Умри все неживое... или как уничтожить электронику

Принцип действия электромагнитного оружия, возможности поражения и противодействия 29 Август 2016, 03:06
Известно, что мощные электромагнитные воздействия представляют опасность для радиоэлектронной аппаратуры. Чем сложнее оборудование, тем выше вероятность возникновения в нем функциональных нарушений.

Когда амплитуды токовых импульсов, наведенные внешним излучением в замкнутых контурах аппаратуры, достигают сотен ампер, происходит пробой и разрушение полупроводниковых элементов, выгорание схем, а в некоторых случаях подрыв боевой части (БЧ) боеприпаса (БП). Даже в хорошо экранированном изделии каждый проводник, который ведет внутрь блока, подобен антенне и может стать источником поражения аппаратуры. 
Несмотря на то что стальные корпуса современной бронетехники, казалось бы, достаточно хорошо защищают приборное оборудование от внешних электромагнитных воздействий, все равно могут быть поражены отдельные системы боевой бронированной машины (ББМ), которые по своему функциональному назначению высокочувствительны к таким воздействиям, кроме того, из защита проблематична в принципе.

В зависимости от уровня электромагнитного воздействия в ББМ может быть нарушена работа систем связи, аппаратуры "свой -чужой", телевизионных и оптико-электронных приборов наблюдения, приборов химической и радиационной разведки, сенсоров систем защиты, затворов противоатомной защиты, приводов выносного вооружения, датчика ветра, электрооборудования двигателя и фильтровентиляционной установки и др.
Впервые проблема электромагнитной защиты встала, когда было зарегистрировано действие одиночного электромагнитного импульса (ЭМИ), возникший при атомном взрыве. С 1970-х годов ведутся работы по созданию систем вооружения на основе направленного действия электромагнитного излучения. 
К достоинствам систем электромагнитного воздействия можно отнести: 
  • расширение круга решаемых задач, в том числе выведение из строя радиоэлектронных средств (РЭС), не излучающих в пространство, а также электронных компонентов и узлов, входящих в различные системы управления;
  • эффективное воздействие на РЭС, обладающие высокой помехозащищенностью; 
  • снижение в ряде случаев требований к качеству необходимой развединформации (по местоположению, частотному диапозону, параметрам сигналов);
  • отсутствие разрушительных последствий для окружающей среды и сохранение жизни личного состава.

На основе анализа открытых сведений можно сделать вывод, что существуют два главных направления создания средств функционального поражения:

одно - на основе генераторов излучения, аналогичного ЭМИ, возникающему при ядерном взрыве;

второе - на основе релятивистских генераторов сверхвысокочастотного излучения. 

Перед средствами функционального поражения стоит общая задача вывести из строя РЭС ББМ, но существенно различаются структуры формируемых полей и механизмы действия последних на поражаемые объекты.
С точки зрения структуры полей, указанные различия в первую очередь обусловлены их спектральными характеристиками: одиночный ЭМИ не имеет высокочастотного заполнения, его спектр в основном сосредоточен в области достаточно низких частот 1 - 100 МГц. Направленная канализация низкочастотного ЭМИ на объект поражения в пространстве проблематична, а для сверхвысокоточных излучений такая канализация реализуется как обычными антенными системами (рупорной, зеркальной, фазированной антенной решеткой), так и радиопрозрачными линзами.

Кроме того, поражающее действие низкочастотного ЭМИ на объекты связано главным образом с проникновением полей через технологические отверстия и щели в корпусах аппаратуры, а также с наводками, возникающими на корпусах, проводах и разъемах.
СВЧ импульсы генерируются на определенной несущей частоте, представляют собой радиоимпулсы, и их частота может быть любой в пределах всего радиочастотного диапозона (от единиц до сотен гигагерц). СВЧ излучение отличается не только пространственной направленностью, но и частотно избирательным воздействием, что существенно повышает его эффективность при прохождении через входные приемные тракты РЭС.
Рассмотрим оба направления подробнее. 


Первое направление.

Первое направление базируется на опыте ядерных испытаний, которые показали, что предельно короткий (сотни наносекунд) ЭМИ взрыва способен навести индукционные токи в любом проводнике, включая токоподводы и дорожки печатных плат электронной аппаратуры, причем величина этих токов может быть достаточна для электропробоя и выгорания схем. Особенно подвержена действию импульса современная вычислительная техника, построенная на полупроводниковых элементах высокой плотности. Любой, даже незначительный пробой может оказаться еще более разрушительным за счет энергии собственного источника питания.  
Существуют два основных способа создания мощного сверхширокополосного ЭМИ.
Первый способ - использование взрывных генераторов, имитирующих в ограниченных масштабах импульс ядерного взрыва. По характеру воздействия импульсное электромагнитное поле близко к разряду молнии длительностью 100 - 180 нс и импульсной мощностью до 40 МВт.
Техническая основа создания взрывных генераторов ЭМИ достаточно разнообразна. В современных условиях особый интерес, безусловно представляют неядерные источник ЭМИ, которые могут быть скомпонованы в противотанковых БП.

Можно выделить основные пути разработки таких изделий: 

Генераторы со сжатием потока при помощи взрывчатки (explosively pumped Flux Compression Generators), или FC-генераторы - устройства одноразового действия, работающие на химических ВВ. Основу наиболее проработанного коасксиального генератора ЭМИ составляет медная труба, заполненная однородным высокоэнергетическим ВВ. Она представляет собой якорь, вокруг которого с зазором установлен статор - секционированная низко-омная обмотка, которая, в свою очередь, смонтирована в прочной трубе из диэлектрика, часто из стеклокомпозита. Стартовый токовый импульс обеспечивается конденсаторным блоком либо FC-генератором малой мощности. ВВ инициируется в момент, когда стартовый ток достигает пикового значения, причем взрыватель размещен так, что фронт инициирования распространяется по ВВ вдоль трубы-якоря, деформируя его конус.

Там, где якорь доходит до статора, происходит короткое замыкание между полюсами статорной обмотки. Распространяющееся вдоль трубы короткое замыкание создает эффект сжатия магнитного поля: генератор производит импульс нарастающего тока, пиковое значение которого достигается перед окончательным разрушением конструкции.  Время нарастания тока составляет сотни микросекунд при пиковых токах замыкания в десятки мегаампер и пиковой мощности поля в десятки МВт. Еще в 1970-е годы в Лос-Аламосской национальной лаборатории был достигнут коэффициент усиления FC-генератора (отношение выходного тока к стартовому) равный 60, что обеспечивало создание многокаскадного сверхмощного устройства. Проблема его компановки в БП упрощается коаксиальной конструкцией. 

Хотя сами FC-генераторы являются потенциальной технологической базой для генерации мощных электрических импульсов, их выходная частота, вследствие физики процесса, не превышает 1 МГц. При таких частотах многие цели будет трудно атаковать даже с с очень высокими уровнями энергии, более того, фокусировка энергии от таких устройств будет проблематичной. 
Магнитно-гидродинамические генераторы (explosive or propellant driven Magneto-Hydrodynamic generators), или MH-генераторы, также построены на использовании ВВ. В проводнике, двигающемся в магнитном поле, создается электрический ток в направлении, перпендикулярном направлению поля и вектору движения проводника. В качестве проводника, используется струя плазмы от направленного взрыва порохового заряда или иного ВВ, которая движется поперек магнитного поля. Ток снимается электродами, имеющими контакт с плазменной струей. В магнитно - гидродинамическом генераторе может  использоваться твердое ракетное топливо с легкоионизирующимися добавками на основе калия или цезия. Детально исследованы процессы, которые имеют место в этих генераторах. Разработаны промышленные образцы изделий. Накопленный технический задел позволяет считать, что при решении компоновочных задач БП может быть реализован на основе магнитно-гидродинамического генератора. 

Второй способ генерации ЭМИ 

Использование микроволновых устройств одноразового действия, например осциляторов с виртуальным катодом - виркаторов (Vircators) и искровых разрядников (Spark-Gap), то есть электрических источников, которые способны произвести очень мощный одиночный высокочастотный импульс энергии. В основу их работы заложено явление формирования пространственного заряда, осцилирующего с частотами микроволнового диапазона. Микроволновая полость, в которой он находится, обеспечивает настройку по частоте и высокую импульсную мощность. В качестве первичного источника  энергии для такого блока можно использовать мощный FC-генератор. 

По заказу DARPA в США начата программа разработки БП на основе генераторов ЭМИ. Согласно доступным источникам, успешно проведены опыты по дистанционному направленному воздействию на РЭС беспилотных летательных аппаратов и авиации.
Исследовательская лаборатория ВВС США (AFRL) завершила разработку импульсного электромагнитного оружия, которое будет использоваться для высокоточного выведения электроники противника из строя.
Другим направлением разработки средств электромагнитного воздействия стали релятивистские генераторы СВЧ излучения, излучающие сверхвысокочастотное излучение. 
Генерация с их помощью радиоимпульсов длительностью от единиц до десятков наносекунд оказывается более эффективной по критерию функционального поражения РЭС по следующим причинам: 
- увеличение пиковой мощности импульса приводит к возрастанию наведенных токов и резко сокращает время теплового поражения полупроводниковых переходов микросхем;
- легче сформировать режим вывода излучения из генератора и его распространения в пространстве без пробоя воздуха;
- создается возможность преодоления систем защиты входных трактов РЭС, имеющих достаточно большую инерционность срабатывания, в связи с тем, что сверхвысокочастное излучение обладает пространственной направленностью и частотно-избирательным воздействием.
Важным отличием релятивистских генераторов является возможность многоразового использования - они не разрушаются после формирования импульса. Среди подобного оборудования - линейные индукционные ускорители электронов, релятивистские СВЧ генераторы с виртуальным катодом, релятивистские магнетроны, релятивистские СВЧ приборы со сверхразмерными электродинамическими структурами.
В основу новой разработки военные намерены положить модернизированный мощный микроволновый излучатель CHAMP
В настоящее время все перечисленные излучатели доведены до лабораторных образцов. Получены результаты, подтверждающие их эффективность, но говорить об их практическом применении пока рано, поэтому нецелесообразно приводить их технические особенности.

Поражаемые электромагнитным оружием ракеты и высокоточные боеприпасы

Электромагнитное оружие применяется для поражения ракет в комплексе активной защиты "Афганит" из танковой платформы Армата и боевом ЭМИ-генераторе Ранец-Е. 
Эксперты авторитетного американского журнала The National Interest назвали российский комплекс активной защиты (КАЗ) «Афганит» самой впечатляющей особенностью «Арматы»

Использование электромагнитного импульса против электроники ракеты за ее металлическим корпусом малоэффективно, но возможно активное воздействие на головку самонаведения. Воздействие особенно велико для ракет с собственным радаром.

К ЭМИ оружию уязвимы ракеты с конструктивными элементами следующего вида:

  • Противорадиолокационные ракеты с собственными радарами поиска РЛС
  • планирущие боеприпасы с собственными радарами (SADARM)
  • высокоточные бомбы с простыми приемниками GPS-навигации
  • ракеты с управлением по радиоканалу (TOW Aero, Хризантема)
  • ракеты с собственными активными радарами поиска бронетехники (Brimstone, JAGM, AGM-114L Longbow Hellfire)
  • ПТРК 2го поколения с управлением по не экранированному проводу (TOW или Фагот)

А есть ли защита от ЭМИ?

Существует несколько эффективных средств защиты радаров и электроники от ЭМИ-оружия:

  1. блокирование входа части энергии электромагнитного импульса;
  2. подавление индукционных токов внутри электрических схем быстрым их размыканием;
  3. использование электронных устройств нечувствительных к ЭМИ.

Средства сброса части или всех энергии ЭМИ на входе в устройство

Как средства защиты от ЭМИ на АФАР радары накладывают "клетки Фарадея" отсекающей ЭМИ за пределами их частот. Для внутренней электроники применяются просто железные экраны.

Кроме этого может быть использован "разрядник", как средство сброса энергии сразу за антенной.

Средства размыкания цепей при возникновении сильных индукционных токов

Для размыкания цепей внутренней электроники при возникновении сильных индукционных токов от от ЭМИ используют стабилитроны - полупроводниковые диоды рассчитанные на работу в режиме пробоя с резким повышением сопротивления
варисторы резко увеличивающие сопротивление при возникновении индукционного тока

Электронные устройства нечувствительные к ЭМИ

Часть электронных устройств неуязвимы для ЭМИ и применяются как средства борьбы с ним:

Использование оптического кабеля с передачей сигналом лазером как можно скорее по схеме электроники от части устройств потенциально подверженных ЭМИ
Пример устройства на совместно обжигаемой керамике.
Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика (Low Temperature Co-Fired Ceramic, LTCC) - технология низкотемпературной совместно обжигаемой керамики используемая для создания микроволновых излучающих устройств включая Bluetooth и WiFi-модули во многих смартфонах. Широко известна по применению в изготовлении АФАР радаров истребителя пятого поколения Т-50 и танка четвертого поколения Т-14
Использование LTCC-технологий в связи с тем, что разогревом силикатной платы с проводниками внутри до 1000С от индукционных токов или как-то иначе такое устройство невозможно повредить, т.к. собственно в ходе такого "совместного обжига" LTCC-панель и была получена технологически Правда следует иметь в виду, что это касается защиты от экстремального нагрева только антенн и проводников, реализованных в виде "дорожек на стеклянной печатной плате", которую из себя представляет LTCC-панель. Напаянные на панель чипы должны иметь защиту корпуса из металла и разрядники, стабилитроны и варисторы на входе сигнала от антенн.

Система для ослабления ударной волны с использованием электромагнитной дуги

Выводы

На основе анализа успехов в создании противотанковых электромагнитных устройств можно сделать вывод о том, что в ближайшей перспективе на вооружение могут поступить ПТС группового поражения бронетехники, построенные по принципу формирования одиночного ЭМИ. В дальнейшей перспективе можно ожидать, что на вооружение поступят более эффективные и опасные устройства на основе релятивистских генераторов СВЧ излучения, развивающие мощность, достаточную для вывода из строя бронетехники и ее систем.
Согласно заключенному с ВВС США контракту на сумму 4,8 миллиона долларов, компания также поставит Исследовательской лаборатории США две крылатые ракеты AGM-86D CALCM с доработанными излучателями
Создание подобных средств и защиты от них приведет к появлению новых эффективных форм и методов радиоэлектронной борьбы. Это подтверждается мнением зарубежных экспертов, которые уверенно относят работы по созданию сверхвысокочастотных генераторов к ключевым технологиям, определяющим уровень развития перспективного вооружения. 

В статье использованы материалы книги "Современные противотанковые средства", издательство "Реноме", 2016 г.