Libor DRAŽAN Katedra radiolokace Fakulta vojenských technologií Univerzita obrany

1

Libor DRAŽAN

Katedra radiolokaceFakulta vojenských technologií

Univerzita obrany

[email protected]

Elektromagnetické zbraně, mýtus nebo fungující realita

PERSPEKTIVY ELEKTRONIKY 2011

mailto:[email protected]

2

Obsah přednášky

1.Mechanismus působení a základní princip činnosti elektromagnetických zbraní

2.Možnosti bojového použití elektromagnetických zbraní

3.Způsoby ochrany elektronických obvodů před účinky elektromagnetických zbraní

3

Elektromagnetické zbraně zbraně se směrovanou energií (DEW – Directed Energy Weapons)využívají k transformaci energie určené k destrukci vybraného cíle

subatomové částice nebo elektromagnetické vlny.

1. Mechanismus působení a základní princip činnosti elektromagnetických zbraní

•Zbraně s paprsky částic

•Laserové zbraně

•Zdroje výkonového vyzařování v pásmu rádiových vln ( kmitočtové pásmo – stovky kHz až 1 GHz)

•Zdroje výkonového vyzařování v pásmu mikrovln ( kmitočtové pásmo – 1GHz až 300 GHz )

4

Laserové zbraně


CO2 dynamický plynový laser na

podvozku MAZ-7930

5

Laserové zbraně


YAL-1A ABL

US Army Tactical High Energy Laser (THEL)

MIRACL deuterium fluoride laser

6

Mechanismus působení elektromagnetických zbraní

•Generování elektromagnetického impulsu (EMP) velké intenzity ( bez nutnosti použití jaderného výbuchu )

•Vliv EMP na citlivé elektronické obvody ( zejména polovodičové)

•Dočasné nebo trvalé poškození elektronických obvodů

•Důsledkem jsou výpadky činnosti celých systémů

Elektromagnetické zbraně patří do kategorie neletálních zbraní – snížené smrtící účinky


7


Obecné funkční schéma elektromagnetické zbraně

Primárnízdroj

Zdroj VN impulsů

Generátor rádiových vln nebo mikrovln

Anténa

Spouštěcí obvody

8

2. Možnosti bojového použití elektromagnetických zbraní

Bojové použití elektromagnetických zbraní

Závisí na •Způsobu akumulace energie•Šířce pásma generovaného

signálu•Výkonu generovaného signálu•Režimu činnosti zbraně•Charakteru nosiče•Charakteru cíle

9


Klasifikace podle způsobu akumulace energie

•Kapacitní

•Induktivní

•Magnetokumulativní generátor

10

2. Možnosti bojového použití elektromagnetických zbraníKlasifikace podle způsobu akumulace energie

Kapacitní akumulace energie

Marxův rázový generátor

11


Kapacitní akumulace energie

12


Induktivní akumulace energie

SpínačLC

ZdrojZátěžVypínač

13


Magnetokumulativní generátor

14


Magnetokumulativní generátor - malý výkon

15


Magnetokumulativní generátor – střední výkon

1

2

3

4

16


Magnetokumulativní generátor – střední výkon

17


Klasifikace podle šířky pásma generovaného signálu

•Úzkopásmové ( impulsy na nosném

kmitočtu )

•Širokopásmové ( videoimpulsy B-10dB > 500 MHz )

•Tlumené kmity (tlumené sinusové kmity v

pásmu do 1 GHz )

18



19



Úzkopásmové

Primárnízdroj

Zdroj VN

impulsů Tvarovací

obvody

Výkonová elektronka

Spouštěcí obvody

Anténa

20



Úzkopásmové HPM generátory

•MILO (Magnetically Izolated Line Oscillator)

•Kónický MILO (Tapered Magnetically Izolated Line Oscillator)

•Relativistický magnetron

•Relativistický klystronový zesilovač (Relativistic Klystron Amplifier – RKA)

•Relativistický klystronový oscilátor (Relativistic Klystron Oscillator – RKO)

•Reltron

•Gyrotron

•Elektronka s postupnou vlnou (Traveling Wave Tube – TWT)

•Oscilátor se zpětnou vlnou (Back Wave Oscilator – BWO)

•Vircator (Virtual Cathode Oscillator)

21



Širokopásmové

Primárnízdroj

Zdroj VN impulsů

Rychlýspínací prvek

Širokopásmováanténa

Spouštěcí obvody

22



Širokopásmové – podstatné prvky systému

Spínače •Plynová jiskřiště

•Kapalinová jiskřiště

•Polovodičové spínače

Antény•Speciální reflektorové antény (např. IRA)

•Trychtýře s TEM vlnou

•Spirálové antény

•Anténní monopól

•Bikónická anténa

23




IRA: Pásmo vyzařování - 40 MHz až 4 GHzIntenzita el. pole ~ 5 kV/m ve vzdálenosti 300m

24




Fotovodivé polovodičové spínače (Photoconductive Semiconductor Switch - PCSS)

25



Tlumené kmity

Primárnízdroj

Zdroj VN impulsů

Rychlýspínací prvek

Širokopásmováanténa

Spouštěcí obvody

26



Tlumené kmity

27


Výkon generovaného signálu

•Maximální dosahované hodnotygenerovaného výkonu

•Maximální hodnota výkonu přenesená prostředím

28



Maximální dosahované hodnoty generovaného výkonu

•Úzkopásmové generátory

– maximálně 20 GW,

– běžně jednotky GW

•Širokopásmové generátory

– maximálně 100 GW,

29



Maximální hodnota výkonu přenesená prostředím

Omezující faktor – elektrická pevnost vzduchu

Emax< 1 MV/m S = 2,65 GW/m2

Minimální plocha apertury antény

Příklad:

Přechod mezi vakuem a vzduchem

Obdélníkový vlnovod (12,4 cm x 24,8 cm) – Pmax = 81,5 MW

30


Klasifikace podle režimu činnosti

•Jednorázová činnost

•Opakovaná činnost – opakovací kmitočet až 10000 imp/s

31


Klasifikace podle charakteru nosiče

•Stacionární

•Převozné

•Mobilní

•Přenosné

•Elektromagnetická munice

32

2. Možnosti bojového použití elektromagnetických zbraníKlasifikace podle charakteru nosiče

Stacionární

33


Převozný

R = 1 km, S = 40 kW/m2 , E = 3,8 kV/m

34


Mobilní

35


Mobilní – RANETS E (Rusko)

Pimp = 500 MW, Ti = 10 až 20 ns, Top = 500 Hz, Pstř = 2,5 až 5 kW G = 45 až 50 dB v pásmu X

36


Mobilní – RANETS E (Rusko)

37


Přenosný

DS110 Suitcase

DS110T

DS110D

38


Elektromagnetická municeOptimalizace z hlediska hmotnosti a rozměrů

•Zdroj impulsů vysokého napětí magnetokumulativní generátor

•Úzkopásmová elektromagnetická munice - mikrovlnné generátory pracující bez externího magnetického pole

- trychtýřové antény, víceramenné spirálové antény

- pro zvýšení zisku padákový reflektor

•Širokopásmová elektromagnetická munice - skládací širokopásmové antény ( např. CIRA)

•Tlumené kmity

- bikónická anténa

39


Elektromagnetická munice

DS110C

Příklad realizace generátoru – tlumené kmity

40



Způsoby dopravy k cíli

•Střely s plochou dráhou letu•Rakety země-země, země-vzduch, vzduch-země•Konvenční letecké pumy•Klouzavé letecké pumy – dosah až 140 km při

odhozu z velké výšky•Dělostřelecká munice•Miny

Odpálení bojové nálože•Konvenčními způsoby•Přijímač GPS při dosažení požadované polohy

41



Napájecí zdroj

Napájecí zdroj

Primární zdroj

Dvoustupňový magnetokumulativní

generátor

1.stupeň 2.stupeň

Tvarovací obvody

vircator

Anténa

42


Charakter cíle

•Způsob průniku destrukční energie do cíle

•Odolnost cíle proti účinkům elektromagnetických zbraní

43


Charakter cíle

Způsob průniku destrukční energie do cíle

Předními dveřmi – průnik přes anténní vstupy a čidla senzorických systémů

Zadními dveřmi – průnik přes elektrické spoje a kabely, napájecí kabely, datové sběrnice, konektory Pásma cm a mm vln – průnik přes ventilační otvory a štěrbiny způsobené chybným konstrukčním návrhem nebo provedením

44


Charakter cíle

Odolnost cíle proti účinkům elektromagnetických zbraní

i

tS H

HK

i

tS E

EK

t

i

S E

E

KSE log20

1log20

t

i

H

HSE log20

Koeficient stínění

[dB]

[dB]

Účinnost stínění

45


Charakter cíle

Odolnost cíle proti účinkům elektromagnetických zbraní

Účinnost stínění [dB]

Kategorie - hodnocení

0 ÷ 10 Nedostatečné stínění.

10 ÷ 30 Stínění pro minimální požadavky.

30 ÷ 60 Stínění dostačující pro většinu běžných požadavků.

60 ÷ 90 Velmi dobré stínění.

90 ÷ 120 Vysoce kvalitní stínění.

46


Dosah působení elektromagnetických zbraní

•Stacionární, převozné, mobilní,přenosné

•Elektromagnetická munice

Závisí zejména na druhu použitého nosiče a kategorii zbraně

Maximální vzdálenost, na které je schopna elektromagnetická zbraň způsobit vyřazení

elektroniky cíle z činnosti

47



Stacionární, převozné, mobilní, přenosné

Šikmá dálka

•Intenzita pole v místě cíle•Odolnost cíle

Vyzařovací charakteristika

Šířka vyzařovací charakteristikyJednotky stupňů a méně

48




Dosah nosiče

Dos

ah

zbra

ně

desítky až stovky metrů

šířka vyzařovací charakteristiky do 40 o

49


Příklady konkrétních aplikací elektromagnetických zbraní

•Ochrana objektů proti elektronicky naváděným zbraním

•Ochrana konvojů

•Policejní aplikace

•Likvidace min

•Výběr cílů pro elektromagnetické zbraně

50



Ochrana objektů proti naváděným zbraním

51



Ochrana objektů proti naváděným zbraním

Vigilant EagleRaytheon

52



Ochrana konvojů

Bomba ve vozidleovládaná rádiem

UWB rušič

Ovládací vodič

Mina s přibližovacím zapalovačem

Nepřátelský pozorovatel

DS generátor pro neutralizaci min

IED

53



Policejní aplikace

54



Likvidace min

55


Výběr cílů pro elektromagnetické zbraně

Vojenské síly v poli

obyvatelstvo

Přepravní a spojovacíinfrastruktura

Ekonomickáinfrastruktura

Vedenířízení

Finance, bankypodniky

Cestovní a traťová signalizacezapalovací systémy

Radio a TV přijímače, počítačemobilní telefony

Zabudované počítače, podpůrnéprostředky, polní C3

56

3. Možnosti ochrany elektronických zařízení proti účinkům elektromagnetických zbraní

•Průnik předními dveřmi

speciální polovodičové ochrany s reakční dobou několika pikosekund•Průnik zadními dveřmi

Napájecí a datová vedení – bleskojistky, varistory, Zenerovy diody a supresorové diody.

Větrací a technologické otvory v šasi – elektrické a magnetické stínění pro předpokládané pásmo kmitočtů

Ochrana před účinky elektromagnetických zbraní

57

Děkuji za pozornost

Documents

Libor DRAŽAN Katedra radiolokace Fakulta vojenských technologií Univerzita obrany