电磁脉冲武器反无人机的作用机理

朱菲菲，王娟锋，马云飞

中国电子科技集团公司第二十七研究所63891部队

随着超宽带电磁脉冲、高功率微波等电磁脉冲武器在未来战场上更多地应用，强电磁干扰与毁伤是直接导致无人机失控甚至瘫痪的关键手段。本文分析电磁脉冲武器的作用机理和危害,提出无人机系统的电磁防护措施，确保无人机在强电磁环境下的可靠性和安全性。

作为现代战争中不可或缺的作战力量，无人机越来越受各国的重视。在作战中，无人机可担负情报获取、战场侦察监视、目标打击、电子干扰、反潜作战、空中加油、通信中继等多种任务，并与其他武器系统配合，实现真正意义上的体系化作战。在现代战争中，无人机面临的电磁环境十分恶劣，尤其是中低空战术无人机，不可避免地受到强雷达波照射，而核爆或电磁导弹产生的电磁脉冲，峰值电场强度可能更高，达数千米或上万伏/米，将对无人机造成严重干扰。由于无人机机体内部空间狭小、机载电子设备繁多、通信系统的频率范围宽等特点，导致机内电磁环境复杂，使无人机在强电磁环境下执行任务时更容易受到干扰。针对战场的复杂电磁环境，提升无人机的电磁安全性，分析电磁能量的耦合途径和作用机理，研究无人机电磁防护措施，对提高我军无人机的战场生存能力具有重要意义。

电磁脉冲武器的分类

电磁脉冲(Electromagnetic Pulse，EMP)武器是一种介于常规武器和核武器之间的新型大规模电磁杀伤性武器，可以在瞬间发射高达1010W功率、上升时间极短的高强度电磁脉冲，干扰或毁伤无人机机载电子设备，造成无人机通信信号中断、失去控制或停止工作等。电磁脉冲武器按脉冲产生的方式可分为如下三类。

（1）高空核爆电磁脉冲武器

高空核爆电磁脉冲(HEMP)武器在高空(距离地面70 ～100km)引爆“弱核爆电磁脉冲炸弹”即低当量核弹，从而产生高空核爆电磁脉冲。核电磁脉冲产生的过程分为三个阶段，而早期(0≤t≤1μs，t表示时间)产生的电磁脉冲对通信系统的干扰和毁伤最为严重。

（2）超宽带电磁脉冲武器

超宽带(UWB)电磁脉冲武器利用高爆炸药及相关装置，可产生高达108Hz ～1012Hz频率的超宽带电磁脉冲。高频率电磁脉冲功率源或爆炸可产生纳秒级电磁脉冲，从而输出超宽带电磁辐射，峰值功率可达1GW ～20GW，覆盖频带100MHz ～50GHz，对通信电子设备构成了严重威胁，被认为是一种专门采用超宽带和短脉冲技术的微波武器。超宽带电磁脉冲武器将炸药式爆炸为主体的电磁脉冲弹头装置在导弹、炸弹或炮弹中，发射到目标区域附近引爆，爆炸瞬间可以将机械能转化为电磁能，对固定范围内的通信电子设备造成电磁脉冲毁伤。

（3）高功率微波武器

高功率微波(HPM)是指微波源的峰值功率为100MW ～100GW，工作频率为1GHz ～300GHz的无线电电磁波，具有频率高、脉冲上升时间短、辐射功率强等特点。高功率微波武器利用磁控管、虚阴极振荡器等高功率微波器，产生超过100MW峰值功率的高功率微波，可装置在战车、战术飞机或无人机上，利用一台高增益定向天线或其他设备，重复发射极高频率和辐射强度的高功率微波，并照射目标，这种大功率微波束可干扰、毁坏敌方信息系统和通信系统中的敏感电子部件。高功率微波器辐射的电磁脉冲功率一般为GW级，在远距离内，可对电子设备实施远程干扰；在近距离内，可杀伤有生力量，并引爆各类弹药或直接摧毁目标。

作用机理

电磁脉冲武器产生的电磁波能否有效地反制无人机，取决于电磁能量能否有效地耦合进无人机。电磁波的常见耦合方式有传导耦合与空间耦合两种。

传导耦合分为共模耦合与差模耦合，它通过电介质，使干扰源信号作用到受干扰的设备上。传导耦合发生的必要条件是，激励源与受扰物体之间必须存在一个完整的电路结构。在设计印刷电路板时，应重点考虑如何减小此类耦合的影响。

空间耦合则分为辐射耦合与感应耦合，分别对应远场与近场。在强电磁环境下，导线产生的干扰属于远场辐射耦合，而单根导线产生的辐射、若干导线之间的相互串扰则为近场感应耦合。

耦合途径通常分为前门耦合与后门耦合。前门耦合是指电磁脉冲与目标的天线、传输线等部件直接形成的耦合；后门耦合是指电磁能量与目标金属壳体上的孔缝、电缆接头等形成的耦合。两种耦合途径的比较见表1。

表1 前门耦合与后门耦合的途径比较。

从两种耦合途径的比较可以看出，前门耦合的主要危害是产生感应电流，若感应电流过大，则会烧毁设备。当电磁波频率与天线设计频率相等时,耦合最大。针对前门耦合，主要采取滤波与吸波等措施对无人机进行防护。相较前门耦合，后门耦合会在设备中产生一个新的、分布在整个设备中的电磁场，同时，后门耦合是一种多通道耦合，在一定频率下，将引起更恶劣的谐振环境，对设备产生很大的危害，系统防护更难实施。

电磁脉冲武器与设备的耦合不是单一的耦合，而是一个复杂、相互叠加的耦合作用。为防止前门耦合，一定要使天线以及传输线的工作频率尽可能避开环境中的电磁波频率。同理，为预防后门耦合发生，在设备设计阶段时，使设备上的孔缝与间隙尺寸尽可能与环境中电磁辐射的波长区别开，否则耦合现象会大大加重，严重影响设备的正常工作与运行。与后门耦合相比，前门耦合造成的危害较小，但也不能忽略。

无人机有限的机体内部空间集成了许多电子设备，电磁能量的耦合途径越来越复杂，既包含传导耦合又包含空间耦合，而且同时存在多种表现形式。无人机机体蒙皮分为金属材料、部分金属材料加复合材料两种。如果机体蒙皮全部采用金属材料，由于金属蒙皮具有屏蔽特性，此时无人机的电磁耦合入口主要集中于各种机载天线端口，机身蒙皮上的口盖、缝隙等部位。如果机体蒙皮全部或部分采用复合材料，由于复合材料蒙皮导电性低，屏蔽性能差，对强电磁脉冲的屏蔽能力较金属蒙皮更弱，因此电磁脉冲会进入无人机机身设备舱的铆合处、焊接点、螺旋桨轴承处的空隙，产生更加严重的后门耦合。

电磁脉冲武器对无人机系统的威胁

电磁脉冲武器通常采用“软杀伤”和“硬杀伤”手段对无人机实施反制。

“软杀伤”手段是以干扰、压制、致盲、诱骗、削弱敌方信息系统功能等措施，使敌方装备和系统失去作战能力。“软杀伤”对无人机的通信系统实施干扰，对导航系统进行诱骗，使无人机机载传感器失灵，敌方无法获取可用信息或得到错误信息，从而降低敌方无人机的作战效能，对手甚至能“俘虏”敌方无人机。2011年，伊朗军队利用“软杀伤”手段，诱导美军RQ-170“哨兵”隐身无人侦察机降落到指定地点。与“硬杀伤”手段相比，“软杀伤”手段反无人机，对电磁脉冲武器的功率要求更低，在相同的条件下，采用“软杀伤”方式的电磁脉冲武器作用距离更长，然而杀伤效果比“硬杀伤”手段差，在多数情况下，“软杀伤”并不能毁伤无人机，仅为干扰以降低无人机的作战能力。“硬杀伤”手段能对无人机产生较大毁坏，对无人机机载电子设备造成不可逆的损毁，甚至击毁无人机。电磁脉冲武器反无人机的效应分为干扰、扰乱/翻转、降级、毁伤四种。

（1）干扰

当强电磁脉冲作用于无人机机载电子设备内部时，会使设备内部的噪声增加，或产生新的干扰信号，影响机载电子设备的正常工作。例如，强电磁脉冲可能会使无人机与地面控制站之间的通信信号中断，导致无人机自行降落或者返航。

（2）扰乱/翻转

强电磁脉冲造成无人机机载设备或系统工作失常、任务指令中断，在没有人为操作的情况下，机载设备或系统不能自动恢复正常工作。

（3）降级

强电磁脉冲使无人机机载设备或系统的关键器件性能下降，或烧毁非关键器件，最终导致无人机系统的性能下降。

（4）毁伤

强电磁脉冲耦合进无人机机载设备的电子元器件内部，导致器件暂时失效或烧毁，致使无人机机载计算机中的存储器丧失记忆功能，无人机陷于瘫痪甚至坠机。

综上所述，在电磁脉冲武器对无人机实施反制时，耦合途径多，作用机理多，可造成不同程度的毁伤。因此，无人机抗击电磁脉冲，将面临艰难的任务。

无人机的电磁防护措施

随着多种高性能、复杂电子设备在无人机中的大量应用，无人机的性能不断提升。恶劣战场电磁环境对无人机的作战效能产生了越来越大的影响。为提高无人机的作战效能，确保无人机在强电磁环境下的可靠性和安全性，相关单位应详细分析战场环境下的电磁脉冲武器作用机理和产生的危害,从干扰源、干扰途径、敏感设备等多渠道入手，在作战中采取抗干扰措施，对无人机实施电磁防护，以降低无人机遭受干扰和毁伤的概率。

在系统设计阶段加入电磁防护方案

由于电磁脉冲能造成多方面危害，对无人机某个部件的损害可能会影响整个系统的正常工作。因此，无人机整个系统应实施电磁防护。对已有系统进行改造并加装防护措施，不能实现有效的防护效果，并且不经济。所以，在无人机系统设计阶段，应将无人机的电磁防护措施纳入设计方案，对于可能存在耦合的部位，尽量采取多重防护措施。

（1）屏蔽设置

屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能量的传输，从而达到电磁防护的目的。该方法利用金属隔离的原理，阻挡电磁脉冲从一个区域向另一个区域感应和辐射,既可以防止系统内部的电磁泄露，又可以减小外界电磁辐射，从而有效加固通信设备的防护能力，免遭“后门耦合”的危害。

根据材料的电磁屏蔽效果,理想的机体材料应为较厚的金属板，而目前大多数无人机机体使用的是复合材料,很难将机载设备完全置于一个导电的法拉第笼内,但可以在设备机箱内外壁上覆盖一种或多种具有导电导磁性能的电磁屏蔽膜，例如导电导磁材料膜、真空镀铝膜、电镀膜、化学镀膜、粘贴金属箔和复合箔等屏蔽膜。其中，导电涂层具有方便、量轻、不占用空间的特性,适合用于无人机电磁防护。此外，在无人机碳纤维复合材料部件制造过程中，将带有环氧树脂胶膜的铜网与碳纤维复合材料预浸料进行一体成型，这种制造技术既利用了铜的良好导电性，又具备很好的铺贴延展性，保证复合材料部件具有准确的尺寸，提升了无人机整机的电磁屏蔽效能。

（2）滤波和终端防护装置加装

滤波是将信号中特定波段的频率进行滤除，可以削减不须要的电磁能量，这是一项重要的抗电磁干扰措施。在有效控制前门耦合的方法中，滤波的效果较为显著。为防止高功率微波武器发射的电磁脉冲沿着天线、通信电缆作用到设备内部，可采用浪涌保护器(SPD)与滤波电路组成的滤波器，有选择性地滤除设备接收信号之外的频率成分，但是在这个过程中，浪涌保护器必须在有效时间内发挥作用。火花隙放电器与气体放电管、变阻器如金属氧化物压敏电阻器（MOV）、半导体器件如雪崩二极管都是浪涌保护器。某些情况下，遇到能量大的电磁脉冲，对于瞬态二极管制成的电磁脉冲滤波器来说，由于瞬态二极管承受的能量有限，会引起箝位电流急剧增大，功耗剧增，一旦超过瞬态二极管的功耗极限，瞬态二极管就会损坏，引起电磁脉冲滤波器失效。而压敏电阻器承受的冲击能量虽然比瞬态二极管要大，但是每经受一次电磁脉冲冲击，性能就会下降。经受10次左右的冲击便有可能失效，丧失对电磁脉冲的防护能力。某些特殊设计、含有差模电感和共模电感的多级滤波器，其云母电容器采用穿心电容器，可以很好地屏蔽电磁脉冲。

同时，在不同的端口加装电源防护模块、通信防护模块、射频防护模块等接插件式电磁脉冲防护模块，在保证防护效果的同时，也保证了使用的便捷性。

（3）接地处理

对于无人机电磁防护，接地是最重要的环节。机载设备通过合理的途径与参考地联结，可有效规避静电、放电的风险，提高电路系统的工作稳定性和安全性。

（4）搭接

搭接是指将两个等电位导体联结在一起。无人机机体内部有许多金属部件，金属部件之间应做好搭接，避免金属部件绝缘，防止金属部件受到电磁脉冲作用时产生局部打火和辐射现象，对设备造成影响和损坏。

（5）合理的电路模块拓扑结构及可更换的易损部件模块使用

具有冗余度和故障跨越机理的电路模块拓扑结构可以有效避免因电磁干扰造成的部分节点、链路受损，确保整个设备不丧失功能，有效提高通信设备在电磁脉冲武器打击下的战场生存能力，将易损部件的模块设计成可更换的部件，使受损设备尽可能快地恢复工作。

（6）设备电磁兼容性能提升

设备的电磁兼容性能直接影响设备在复杂电磁环境下的工作效能,提高设备的电磁兼容性能，是抗各种电磁干扰的有效手段。设备的电磁兼容性能往往取决于设备所选用的电子元器件的电磁兼容性能。定位设备的电路装配技术在一定程度上决定了不同电路元器件相互耦合的程度。无人机电磁防护的有效措施之一是，提高机载电子设备元器件的电磁兼容性能。改进电磁兼容设计，即将机载电子设备或系统电磁噪声的发射电平限制在允许范围内,以保护电磁环境,同时保证电子设备在电磁干扰环境下不降低运行性能。

（7）合理工作频率选择

微波在大气层中传播，会受到大气环境的影响。在一定的频率下，大气层中水蒸气、氧气以及雨水会吸收微波。当微波频率为22GHz、185GHz时，会被水蒸气吸收，在60GHz、118GHz时被氧气吸收。因此，在保证设备有效通信距离情况下，应根据战场地区大气层中的雨水、水蒸气、氧气等成份特征，合理选择通信设备的工作频率，减小电磁脉冲武器的干扰和毁伤效应，对无人机起到一定的防护作用。

（8）线缆和线路合理配置

通信线缆尽可能选用光缆，以取代传统的线缆。光纤的物理结构使其具有天然的抗电磁干扰能力，光信号的传输受电磁脉冲的干扰比较小。除此之外，线缆之间应该尽量避免平行排列，线缆长度尽可能缩短，线缆的暴露部分尽可能减小等一系列措施，都是减小电磁脉冲对通信系统内部电路系统耦合与干扰的有效手段。

（9）战术运用

在飞入任务区域前,无人机可以采取自主飞行模式或按预先设置的航线飞行。无人机在自主飞行阶段，其机载无线电设备处于静默状态,从而可有效规避各种干扰信号。

总结

电磁脉冲武器将向功率更高、频谱更宽、脉冲前后沿更窄、武器小型化等方向发展。随着电磁脉冲武器技术的日益成熟，无人机面临着严重的威胁。因此，在未来复杂战场环境中，军方除采用一些基本无人机电磁防护技术外，最关键的是，根据无人机所处的电磁环境，建立全方位、多层次、综合性防护措施，制定和完善器件、电路、模块、系统的电磁防护标准，采用新技术、新思路不断开发防护措施，并且将防护标准运用到设备的设计、生产和验收全过程，提升无人机系统在电磁脉冲武器打击下的战场生存能力。