Электромагнитное ИО США
Специальный генератор формирует поток радиоволн частотой 94 ГГц (длина волны — 3,2 мм), диаметром 2 метра. Стрелять из этой пушки можно эффективно на расстояние до 500 метров. Миллиметровые волны проникают сквозь одежду (но не сквозь стены) в кожу человека на глубину всего лишь 0,4 мм. Молекулы воды, содержащиеся в поверхностных тканях человека, начинают интенсивно вибрировать под действием этого облучения и кожный покров очень быстро нагревается. В течение первых двух секунд температура кожного покрова достигает 54 ºЦельсия. Устройство представляет собой большую прямоугольную тарелку, смонтированную на боевой машине Нumvee (рис. 1).
Демонстрация этого оружия в действии в январе 2007 г. обратила в бегство даже самых закаленных десантников. Наблюдавшие за ходом испытаний эксперты отметили, что никто из тех, кто подвергся действию облучения, не смог оставаться на месте более 5 секунд, а шоковое состояние наступало уже через 3 секунды.
«Бесшумный страж» должен был поступить на вооружение американской армии в течение трех лет. Это оружие может использоваться в крупных городах для разгона агрессивно настроенных толп, а также может быть развернуто возле важных военных объектов, чтобы предотвратить проникновение на них боевых групп противника. Такое микроволновое оружие может также «прикрыть» бронетехнику от современных управляемых снарядов, поражающих танки сверху, но против обычных подкалиберных снарядов это оружие совершенно бесполезно.
В 2009 г. ВВС США выделили 40 миллионов долларов на реализацию более мощного генератора СВЧ-лучей и его размещение на воздушном транспортном средстве. Согласно контракту, Boeing Company занималась разработкой ракеты CHAMP, которая должна была выступить носителем микроволнового излучателя. Созданием самого микроволнового излучателя занималась американская фирма Ktech.
В 2011 г. Boeing Company совместно с AFRL провела первые испытания ракеты CHAMP с мощным микроволновым излучателем на полигоне TTR (штат Юта), приписанном к авиабазе Хилл (рис. 2).
Магнетронный микроволновый излучатель HPM (High Powered Microwave) был установлен на крылатую ракету AGM-86. Опытный образец выполнил полет по заложенной программе. С помощью HPM генерировались мощные энергетические импульсы, которые эффективно выводили из строя электронные подсистемы.
В конце мая 2015 г. ВВС США сообщили о том, что в настоящее время совершенствованием этого оружия занимаются такие ведущие фирмы, как Boeing Company, Rayteon и Ktech (электроника), Lookheed Martin Corporation (носители — высокоточные ракеты).
Конгресс США одобрил использование импульсного электромагнитного оружия ЭМО, было заявлено, что такое магнетронное оружие может появиться в войсках до конца 2016 г.
Следует также отметить, что ВМС США рассматривают вариант установки магнетронов на беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Технические предпосылки к этому имеются. Так, еще 14 мая 2013 г. ВМС США впервые успешно произвели взлет ударного БПЛА X-47B с палубы атомного авианосца «Джордж Буш» (рис. 3), находившегося в Атлантическом океане у восточного побережья США. Взлет БПЛА был произведен при помощи стартовой катапульты корабля. Аппарат, совершив несколько пролетов над палубой корабля, успешно совершил посадку на аэродроме в штате Мериленд. БПЛА был разработан и изготовлен корпорацией Northrop Grumman. По мнению прессы, технические характеристики аппарата, изготовленного по технологии малозаметности («стелс»), открывают невиданные прежде возможности, включая использование СВЧ-оружия.
SOS-генератор ЭМИ
В Уральском отделении Института электрофизики РАН (г. Екатеринбург) разработана серия многоразовых мобильных SOS-генераторов ЭМИ, проникающая способность излучения которых намного выше, чем у магнитокумулятивных генераторов.
Известно, что при переключении силового полупроводникового диода из открытого состояния в закрытое (восстановление запираемости диода) в нем (диоде) имеет место выброс обратного тока. Эксперименты, проведенные в 1991 г. в этом институте С. Н. Рукиным и его сотрудниками, показали, что при очень больших плотностях прямого и обратного токов через полупроводниковую структуру в определенном сочетании плотностей этих токов и их длительностей время спада обратного тока уменьшается до десятков и единиц наносекунд (нс). Этот эффект наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках позже получил название SOS-эффекта (от Semiconductor Opening Switch).
Другое важное свойство SOS-эффекта заключается в том, что стадия срыва тока характеризуется равномерным автоматическим распределением напряжения по большому числу последовательно соединенных диодов. Это дает возможность создавать прерыватели тока с напряжением мегавольтного уровня путем последовательного соединения диодов без использования внешних резистивных делителей напряжения.
В дальнейшем была разработана специальная полупроводниковая структура со сверхжестким режимом восстановления, на основе которой удалось создать высоковольтные полупроводниковые прерыватели нового класса — SOS-диоды, имеющие рабочее напряжение в сотни киловольт, ток коммутации — в десятки килоампер, время коммутации – единицы наносекунд и частоту коммутации — килогерцы. Типовая конструкция SOS-диода — это последовательная сборка элементарных диодов, взаимно стянутых диэлектрическими шпильками между двумя пластинами-электродами. На основе SOS-диодов разработана серия мощных наносекундных генераторов с рекордными для полупроводниковых коммутаторов параметрами.
Блок-схема такого генератора показана на рис. 4. Тиристорное зарядное устройство (ТЗУ) осуществляет дозированный отбор энергии от источника питания, которая затем за время 10–100 мкс при напряжении 1–2 кВ поступает на магнитный компрессор (МК). Последний сжимает энергию во времени до 300–600 нс и повышает напряжение до сотен киловольт. SOS-диод выступает в роли оконечного усилителя мощности, переводя энергию в диапазон времени 10–100 нс и повышая напряжение в 2-3 раза. Введение в состав генератора звена магнитной компрессии продиктовано необходимостью согласования параметров выходного импульса ТЗУ с параметрами импульса накачки SOS-диода. После срыва тока SOS-диодом энергия передается в нагрузку в виде короткого наносекундного импульса.
Отсутствие в SOS-генераторах газоразрядных коммутаторов снимает принципиальные ограничения на частоту повторения импульсов. В продолжительном режиме работы эта частота ограничена тепловыми нагрузками на элементы генератора, в первую очередь на сердечники магнитных ключей, а при кратковременном включении генератора в режиме пакета импульсов – частотными возможностями ТЗУ. Режим пакета импульсов, когда генератор работает от десятков секунд до нескольких минут с частотой и выходной мощностью, в несколько раз превышающими номинальные, важен именно для перспектив боевого применения. Разработанные SOS-генераторы позволяют в 5–10 раз увеличить частоту следования импульсов и выходную мощность в режиме пакета продолжительностью от 30 до 60 секунд. Наиболее мощный среди генераторов наносекундного класса — S-5NS (рис. 5), система охлаждения которого проточной водой потребляет до 15 л/мин. Выходной импульс генератора S-5NS имеет следующие характеристики: импульсное напряжение — от 400 до 1000 кВ, импульсный ток — от 3 до 8 кА, длительность импульса — от 8 до 10 нс, пиковая мощность — 4 ГВт, частота импульсов постоянно — 300 Гц, в пачке длительностью 30 с — 1 000 Гц. Масса этого генератора 3 500 кг. Интенсивные исследования путей улучшения характеристик SOS-генераторов продолжаются. В частности, в российских научных центрах отрабатывается применение этих генераторов для питания широкополосных СВЧ-излучателей.
Сферический ударно-волновой источник РЧЭМИ
Следующим шагом в развитии забрасываемых электромагнитных боеприпасов (бомб, снарядов, гранат) явилось создание сферического ударно-волнового источника радиочастотного излучения — РЧЭМИ.
Идея, положенная в основу этого генератора, состоит в прямом преобразовании энергии взрывчатых веществ (ВВ) непосредственно в энергию РЧЭМИ, без виркатора. Впервые такой сферический ударноволновой излучатель УВИС был испытан 9 сентября 1993 г. на полигоне Центрального физико-технического института Минобороны РФ. Схема этого устройства приведена на рис. 6.
В УВИС заряд ВВ размещается внутри детонационного распределителя — полой сферы из поликарбоната, на поверхности которой отфрезерованы многочисленные каналы. Начинаясь у детонатора, причудливо переламываясь и разветвляясь, эти каналы покрывают всю внешнюю поверхность, заканчиваясь сквозными отверстиями. Они заполнены эластичным ВВ с высокостабильной скоростью детонации. Эта сложнейшая сеть создана так, чтобы обеспечить равные пути детонации от первичного детонатора до каждого отверстия. Расчет каналов потребовал использования методов геометрии Римана. Отфрезеровать такую систему каналов можно только на высокоточном станке с числовым программным управлением. Основной заряд изготавливается из мощного взрывчатого состава на основе октогена. Внутри него и устанавливается сфера из монокристалла йодида цезия.
Вокруг сферы собирается магнитная система. В ее основе два постоянных магнита. От них к монокристаллу идут два усеченных конуса из магнитно-мягкой стали, «собирающих» поле постоянных магнитов в область, занятую монокристаллом. Сохранению потока, создаваемого магнитами, служат и магнитопроводы. Кристалл устанавливается в центре системы так, чтобы его главная ось совпадала с направлением магнитного поля, иначе различия в свойствах вдоль других осей могут нарушить симметрию сжатия.
После того как сработает детонатор, огоньки детонации «разбегаются» по каналам со скоростью 8 км/с, одновременно «ныряют» в десятки отверстий и инициируют в основном заряде сферическую детонацию с давлением в полмиллиона атмосфер. Достигнув поверхности йодида цезия, волна детонации сформирует в нем ударную волну. Причем, поскольку плотность монокристалла больше плотности газов взрыва, давление на поверхности сферы скачкообразно увеличится, превысив миллион атмосфер. Сферическая ударная волна помчится к центру со скоростью более 10 км/с, оставляя за собой уже не монокристалл, а проводящую, как металл, жидкую область из атомов йода и цезия, и сжимая магнитное поле. По обе стороны фронта мощной ударной волны разница плотностей невелика (для монокристалла — примерно в два раза). Малая разность плотностей означает, что при ударно-волновом сжатии не развиваются нестабильности. В конечной фазе отношение размера области сжатия к начальному радиусу монокристалла — менее одной тысячной. Энергия магнитного поля могла бы возрасти при этом в миллион миллионов раз. Однако этого не происходит, так как сжата лишь малая часть поля, а почти все оно «захватывается» проводящим веществом и уже не может концентрироваться в области сжатия. Но эти потери дают возможность «сбрасывать» излишнее поле за фронт ударной волны, препятствуя тем самым чересчур быстрому усилению магнитного давления. Подбирая характеристики вещества (степень сжатия и проводимость в ударно-сжатом состоянии), можно регулировать «сброс» поля за фронт волны.
Ударная волна, сойдясь в точку и отразившись, устремляется обратно, скачком изменив поле, что и приведет к генерации импульсного потока РЧЭМИ. Длительность этого излучения менее наносекунды, спектр — от сотен мегагерц до сотен гигагерц.
Сферический ударно-волновой излучатель был предложен Александром Борисовичем Прищепенко, доктором технических наук (с 1991 г.), членомкорреспондентом Академии военных наук России (с 1997 г.), который долгое время возглавлял лабораторию боеприпасов специального назначения в ЦНИИХМ (химии и механики). В 1994 г. генерал В. Лоборев, начальник Центрального физико-технического института МО РФ, представил на международной конференции «Евроэм-94» в Бордо (Франция) доклад Прищепенко «Радиочастотное оружие на поле боя будущего». В этом докладе Прищепенко описал применение нескольких типов оружия на основе взрывных источников излучения. Эти устройства теперь часто называют «устройствами Прищепенко» (Prishchepenko-type).
Электромагнитное ИО России
В середине 90-х гг. прошлого столетия в России была создана и успешно испытана на полигоне 105-мм реактивная граната с боевой частью на основе сферического ударно-волнового излучателя УВИС. Однако сложность сборки УВИС и наличие в нем дорогой в производстве сферической детонационной разводки делают применение этой гранаты целесообразным и экономически оправданным только для поражения важных целей, например для «ослепления» опаснейшего противника — подлетающей крылатой ракеты. В 1998 г. в России уже имелись опытные образцы ЭМИ-оружия в виде 42-мм реактивных гранат «Антропус» (по греч. — неотвратимая), предназначенных для электромагнитного подавления системы активной защиты танка САЗ, которую можно сравнить с миниатюрным комплексом противовоздушной обороны. В ее состав входит радиолокационная подсистема автоматического обнаружения, селекции и сопровождения гранат или ракет, подлетающих к танку. Она выдает команду на отстрел мортирками защиты осколочного боеприпаса, уничтожающего опасные объекты на подлете.
Противотанковый гранатомет, предназначенный для стрельбы по машинам, оснащенным САЗ, имеет два ствола (двустволка):
- первый (малокалиберный) — с гранатой «Антропус»;
- второй (большего калибра) — с кумулятивной гранатой.
При выстреле сначала запускается двигатель электромагнитной, а после, с небольшой задержкой, — кумулятивной гранаты. Радиолокационное сечение первой очень мало, поэтому защита пропускает ее. Попав в танк, «Антропус» кратковременно ослепляет его защиту, обеспечив этим прорыв кумулятивной гранаты к броне. Радиус ослепления всего 2–3 метра, но этого достаточно: антенна радиолокатора расположена на башне танка.
«Антропус» имеет два варианта боевых частей:
- ферромагнитный генератор частоты ФМГЧ;
- пьезоэлектрический генератор частоты ПЭГЧ.
Оба этих генератора имеют небольшие мощности излучения, но их достаточно, для того чтобы создать вблизи них кратковременные перегрузки в электронных цепях.
В то же самое время (1998 г.) в России также уже были экспериментальные образцы 100-мм и 130-мм электромагнитных снарядов и 122-мм электромагнитных боевых частей неуправляемых ракет.
В сентябре 2001 г. на острове Лангкави (Малайзия) прошла 6-я Международная выставка авиакосмической и морской техники «ЛИМА-2001», на которой Россия продемонстрировала действующий комплекс СВЧ-излучений «Ранец-Э» (рис. 7). Этот комплекс был создан как средство обороны мобильных радиоэлектронных средств от высокоточного оружия. «Ранец-Е» состоит из антенны, высокомощного генератора, подсистемы управления, измерительной установки и источника электропитания. Этот комплекс может быть изготовлен в стационарном и мобильном вариантах (масса собственно боевых средств — около 5 тонн). Мощность его излучения в импульсе длительностью 10–20 нс превышает 500 МВт. Такие параметры, по утверждению Рособоронэкспорта, позволяют поражать системы наведения и электронное оборудование высокоточных боеприпасов и управляемых ракет на расстоянии до 10 км, обеспечивая круговую оборону в секторе от 0 до 60 градусов по вертикали и на 360 градусов по горизонтали (при условии отсутствия визуальных преград).
В феврале 2007 г. член президиума РАН академик В. Е. Фортов дал интервью агентству ИТАР-ТАСС. В нем он сообщил следующее: «Работы, проведенные под руководством академика Геннадия Месяца, позволили создать генераторы, испускающие очень короткие и мощные импульсы. Их пиковая мощность достигает миллиардов ватт, что сопоставимо с мощностью энергоблока АЭС. Это более чем в 10 раз превышает зарубежные достижения. Эти разработки позволят создать радиолокаторы куда большей мощности, чем существующие. С помощью новых генераторов можно имитировать помехи, возникающие от ядерного взрыва или удара молнии. Это дает возможность проверить энергетические объекты на устойчивость. Кроме того, на Западе ведутся разработки, которые позволяют электромагнитным импульсом подавить средства прицеливания, связи и управления. Достижения российских ученых могут быть использованы для создания аналогичного оружия в нашей стране».
В России на разработку и производство систем нападения и защиты, использующих источники электромагнитного излучения, из Госпрограммы вооружения на 2011–2020 гг. выделено 3,2 триллиона рублей. Такое финансирование вызвало настоящий бум среди разработчиков и изготовителей этого оружия.
В 2014 г. в России был создан и успешно испытан на полигоне комплекс для подавления вражеской электроники под названием «Алабуга», представляющий собой ракету, на которой в качестве боевой части используется генератор высокочастотных колебаний большой мощности. Генератор включается на высоте 200–300 метров над позициями противника и эффективно поражает его электронику в радиусе до 3,5 километров.
Окончание следует
Статья была опубликована в майском номере журнала "Наука и техника" за 2017 год
