К. Копп. Оружие электрического массового поражения

1. Введение

Ведение успешной войны против противника, находящегося на индустриальной и постиндустриальной стадии развития экономики, потребует соответствующего набора инструментов. Как было продемонстрировано во время операции "Буря в пустыне", военно-воздушные силы показали себя как наиболее эффективное средство подавления жизненно важной для противника информационной инфраструктуры. Причина этого — возможность одновременных или параллельных боевых действий по большому числу целей на географически значительной территории [SZAFRANSKI95].

В тоже время "Буря в пустыне" продемонстрировала, что применение воздушной мощи, хотя и было наиболее действенным при разгроме командных пунктов и узлов связи противника, из-за необходимости физического уничтожения их при помощи управляемых боеприпасов поглотило существенную долю боевых вылетов на ранней стадии воздушной кампании. Действительно, самолеты, способные доставлять бомбы лазерного наведения, были в основном заняты этим в первые ночи воздушной кампании.

Эффективное проведение военных действий против современного индустриально или постиндустриально развитого противника потребует применения специализированных инструментов, разработанных для уничтожения информационных систем. Электромагнитные бомбы, созданные специально для этого и доставляемые соответствующими средствами, являются очень эффективным инструментом для этой цели.

2. Действие электромагнитного импульса

Действие электромагнитного импульса (ЭМИ) [1] впервые наблюдалось при высотных ядерных испытаниях [GLASSTONE64]. Действие характеризуется генерацией очень короткого (сотни наносекунд), но интенсивного электромагнитного импульса, который распространяется от источника с уменьшающейся интенсивностью, в соответствие с теорией электромагнетизма. Этот импульс энергии производит мощное электромагнитное поле, особенно вблизи места взрыва. Поле может быть достаточно сильным, чтобы вызвать кратковременные перенапряжения в тысячи вольт в электрических проводниках, таких как провода или проводящие дорожки печатных схем.

В этом аспекте действие ЭМИ имеет военное значение, так как может привести к необратимому повреждению широкого спектра электрического и электронного оборудования, особенно компьютеров и радио или радарных приемников. В зависимости от электромагнитной стойкости электроники, степени упругости оборудования к воздействию ЭМИ и интенсивности поля, производимого оружием, оборудование может быть необратимо повреждено или, иными словами, электрически уничтожено. Причиненное повреждение мало чем отличается от того, что можно ожидать от близкого удара молнии и может потребовать полной замены оборудования, или, по крайней мере, существенной его части.

Коммерческое компьютерное оборудование особенно уязвимо к действию ЭМИ, так как оно в основном построено на МОП-приборах высокой плотности, которые очень чувствительны к воздействию высоковольтных переходных процессов. Для МОП-приборов является существенным, что требуется очень немного энергии для того, чтобы повредить или уничтожить их, любое напряжение порядка десятков вольт может вызвать эффект, называемый пробоем затвора, который эффективно уничтожает прибор. Даже если импульс не имеет энергии, достаточной для термического повреждения, источник питания оборудования сам добавит энергии, чтобы завершить процесс уничтожения. Поврежденные приборы могут еще функционировать, но их надежность будет серьезно ухудшена. Экранирование электроники при помощи корпусов оборудования обеспечивает только ограниченную защиту, так как любые кабели, входящие и выходящие из оборудования, будут вести себя подобно антеннам, направляя высокое напряжение в оборудование.

Компьютеры, используемые в системах обработки данных, коммуникационных системах, системах отображения информации, системах промышленного контроля, включая системы сигнализации автомобильных и железных дорог, и компьютеры, встроенные в военное оборудование, такое, как сигнальные процессоры, системы контроля полетов, цифровые системы контроля двигателей — все они потенциально уязвимы к воздействию ЭМИ.

Другие электронные приборы и электрическое оборудование могут также быть уничтожены ЭМИ. Телекоммуникационное оборудование может быть весьма уязвимым вследствие наличия длинных кабелей между приборами. Приемники всех типов особенно чувствительны к ЭМИ, так как высокочувствительные высокочастотные транзисторы и диоды в таком оборудовании легко уничтожаются при воздействии электрических импульсов высокого напряжения. Поэтому радарное и электронное военное оборудование, спутниковое, микроволновое, УКВ, КВ и низкочастотное коммуникационное оборудование и телевизионное оборудование является потенциально уязвимым к воздействию ЭМИ.

Существенно, что современные платформы военного назначения плотно набиты электронным оборудованием, и несмотря на то, что эти платформы хорошо защищены, ЭМИ-устройства могут существенно уменьшить их функциональность или перевести их в разряд непригодных к использованию.

3. Технологическая база обычных (неядерных) электромагнитных бомб

Технологическая база, которая может быть применена к разработке электромагнитных бомб, является как разнообразной, так и вполне зрелой во многих областях. Ключевыми технологиями, существующими в этой области, являются: генераторы со сжатием потока при помощи взрывчатки (explosively pumped Flux Compression Generators, FCG), работающие на взрывчатке или пороховом заряде магнито-гидродинамические генераторы (explosive or propellant driven Magneto-Hydrodynamic (MHD) generators) и целый набор микроволновых устройств высокой мощности (HPM devices), из которых наиболее продвинутым является осциллятор с виртуальным катодом (Virtual Cathode Oscillator, Vircator). Широкий набор экспериментальных образцов был испытан в этих технологических областях и имеется значительное количество публикаций в открытой литературе.

http://daily.sec.ru/pbimgs/00006276/pimg00139752.gif

В этой работе дан обзор базовых принципов и атрибутов этих технологий, применительно к бомбам и боеголовкам. Следует подчеркнуть, что обзор не является исчерпывающим.

3.1. Генераторы со сжатием потока при помощи взрывчатки

Генераторы со сжатием потока при помощи взрывчатки (FC-генераторы) являются наиболее зрелой технологией, применительно к разработке бомб. FC-генераторы были впервые продемонстрированы Кларенсом Фоулером в Лос Аламосе (Clarence Fowler at Los Alamos National Laboratories, LANL) в конце 50-х годов. С тех пор был создан и испытан широкий набор конструкций FC-генераторов, как в США, так и в СССР, а позднее — в СНГ.

FC-генератор — это устройство в относительно компактной упаковке, способное произвести электрическую энергию порядка десятков МДж за сотни микросекунд. С пиковой мощностью от единиц до десятков ТВт, FC-генераторы могут быть использованы прямо, или в качестве источника коротких импульсов для микроволновых генераторов. Для сравнения, ток, производимый большими FC-генераторами в 10-1000 раз больше, чем ток, производимым типичным ударом молнии [WHITE78].

Центральная идея конструкции FC-генератора заключается в использовании "быстрой" взрывчатки для того, чтобы быстро сжать магнитное поле, преобразовав энергию взрывчатки в магнитное поле.

Начальное магнитное поле в FC-генераторах до инициирования взрывчатки производится стартовым током. Стартовый ток обеспечивается внешними источниками, такими как высоковольтный конденсатор, малые FC-генераторы или MHD устройства. В принципе, подойдет любое оборудование, способное произвести импульс электрического тока от десятков кА до единиц МА.

Несколько геометрических конфигураций FC-генераторов было описано в литературе (для примера, см. REINOVSKY85, CAIRD85, FOWLER89). Как правило, используются коаксиальные FC-генераторы. Коаксиальное расположение представляет особый интерес в контексте данной статьи, так как цилиндрический форм-фактор облегчает "упаковку" FC-генераторов в бомбы и боеголовки.

http://daily.sec.ru/pbimgs/00006276/pimg00139753.jpg

В типичном коаксиальном FC-генераторе, цилиндрическая медная труба образует якорь. Эта труба заполнена "быстрой" высокоэнергетической взрывчаткой. Несколько типов взрывчатки было использовано, от композиций В и С типа до обработанных на станках блоков РВХ-9501. Якорь окружен спиралью, как правило медной, который образует статор FC-генератора. Обмотка статора в некоторых конструкциях расщеплена на сегменты, с разветвлением проводов на границах сегментов, для того, чтобы оптимизировать электромагнитную индуктивность спирали якоря.

Интенсивные магнитные силы, производимые во время работы FC-генератора, потенциально могут вызвать преждевременное разрушение генератора, если не предпринять контрмеры. Обычно они заключаются в дополнении конструкции оболочкой из немагнитного материала. Могут быть использованы бетон или стекловолокно в эпоксидной матрице. В принципе, может быть использован любой материал, с соответствующими механическими и электрическими качествами. Там, где существенен вес конструкции, например, в боеголовках крылатых ракет, стекло- или кевларовые эпоксидные композиты наиболее реальные кандидаты.

Как правило, взрывчатка инициируется, когда стартовый ток достигает пикового значения. Инициация обычно выполнятся при помощи генератора, который производит во взрывчатке волну детонации с однородным плоским фронтом. После инициирования, фронт распространяется через взрывчатое вещество в якоре, деформируя его в конус (12-14 градусов дуги). Там, где якорь расширяется до полного заполнения статора, происходит короткое замыкание между концами статорной обмотки. Распространяющееся короткое замыкание имеет эффект сжатия магнитного поля. Результат заключается в том, что такой генератор производит импульс нарастающего тока, пиковое значение которого достигается перед окончательным разрушением прибора. По опубликованным данным, время нарастания составляет от десятков до сотен микросекунд, завися от параметров устройства, при токах в пике в десятки МА и энергиях в пике в десятки МДж.

Достигаемое усиление тока (т.е. отношение выходного тока к стартовому) меняется в зависимости от типа конструкции, но значения, достигающие 60, уже демонстрировались. В военных приложениях, где вес и объем существенны, желательны наиболее малогабаритные источники стартового тока. В этих приложениях могут применяться каскадные FC-генераторы, где малый FC-генератор используется как источник стартового тока для более крупного FC-генератора. Эксперименты, проведенные LANL и AFWL, продемонстрировали жизненность этой технологии [KIRTLAND94, REINOVSKY85].

Основные технические проблемы применения FC-генераторов в военных целях: источник стартового тока и как "упаковать" FC-генератор в соответствующую бомбу или боеголовку. Последняя проблема упрощается коаксиальной геометрией коаксиальной или конической конструкции FC-генераторов. Существенно, что эта геометрия подходит для военных применений, где FC-генераторы могут устанавливаться аксиально с приборами типа микроволновых виркаторов (Vircators).

3.2. МГД генераторы на пороховых зарядах и взрывчатых веществах

Конструкция МГД генераторов на пороховых зарядах и взрывчатых веществах значительно менее зрелая, чем конструкция FC-генераторов. По-видимому, МГД приборы будут играть минимальную роль в ближайшее время. В контексте данной статьи, их потенциальная роль лежит в таких областях, как генерация стартового тока для FC- генераторов.

Фундаментальные принципы, лежащие в конструкции МГД приборов заключаются в том, что проводник, двигающийся через магнитное поле, будет производить электрический ток перпендикулярно направлению поля и движению проводника. В МГД генераторе на взрывчатке или пороховом заряде, проводником является плазма — ионизированный газ от ВВ или порохового заряда — которая двигается поперек магнитного поля. Ток собирается электродами, которые находятся в контакте с плазменной струей [FANTHOME89].

3.3. Источники микроволнового излучения высокой мощности — Vircator

Хотя FC-генераторы являются потенциальной технологической базой для генерации мощных электрических импульсов, их выход, вследствие физики процесса, ограничен полосой частот ниже 1 МГц. При таких частотах многие цели будет трудно атаковать даже с очень высокими уровнями энергии, более того, фокусировка энергии от таких устройств будет проблематичной. Микроволновой источник высокой мощности решает обе проблемы, так как его выходная мощность может быть хорошо сфокусирована, кроме того, микроволновое излучение намного лучше поглощается многими типами целей.

Существует широкий набор микроволновых устройств высокой мощности. Релятивистские клистроны, магнетроны, Slow Wave-устройства, рефлекс-триоды, Spark Gap-устройства и осцилляторы с виртуальным катодом — виркаторы (Vircators) — это все примеры имеющейся технологической базы [GRANATSTEIN87, HOEBERLING92]. С точки зрения перспективы разработки бомб или боеголовок на настоящее время преимущество имеют осцилляторы с виртуальным катодом , а в ближайшей перспективе — Spark Gap-источники. Виркаторы представляют интерес вследствие того, что это одноразовые приборы, способные произвести очень мощный одиночный импульс энергии, конструктивно простые, небольшие по размерам, прочные и способные работать в относительно широкой полосе частот микроволнового диапазона.

Физика работы виркаторов существенно более сложная, чем физика работы ранее рассмотренных устройств. Фундаментальная идея, лежащая в основе виркатора заключается в ускорении мощного потока электронов сетчатым анодом. Значительное число электронов пройдет анод, формируя облако пространственного заряда за анодом. При определенных условиях, эта область пространственного заряда будет осциллировать с частотами микроволнового диапазона. Если область пространственного заряда помещена в резонансную полость, которая соответствующем образом настроена, может быть достигнута очень большая пиковая мощность. Чтобы вывести энергию из резонансной полости могут быть использованы обычные микроволновые технологии. Поскольку частота осцилляции зависит от параметров электронного пучка, виркаторы могут быть настроены по частоте, где микроволновая полость поддерживает соответствующие моды. Уровни мощности, достигнутые в экспериментах с виркаторами, находятся в диапазоне от 170 кВт до 40 ГВт по мощности и в диапазоне длин волн от дециметрового до сантиметрового [THODE87].

Как правило, описываются две конфигурации виркаторов: аксиальный виркатор (Axial Vircator, AV, рис. 3) и поперечный виркатор (Transverse Vircator, TV). Аксиальный виркатор наиболее прост по конструкции и, как правило, в экспериментах дает наибольшую выходную мощность. Обычно он встраивается в цилиндрическую волноводную структуру. Мощность, как правило, выводится посредством перехода волновода в коническую рупорную структуру, которая служит антенной. Аксиальные виркаторы обычно генерируют в поперечной магнитной моде. Поперечный виркатор инжектирует катодный ток от стороны полости и обычно генерирует в поперечной электрической моде.

http://daily.sec.ru/pbimgs/00006276/pimg00139754.gif

Технические вопросы, возникающие при конструировании виркаторов, связаны с длительностью выходного импульса, который обычно порядка микросекунды и лимитируется размером ячеек анодной сетки, стабильностью частоты генерации, эффективностью преобразования и общей выходной мощностью. Эффективный отбор мощности из виркаторной полости в режимах, которые подходят для выбранного типа антенны, может также быть проблемой при высоких уровнях энергии и потенциально могут вызвать пробой изоляторов.

Читать текст полностью