高功率微波系统越来越接近实战应用

无人空中系统（UAS）以一种不太友好的方式成为当今的一个大话题。2022年10 月，俄罗斯开始使用致命无人机和巡飞弹对乌克兰各地的能源和电力基础设施发动大规模攻击。尽管俄罗斯的许多导弹和巡飞弹（包括伊朗提供的 Shahed-136 和 -131）都很简陋，但它已经发射了数百枚，有时一次发射多达十几枚或更多，目的是摧毁乌克兰的防空系统。

乌克兰声称在这些袭击中击落了至少四分之三的无人机和巡飞弹，几乎完全依赖其有限的射频和红外制导地对空导弹。虽然 75% 的杀伤率对乌克兰有利，但俄罗斯对乌克兰能源基础设施 25% 的成功攻击给乌克兰带来了严重的问题。俄罗斯不太可能在短期内放弃对乌克兰发电厂的无人机袭击。

从长远来看，用 20万美元的地对空导弹拦截价值 2万美元的无人机，从成本上看乌克兰也处于劣势。但你必须用你所拥有的武器去战斗，直到你能得到更好的东西。 俄罗斯无人机和巡飞弹对乌克兰基础设施的袭击引起了全世界的关注，但这并非个例。

在未来的冲突中，许多国家也同样面临对手武器化无人机攻击的局面。正如乌克兰战争所表明的那样，地对空导弹和雷达制导防空高炮(AAA)并不能完全解决这个问题。虽然它们对空中目标提供更远的射程和精度，但它们主要用于攻击战斗机和轰炸机以及巡航导弹，而不是大量相对廉价的无人机。

对于这类目标需要的是能够以低成本（非动能）快速多次发射（深弹匣）并且最好以光速运行的系统。换言之，防空部队需要定向能武器(DEWs)来对付无人机和巡飞弹的攻击。 在过去十年中，美国、以色列和一些欧洲国家在发展 DEWs 方面取得了重大进展，主要是高能激光 (HEL) 系统和高功率微波 (HPM) 系统。

在本文中，我们将研究 HPM 技术、它的历史和当前的计划。

与其他类型的动能和非动能武器相比，HPM 武器具有若干优势。HPM 系统通常可以在不到一秒的时间内发射，并且最新一代的系统提供了深弹匣（即能够在短时间内发射多次）。HPM 武器可以对目标产生一系列影响，从摧毁或损坏敏感电子元件到降低其性能或迫使重启。

HPM 系统通过目标的射频和微波天线将射频和微波能量注入到目标的处理器和其他逻辑组件中，或者注入到基本上充当孔径的非屏蔽布线和电路中。此外，由于 HPM 系统从天线发射，它的波束可以被整形以聚焦在宽区域或窄波束。根据孔径的类型的不同，使用宽天线波束使 HPM 系统能够同时攻击多个目标，而窄天线波束可以将能量集中在一个目标上。

此外，配备有源电子扫描阵列的 HPM 系统可以根据需要非常快速地改变波束形状。

从火花隙发射机到相控阵

HPM 武器有着迷人的技术历史，它始于 1962 年美国在太平洋上空 250 英里处引爆核武器。正如斯图尔特·莫兰 (Stuart Moran) 在2012 年的文章“达尔格伦定向能工作的历史概述”中所描述的那样，科学家们指出，“爆炸导致高层大气中的电子严重失衡，这些电子与地球磁场相互作用，在太平洋的大片区域产生振荡电场。

这些电场强大到足以破坏一千英里外夏威夷的电子设备，并清楚地展示了电磁脉冲 (EMP) 的影响。” 这一发现引起了五角大楼的关注，因为如果它能以某种方式被利用，其结果将是国防部武器库中非常有效的非动能工具。问题是如何实现这样一种武器，这需要一种方法来产生每米数十万伏（甚至更高）的场强。

在探索接下来的事情之前，需要考虑两个事实。

首先，60 多年前，国防部的意图是消灭目标，而不仅仅是使它们失效。其次，目标中的几乎所有组件都是模拟的而不是数字的，它们（现在仍然）比微型半导体器件更能抵挡高强度电磁能的破坏。因此，对大量射频能量的需求被认为是必不可少的。

尽管今天在某些情况下仍然如此，但在使用 HPM 武器对抗对手系统时，大量的能量并不总是必要的，甚至不是需要的。 正如创造“电子炸弹”一词的澳大利亚空军智库联合创始人卡洛·科普博士，他在 2012 年的一篇文章中指出：“将任何单片半导体器件暴露在超过几伏规格限制的电压下，无论是瞬时电压还是射频电压，通常都会发生不好的事情。

如果将主电源或电池电源连接到器件上，引发灾难性电气故障所需的能量很少，因为电源是造成致命一击的原因。” 回到20世纪60年代，莫兰的文章解释了达尔格伦海军武器实验室特殊应用分部的研究人员（今天是弗吉尼亚州达尔格伦的海军水面作战中心达尔格伦分部 (NSWCDD)）是如何在太平洋爆炸后开始工作的，他们的工作重点放在高功率的火花隙发射机上，就像早期的无线电广播那样。

射频发生器是赫兹振荡器，其中“电容器被充电至高压，开关闭合，电流在电路中流动，导致储存的能量在电容器的电场和电感器的磁场之间振荡。”直到达到火花隙之间空气的击穿电压。在击穿时，火花完成 LC 电路，并以其谐振频率振荡。

赫兹型设备通常连接到一个简单的天线，并以 100 MHz 或以下的低频振荡。由于地面效应的影响，测量这些设备的输出场很困难，因此在场地中铺设了一个 100 米长的焊线接地平面，两端各有半地下拖车，用于安装高压发电机和诊断设备，这形成了一个基本测量系统。这些源通常在目标位置产生超过十亿瓦特的峰值功率和每米几千伏的场强。

莫兰描述了20世纪70年代在达尔格伦设计、建造和测试的许多类型的赫兹装置。例如，腔振荡器“使用四分之一波长的同轴管，在一端切换以产生振荡波形。” 另一种类型，即所谓的“冻结波”发生器，使用“四分之一波段的电缆充电，产生两个周期的波形‘冻结’在电缆”，并在兆赫频率范围内，产生数千瓦射频脉冲，重复频率为几十千赫兹的。达尔格伦使用赫兹振荡器创建的几乎所有解决方案都可以产生至少 500 kV 的电压，并在距离天线数百米的地方产生强电场。 其他类型的设备包括“使用螺旋缠绕电容板产生电压的矢量反转发生器”，这是一项重大改进。

安装在抛物面天线焦点区域的称为兰德克环的装置，“使用桨轮布置的电容器和电感器，并联充电并串联放电。” 圆形布置使系统能够像偶极子一样辐射，有效地形成天线。 或者考虑产生低频宽带效应的通量压缩发生器 (FCG)。科普博士在一篇关于“电子炸弹”的文章中解释道，在初始电启动电流的作用下，“高速炸药用来机械压缩磁场，将能量从炸药转移到磁场中”。“虽然 FCG 在运行过程中解体，但它会产生强大的电流脉冲。” 当级联在一起时，三个 FCG 可以将功率放大一百倍，提供数十吉瓦的峰值功率输出。

还有虚拟阴极振荡器 (Vircator)，它在可调谐窄带频率下以高功率水平产生短脉冲。正如科普博士的“电子炸弹”文章所解释的那样，Vircator 允许 FCG 产生的能量精确地集中在数百米外的目标区域，尽管最严重的损坏发生在几十米内。 1973 年，达尔格伦开始了特殊战斗部 (SEW) 计划，以探索使用单发、峰值功率极高的电磁脉冲“‘摧毁’敌方雷达和导弹系统”的可行性。

其中一个目标是确定是否可以制造一种电磁弹头，可以使 1 英里外的电子设备失效。那个实验室一定既非常有趣又非常危险。正如莫兰的文章所解释的那样，“高压场和火花导致工人们为其中一栋建筑做了一个标志：‘科幻部’。” 当时对国外或美国电子设备和系统的脆弱性知之甚少，用于测试的发射器无法产生足够高的场来测试大型目标，例如耐克大力神雷达系统。

为了解决这个问题，莫兰解释说，构建了一个基于拖车的 RF 脉冲系统。它采用了“以 200 万伏特充电的马克思发生器驱动的 LC 振荡器”。被称为可运输振荡脉冲系统（TOPS），“它连接到一个大的束缚波上，该结构在一个大到足以放置整个雷达或导弹的区域产生均匀的场。” 莫兰继续写道，“系统发出的电场是如此之高，以至于空气会产生电弧，除非使用特殊的绝缘气体袋(六氟化硫) ，直到辐射结构变得足够大，可以过渡到正常的大气层。”

加大功率

在达尔格伦，莫兰解释说，“这些系统的尺寸、重量和成本显然是由驱动系统所需的脉冲直流技术决定的，而不是由射频源本身决定的。因此，更多的努力开始投入到许多武器概念所需的功率发射技术上。”脉冲功率组件使能量能够在数秒内存储，用 DE 术语来说是很长的时间，并且可以在纳秒内释放，“以获得十亿倍的峰值功率增加。”达尔格伦官员说服海军领导人在 1978 年启动脉冲功率技术计划，“以开发未来武器所需的动力源、储能系统、大功率开关和动力调节系统”。

莫兰继续解释说：“为了提供大量的电能，研究了新型旋转电机，包括飞轮、传统交流发电机、单极发电机、旋转磁通压缩机和补偿脉冲交流发电机。这些机器试图使用特殊材料产生快速、高功率的脉冲，以减少损耗、涡流和机械应力。” 在 20世纪70年代的晚些时候到20世纪80 年代，主动力源和射频电源技术继续得到改善，因为大学和其他几个国防部部门(包括空军研究实验室)加入了达尔格伦的 HPM 这些努力。

然而，冷战的结束削弱了人们对定向能武器的兴趣。脉冲功率技术计划和海军的带电粒子束计划被取消，尽管达尔格伦设法筹集资金以维持可在以后使用核心技术的能力。达尔格伦现在是美国两个设有 HPM 技术开发部门的地方之一，另一个是位于新墨西哥州科特兰空军基地的空军研究实验室的定向能理事会。

HPM 重现

到 2000 年代中期，世界早已开始从模拟技术向数字技术转变，曾经几乎完全模拟的产品也完全数字化。这些电子系统中，很少有针对 HPM 攻击的脆弱性进行过测试。苏联解体后，大规模电磁脉冲云的产生似乎变得不那么重要，因此保护电子设备免受射频能量的破坏也变得不那么重要了。

然而，这种自负情绪并没有持续多久。随着数字电子技术在美国军事系统和民用基础设施（如发电厂、通信系统、应急和工业系统）中的应用越来越广泛，对手使用 HPM 武器攻击这些系统的可能性越来越受到关注。如今，十多个国家（其中大多数是美国的盟友，但也包括俄罗斯和中国）正在开发 HPM 武器技术，其中一些国家拥有数十年的经验。

因此，防御 HPM 攻击近年来引起了五角大楼领导人的更多关注。位于达尔格伦的特殊技术对抗联合项目办公室(JPO/STC)对数字系统在射频攻击下的脆弱性进行了深入的研究。正如莫兰的文章所描述的那样，该项目还建立了一个国防部范围内的“漏洞数据、源设计和 RF 效应信息”数据库，并将其与多年来储存的具有相当前瞻性的信息相结合。“在20世纪90年代末和21世纪初，达尔格伦发起了关于使用非动力干扰的射频攻击潜力的项目”，并且还“为无人机开发了 RF 有效载荷并在现场测试中证明了它们的有效性。” 这是国防部首次展示这种 HPM 技术。

为了测试它们，两座多层建筑被重新部署，以验证不同类型的建筑结构和电磁屏蔽效果，其中有“电子、计算机网络、服务器系统、电话系统、安全系统以及各种类型的数字工业控制系统的大型综合体，这些系统可以组装、装备和暴露于攻击之下。” 这个被称为马其诺露天试验场 (MOATS) 的综合设施旨在测试电子设备对潜在 HPM 武器的 RF 敏感性，并继续用于测试目标系统，以及内部和外部及国际组织开发的各种射频武器技术。

此刻，我们身处何处?

传统上，HPM 系统专注于摧毁武器系统中易受攻击的电子元件。但对于无人机、无人集群或其他目标，所需要的只是迷惑电子设备或使它们无法操作。用高功率超宽带脉冲摧毁它们是不必要的，这意味着 HPM 系统不一定需要发射千兆瓦的功率来摧毁一个目标，就像它摧毁其他设备一样，而只需要使传感器无法工作或影响武器系统导航或飞行控制所需的功率。

自雷神公司于 2006 年开发其 “雄鹰”系统以及后来的 BAE 系统公司的 Bofors HPM Blackout 以来，这种能力已经以这种或那种形式得到了证明，时间已经超过15年。 在过去的几年里，AFRL 一直在开发和评估至少四个 HPM 演示系统。这包括雷神公司的相位炮(PHASER)系统，该系统将高水平的 RF 能量汇聚到一个反射天线上，并可以同时摧毁多个目标。

波束的圆锥形意味着单个脉冲可以同时攻击空中的多架无人机，使得相位炮对付无人集群非常有用。 AFRL 的战术高功率操作响应器 (THOR) HPM 系统由 Leidos、BAE系统公司和 Verus 研究公司开发，已展示能够同时使100多架无人机失效的能力。AFRL 还在开发更先进的 THOR ，以使威胁军事基地的无人集群失效。下一代平台被命名为 Mjölnir，以向神话中的雷神之锤致敬。AFRL已授予 Leidos 一份价值 2600 万美元的合同，用于开发 Mjölnir 原型并于 2024 年初交付。

最后，AFRL 正与雷神公司合作开发反电子高功率微波增程空军基地防御系统 (CHIMERA)。与针对近距离目标的 Phaser 和 THOR 系统不同，CHIMERA（顾名思义）旨在攻击更远距离的空中目标。 值得注意的是，许多此类系统（包括 THOR 和 Phaser）都使用真空管技术来产生所需的辐射功率。它们中的大多数也相对较大，最适合固定站点应用，例如防御军事基地免受无人机和火箭袭击。 AFRL 和 NRL 一直在开发另一类 HPM 武器，这种武器体积更小，专为导弹和无人机平台而设计。

波音公司和 AFRL 于 2012 年展示的反电子高功率微波先进导弹项目 (CHAMP) 使用 AGM-86 常规空射巡航导弹 (CALCM) 的弹体来携带雷声公司开发的 HPM 有效载荷，该有效载荷可多次发射HPM“炮弹”。被称为 HiJENKS 的高功率联合电磁非动能打击武器也使用微波技术来使对手的电子系统失效。

HiJENKS 是 CHAMP 的继承者，它使用更小、更坚固的 HPM 技术，可以集成到更广泛的平台系统中。在空军研究实验室和海军研究办公室的共同资助下，为期五年的HiJENKS项目于去年夏天在中国湖海军航空站完成了“顶点”测试。

由 GAN 驱动

HPM 技术的最新发展是使用有源相控阵和基于固态（氮化镓 - GaN）的射频功率放大器，而不是真空管来产生所需的射频功率。一个名为 Leonidas 的系统是由一家名为 Epirus 的新公司独立开发的。从 2018 年开始，Epirus 在洛杉矶和弗吉尼亚州麦克莱恩设有工厂，正在利用一套精选的核心技术，用于国防和商业应用。

Leonidas 是该公司的可扩展 HPM 产品。最初以拖车配置开发，该公司还测试了用于无人机的机载吊舱，并在 10 月披露了集成到 Stryker 车辆上的移动版本。与 AESA 系统一样，Leonidas使用波束控制将能量集中在一个或多个目标上，同时定义禁飞区以允许友军继续作战。

Leonidas可以安装在相对较小的地面车辆上，每秒可以发射数千发“子弹”。Leonidas 拥有开放的系统架构，并依赖于基于 GaN 的线路可更换放大器模块，并迅速发射一连串独特的波形，以利用使 UAS 目标易受影响的频率。 该公司强调，与其通过中断卫星导航信号的通信来混淆无人机的数字电子设备，不如将 Leonidas 描述为一种电磁脉冲发生器，它用电磁能量包围目标，电磁能量覆盖非常低到非常高的频率，如EMP通常所描述的“直流到日光”。Epirus 首席产品官

安德鲁·洛厄里说：“我们不关心无人机的工作频率。我们是一个 EMP 系统，所以频率并不重要。尝试使数据链路或 GPS 失效相对简单，很多公司都可以做到。相反，我们可以从远距离、远超动态范围甚至超视距的地方覆盖目标。” 尽管该公司仅将 Leonidas 的射程定义为“与战术相关”的距离，但这通常意味着大约 10 公里。

“我们的波束实际上不是很窄；它的 3 dB 波束宽度约为 6 度，”他继续说道。“如果我想干掉一队无人机，我们会以每秒一千次的速度扫过天空，这样任何进入其中的无人机都会在我们波束划过天空，遇到一堵能量墙。

“我们只是想在那里放置一个巨大的电场，由于空腔和其他入口点在某些频率下比其他频率更容易受到攻击，因此我们创建能量护盾而不是发射能量子弹。任何飞入盾牌的东西都会被破坏。即使有很小的间隙和各种其他入口点，如果您在开关上施加 10 或 20 伏电压，它也会扰乱电子设备，足以将其关闭。这就是 EMP 的威力。它会影响计算机、相机、引擎控制或任何其他电路。” Leonidas 使用该公司专有的 SmartPower 电源管理技术，该技术优化 RF 性能，以生成高功率脉冲，同时确保系统不会过热。

SmartPower技术平台是硬件、软件和机器智能算法的专有组合，采用实时人工智能和机器学习，最高可降低70%的功耗，从而降低系统功率需求，对大功率电源的需求，并且比基于真空管的系统需要更少的冷却。 数字技术监督能量的转换，例如从交流电到直流电。“通过数字架构增强了功率，因为目标中的所有非线性电路都被一个无源网络包围，将其置于正确的偏置条件下，”Lowery 说。“它优化了非线性电路的性能，我们有一系列的动态控制，所以我们超越了被动静态系统的能力。

也就是说，我们使用机器学习通过调制漏极、栅极和输入信号来管理电路，以优化每个转换指标。 “我们还在脉冲应用、上升和下降时间等门上执行包络跟踪、预失真和算法，”Lowery 解释说。“这消除了传统上非线性转换产生的大量浪费，它提高了效率并减少了热量，因此所需的冷却要少得多。我们尽一切努力使目标的 EIRP 最大化，因为每个通道都没有单通道方法所需的 EIRP，例如 THOR。” 由于该系统是软件定义的，因此可以实时修改带宽和其他特性，以便在拥挤的电磁环境中定位特定目标。

这意味着Leonidas可以在友方附近对付敌方无人机。人工智能和机器学习也使 Leonidas 系统能够随着时间的推移进行学习，因为它会接触到新的目标数据。软件更新可以通过空中传输来优化，从而对新目标产生积极影响。

现实世界的问题

HPM 技术正在迅速成熟，与上世纪70年代和80年代一样，需求正在增加，这一次是防空应用和机载武器，这些武器可以攻击敌方传感器到射手网络中的许多非动能偌大的（即非屏蔽布线和无保护的数字组件）。 乌克兰武装部队现在肯定可以从这些 HPM 系统中受益，但这似乎不太可能，即使俄罗斯的无人机和巡飞弹对他们来说是绝佳的实地测试。

据报道，作为评估的一部分，THOR 和 PHASER已经被部署到美国以外的地区，而 Leonidas 则没有。Epirus 的 Lowery 表示，该公司已经研制了四个加固的 Leonidas原型机，它们“可以”为 LRIP 做好准备，并可在2023年部署并送往乌克兰。

随着对乌克兰的无人机和导弹袭击预计将在未来几个月内增加，然而，随着对乌克兰的无人机和导弹袭击预计在未来几个月会增加，乌克兰对HPM武器的需求肯定也会增加，它们可以成为多层防空解决方案的一部分。 





审核编辑：刘清