电磁脉冲弹对飞艇太阳能电池毁伤效果分析*

邹先国，刘 健，卢发兴

（1.海军工程大学兵器工程学院，武汉 430033；2.陆军工程大学军械士官学校，武汉 430075）

0 引言

随着军事技术的迅猛发展，各军事强国纷纷将目光转向临近空间。临近空间飞艇具有载重量大、驻空时间长、造价较低、战场生存能力强等特点，具有长时间的军事侦察、情报收集、武器平台和通信联络等能力，对另外一方造成严重威胁。已经有专家提出可以在重要地区和战略要地部署临近空间预警飞艇，形成临近空间探测力量带［1］。但是想要打击这类临近空间低慢速目标，传统防空火炮射高不足且远程防空导弹又较为昂贵，打击效费比较低，目前还没有比较成熟的手段。

研究表明，利用动能撞击或爆炸破片对飞艇和气球囊体直接攻击使其丧失浮力的方法时效性差［2］。直接对这类低慢速目标所载电子设备和动力装置进行打击，对目标结构特性的情报和弹药的打击精度要求都很高。电磁脉冲弹作为一种新型弹药，具有杀伤面积大、指向性好、对电子设备毁伤能力强，非常适合作为毁伤临近空间低慢速目标的武器弹药。

随着新型火炮技术的发展，各军事强国对电磁炮、电化学炮、轻气炮等新型火炮，使火炮具有更远的射程、更高的打击高度［3］，能够把价格较低的弹丸发射到临近空间这一领域。这也就为打击飞行在临近空间的飞艇、长航时高空无人机、浮空气球等低慢速运动目标提供了打击方案。本文主要针对电磁脉冲弹打击临近空间飞艇太阳能电池的毁伤效应进行分析研究，提供一个新思路，给未来军事斗争提供一些参考。

1 临近空间低慢速目标打击方法

从作战使用的角度看［4］，用新型火炮发射电磁脉冲弹对临近空间低慢速目标进行打击，可按照图1 所示。通过对目标的探测与跟踪，获取临近空间低慢速目标相关信息，然后由火控系统控制新型火炮发射电磁脉冲弹对目标进行攻击。

图1 新型火炮对临近空间目标打击示意图Fig.1 Schematic diagram of the new type of artillery attacking the targets in the near space

1.1 目标探测与跟踪

从目标探测与跟踪的角度看，临近空间低慢速飞行器具有先天难以被发现的特点：1）飞行高度高，光学特性不明显。虽然高空球和临近空间飞艇这类目标体积较大，但由于飞行高度高，光学观察特性并不明显，而且还容易受到太阳背景光源与低空云层阻隔的影响；2）飞行速度慢，多普勒效应不明显。临近空间飞艇飞行速度与空气流动速度接近，多数利用多普勒效应进行探测的雷达难以发现；3）飞行所用结构材料辐射特征不明显。临近空间飞艇多采用高比强、长寿命的高分子柔性薄膜复合材料制成的无金属骨架软体结构，在雷达上的反射面积较小；4）飞行器与环境温度接近，红外辐射特征不明显［5-6］。

虽然临近空间飞行器具有难以被探测的特性，但通过多种探测手段结合的方法也能够有效实现对其探测与跟踪。对空目标的探测，主要有无线电侦测、雷达探测、光学观测等3 种方法［7］。临近空间低慢速飞行器自身雷达反射面积较小，多普勒效应不明显，且不像空间卫星与中段弹道导弹有固定运行轨道，无法通过轨道力学预测其位置，只能采用搜索探测［8］：1）在天气状况较好的情况下，主要可以采用光电探测技术进行探测［9-10］；2）对于下传电磁信号的临近空间飞行器，可把无线电侦测作为辅助手段；3）配合大型相控阵雷达提供目标指示。前两种方法为被动探测，后一种为主动探测，多种方法相配合，可以明显提高探测、跟踪临近空间低速飞行器的概率。

1.2 发射弹药选择

目前，高空气球与临近空间飞艇这类浮空器的载荷主要集中在侦察、通信这类电子信息设备上，不会装载沉重的电池，主要能量来源是依靠与气囊蒙皮结合在一起的太阳能薄膜电池，如下页图2 所示。因此，为使动力系统或电子设备失去电力供应，可以把薄膜电池作为杀伤目标，面杀伤效果的弹药较为合适。

图2 临近空间飞艇Fig.2 Near-space airship

随着弹药技术的不断发展，可以考虑用电磁脉冲弹打击毁伤太阳能薄膜电池。电磁脉冲弹由炸药、脉冲发生器、高功率微波发生器、控制系统和定向辐射天线组成［11］，如图3 所示。电磁脉冲弹的工作原理是将炸药中的化学能通过一定的装置转变为富含大量电磁能的电磁脉冲。太阳能电池的基本原理是PN 结的光伏效应［12］。电磁脉冲与这类半导体器件耦合，功率过高时，会引起电流过载，即“天线效应”，从而可能干扰、损毁甚至烧毁击穿太阳能薄膜电池［13］。

图3 电磁脉冲弹的系统组成Fig.3 System composition of electromagnetic pulse bombs

1.3 毁伤太阳能电池对飞艇作战能力的影响

以临近空间飞艇为例，其主要作战任务是搭载通信与侦察设备在临近空间指定区域巡航或驻停。其为了对抗高空空气流动的影响，需要太阳能电池为推进系统提供动力，此外还要为主要电子电力设备提供运行电能。一旦能量不足，就可能偏离任务空域或设备功能失效，飞艇也就丧失了作战能力。文献［14］提出一种在北纬25°附近，太阳能电池阵列面积约为8 000 m2量级的飞艇。其电池阵列若破坏80%时，飞艇会因动力不足在900 s 后就会偏离定点位置6 000 m，且所携带的电子设备将因电力不足失去运行能力［15］。

大量研究表明，电磁脉冲弹对未采取防护措施的电子设备有巨大的毁伤效应［16-18］。即使敌方在侦察、通信设备上采取电磁防护，但这种防护也不可能包括面积巨大的太阳能电池阵列。2002 年，美国就做过相关方面试验，用电磁脉冲辐射空间卫星，造成其电子电力设备长时间失效［19］。此外，电磁脉冲弹爆炸产生的强电磁脉冲，能有效干扰、毁伤面积巨大的太阳能电池阵列电路，使其丧失工作能力甚至烧毁，短时间内用电设备失去电力支持，丧失工作能力，从而达到使飞艇退出工作任务的目的。

2 电磁脉冲弹对太阳能电池毁伤效果分析

本文设想用新型火炮将电磁脉冲弹发射到临近空间飞艇的下方，距离目标一定位置爆炸。爆炸后，能量会以电磁脉冲的形式向目标辐射，形成一定的辐射区域，电磁脉冲能够以一定功率密度与该区域的电子器件能量耦合从而造成器件损毁。本章就从辐射区域和目标处功率密度的角度，分析电磁脉冲弹对飞艇太阳能电池的毁伤效果。

2.1 毁伤区域模型

临近空间飞艇太阳能电池一般安装在艇身上部，便于接受太阳光照。假定其在水平方向近似为平面，电磁脉冲弹在电池阵列下方某处爆炸，爆炸所形成的脉冲经过天线系统整合后以圆极化方式，定向向外辐射，空中区域形成圆锥体形式。

若电磁脉冲弹爆炸时与太阳能电池水平面的倾角为μ，释放的电磁脉冲波束角为θ，在空中经过的区域为圆锥体，到达电池阵列面上的投影为锥切面，为毁伤区域，是不规则图形。为了方便研究，这里假设毁伤区域为椭圆形，长轴为a，短轴为b，用以表现毁伤区域大小，长短轴的交汇点为波束的中心点，如图4 所示。弹丸爆炸点距电池平面所在高度为h，其形成的杀伤区域面积可以用f（h，μ，θ）表示。

座椅处振动的均方根值较大,使得驾驶室的驾乘舒适性较差.将此测点处降噪后的信号进行频响分析,找出该处的振动特性.通过将其进行快速傅立叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)后,得出座椅处的频响特性,如图10所示.由图10可得座椅处在4种不同车速下,其主要振动频段在0～10 Hz的范围内,刚好与人体敏感频段重叠.故该类矿用自卸车在任何速度下的驾乘舒适性均不太理想,且车速为30 km/h时的舒适性最差.因此,后续需要对车辆的簧载悬架系统、驾驶室悬置系统和座椅减振系统进行优化,以降低振动幅度提升驾乘舒适性.

图4 电磁脉冲弹毁伤区域模型Fig.4 Damage area model of electromagnetic pulse bombs

从图4 中可知毁伤区域长短轴的长度为：

可以看出，当μ=90°时，即弹与电池所处水平面垂直时，毁伤区域为圆形，设毁伤半径为r，则毁伤面积为。

2.2 目标处功率密度分析

电磁脉冲弹爆炸后，电磁脉冲以高斯脉冲形式释放，在经过的空间中形成一定功率密度的区域（或称能量密度区域），到达目标后，能量耦合进半导体内部，以电流或电压形式对电子元器件进行杀伤。电磁脉冲对太阳能电池的毁伤效果与该处的功率密度有很大关系。国内外电磁脉冲武器从1 GHz频率、400 MW 功率逐渐达到140 GHz 频率和5 GW功率，并由提高功率和频率方向转到研发多次发生的电磁脉冲武器。

依据电磁脉冲的传播规律，电磁脉冲在辐射处的功率密度与距离成负相关的关系为：

其中，P 表示初始电磁脉冲功率；G 表示微波螺旋天线的增益；R 表示电磁脉冲爆炸处与目标点的相对距离。

2.3 毁伤区域分析

通过Matlab 计算得出不同爆炸距离时，电磁脉冲辐射的区域面积，如图5 和图6 所示。

图5 μ=60°，爆炸距离不同时，辐射面积变化图Fig.5 μ=60°，Radiation area change diagram with different explosion distances

图6 θ=60°，爆炸距离不同时，辐射面积变化图Fig.6 θ=60°，Radiation area change diagram with different explosion distances

由图5 和图6 计算结果分析可知，当μ=60°时，随着爆炸距离的增加，辐射面积逐渐增大，波束角越大，辐射面积越大；当θ=60°时，随着爆炸距离的增加，辐射面积同样逐渐增大，而且电磁脉冲弹爆炸倾角越大，辐射面积越大。假设爆炸距离h=100 m，波束角θ=30°，当爆炸倾角μ=90°时，辐射面积S=9 022.25 m2，大于1.3 节中提到飞艇太阳能电池面积。

通过Matlab 计算得出不同爆炸倾角和爆炸波束角时，电磁脉冲辐射的范围面积，如下页图7 和图8 所示。

由图7 与图8 计算结果分析可知，当μ=60°时，电磁脉冲弹波束角越大，辐射面积逐渐增大，爆炸距离越远，辐射面积越大；当θ=30°时，电磁脉冲弹爆炸倾角越大，辐射面积则会减小，倾角μ=90°时最小，爆炸距离h=100 m 时，最小面积S=9 022.25 m2，爆炸距离h=150 m 时，最小面积S=20 300.06 m2，爆炸距离越远，辐射面积越大。

图7 μ=60°，不同爆炸波束角时，辐射面积变化图Fig.7 μ=60°，Radiation area change diagram with different explosion beam angles

图8 θ=30°，不同爆炸倾角时，辐射面积变化图Fig.8 θ=30°，Variation diagram of radiation area at different explosion angles

因此，实战中应综合考虑电磁脉冲弹爆炸距离、爆炸倾角和波束角各项因素，在满足射击精度的情况下毁伤区域足够覆盖飞艇太阳能电池。

2.4 毁伤效果分析

根据文献［11］提到的黑索金（RDX）炸药数据，其中，P=4.64×108W，GO=20，可计算出各点功率密度。当倾角μ=60°，波束角θ=30°时，由2.2 节中公式可得图7 中不同爆炸距离下，各点的功率密度。

图9 不同距离爆炸下各点的功率密度Fig.9 Power density of each point under explosion at different distances

随着爆炸距离的增加，辐射范围内的功率密度均减小。爆炸辐射的中心点O 功率密度最高，而最远边沿点B 的功率密度最低，辐射范围内其他点的功率密度均大于B 点。

实验研究表明，不同功率密度会对电子设备产生不同效果［20］，如表1 所示。

表1 是不同功率密度时，电磁脉冲对电子元器件的毁伤效应和等级。当太阳能电池处于电磁脉冲功率密度大于1 W/cm2范围内时，电池内PN 结将会击穿或烧毁。战场上评估毁伤效果应该以辐射范围内功率密度最小处参考，即选择qB，要求毁伤区域边沿B 点的功率密度应大于1 W/cm2。计算可知，当倾角μ=60°，波束角θ=30°，爆炸距离h=135.9 m时毁伤区域B 点的功率密度刚好为1 W/cm2，区域内其他点的功率密度都大于该点，此时毁伤区域面积S=16 663 m2，即该区域内太阳能电池的PN 结都会被击穿损坏。

根据以上分析，若用常规弹药对飞艇的太阳能电池进行攻击，需要数枚精确制导弹药才能达到破坏80%的电池阵列效果。而用新型火炮发射电磁脉冲弹，一枚弹丸毁伤面积远超过上文提到的太阳能电池阵列面积，通过调整射击角度和爆炸点距离，一枚电磁脉冲弹爆炸毁伤一艘大型飞艇的太阳能电池，使其在较短时间内丧失作战能力。显然，这种攻击效率要远高于常规弹药和导弹。

3 结论

本文主要研究了在现代战场条件下，利用新型火炮发射电磁脉冲弹打击临近空间飞艇的作战构想，建立了电磁脉冲弹的毁伤区域模型，分析不同爆炸距离、爆炸倾角和波束角对电池毁伤面积的影响，并用Matlab 软件计算分析4 个特殊点的功率密度及临界爆炸距离，验证毁伤效果。下一步将研究在不同射击精度条件下，弹药的消耗量与毁伤效果的具体关系，为作战指挥决策提供依据。