面對電磁脈衝武器這種“無形殺手”,有這些“護體堅盾”

來源:中國軍網-解放軍報作者:趙傑 陳顯 楊傑責任編輯:於雅倩
2020-10-16 04:02

國防工程研究院高級工程師李躍波為您講述——

“護體堅盾”消弭“無形殺手”

■解放軍報特約記者 趙 傑 通訊員 陳 顯 楊 傑

著名科幻小説作家劉慈欣在《球狀閃電》中描述了這樣一幅場景:在數枚球狀閃電產生的電磁脈衝攻擊下,人類文明一下子倒退到了“冷兵器時代”。

電磁脈衝,是一種瞬變的強電磁波,可由核爆炸、雷電、靜電放電及人為技術等產生。隨着電子信息系統在各個領域廣泛應用及其作用不斷加大,專門用於毀傷電子信息設備的強電磁脈衝武器已成為世界各軍事強國研究的熱點。

俗話説:“有矛必有盾。”隨着電磁脈衝武器正在成為信息化戰爭條件下威脅軍事裝備、重要軍事設施和國家關鍵基礎設施安全的“無形殺手”,各種設施設備若想在信息化戰爭中求得生存,必須採取有效的防護措施。

上圖為大型屏蔽體結構剖面圖。

“金鐘罩”—電磁屏蔽

在武俠小説中,有這樣一種武功——“金鐘罩”:習武之人只要練成這種功夫,就可全身刀槍不入,立於不敗之地。

電磁屏蔽就好比這種功夫,只要將防護對象置於電磁屏蔽體內,就可免受“無形殺手”電磁波的攻擊。

電磁波作為一種物理現象,已被人們廣泛認知並加以應用。電磁脈衝的破壞力首次被人們認知則是在核武器出現之後。美國曾在一座海島上空400千米處,試爆了一枚140萬噸當量的核彈,引起1300千米範圍內的電力電子系統失效:街燈斷電、報警器誤響、斷路器跳閘、通信中斷……剛開始人們還不知是什麼原因,後經科研人員分析研究,才知道是核武器爆炸產生的電磁脈衝所致。

電磁脈衝的這一特性被發現後,世界各國開始研發不依賴核爆炸就能產生電磁脈衝的武器。有的進行了“反電子裝置高功率微波先進導彈”飛行試驗,導彈發射後向沿途目標放射了高功率微波脈衝,結果導致所有建築設施內的電子系統都不同程度地受到影響或失效。計算機在導彈飛臨的幾秒鐘內全部黑屏、關機,甚至用於監視現場情況的攝像機也因受到影響而關機。

為了抵禦電磁脈衝對電子設備的巨大威脅,電磁屏蔽技術應運而生。

所謂的電磁屏蔽,就是利用金屬等電磁屏蔽材料做成屏蔽體,將需要防護的區域封閉起來,把電磁脈衝隔離在屏蔽體外,需要通風和進出人員設備的孔口則採用電磁屏蔽門或波導窗保護起來。當電磁脈衝來臨時,其電磁能量被屏蔽體反射、吸收或阻斷。即便僥倖穿透了屏蔽體,電磁能量和電磁場強度也會衰減到可以接受的程度,對屏蔽體保護下的電子信息系統難以產生實質性影響。

電磁屏蔽技術形式多樣,目前已廣泛應用到各種電磁防護領域。如建立各類電磁屏蔽體,包括焊接式鋼板屏蔽體、組裝式鋼板屏蔽體、屏蔽方艙、屏蔽帳篷、屏蔽機櫃等。

“罩門防護”—傳導抑制

武功“金鐘罩”雖然厲害,但並非沒有弱點:練這種功夫的人都有“罩門”,在與人交手時,都千方百計地對此進行嚴密防護。一旦對方攻擊到“罩門”,“金鐘罩”會立即被破。

對電磁屏蔽體而言,自身也有“罩門”——各種進出屏蔽體的管線。若不對這些進出部位進行特殊防護處理,電磁脈衝會沿着管線,直接傳導耦合進入屏蔽體內部,屏蔽體就失去了防護作用。因此,必須對這種傳導耦合進行抑制,即“罩門防護”。

為了既能讓正常的信號進入屏蔽體,又能把電磁脈衝擋在屏蔽體外,就需要用到抑制傳導耦合技術。

抑制傳導耦合技術的基本原理是,在屏蔽體上安裝特殊的傳導抑制設備,管線必須通過傳導抑制設備才能進出屏蔽體。這些設備就像門口的衞兵一樣,可切斷電磁脈衝進入屏蔽體內的途徑。

目前,抑制傳導耦合器件有很多種類和形態,歸納起來主要靠4項技術:濾波、波導截止、限幅、光隔離。

濾波是一種常用的信號處理技術,利用電源濾波器、信號濾波器等器件,採用篩選的方法,把管線上特定頻帶以外的頻率成分有效濾除,一般用於電源、信號等線路的防護。

波導截止是利用波導效應,讓電磁波通過一個又細又長的孔,把電磁波衰減在截止頻率以下的一種技術。其典型產品就是波導窗,多用在通風系統進出屏蔽體的部位。

限幅是採用鉗位的方法,利用專門的限幅器,把輸入信號電壓幅度鉗制在限定電壓範圍內的一種技術手段。當輸入電壓超過其額定值後,無論輸入電壓多強,都將被限制在額定值內,從而起到保護設備的作用。我們所熟知的避雷器就是一種常用的限幅器。

光隔離是利用光信號不受電磁干擾的特性,通過各種光電轉換設備,將電信號先轉換為光信號後,再導入屏蔽體,爾後在屏蔽體內將光信號還原為電信號的一種技術手段。日常上網所用的光纖系統就是其中一種。

“萬流歸宗”—接地泄流

在武俠世界裏,還有一種神奇功夫叫“萬流歸宗”:無論對手的打擊來自哪裏、力量有多大,都能通過自己身體迅速泄到地上而免受傷害。

在電磁防護技術中,也有一種類似的“功夫”——接地,即將電力系統和電氣裝置的中性點、電氣設備的殼體或裝置外導電部分與大地相連的技術。它能把電磁脈衝在電氣系統內產生的干擾電流通過接地系統迅速泄入大地,以防設備在電磁脈衝武器打擊下損毀。

目前,世界各國都非常重視大型重要電力基礎設施的接地問題,均採取了專用的綜合接地系統進行保護。對重要設施來説,為提升接地系統的可靠性,接地系統一般不單獨設置,而是組成一個公共接地系統,甚至直接建立大型防電磁脈衝接地網進行防護。

大型接地網是一種立體網狀結構接地體,由埋在地下一定深度的多個金屬接地極和連接它們的導體組成,可起到綜合防護作用。當電子信息系統遇到強脈衝電流時,能迅速將強電流通過接地系統就近引入大地,達到安全穩定運行的目的。

“天蠶再變”—新興技術

看過電視劇《天蠶變》的劇迷,應該會記得這樣一種功夫:主角受重傷後,常規手段無法醫治,只能通過死中求生的方法孤注一擲,練就天蠶神功,化繭為蝶,成為全新高手。

對電磁防護技術體系來説,新的電磁武器不斷湧現,對現有防護技術也提出了嚴峻挑戰,倒逼着對電磁防護新材料和新技術進行研究,從而實現“天蠶再變”。

目前,已出現新興電磁防護材料和技術——

頻率選擇表面材料。這一材料擁有單屏或多屏週期性陣列結構,由週期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上週期性排列的孔徑單元構成。這種表面可以呈現全反射或全傳輸特性,俗稱“空間濾波器”,在電磁防護領域應用前景廣闊。

能量選擇表面材料。這是一種“聰明”的電磁防護材料,以空間電磁能量作為激勵源,實時改變材料的電磁特性或結構的阻抗特性,從而改變能量選擇表面對電磁波的傳輸特性。在強場作用下,能量選擇表面瞬間由高阻態變為低阻態,從而起到屏蔽作用;在弱場作用下,由於場強不足以導致電磁能量選擇表面從高阻態轉換到低阻態,從而使正常信號順利通過。

石墨烯。這是一種炙手可熱的超級材料,擁有以特殊軌道組成六角型的碳原子結構。該材料與傳統材料相比,具有超薄、超硬、超強導電性,滿足吸波材料對“薄、輕、寬、強”的要求,有望突破傳統電磁防護材料的極限,製成高性能電磁吸波材料。因此,在電磁屏蔽領域應用前景極為可觀。

微波光子技術。這是微波技術、光子技術和電子工程技術集大成者,重點研究微波和光子在機理上的相互作用,目標是用光子技術手段解決微波瓶頸問題。採用微波光子技術的設備,將大量使用非金屬光學器件替代傳統電器件,可直接切斷電磁脈衝的耦合和傳輸途徑,保護後端電子設備不受電磁干擾或毀傷。

總之,無論是採取電磁屏蔽、傳導抑制、接地泄流手段也好,還是應用新興技術也罷,對於消弭“無形殺手”均起到了“護體堅盾”的作用。在實際戰場環境中,只有因地制宜、合理設計、綜合運用,打好“組合拳”,才能構成電磁脈衝防護體系,達到最佳防護效果。

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