電磁脈沖武器反無人機的作用機理

朱菲菲，王娟鋒，馬云飛

中國電子科技集團公司第二十七研究所63891部隊

隨著超寬帶電磁脈沖、高功率微波等電磁脈沖武器在未來戰場上更多地應用，強電磁干擾與毀傷是直接導致無人機失控甚至癱瘓的關鍵手段。本文分析電磁脈沖武器的作用機理和危害,提出無人機系統的電磁防護措施，確保無人機在強電磁環境下的可靠性和安全性。

作為現代戰爭中不可或缺的作戰力量，無人機越來越受各國的重視。在作戰中，無人機可擔負情報獲取、戰場偵察監視、目標打擊、電子干擾、反潛作戰、空中加油、通信中繼等多種任務，并與其他武器系統配合，實現真正意義上的體系化作戰。在現代戰爭中，無人機面臨的電磁環境十分惡劣，尤其是中低空戰術無人機，不可避免地受到強雷達波照射，而核爆或電磁導彈產生的電磁脈沖，峰值電場強度可能更高，達數千米或上萬伏/米，將對無人機造成嚴重干擾。由于無人機機體內部空間狹小、機載電子設備繁多、通信系統的頻率范圍寬等特點，導致機內電磁環境復雜，使無人機在強電磁環境下執行任務時更容易受到干擾。針對戰場的復雜電磁環境，提升無人機的電磁安全性，分析電磁能量的耦合途徑和作用機理，研究無人機電磁防護措施，對提高我軍無人機的戰場生存能力具有重要意義。

電磁脈沖武器的分類

電磁脈沖(Electromagnetic Pulse，EMP)武器是一種介于常規武器和核武器之間的新型大規模電磁殺傷性武器，可以在瞬間發射高達1010W功率、上升時間極短的高強度電磁脈沖，干擾或毀傷無人機機載電子設備，造成無人機通信信號中斷、失去控制或停止工作等。電磁脈沖武器按脈沖產生的方式可分為如下三類。

（1）高空核爆電磁脈沖武器

高空核爆電磁脈沖(HEMP)武器在高空(距離地面70 ～100km)引爆“弱核爆電磁脈沖炸彈”即低當量核彈，從而產生高空核爆電磁脈沖。核電磁脈沖產生的過程分為三個階段，而早期(0≤t≤1μs，t表示時間)產生的電磁脈沖對通信系統的干擾和毀傷最為嚴重。

（2）超寬帶電磁脈沖武器

超寬帶(UWB)電磁脈沖武器利用高爆炸藥及相關裝置，可產生高達108Hz ～1012Hz頻率的超寬帶電磁脈沖。高頻率電磁脈沖功率源或爆炸可產生納秒級電磁脈沖，從而輸出超寬帶電磁輻射，峰值功率可達1GW ～20GW，覆蓋頻帶100MHz ～50GHz，對通信電子設備構成了嚴重威脅，被認為是一種專門采用超寬帶和短脈沖技術的微波武器。超寬帶電磁脈沖武器將炸藥式爆炸為主體的電磁脈沖彈頭裝置在導彈、炸彈或炮彈中，發射到目標區域附近引爆，爆炸瞬間可以將機械能轉化為電磁能，對固定范圍內的通信電子設備造成電磁脈沖毀傷。

（3）高功率微波武器

高功率微波(HPM)是指微波源的峰值功率為100MW ～100GW，工作頻率為1GHz ～300GHz的無線電電磁波，具有頻率高、脈沖上升時間短、輻射功率強等特點。高功率微波武器利用磁控管、虛陰極振蕩器等高功率微波器，產生超過100MW峰值功率的高功率微波，可裝置在戰車、戰術飛機或無人機上，利用一臺高增益定向天線或其他設備，重復發射極高頻率和輻射強度的高功率微波，并照射目標，這種大功率微波束可干擾、毀壞敵方信息系統和通信系統中的敏感電子部件。高功率微波器輻射的電磁脈沖功率一般為GW級，在遠距離內，可對電子設備實施遠程干擾；在近距離內，可殺傷有生力量，并引爆各類彈藥或直接摧毀目標。

作用機理

電磁脈沖武器產生的電磁波能否有效地反制無人機，取決于電磁能量能否有效地耦合進無人機。電磁波的常見耦合方式有傳導耦合與空間耦合兩種。

傳導耦合分為共模耦合與差模耦合，它通過電介質，使干擾源信號作用到受干擾的設備上。傳導耦合發生的必要條件是，激勵源與受擾物體之間必須存在一個完整的電路結構。在設計印刷電路板時，應重點考慮如何減小此類耦合的影響。

空間耦合則分為輻射耦合與感應耦合，分別對應遠場與近場。在強電磁環境下，導線產生的干擾屬于遠場輻射耦合，而單根導線產生的輻射、若干導線之間的相互串擾則為近場感應耦合。

耦合途徑通常分為前門耦合與后門耦合。前門耦合是指電磁脈沖與目標的天線、傳輸線等部件直接形成的耦合；后門耦合是指電磁能量與目標金屬殼體上的孔縫、電纜接頭等形成的耦合。兩種耦合途徑的比較見表1。

表1 前門耦合與后門耦合的途徑比較。

從兩種耦合途徑的比較可以看出，前門耦合的主要危害是產生感應電流，若感應電流過大，則會燒毀設備。當電磁波頻率與天線設計頻率相等時,耦合最大。針對前門耦合，主要采取濾波與吸波等措施對無人機進行防護。相較前門耦合，后門耦合會在設備中產生一個新的、分布在整個設備中的電磁場，同時，后門耦合是一種多通道耦合，在一定頻率下，將引起更惡劣的諧振環境，對設備產生很大的危害，系統防護更難實施。

電磁脈沖武器與設備的耦合不是單一的耦合，而是一個復雜、相互疊加的耦合作用。為防止前門耦合，一定要使天線以及傳輸線的工作頻率盡可能避開環境中的電磁波頻率。同理，為預防后門耦合發生，在設備設計階段時，使設備上的孔縫與間隙尺寸盡可能與環境中電磁輻射的波長區別開，否則耦合現象會大大加重，嚴重影響設備的正常工作與運行。與后門耦合相比，前門耦合造成的危害較小，但也不能忽略。

無人機有限的機體內部空間集成了許多電子設備，電磁能量的耦合途徑越來越復雜，既包含傳導耦合又包含空間耦合，而且同時存在多種表現形式。無人機機體蒙皮分為金屬材料、部分金屬材料加復合材料兩種。如果機體蒙皮全部采用金屬材料，由于金屬蒙皮具有屏蔽特性，此時無人機的電磁耦合入口主要集中于各種機載天線端口，機身蒙皮上的口蓋、縫隙等部位。如果機體蒙皮全部或部分采用復合材料，由于復合材料蒙皮導電性低，屏蔽性能差，對強電磁脈沖的屏蔽能力較金屬蒙皮更弱，因此電磁脈沖會進入無人機機身設備艙的鉚合處、焊接點、螺旋槳軸承處的空隙，產生更加嚴重的后門耦合。

電磁脈沖武器對無人機系統的威脅

電磁脈沖武器通常采用“軟殺傷”和“硬殺傷”手段對無人機實施反制。

“軟殺傷”手段是以干擾、壓制、致盲、誘騙、削弱敵方信息系統功能等措施，使敵方裝備和系統失去作戰能力。“軟殺傷”對無人機的通信系統實施干擾，對導航系統進行誘騙，使無人機機載傳感器失靈，敵方無法獲取可用信息或得到錯誤信息，從而降低敵方無人機的作戰效能，對手甚至能“俘虜”敵方無人機。2011年，伊朗軍隊利用“軟殺傷”手段，誘導美軍RQ-170“哨兵”隱身無人偵察機降落到指定地點。與“硬殺傷”手段相比，“軟殺傷”手段反無人機，對電磁脈沖武器的功率要求更低，在相同的條件下，采用“軟殺傷”方式的電磁脈沖武器作用距離更長，然而殺傷效果比“硬殺傷”手段差，在多數情況下，“軟殺傷”并不能毀傷無人機，僅為干擾以降低無人機的作戰能力。“硬殺傷”手段能對無人機產生較大毀壞，對無人機機載電子設備造成不可逆的損毀，甚至擊毀無人機。電磁脈沖武器反無人機的效應分為干擾、擾亂/翻轉、降級、毀傷四種。

（1）干擾

當強電磁脈沖作用于無人機機載電子設備內部時，會使設備內部的噪聲增加，或產生新的干擾信號，影響機載電子設備的正常工作。例如，強電磁脈沖可能會使無人機與地面控制站之間的通信信號中斷，導致無人機自行降落或者返航。

（2）擾亂/翻轉

強電磁脈沖造成無人機機載設備或系統工作失常、任務指令中斷，在沒有人為操作的情況下，機載設備或系統不能自動恢復正常工作。

（3）降級

強電磁脈沖使無人機機載設備或系統的關鍵器件性能下降，或燒毀非關鍵器件，最終導致無人機系統的性能下降。

（4）毀傷

強電磁脈沖耦合進無人機機載設備的電子元器件內部，導致器件暫時失效或燒毀，致使無人機機載計算機中的存儲器喪失記憶功能，無人機陷于癱瘓甚至墜機。

綜上所述，在電磁脈沖武器對無人機實施反制時，耦合途徑多，作用機理多，可造成不同程度的毀傷。因此，無人機抗擊電磁脈沖，將面臨艱難的任務。

無人機的電磁防護措施

隨著多種高性能、復雜電子設備在無人機中的大量應用，無人機的性能不斷提升。惡劣戰場電磁環境對無人機的作戰效能產生了越來越大的影響。為提高無人機的作戰效能，確保無人機在強電磁環境下的可靠性和安全性，相關單位應詳細分析戰場環境下的電磁脈沖武器作用機理和產生的危害,從干擾源、干擾途徑、敏感設備等多渠道入手，在作戰中采取抗干擾措施，對無人機實施電磁防護，以降低無人機遭受干擾和毀傷的概率。

在系統設計階段加入電磁防護方案

由于電磁脈沖能造成多方面危害，對無人機某個部件的損害可能會影響整個系統的正常工作。因此，無人機整個系統應實施電磁防護。對已有系統進行改造并加裝防護措施，不能實現有效的防護效果，并且不經濟。所以，在無人機系統設計階段，應將無人機的電磁防護措施納入設計方案，對于可能存在耦合的部位，盡量采取多重防護措施。

（1）屏蔽設置

屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或減小電磁能量的傳輸，從而達到電磁防護的目的。該方法利用金屬隔離的原理，阻擋電磁脈沖從一個區域向另一個區域感應和輻射,既可以防止系統內部的電磁泄露，又可以減小外界電磁輻射，從而有效加固通信設備的防護能力，免遭“后門耦合”的危害。

根據材料的電磁屏蔽效果,理想的機體材料應為較厚的金屬板，而目前大多數無人機機體使用的是復合材料,很難將機載設備完全置于一個導電的法拉第籠內,但可以在設備機箱內外壁上覆蓋一種或多種具有導電導磁性能的電磁屏蔽膜，例如導電導磁材料膜、真空鍍鋁膜、電鍍膜、化學鍍膜、粘貼金屬箔和復合箔等屏蔽膜。其中，導電涂層具有方便、量輕、不占用空間的特性,適合用于無人機電磁防護。此外，在無人機碳纖維復合材料部件制造過程中，將帶有環氧樹脂膠膜的銅網與碳纖維復合材料預浸料進行一體成型，這種制造技術既利用了銅的良好導電性，又具備很好的鋪貼延展性，保證復合材料部件具有準確的尺寸，提升了無人機整機的電磁屏蔽效能。

（2）濾波和終端防護裝置加裝

濾波是將信號中特定波段的頻率進行濾除，可以削減不須要的電磁能量，這是一項重要的抗電磁干擾措施。在有效控制前門耦合的方法中，濾波的效果較為顯著。為防止高功率微波武器發射的電磁脈沖沿著天線、通信電纜作用到設備內部，可采用浪涌保護器(SPD)與濾波電路組成的濾波器，有選擇性地濾除設備接收信號之外的頻率成分，但是在這個過程中，浪涌保護器必須在有效時間內發揮作用。火花隙放電器與氣體放電管、變阻器如金屬氧化物壓敏電阻器（MOV）、半導體器件如雪崩二極管都是浪涌保護器。某些情況下，遇到能量大的電磁脈沖，對于瞬態二極管制成的電磁脈沖濾波器來說，由于瞬態二極管承受的能量有限，會引起箝位電流急劇增大，功耗劇增，一旦超過瞬態二極管的功耗極限，瞬態二極管就會損壞，引起電磁脈沖濾波器失效。而壓敏電阻器承受的沖擊能量雖然比瞬態二極管要大，但是每經受一次電磁脈沖沖擊，性能就會下降。經受10次左右的沖擊便有可能失效，喪失對電磁脈沖的防護能力。某些特殊設計、含有差模電感和共模電感的多級濾波器，其云母電容器采用穿心電容器，可以很好地屏蔽電磁脈沖。

同時，在不同的端口加裝電源防護模塊、通信防護模塊、射頻防護模塊等接插件式電磁脈沖防護模塊，在保證防護效果的同時，也保證了使用的便捷性。

（3）接地處理

對于無人機電磁防護，接地是最重要的環節。機載設備通過合理的途徑與參考地聯結，可有效規避靜電、放電的風險，提高電路系統的工作穩定性和安全性。

（4）搭接

搭接是指將兩個等電位導體聯結在一起。無人機機體內部有許多金屬部件，金屬部件之間應做好搭接，避免金屬部件絕緣，防止金屬部件受到電磁脈沖作用時產生局部打火和輻射現象，對設備造成影響和損壞。

（5）合理的電路模塊拓撲結構及可更換的易損部件模塊使用

具有冗余度和故障跨越機理的電路模塊拓撲結構可以有效避免因電磁干擾造成的部分節點、鏈路受損，確保整個設備不喪失功能，有效提高通信設備在電磁脈沖武器打擊下的戰場生存能力，將易損部件的模塊設計成可更換的部件，使受損設備盡可能快地恢復工作。

（6）設備電磁兼容性能提升

設備的電磁兼容性能直接影響設備在復雜電磁環境下的工作效能,提高設備的電磁兼容性能，是抗各種電磁干擾的有效手段。設備的電磁兼容性能往往取決于設備所選用的電子元器件的電磁兼容性能。定位設備的電路裝配技術在一定程度上決定了不同電路元器件相互耦合的程度。無人機電磁防護的有效措施之一是，提高機載電子設備元器件的電磁兼容性能。改進電磁兼容設計，即將機載電子設備或系統電磁噪聲的發射電平限制在允許范圍內,以保護電磁環境,同時保證電子設備在電磁干擾環境下不降低運行性能。

（7）合理工作頻率選擇

微波在大氣層中傳播，會受到大氣環境的影響。在一定的頻率下，大氣層中水蒸氣、氧氣以及雨水會吸收微波。當微波頻率為22GHz、185GHz時，會被水蒸氣吸收，在60GHz、118GHz時被氧氣吸收。因此，在保證設備有效通信距離情況下，應根據戰場地區大氣層中的雨水、水蒸氣、氧氣等成份特征，合理選擇通信設備的工作頻率，減小電磁脈沖武器的干擾和毀傷效應，對無人機起到一定的防護作用。

（8）線纜和線路合理配置

通信線纜盡可能選用光纜，以取代傳統的線纜。光纖的物理結構使其具有天然的抗電磁干擾能力，光信號的傳輸受電磁脈沖的干擾比較小。除此之外，線纜之間應該盡量避免平行排列，線纜長度盡可能縮短，線纜的暴露部分盡可能減小等一系列措施，都是減小電磁脈沖對通信系統內部電路系統耦合與干擾的有效手段。

（9）戰術運用

在飛入任務區域前,無人機可以采取自主飛行模式或按預先設置的航線飛行。無人機在自主飛行階段，其機載無線電設備處于靜默狀態,從而可有效規避各種干擾信號。

總結

電磁脈沖武器將向功率更高、頻譜更寬、脈沖前后沿更窄、武器小型化等方向發展。隨著電磁脈沖武器技術的日益成熟，無人機面臨著嚴重的威脅。因此，在未來復雜戰場環境中，軍方除采用一些基本無人機電磁防護技術外，最關鍵的是，根據無人機所處的電磁環境，建立全方位、多層次、綜合性防護措施，制定和完善器件、電路、模塊、系統的電磁防護標準，采用新技術、新思路不斷開發防護措施，并且將防護標準運用到設備的設計、生產和驗收全過程，提升無人機系統在電磁脈沖武器打擊下的戰場生存能力。