элементам устройств обусловлено, в основном, наводками на проводную инфраструктуру, включающую телефонные линии, кабели внешнего питания, подачи и съема информации. Пути же проникновения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона более обширны – они еще включают прямое проникновение в радиоэлектронную аппаратуру через антенную систему, поскольку СВЧ-спектр охватывает и рабочую частоту подавляемой аппаратуры. Имеющее место проникновение энергии через конструктивные отверстия и стыки зависит от их размеров и длины волны электромагнитного импульса – наиболее сильная связь возникает на резонансных частотах, когда геометрические размеры соизмеримы с длиной волны. На волнах, длиннее резонансной, связь резко уменьшается, поэтому воздействие низкочастотного ЭМО, зависящее от наводок через отверстия и стыки в корпусе аппаратуры, невелико. На частотах же выше резонансной спад связи происходит медленнее, но из-за множества типов колебаний в объеме аппаратуры возникают острые резонансы.
Если поток СВЧ-излучения достаточно интенсивен, то воздух в отверстиях и стыках ионизируется и становится хорошим проводником, экранирующим аппаратуру от проникновения электромагнитной энергии. Таким образом, увеличение падающей на объект энергии может привести к парадоксальному уменьшению энергии, воздействующей на аппаратуру, и, как следствие, к снижению эффективности ЭМО.
Электромагнитное оружие обладает также биологическим воздействием на животных и человека, в основном связанное с их нагревом. При этом страдают не только непосредственно нагреваемые органы, но и те, что напрямую не контактируют с электромагнитным излучением. В организме возможны хромосомные и генетические изменения, активация и дезактивация вирусов, изменения иммунологических и даже поведенческих реакций. Опасным считается подъем температуры тела на 1оС, и продолжение облучения в этом случае может привести к смертельному исходу.
Экстраполяция данных, полученных на животных, позволяет установить опасную для человека плотность мощности. При длительном облучении электромагнитной энергией с частотой до 10 ГГц и плотностью мощности от 10 до 50 мВТ/см2 могут возникнуть конвульсии, состояние повышенной возбудимости и произойти потеря сознания. Заметный нагрев тканей при воздействии одиночных импульсов такой же частоты происходит при плотности энергии около 100 Дж/см2. На частотах выше 10 ГГц допустимый порог нагрева снижается, поскольку вся энергия поглощается поверхностными тканями. Так, на частоте в десятки гигагерц и плотности энергии в импульсе всего 20 Дж/см2 наблюдается ожог кожи.
Возможны и другие последствия облучения. Так, может временно нарушиться нормальная разность потенциалов мембран клеток тканей. При воздействии одиночного СВЧ-импульса длительностью от 0,1 до 100 мс с плотностью энергии до 100 мДж/см2 меняется активность нервных клеток, возникают изменения в электроэнцефалограмме. Импульсы малой плотности (до 0,04 мДж/см2 ) вызывают слуховые галлюцинации, а при более высокой плотности энергии может быть парализован слух или даже повреждена ткань слуховых органов [6,8].
СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОРУЖИЯ
Сегодня основным техническим средством получения мощных электромагнитных импульсов, составляющих основу низкочастотного ЭМО, является генератор с взрывным сжатием магнитного поля, который впервые был продемонстрирован еще в конце 50-х годов в лос-аламосской национальной лаборатории США [1]. Позднее было разработано и испытано много модификаций такого генератора в США и СССР, развивавших электрическую энергию в десятки мегаджоулей в отрезки времени от десятков до сотен микросекунд. При этом уровень пиковой мощности достигал единиц и десятков тераватт, а производимый генератором ток в 10–1000 раз превышал ток, порождаемый разрядом молнии.
Основу коаксиального генератора с взрывным сжатием магнитного поля составляет цилиндрическая медная трубка с взрывчатым веществом, выполняющая функции ротора (рис.1а) [1]. Статором генератора служит спираль из прочного (обычно медного) провода, окружающая роторную трубку. Во избежание преждевременного разрушения генератора поверх статорной обмотки устанавлен кожух из немагнитного материала, обычно из цемента или стекловолокна с эпоксидной смолой.
Первоначальное магнитное поле в генераторе, предшествующее взрыву, формируется стартовым током. При этом может быть использован любой внешний источник, способный обеспечить импульс электрического тока силой от единиц килоампер до мегаампер. Подрыв взрывчатого вещества происходит с помощью специального генератора в момент, когда ток в статорной обмотке достигает максимума. Образующийся при этом плоский однородный фронт взрывной волны распространяется вдоль взрывчатого вещества, деформируя структуру роторной трубки – превращая ее цилиндрическую форму в коническую (рис.1б). В момент расширения трубки до размеров статорной обмотки происходит короткое замыкание обмотки, приводящее к эффекту сжатия магнитного поля и возникновению мощного импульса тока порядка нескольких десятков мегаампер. Увеличение выходного тока по сравнению со стартовым зависит от конструкции генератора и может достигать нескольких десятков раз.
Реализация низкочастотного ЭМО в эффективном варианте требует антенн больших размеров. Для решения этой проблемы применяют катушки с намотанными на них кабелями определенной длины, выбрасываемые в момент взрыва электромагнитного устройства (бомбы), или осуществляют достаточно точную доставку боевого средства к цели. В последнем случае наводка электромагнитного импульса на радиоэлектронное устройство противника может произойти непосредственно за счет связи с этим устройством обмотки генератора и будет тем сильнее, чем ближе генератор к подавляемому объекту.
Другим типом источника низкочастотной магнитной энергии высокого уровня может явиться магнитодинамический генератор, приводимый в действие с помощью ракетного топлива или взрывчатки. Работа данного генератора основана на возникновении тока в проводнике, движущемся в магнитном поле, только в качестве проводника используется плазма, состоящая из ионизированного взрывчатого вещества или газообразного топлива. Однако на сегодняшний день уровень разработки этого типа генератора ниже, чем генератора с взрывным сжатием магнитного поля, и потому пока он имеет меньшие перспективы применения в ЭМО.
При реализации высокочастотного ЭМО в качестве генератора мощного СВЧ-излучения могут использоваться такие электронные приборы, как известные широкополосные магнетроны и клистроны, а также гиротроны, генераторы с виртуальным катодом (виркаторы), лазеры на свободных электронах и плазменно-лучевые генераторы. Существующие на сегодня лабораторные источники СВЧ-излучения способны работать как в импульсном (длительностью 10 нс и более), так и в непрерывном режимах, и перекрывать диапазон от 500 МГц до десятков гигагерц при частоте повторения от единиц до тысяч импульсов в секунду. Максимальная генерируемая мощность достигает нескольких мегаватт в непрерывном режиме и нескольких гигаватт в импульсном. По данным бывшего руководителя разработок “несмертельного оружия” Джона Александера, специалистам лос-аламосской лаборатории удалось довести пиковую мощность микроволновых генераторов с взрывным сжатием магнитного поля уже до десятков тераватт [1,9].
Все типы СВЧ-генераторов имеют различные параметры. Так, плазменно-лучевые генераторы обладают широкой полосой, гиротроны работают в миллиметровом диапазоне волн с высоким КПД (десятки процентов), а виркаторы – в сантиметровом и имеют низкий КПД (единицы процентов). Наибольший интерес вызывают виркаторы, которые легче всех перестраиваются по частоте. Как видно из рис.2, конструкция виркатора с соосным виртуальным катодом представляет собой круглый волновод, переходящий в конус с диэлектрическим окном на торце. Катодом служит металлический цилиндрический стержень диаметром в несколько сантиметров, анодом – натянутая на обод металлическая сетка. При подаче на анод положительного потенциала порядка 105–106 В с катода, вследствие взрывной эмиссии, устремляется к аноду поток электронов и проходит через него в пространство за анодом, где тормозится собственным “кулоновским полем”. Затем он отражается обратно к аноду, образуя тем самым виртуальный катод на расстоянии от анода, равном примерно расстоянию от него до реального катода. Отраженные электроны проходят сквозь сетку анода и вновь тормозятся у поверхности реального катода. В результате формируется облако электронов, осциллирующее у анода в потенциальной яме между виртуальным и реальным катодами. Образованное на частоте колебаний электронного облака СВЧ-поле излучается в пространство через диэлектрическое окно.
Стартовые токи в виркаторах, при которых возникает генерация, составляют 1–10 кА. Виркаторы наиболее приемлемы для генерации импульсов наносекундной длительности в длинноволновой части сантиметрового диапазона. Экспериментально от них получены мощности от 170 кВт до 40 ГВт в сантиметровом и дециметровом диапазонах [1]. Низкий КПД виркаторов объясняется многомодовым характером генерируемого электромагнитного поля и интерференцией между модами.
Преимущество высокочастотного ЭМО перед низкочастотным состоит в возможности фокусирования генерируемой энергии в направлении цели с помощью достаточно компактных антенных систем с механическим или электронным управлением. На рис.3 приведен один из возможных вариантов компоновки антенны типа конической спирали, способной работать на высоких уровнях мощности генератора-виркатора. Наличие круговой поляризации способствует увеличению поражающего действия ЭМО, правда, при этом возникают проблемы с обеспечением широкой полосы.
Представляет интерес американский демонстрационный образец генератора высокомощного СВЧ-излучения в диапазоне 0,5–1,0 ГГц MPS-II, использующий зеркальную антенну диаметром 3 м. Данная установка развивает импульсную мощность около 1 ГВт (265 кВх3,5 кА) и обладает большими возможностями ведения информационной войны. В руководстве по ее эксплуатации и техническому обслуживанию определена зона поражения – 800 м от устройства в секторе 24. Людям с электронными стимуляторами сердца доступ к установке запрещен. Указывается также, что излучение установки стирает кредитные карточки и записи на магнитных носителях [8].
При необходимости поражения сразу нескольких целей можно использовать фазированные антенные решетки, позволяющие формировать одновременно несколько лучей и быстро менять их положение. Примером может служить активная антенная решетка GEM2, разработанная по заказу фирмы Boeing южно-африканской фирмой PSI, которая состоит из 144 твердотельных излучателей импульсов длительностью менее 1 нс с суммарной мощностью 1 ГВт. Габариты данной антенной решетки позволяют устанавливать ее на самолете [10].
Однако при наращивании мощности с помощью фазированных антенных решеток следует увязывать допустимые уровни электромагнитного излучения с возможными электрическими пробоями в атмосфере. Ограниченная электрическая прочность воздуха устанавливает предел плотности потока СВЧ-излучения. Экспериментально установлено, что значение граничной плотности СВЧ-энергии меняется с частотой, длительностью импульса, давлением воздуха и плотностью свободных электронов, при которой начинается лавинный процесс пробоя. При наличии свободных электронов и нормальном атмосферном давлении пробой начинается при плотности СВЧ-мощности 105–106Вт/см2, если длительность импульса больше 1 нс.
При выборе рабочей частоты СВЧ-излучения учитываются также условия распространения электромагнитных волн в атмосфере. Известно, что при частоте 3 ГГц излучение ослабляется на расстоянии 10 км при умеренном дожде на 0,01 дБ, но на частоте 30 ГГц при тех же условиях ослабление уже возрастает до 10 дБ [6].
ТАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОРУЖИЯ
Электромагнитное оружие может применяться как в стационарном, так и мобильном вариантах. При стационарном варианте легче выполнить массогабаритные и энергетические требования к аппаратуре и упростить ее обслуживание. Но в этом случае необходимо обеспечивать высокую направленность электромагнитного излучения в сторону цели во избежание поражения собственных радиоэлектронных устройств, что возможно только благодаря применению остронаправленных антенных систем. При реализации СВЧ-излучения использование остронаправленных антенн не составляет проблемы, чего нельзя сказать относительно низкочастотного ЭМО, для которого мобильный вариант имеет ряд преимуществ. Прежде всего, легче решается проблема защиты собственных радиоэлектронных средств от воздействия ЭМО, поскольку боевое средство можно доставить непосредственно к месту расположения объекта воздействия и только там привести его в действие. И кроме того, отпадает необходимость в применении направленных антенных систем, а в ряде случаев вообще можно обойтись без антенн, ограничившись непосредственной электромагнитной связью между генератором ЭМО и электронными устройствами противника.
При реализации мобильного варианта ЭМО необходимо предусмотреть сбор соответствующей информации о целях, подлежащих электромагнитному воздействию, в связи с чем важная роль отводится средствам радиотехнической разведки. Поскольку подавляющее большинство интересующих целей излучают радиоволны, обладающие определенными характеристиками, средства разведки способны не только их идентифицировать, но и устанавливать их местоположение с достаточной точностью. Средствами доставки ЭМО в мобильном варианте могут служить самолеты, вертолеты, беспилотные летательные аппараты, различные ракеты, корабли, планирующие бомбы.
Эффективное средство доставки ЭМО к цели представляет планирующая бомба, которую можно запускать с самолета (вертолета) с расстояния, превышающего дальность действия системы ПВО противника, что минимизирует риск поражения самолета этой системой и риск повреждения собственных бортовых радиоэлектронных средств при взрыве бомбы. При этом автопилот планирующей бомбы можно запрограммировать таким образом, что профиль полета бомбы к цели и высота ее подрыва будут оптимальны. При использовании бомбы в качестве носителя ЭМО доля массы, приходящаяся на боеголовку, доходит до 85%. Подрыв бомбы может быть осуществлен с помощью радиолокационного высотомера, барометрического устройства или глобальной спутниковой навигационной системы (ГСНС). На рис. 4 представлен комплект бомб, а на рис.5 – профили их доставки к цели с использованием ГСНС [1].
Доставка ЭМО к цели возможна также с помощью специальных снарядов. Электромагнитный боеприпас среднего калибра (100–120 мм) при срабатывании формирует импульс излучения длительностью в несколько микросекунд со средней мощностью в десятки мегаватт и пиковой – в сотни раз больше. Излучение – изотропное, способное на расстоянии 6–10 м подорвать детонатор, а на расстоянии до 50 м – вывести из строя систему опознавания “свой-чужой”, блокировать пуск зенитной управляемой ракеты из переносного зенитно-ракетного комплекса, временно или окончательно вывести из строя неконтактные противотанковые магнитные мины [11].
При размещении ЭМО на крылатой ракете момент его срабатывания определяется датчиком навигационной системы, на противокорабельной ракете – радиолокационной головкой наведения, а на ракете “воздух-возудух” – непосредственно системой взрывателя. Использование ракеты в качестве носителя электромагнитной боеголовки неизбежно влечет ограничение массы ЭМО из-за необходимости размещения электрических аккумуляторов для приведения в действие генератора электромагнитного излучения. Отношение полной массы боеголовки к массе запускаемого оружия составляет примерно от 15 до 30% (для американской ракеты AGM/BGM-109 “Томагавк” – 28%).
Эффективность ЭМО была подтверждена в военной операции “Буря в пустыне”, где применялись преимущественно самолеты и ракеты и где основой военной стратегии было воздействие на электронные устройства сбора и обработки информации, целеуказания и элементы связи с целью парализации и дезинформации системы ПВО [1,8].
ЗАЩИТА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОРУЖИЯ
Наиболее эффективная защита от ЭМО – это, конечно, предотвращение его доставки путем физического уничтожения носителей, как и при защите от ядерного оружия. Однако это не всегда достижимо, поэтому следует прибегать также к мерам электромагнитной защиты самой радиоэлектронной аппаратуры. К таким мерам, очевидно, следует прежде всего отнести полную экранировку самой аппаратуры, а также помещений, в которых она размещается. Известно, что если помещение уподобить клетке Фарадея, предотвращающей проникновение внешнего электромагнитного поля, то защита аппаратуры от ЭМО будет полностью обеспечена. Однако в реальности такая экранировка невозможна, поскольку аппаратуре необходимы подводка электропитания извне и каналы связи для приема и передачи информации. Сами каналы связи также должны иметь защиту от проникновения по ним к аппаратуре электромагнитных воздействий. Установка фильтров в данном случае не спасает, поскольку они работают только в определенной полосе частот и соответствующим образом настраиваются, и фильтры, предназначенные для защиты от низкочастотного ЭМО, не будут защищать от воздействия высокочастотного и наоборот. Хорошую защиту от электромагнитных наводок по каналам связи могут обеспечить используемые вместо них волоконно-оптические линии, однако для цепей питания этого сделать невозможно.
Проблему защиты от ЭМО усугубляет еще и то, что развитие современных информационных систем идет по пути их дезинтеграции. Вместо больших центров по приему и обработке информации в каждом учреждении предпочитают иметь свои компьютерные сети, использующие телефонные линии. Это повышает уязвимость радиоэлектронной аппаратуры по отношению к ЭМО, в результате чего применение ЭМО в военных конфликтах становится еще более целесообразным и реальным.
При рассмотрении способов защиты от ЭМО следует также учитывать необходимость устранения любых паразитных излучений защищаемой аппаратуры, поскольку они не только демаскируют аппаратуру, но и способствуют прицельному наведению ЭМО.
Существует достаточно оснований полагать, что в будущем все значимые боевые операции будут начинаться с массированного применения ЭМО, способного нанести серьезный ущерб военно-промышленному потенциалу страны и облегчить проведение последующих военных операций.
Учитывая эффективность и перспективность использования ЭМО в военных операциях, а также преимущества тех, кто владеет этим видом оружия, разработку ЭМО держат в строжайшей тайне под грифом более высоким, чем “Совершенно секретно”, и все проблемы обсуждают только на закрытых заседаниях. Примером может служить секретная научно-техническая конференция, проведенная в июне 1995 г. в предместье Вашингтона только для американцев, на которой обсуждались эффекты от воздействия ЭМО не только на радиоэлектронное оборудование, но также на животных и человека [8]. Отсутствие данных о результатах использования ЭМО в Югославии объясняется и режимом секретности, и желанием сохранить столь эффективное оружие для более серьезных боевых операций.
Сегодня технологией ЭМО в полной мере владеют только США и Россия, однако нельзя не учитывать возможности овладения этой технологией и другими странами, в том числе странами третьего мира.m
Литература
1. Carlo Kopp. The E-bomb – а Weapon of Electronical Mass Destruction. – Information Warfare: Thunder’s Month Press, New York, 1996.
2. Прищепенко А. Электронный бой кораблей – бой будущего. – Морской сборник, 1993, №7.
3. Elmar Berwanger. Information Warfare – The Key to Success or Failure, not only on the Future Battlefield. – Battlefield Systems International 98 Conference Proceeding, v.1.
4. Clayborne D., Teylor and Nicolas H. Younan. Effects from High Power Microwave Illumination. – Microwave Journal, 1992, v.35, №6.
5. Антипин В., Годовицин В. и др. Влияние мощных импульсных микроволновых помех на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы. – Зарубежная радиоэлектроника, 1995, №1.
6. Florid H.K. The Future Battlefield – a Blast of Gigawatts. – IEEE Spectrum, 1988, v.25, №3.
7. Панов В., Саркисьян А. Некоторые аспекты проблемы создания СВЧ-средств функционального поражения. – Зарубежная радиоэлектроника, 1995, №10–12.
8. Winn Schwartau. More about HERF than some? – Information Warfare: Thunder’s month press, New York, 1996.
9. David A. Fulghum. Microwave Weapons Await a Future War. – Aviation Week and Space Technology, June 7, 1999.
10. Кардо-Сысоев А. Сверхширокополосная электродинамика.– Импульсные системы. – Санкт-Петербург, 1997.
11. Прищепенко А. Электромагнитное оружие в бою будущего. – Морской сборник, 1995, №3.
Отзывы читателей
