Author: Куприянов А.И. Добыкин В.Д. Пономарев В.Г. Шустов Л.Н.
Tags: наземные средства транспорта (кроме рельсовых) общая радиотехника военная техника военное дело электромагнитное оружие
ISBN: 978-5-9502-0244-5
Year: 2007
Text
В.Д. ДОБЫКИН, А.И. КУПРИЯНОВ,
В.Г. ПОНОМАРЕВ, Л.Н. ШУСТОВ
РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ БОРЬБА
Силовое поражение
радиоэлектронных систем
Москва
«Вузовская книга»
2007
УДК 629.396.966
ББК 32.84
Д55
Рецензент:
заслуженный деятель науки РФ, д-р воен, наук, проф. В.И. Мухин
Добыкин В.Д., Куприянов А.И., Пономарев В.Г., Шустов Л.Н.
Д55 Радиоэлектронная борьба. Силовое поражение радиоэлектрон-
ных систем / В.Д. Добыкин, А.И. Куприянов, В.Г. Пономарев,
Л.Н. Шустов; Под ред. А.И. Куприянова. — М.: Вузовская книга,
2007. — 468 с.: ил.
ISBN 978-5-9502-0244-5
Рассматриваются теоретические основы силовых методов радиоэлект-
ронной борьбы в условиях крайнего проявления конфликта в информацион-
ном пространстве. Излагаются принципы построения устройств силового
поражения информационных систем, работающих в электромагнитных и
акустических полях. Приводятся варианты построения устройств и систем
радиоэлектронной борьбы.
Для специалистов в области информационной и прежде всего радио-
электронной борьбы. Может быть полезна преподавателям, аспирантам и
студентам вузов.
УДК 629.396.966
ББК 32.84
ISBN 978-5-9502-0244-5
© Добыкин В.Д., Куприянов А.И.,
Пономарев В.Г., Шустов Л.Н., 2006
© ЗАО «Издательское предприятие
«Вузовская книга», 2007
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.............................................7
ПРЕДИСЛОВИЕ...................................................9
ВВЕДЕНИЕ..................................................... 12
Часть 1. ПОРАЖЕНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ И
СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ.............................15
Глава 1. Электромагнитное оружие функционального поражения...16
1.1. Принцип действия и применение оружия функционального
поражения................................................. 16
1.2. СВЧ-оружие функционального поражения многоразового
применения.................................................29
1.3. СВЧ-оружие функционального поражения одноразового
применения.................................................32
1.4. Уравнение функционального поражения...................37
1.5. Критические энергетические уровни функционального
поражения электронных устройств............................42
Глава 2. Физические основы функционального поражения
электронных средств..........................................44
2.1. Воздействие сильных электромагнитных полей на вещества.44
2.2. Воздействие мощного импульсного электромагнитного
излучения на элементы радиоэлектронных систем..............45
2.2.1. Воздействие электромагнитных полей на металлы......46
2.2.2. Воздействие электромагнитных полей на диэлектрики...47
2.2.3. Воздействие сильных электромагнитных полей
на полупроводники.........................................50
2.3. Влияние конструктивных, технологических и схемных
особенностей и особенностей элементной базы
радиоэлектронных систем на критические уровни
функционального поражения................................ 58
2.4. Тепловое поражение полупроводниковых приборов
электромагнитными импульсами...............................77
2.4.1. Модель поражения Вунша — Белла.....................78
2.4.2. Модель поражения на основе зависимости температуры нагрева
от мощности и длительности электромагнитного импульса.....80
1лава 3. Источники сильных электромагнитных полей
естественной и техногенной природы...........................93
3.1. Источники мощных электромагнитных полей...............93
3.2. Грозы.................................................98
3.2.1. Виды и физические механизмы грозовых воздействий
на радиоэлектронную аппаратуру...........................116
3.2.2. Оценка грозовой электромагнитной обстановки........118
3.2.3. Характерные виды грозовых повреждений..............123
4
Содержание
3.2.4, Количественные показатели грозовых повреждений
радиоэлектронной аппаратуры.................................127
3.3. Воздействие на радиоэлектронные системы излучений
высокопотенциальных радиолокационных станций..................133
3.4. Воздействие на радиоэлектронную аппаратуру излучений
техногенного происхождения....................................136
3.4.1. Высоковольтные линии электропередачи................136
3.4.2. Контактная сеть железных дорог......................137
3.4.3. Высоковольтные установки............................139
3.5. Электромагнитный импульс ядерного взрыва................139
3.5.1. Виды поражения радиокомпонентов электромагнитными
импульсами ядерных взрывов..................................142
3.5.2. Оценка воздействия электромагнитного импульса
ядерного взрыва на радиоэлектронную аппаратуру..............144
3.5.3. Учет особенностей воздействия электромагнитного
импульса ядерного взрыва....................................144
3 5 .4 Учет показателей и критериев......................146
Глава 4. Одноразовые средства функционального поражения........149
4.1. Взрывомагнитные генераторы..............................149
4.2. Физические принципы получения высокоэнергетических
электромагнитных полей.......................................150
4.3. Преобразование энергии электромагнитного поля
при взрывном сжатии..........................................155
4.4. Энергетические характеристики
взрывомагнитного генератора..................................160
4.5. Электромагнитное оружие на основе
взрывомагнитного генератора..................................163
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения....170
5.1. Назначение и задачи многоразовых СВЧ-средств
функционального поражения....................................171
5.2. Возможности многоразовых средств функционального
поражения....................................................172
5.3. Состав многоразовых СВЧ-средств функционального
поражения....................................................175
5.4. Генераторы сверхмощных СВЧ-импульсов....................178
5.5. Сильноточные электронные ускорители.....................181
5.5.1. Схемы сильноточных электронных ускорителей..........183
5 5.2 Генераторы мощных импульсов....................... 186
5.5.3. Диоды с взрывной эмиссией электронов................196
5.6. Электродинамические системы.............................201
5.7. Вакуумные сверхмощные СВЧ-генераторы....................204
5.7. 1.Черенковские генераторы.............................205
5.7. 2. Многоволновый черенковский генератор...............206
5.7 3. Гиротроны...........................................213
5.8. Плазменные сверхмощные СВЧ-генераторы...................218
5.9. Виркатор................................................225
Содержание
5
5.10. Магнитоизолированный линейный генератор................232
5.11. Генератор мощных сверхширокополосных импульсов.........234
5.12. Антенны установок функционального поражения............237
Глава 6. Лазерные средства функционального поражения...........250
6.1. Принцип действия лазера.................................251
6.2. Особенности применения лазера...........................254
6.3. Оценка поражающего действия лазера......................257
6.4. Типы лазеров............................................261
Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов
в атмосфере Земли..............................................271
7 1. Поглощение СВЧ-энергии газовой средой тропосферы......271
7.2. Оценка поглощения СВЧ-излучения водяными парами.........273
7.3. Оценка поглощения СВЧ-излучения кислородом..............276
7.4. Анализ пробойных явлений при прохождении мощного
СВЧ-излучения через приземный слой атмосферы.................277
7.4.1. Критерии пробоя при действии
непрерывного СВЧ-излучения..................................278
7.4.2. Критерий пробоя при действии импульсного СВЧ-излучения... 281
7.4.3. Критерий пробоя атмосферы в сильных полях
коротких СВЧ-импульсов.................................... 288
Глава 8. Пути проникновения мощного СВЧ-излучеиия
к поражаемым элементам радиоэлектронных систем...........295
8 1. Воздействие СВЧ-излучения на антенно-фидерные системы..295
8 2. Ослабление электромагнитных полей экранами.............295
8.3. Корпуса-экраны радиоэлектронных систем в поле
электромагнитных импульсов..................................303
8.4. Ослабление электромагнитных импульсов
неферромагнитными корпусами-экранами....................... 306
8.5. Ослабление электромагнитных импульсов корпусами-экранами
из магнитных материалов.....................................308
8.6. Многослойные корпуса-экраны радиоэлектронных средств....310
8.7. Экранирование импульсных электромагнитных полей
неметаллическими оболочками.................................311
8.8. Непрерывность электромагнитного экрана..................313
Часть 2. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПОРАЖЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ.....................................................317
Глава 9. Акустические средства функционального поражения.......318
9.1. Акустическое оружие.....................................318
9.2. Акустические волны .....................................320
9 3. Энергетические характеристики акустических волн.........329
9.4. Ослабление акустических волн............................332
9.5. Когерентность акустических волн.........................335
9 6 Акустические излучатели............................. .. . . 342
9 6 1. Одиночные излучатели................................ 342
9.6.2. Системы излучателей..................................350
6
Содержание
Глава 10. Особенности акустического поражения объектов
волнами разных диапазонов...................................360
10.1. Инфразвуковые волны.................................360
10.2. Слышимый звук.......................................365
10.3. Ультразвук..........................................370
10.4. Устройства акустического функционального поражения..373
10.4.1. Одноразовые устройства акустического поражения...374
10.4.2. Многоразовые устройства акустического поражения..378
10.5. Эффективность акустического поражения...............382
10.6. Маскировка звуковых сигналов........................383
Часть 3. ПОРАЖЕНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ
СИСТЕМ РАКЕТАМИ, САМОНАВОДЯЩИМИСЯ
НА ИСТОЧНИК РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ...........................387
Глава 11. Высокоточное оружие против радиоэлектронных систем.388
11.1. Противорадиолокационная ракета как объект управления.393
11.1.1. Управление с помощью аэродинамических сил........397
11.1.2. Управление с помощью реактивных сил и моментов....400
11.2. Оптимизация алгоритма управления движением
противорадиолокационной ракеты.............................401
11.3. Структура и состав аппаратуры головки самонаведения
противорадиолокационной ракеты.............................405
11.3.1. Функциональная схема системы самонаведения
со стабилизированной антенной............................405
11.3.2. Функциональная схема системы самонаведения
со следящим гироприводом.................................411
11.3.3. Функциональная схема системы самонаведения
с автоследящей антенной и скоростной коррекцией.........414
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет...418
12.1. Построение пеленгаторов пассивных радиоголовок
самонаведения.............................................418
12.2. Антенны головок самонаведения
противорадиолокационных ракет.............................423
12.2.1. Принципы конструирования широкополосных антенн...424
12.2.2. Антенные системы противорадиолокационных ракет...430
12.3. Обтекатели антенн радиоголовок самонаведения........431
12.3.1. Условия работы антенных обтекателей
противорадиолокационных ракет...........................431
12.3.2. Оптимизация остроконечных обтекателей
противорадиолокационных ракет
по коэффициенту прохождения.............................439
12.3.3. Компенсация угловых ошибок.......................440
12.3.4. Обтекатели на совмещенные волны
инфракрасного и радиодиапазонов.........................442
12.4. Приемники радиоголовок противорадиолокационных ракет.444
12.5. Пролонгаторы пассивных радиоголовок самонаведения...452
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................458
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................459
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ЛФАР — активная фазированная антенная решетка
АРУ — автоматическая регулировка усиления
1>ПФ —быстрое преобразование Фурье
ВАХ — вольтамперная характеристика
В В —взрывчатое вещество
В ВТ —вооружение и военная техника
ВМГ —взрывомагнитный генератор
ВТО —высокоточное оружие
ВЭЭ —взрывная эмиссия электронов
ГСН —головка самонаведения
ДНА —диаграмма направленности антенны
ДПЛА — дистанционно пилотируемый летательный аппарат
ЗРК — зенитно-ракетный комплекс
ЗУР — зенитные управляемые ракеты
ИС —интегральные схемы
ИМС —интегральные микросхемы
КВВ —конденсированные взрывчатые вещества
КНД —коэффициент направленного действия
КОЭП —комплекс оптико-электронного поражения
КПД —коэффициент полезного действия
КУП — критический уровень поражения
ЛА —летательный аппарат
ЛВВ — лампа бегущей волны
ЛО —лазерное оружие
ЛОВ —лампа обратной волны
ЛЯП —линия электропередачи
МВЧГ —многоволновый черенковский генератор
МОП — металл — окисел — полупроводник
НГМД —накопитель на магнитных дисках
ПЗРК —переносные зенитно-ракетные комплексы
IIPP —противорадиолокационная ракета
114 —промежуточная частота
РГС —радиоголовка самонаведения
РЛС —радиолокационная система (станция)
РР —радиоразведка
РТР —радиотехническая разведка
8
Список сокращений
РЭА —радиоэлектронная аппаратура
РЭБ — радиоэлектронная борьба
РЭП —радиоэлектронное подавление
РЭС —радиоэлектронные средства (системы)
САП —станция активных помех
СЭУ —сильноточный электронный ускоритель
СВЧ —сверхвысокие частоты
СВЧО —сверхвысокочастотное оружие
ТШ — транзистор Шотки
УР —управляемая ракета
УРЧ —усилитель радиочастоты
УСП —управляемые средства поражения
ФАР — фазированная антенная решетка
ФП —функциональное поражение
ФПВК — функция пространственно-временной когерентности
ФЦУ —формуляр целеуказания
ЭВП —электрический взрывной прерыватель
ЭЛТ — электронно-лучевая трубка
ЭМБ —электромагнитный боеприпас
ЭМВ —электромагнитные волны
ЭМИ —электромагнитный импульс
ЭМО —электромагнитное оружие
ЭМП —электромагнитное поле
ЭПР — эффективная поверхность рассеяния
ЭС —электронные средства
ПРЕДИСЛОВИЕ
Мощный технологический npoipecc последних десятилетий обусловил
многие качественные изменения в технике информационных систем во-
обще и в радиоэлектронных системах (РЭС) в частности. Эти изменения
нс оставили в стороне формы и содержание проявлений диалектических
противоречий, складывающихся между радиоэлектронными системами и
внешней средой, в которой эти системы функционируют. Ранее движу-
щей силой развития и совершенствования теории и техники информаци-
онных систем было их конфликтное взаимодействие с природой. Но при-
рода, по меткому афористичному замечанию А. Эйнштейна, «изощренна,
НО не злонамеренна». Поэтому к концу XX века, накопив опыт и знания
о законах природы, инженеры вооружились конструктивными теориями,
такими как теория передачи информации, теория потенциальной помехо-
устойчивости и статистическая теория РЭС. Основываясь на этих и других
теориях, а также используя обширный накопленный практический опыт
проектирования и эксплуатации технических систем, инженеры получи-
ли возможность создавать РЭС с характеристиками и показателями, весьма
близкими к потенциально достижимым в любых конкретных условиях
проявления информационного конфликта с природой. Можно сказать, что
в настоящее время природа довольно слабо сопротивляется стремлениям
Человечества использовать искусственные технические и информационные
системы во всех видах и отраслях своей деятельности. Развиваясь и со-
вершенствуясь, человечество научилось наделять создаваемые информа-
ционные системы свойствами максимальной, потенциально достижимой
эффективностью функционирования.
Но начиная со второй половины XX века условия функционирования
РЭС существенно изменились. К этому времени противоречия и конф-
ликты, сопровождающие развитие цивилизации, вышли за пределы тер-
риторий и акваторий. Сфера конфликтов захватила воздушное, водное и
космическое пространства. И, что не менее важно, ареной противоречий
и, как следствие, конфликтов стало пространство информационное, в
котором функционируют радиоэлектронные системы.
Конец XX века принес еще один вызов цивилизации людей на планете
Земля. Это вызов со стороны террористических трупп и объединений, не
ограниченных территориальными пространствами стран и их государствен-
ными траницами, не сдерживаемых моральными установками и традици-
ями, правовыми нормами.
10
Предисловие
Особо важную роль такое противоборство стало играть в военной сфе-
ре. Наглядной иллюстрацией этого положения служат войны и вооружен-
ные конфликты последних десятилетий XX века. Их анализ со всей оче-
видностью свидетельствует о том, что ход и исход современных военных
действий любого масштаба наряду с другими факторами во многом опре-
деляются искусством ведения противоборства в информационной сфере
и, в частности, радиоэлектронной борьбы (РЭБ).
Вооруженная борьба в информационном пространстве предполагает
использование специфического оружия. Наступательное оружие направ-
лено селективно против информационных средств, систем и сетей про-
тивника. Оборонительное информационное оружие направлено против
наступательных информационных средств, технической базой функцио-
нирования которых в настоящее время и в обозримом будущем являются
радиоэлектронные и акустические системы.
Разумеется, как формы проявления информационного конфликта, так
и средства, используемые при информационном противоборстве, весьма
разнообразны. Различным аспектам информационных конфликтов и РЭБ
посвящена обширная и едва ли обозримая литература на языках всех стран,
развитых в промышленном и военном отношении. В этой книге обсужда-
ется только одна, очень ограниченная, но, как отмечают многие авторы,
важная ipynna вопросов РЭБ. А именно — вопросов, возникающих в свя-
зи с возможностью поражения РЭС и средств мощными излучениями
электромагнитных и акустических полей, а также высокоточным оружи-
ем, оснащенным пассивными средствами самонаведения на источники
радиоизлучения.
Применение такого оружия, селективно направленного против радио-
электронных средств, как правило, не приводит к катастрофическим разру-
шениям и невосполнимым потерям. Такое оружие лишает радиоэлектрон-
ные устройства возможности нормального, штатного функционирования
(точнее, снижает их эффективность, вплоть до крайней степени — до вы-
хода из строя). Поэтому используется иное общее собирательное наимено-
вание для таких силовых средств радиоэлектронной борьбы. Они называ-
ются средствами функционального поражения [60, 83, 95, 109, 118 и др.].
И хотя такое название в некоторой степени противоречит терминоло-
гической традиции, в соответствии с которой поражение определяется по
тому, какие средства их наносят (огнестрельные поражения, артиллерий-
ские, ракетные, химические, радиационные и т. д.), название «функцио-
нальное поражение» (ФП) довольно широко используется в кругу специа-
листов, и авторы пользуются правом применять его.
Предисловие
И
Специфика сложной комплексной проблемы РЭБ вообще и пробле-
мы техники ФП в частности такова, что далеко не все их аспекты могут
налагаться и обсуждаться с одинаковой степенью подробности в обще-
доступной литературе. Разумеется, в настоящее время в силу изменений
Известных политических, экономических и социальных факторов многие
проблемы, задачи и технические решения в области РЭБ и техники средств
ФП открылись (или, скорее, «приоткрылись»). Многое стало открыто
обсуждаться в расширившихся кругах специалистов и вообще заинтере-
сованных лиц. Но тем не менее в целом предметная область функциональ-
ного поражения радиоэлектронных систем и средств содержит еще очень
Много деликатных тем и вопросов, не позволяющих рассматривать их с
одинаковой степенью подробности в книге, адресованной широкому кругу
читателей. Авторы, работая над этой книгой, не выходили за рамки све-
дений, содержащихся в открытых широкому читателю публикациях, стре-
мясь лишь к их систематизации и критическому осмыслению. Потому
ипторы надеются, что благосклонный читатель найдет указанное обстоя-
тельство извинительным и не будет сурово осуждать книгу за неполноту
И непоследовательность.
Авторы считают своим приятным долгом поблагодарить уважаемого
рецензента заслуженного деятеля науки РФ, доктора военных наук, про-
фессора В.И. Мухина, а также всех, кто принял участие на разных этапах
подготовки книги и способствовал улучшению качества ее формы и со-
держания.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время и в перспективе основным направлением повы-
шения боевого потенциала развитых в военно-техническом отношении
государств является качественное совершенствование вооружений и воен-
ной техники (ВВТ) на основе развития средств и систем разведки, связи,
навигации, управления, радиоэлектронного подавления (РЭП), т. е. на
основе информатизации всех сфер вооруженной борьбы. В связи с этим
в развитых государствах происходит пересмотр тех концепций военного
строительства, в которых основная ставка делалась на развитие традици-
онных видов ВВТ. Следствием роста зависимости войск (сил) и оружия
от широко внедряемых и используемых электронных средств (радиотех-
нических, оптоэлектронных, вычислительных), обеспечивающих инфор-
матизацию, является повышение роли радиоэлектронной борьбы. Радио-
электронная борьба — борьба в информационном пространстве —
в последние годы активно выходит за традиционные рамки обеспечения
боевых действий, оказывая значительное влияние на ход и исход боевых
операций.
Как показал опыт локальных войн во Вьетнаме, на Ближнем Восто-
ке, в Югославии и Ираке, в результате применения традиционных средств
РЭБ в операциях и боевых действиях боевые возможности сухопутных
войск повышаются в 1,5 раза, потери самолетов снижаются в 4...6 раз,
кораблей — в 2...3 раза [39]. Такое снижение потерь является достаточно
близким к предельно достижимому в среднем уровню для традиционных
средств радиоэлектронного подавления. При этом стоимость техники РЭБ
по отношению к стоимости основных видов вооружений составляет 5...8%.
Таким образом, использование техники РЭБ чрезвычайно выгодно в
военно-экономическом отношении. Однако в оперативно-тактическом
отношении требования к эффективности РЭБ существенно выше.
Все вышеизложенное подчеркивает актуальность проблемы изыска-
ния новых путей снижения эффективности радиоэлектронных средств и
систем потенциального противника. Одним из таких путей является со-
здание электромагнитного оружия (ЭМО) функционального поражения.
Среди различных видов ЭМО [38] наибольшее развитие получило
сверхвысокочастотное оружие (СВЧО) и лазерное оружие (ЛО). Эффект
воздействия СВЧ-излучения, приводящий к ухудшению характеристик
электронных средств, необратимому или временному выводу их из строя,
получил наименование ФП.
Введение
13
Установлено, что наиболее чувствительны к воздействию лазерного и
СВЧ-излучения полупроводниковые приборы и интетральные микросхе-
мы (ИМС), все элементы и межсоединения которых выполнены в объеме
и на поверхности кристалла полупроводника. Поэтому полупроводнико-
вые приборы и микросхемы — главные объекты поражения электромаг-
нитным излучением.
Первое упоминание о боевом применении СВЧО функционального
поражения относится к 1991 году, когда во время первой войны с Ираком
США использовали крылатые ракеты «Томагавк», оснащенные мощны-
ми электромагнитными излучателями вместо боевых частей (БЧ). В марте
1999 года страны НАТО применяли СВЧО в войне с Югославией, а 26 мар-
та 2003 года — во время второй войны с Ираком. Это оружие было впервые
использовано США для поражения иракских объектов управления, насы-
щенных электронной техникой, электротехническим оборудованием и ка-
бельными системами [152].
По оценкам западных военных экспертов, использование СВЧО функ-
ционального поражения против автоматизированных систем связи, уп-
равления, контроля и разведки в перспективе будет более эффективным
и экономичным способом их поражения по сравнению с обычным не-
ядерным оружием и позволит решать военные задачи меньшими силами.
В 2002 году на выставке авиационной техники в Берлине отечественная
промышленность представила лазерную систему для постановки помех для
защиты летательных аппаратов от ракет с инфракрасными головками са-
монаведения [Ш]. Основу системы составляет химический лазер, исполь-
зующий энергию, которая выделяется при взаимодействии дейтерия с
фтором. Вероятность подавления головок самонаведения (ГСН) полуто-
рнсекундным лазерным залпом оценивается как -0,8 [111].
Важно отметить, что лазер работает в диапазоне 3,8 мкм, а на эту волну
приходится окно прозрачности земной атмосферы в оптическом диапа-
зоне волн. Отсюда следует, что существуют хорошие возможности нара-
щивания излучаемой лазером мощности и превращения его в ЛО функ-
ционального поражения.
ФП может быть обеспечено также с помощью акустического оружия.
Особо следует подчеркнуть воздействие инфразвукового оружия на био-
югические объекты. Еще в начале прошлого века французский ученый
В. Тавро, исследуя влияние инфразвуковых колебаний на организм чело-
века, пришел к заключению о том, что различные части нашего тела пред-
тавляют собой своеобразные резонаторы, настроенные на определенные
частоты. Так, например, сердце настроено на звук частотой около 6 Гц,
Глаз — 40... 100 Гц, голова — 20...30 Гц и т. д. [4].
14
Введение
Оказавшись в зоне воздействия источника излучения, наши органы
начинают вибрировать, увеличивая амплитуду собственных колебаний, что
приводит к физическим и психическим нарушениям в организме (боле-
вые ощущения, рвота, безотчетные приступы страха, нарушение психо-
моторных функций и т. д.). Сосредоточенная в узком телесном угле аку-
стическая энергия («акустическая пуля») при некотором критическом
значении мощности способна вызывать временную потерю дееспособно-
сти человека и нарушения функционирования электронных датчиков ин-
формации.
Главные успехи, достигнутые в области создания источников мощно-
го лазерного и СВЧ-излучения на базе достижений релятивистской плаз-
менной электроники, делают реальной задачу разработки в недалеком
будущем ЭМО кинетического поражения (подобного знаменитому гипер-
болоиду инженера Гарина). Своеобразное промежуточное положение
между ЭМО функционального поражения и ЭМО кинетического пора-
жения занимает управляемое оружие, наводимое на источники электро-
магнитного излучения. Это ракеты класса «воздух—РЛС», занимающие
важное место в наступательной радиоэлектронной борьбе. По указанной
причине таким ракетам в книге тоже уделено значительное место.
ЧАСТЬ 1
ПОРАЖЕНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
И СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ
ГЛАВА 1
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ОРУЖИЕ
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОРАЖЕНИЯ
1.1. Принцип действия и применение оружия
функционального поражения
Военная энциклопедия [38] определяет электромагнитное оружие как
оружие, поражающим фактором которого является мощный поток электро-
магнитных волн радиочастотного (СВЧО), когерентного оптического (ЛО),
некогерентного оптического или рентгеновского (рентгеновский лазер с
ядерной накачкой) излучения. Во многих публикациях к ЭМО относят
только то, частотный спектр излучения которого соответствует диапазону
радиоволн [38].
Современный уровень развития техники не позволяет создать СВЧО,
способное обеспечить физическое уничтожение выбранных объектов.
Однако мощное СВЧ-излучение может оказывать специфическое деструк-
тивное воздействие на электронные элементы средств и систем. Такое
воздействие именуется функциональным поражением. Совокупность ге-
нератора мощного излучения, специального источника питающего напря-
жения и подсистемы информационного обеспечения (средства разведки)
принято называть сверхвысокочастотным оружием функционального
поражения (СВЧО ФП).
В литературе используются также термины «микроволновое» или «лу-
чевое» оружие.
Появление и развитие СВЧО ФП в XXI веке обусловлено главным
образом тремя причинами.
Во-первых, в современном мире наблюдается диалектическое проти-
воречие: конфликт между радиоэлектронными средствами защиты и по-
ражения в рамках РЭБ.
Во-вторых, на современном этапе развития цивилизация вступила в
эру микроэлектроники. Уже сейчас появляются квантовые приборы с
размерами активных областей менее 100 нм. В перспективе размеры при-
боров станут сравнимыми с длиной волны де Бройля электрона и длиной
его свободного пробега [31]. Микроминиатюризация электронной техники
1.1. Принцип действия и применение оружия ФП
17
облегчает ФП, поскольку уменьшает уровни энергии внешних воздейст-
вий, вызывающих нарушение ее работы.
В-третьих, обозначились значительные успехи в областях создания
источников мощного электромагнитного излучения (ЭМИ) на основе
плазменной релятивистской СВЧ-электроники и быстрой кумуляции маг-
нитного потока при сжатии металлических токонесущих оболочек под
действием сверхвысоких давлений. Такие давления развиваются при де-
тонации конденсированных взрывчатых веществ (КВВ) во взрывомагнит-
ных и магнитогидродинамических генераторах электрической энергии.
Последние 30 лет развития военной радиоэлектроники характеризу-
ются жестким противоборством РЭС информационного обеспечения войск
(Сил) и оружия, с одной стороны, и средств создания им преднамеренных
помех — с другой. Естественно, что применение помех стимулирует раз-
питие мер, способов и средств помехозащиты. К настоящему времени в
деле помехозащиты РЭС достигнуты значительные успехи, так что баланс
Между традиционными способами и средствами создания преднамеренных
помех и мерами защиты от них явно нарушился в пользу помехозащиты.
Перечень основных факторов, определяющих высокую потенциаль-
ную помехозащищенность РЭС (радиотехнических, оптоэлектронных,
вычислительных) по отношению к традиционным видам помеховых воз-
действий, вкратце сводится к следующему.
1. Расширился частотный диапазон как отдельных образцов, так и всей
совокупности РЭС военного назначения.
2. Возрос энергетический потенциал радиолокационных станций (РЛС)
до 90... 100 дБВт.
3. Повсеместно внедряется адаптивное управление энергией излуче-
ния в соответствии с изменяющейся тактикой применения помех и изме-
нением радиоэлектронной обстановки в рабочем секторе РЭС.
4. Применяется адаптация видов, параметров, а также способов обра-
ботки сигналов к тактической ситуации и помеховой обстановке, анали-
шрусмой с помощью специализированных процессоров помех. Адапта-
ция обеспечивается быстрой перестройкой несущей частоты от импульса
к импульсу или от пачки к пачке импульсов, изменением (вобуляцией)
Чистоты повторения импульсов, применением сигналов с разнообразны-
ми видами модуляции и разной степенью когерентности, одновременной
рибо гой на нескольких частотах и т. п. приемами, рефлексивно вынуждаю-
щими противника переходить к созданию заградительных шумовых помех.
5. Находит применение адаптивное управление законом сканирова-
ния и параметрами рабочего сектора РЭС: циклом и последовательностью
18
Глава 1. Электромагнитное оружие функционального поражения
обзора, частотой обращения к цели, временем ее облучения, шириной луча
диаграммы направленности антенны (ДНА) и сектора обзора (поиска).
6. Используются фазированные антенные решетки (ФАР), формиру-
ющие ДНА заданной формы с малым уровнем боковых лепестков, луч
которой в течение единиц микросекунд может быть сориентирован в любое
направление в пределах рабочего сектора РЛС.
7. Реализуются режимы работы, обеспечивающие одновременное ре-
шение задач обнаружения и сопровождения целей (автоматическое сопро-
вождении целей в режиме обзора), определения государственной принад-
лежности лоцируемого объекта и наведения ракет.
8. Повышается скрытность работы РЭС за счет сокращения времени
радиолокационного контакта с целью и применения сверхширокополос-
ных сигналов.
9. Используются многопозиционные системы с пространственным
разнесением пунктов передачи и приема сигналов.
10. Используется комплексирование информации об одном и том же
объекте, полученной от разных физических датчиков.
11. Применяются разнообразные способы обработки сигналов и ин-
формации в сочетании с селекцией целей по дальности, угловым координа-
там и их производным. Предусматривается сжатие импульсов, импульсно-
доплеровская фильтрация сигналов с использованием алгоритма быстрого
преобразования Фурье (БПФ), многоканальная обработка сигналов, об-
наружение движущихся целей с использованием карты мешающих отра-
жений и банка фильтров с конечными импульсными характеристиками,
обработка сигналов на двух ортогональных поляризациях.
12. Используются компенсаторы, ослабляющие помехи, поступающие
по боковым лепесткам ДНА, на 40...60 дБ.
13. Повышается пропускная способность РЛС (увеличивается ко-
личество одновременно сопровождаемых и одновременно обстреливае-
мых целей) за счет внедрения в радиолокационные системы вычисли-
тельных средств.
14. Предусматривается самонаведение управляемых средств пораже-
ния на объекты — источники ЭМИ.
15. Снижается заметность летательных аппаратов в оптическом и ра-
диолокационном диапазонах волн.
Следует также отметить, что помехозащищенность конкретных РЭС
обеспечивается сочетанием аппаратурных средств с алгоритмическими
методами. Наиболее эффективная помехозащита достигается, если исполь-
зуются следующие аппаратурные средства в разных сочетаниях.
1.1. Принцип действия и применение оружия ФП 19
• Видеоинтеграторы для выделения слабых сигналов на фоне помех
за счет накопления энергии последовательности принимаемых им-
пульсов.
• Видеокорреляторы, использующие статистические связи между по-
лезными сигналами для их выделения на фоне некоррелированных
помех.
• Высококогерентные генераторы зондирующих сигналов в сочетании
с когерентными приемниками, обеспечивающими энергетическое
отношение сигнал/шум в у/п раз больше, чем при некогерентном
приеме (и — число импульсов в пачке).
• Устройства, реализующие многочастотное излучение и прием сиг-
налов при разносе их частот на десятки или даже сотни мегагерц для
уменьшения влияния флюктуаций отраженных от целей сигналов и
повышения помехоустойчивости РЛС в обмен на некоторое умень-
шение дальности действия.
• Антенны с многолучевыми ДНА, обеспечивающими повышение ско-
рости просмотра зоны обзора пространства и разрешающей способ-
ности по угловым координатам.
Среди алгоритмических хорошо зарекомендовали себя следующие ме-
тоды, способствующие повышению помехозащищенности.
I. Анализ спектральной плотности шумов в рабочем диапазоне час-
тот для выбора несущей частоты в области с наименьшей плотностью этих
шумов, что обеспечивает работу РЭС с максимальным для данной поме-
ховой обстановки отношением сигнал/шум.
2. Переключение поляризации сигнала с целью сделать его ортогональ-
ным по поляризации помеховому сигналу, что может снизить мощность
помехи на входе приемника РЭС на 6...7 дБ.
3. Формирование «нулей» ДНА в направлениях на постановщики ак-
гивных помех и адаптивное управление нулевыми направлениями, что по-
июляет снизить воздействие помех на 10...20 дБ, а в перспективе — на
2О...ЗО дБ.
4. Бланкирование приема сигналов дискретных источников помех
(угловое стробирование), улучшающее разрешающую способность РЛС
при действии мерцающих и когерентных двухточечных помех.
5. Программное или адаптивное (в соответствии с текущей помехо-
noil обстановкой) распределение энергетического потенциала РЛС по зоне
об юра, позволяющее реализовать метод «силового преодоления» помех.
6. Логическая селекция сигналов, позволяющая ранжировать поражае-
мые цели по степени важности (опасности).
20 Глава 1. Электромагнитное оружие функционального поражения
Реализация перечисленных мер обеспечения помехозащищенности
эквивалентна снижению энергии помехи, способной эффективно воздей-
ствовать на подавляемые РЭС, на 30...60 дБ по сравнению с ситуацией,
когда такие меры отсутствуют. Поэтому реальные на сегодняшний день
энергетические потенциалы наиболее мощных станций активных помех
(САП), составляющие 1О6...1О7 Вт, во многих боевых ситуациях будут не-
достаточными для достижения необходимого уровня подавления РЭС.
Для подтверждения этого тезиса можно привести конкретный пример
подавления гипотетической бортовой РЛС маскирующими шумовыми по-
мехами. Требуется обеспечить подавление этой РЛС так, чтобы вероят-
ность правильного обнаружения рпо цели была не выше заданной при фик-
сированной вероятности ложных тревог рт в диапазоне дальностей от
максимальной Дц1 = 100 км до минимальной, равной Дц2=20 км. При сфор-
мулированных условиях станция постановки активных помех должна из-
лучать шум со спектральной плотностью
N =PnGn> Р&™ч ГД Дп,0-<),1(?т+4+2апДи-4-«пДп)
” <1Л)
где РП и Рс - мощности помехи и сигнала РЛС, Вт; Дп и Дц — расстояние
до РЛС от САП и прикрываемой помехами цели соответственно, м; Gn и
Gc — коэффициенты усиления антенн соответственно САП и РЛС; Д)^ и
Д/п — ширина спектра помехи и полосы пропускания узкополосного допле-
ровского фильтра соответственно, Гц; Fc и Fn — нормированные по
мощности множители, учитывающие ориентацию диаграмм направленно-
сти антенн РЛС и САП относительно линии РЛС — постановщик помех
(в момент локации цели максимумом ДНА РЛС); поскольку основной ле-
песток ДНА САП всегда стремятся направить на подавляемый объект,
можно положить F„ = 1; Ln и Lc — ослабление помехи и сигнала на трассе
распространения; t — длительность импульса РЛС, с; оц — эффективная
поверхность рассеяния (ЭПР) цели, м2; ап — удельное ослабление сигна-
ла в атмосфере, дБ/км; у — коэффициент, учитывающий несовпадение
поляризаций помехи и сигнала РЛС; дТ — отношение сигнал/помеха, обес-
печивающее заданную степень подавления, дБ; FR — ширина спектра доп-
леровских частот РЛС, кГц.
В (1.1) учтено, что РЛС осуществляет обнаружение цели в импульсно-
доплеровском режиме. Рассматривается случай обнаружения по одной пач-
ке принятых импульсов.
Предполагается, что помехи создаются из зоны, неподвижной отно-
сительно подавляемой РЛС с дальности Дп = 200 км. Это возможно, если
1.1. Принцип действия и применение оружия ФП
21
курс полета самолета-постановщика помех параллелен курсу полета само-
лета-носителя РЛС и их скорости равны. На маршрут полета прикрываемой
Цели накладывается лишь одно ограничение: она должна быть «зафикси
|к>1шна» в точках, удаленных от РЛС на расстояние Дц1 = 100 км в начале
и Дц2 = 20 км в конце маршрута. При этом в указанных точках цель пред-
гпшляет для РЛС объект с ЭПР оц = 10 м2.
Нетрудно обосновать предположение о том, что РЛС осуществляет об-
наружение цели в импульсно-доплеровском режиме без сканирования по
углу места, причем луч ее ДНА ориентирован под углом 0° к горизонту
самолета-носителя РЛС.
Работа бортовой РЛС характеризуется следующими параметрами:
/• . 0,67 МВт; т= 0,5 мкс; FR = 25—27 кГц; Gc= 5-103; Д^ = 0,3 кГц; 6аз = 1°;
Д/дш « 24 кГц; Тк = 3,33 мс.
Новыми здесь являются следующие обозначения: Д/дш — суммарная
полоса пропускания доплеровских фильтров; Тн — время накопления пач-
1 AF„
кн импульсов Тк ---; —— = п — количество импульсов в пачке; 0аз —
ширина ДНА РЛС по азимуту.
Спектр помехового сигнала Д/J, не должен быть уже ДУцШ, поскольку
неизвестна скорость сближения цели с самолетом-носителем РЛС. Неиз-
вестно положение самолета-цели относительно линии «постановщик по-
мех — РЛС».
В этом случае в зависимости от ориентации ДНА РЛС в момент кон-
iiiMu максимума луча с целью относительно направления на САП мно-
житель F? может принимать следующие значения:
10-3’5 — первые боковые лепестки;
10-5 — дальние боковые лепестки;
10-6 — фоновое излучение, которое в
дальнейшем не рассматривается.
Можно предположить, что £с = £п и 2оЛ1Дц ~ апДц. В таком случае в
припой части уравнения (1.1) последний сомножитель представляется в
1Ч)Лсс короткой записи — 10(|,|9т.
Согласно [ 139] при обнаружении нефлуктуируюшей цели по одному
импульсу, когда обнаружение должно производиться с вероятностью
S 0,5, отношение сигнал/шум не должно быть выше
-
11,2дБ прирлт=10 6;
8 дБ прирлт=10’3.
22
Глава!. Электромагнитное оружие функционального поражения
Если требуется подавить РЛС с предельно высокой надежностью, когда
рпо< 0,1, то за счет помех отношение сигнал/шум не должно превышать
_ 8,8 дБ при рлт = 1СГ6;
9т -
4,0 дБ при —10 3.
Приняв у= 0,5 и Д4, = Л/,,,,, с учетом всех постоянных значений пара-
метров расчетная формула принимает вид
=^=’-6|о'!^1О-ии'г,В17Гц. (1.2)
ДцЛ:
При указанных выше значениях параметров спектральная плотность
помех должна быть не меньше значений, приведенных в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Характеристика обнаружения цели N„ [Вт/кГц]
Дпц=20км Дпц= 100 км
У? = -35 дБ Гс2=-50дБ Гс2=-35 дБ Ес2=-50дБ
Аю-0,5 Рлт = Ю* 1.44104 4,55-10s 23 7,3-102
Аг- 10~3 ЗЮ4 9,51 105 48 1.52-103
Аю-0,1 Аг= Ю-6 2,5-Ю4 7,9110s 40 1.27-103
₽ЛТ= 10-3 7,55-104 2,3910s 120 3,82-103
Если учесть, что спектр шумовой помехи должен перекрывать полосу
ДД, > 25 кГц, то для удовлетворения соответствия заданных требований
энергопотенциал САП должен быть РПСП> 2,39 106-25 ~ 6-107 Вт. При этом
в станции помех необходимо иметь устройство запоминания несущей ча-
стоты с точностью до сотен и даже единиц герц. А если точность, как во
многих САП без цифрового запоминания и воспроизведения частоты,
измеряется сотнями килогерц и единицами мегагерц, то требования к энер-
гопотенциалу PnGn возрастут еще на один-два порядка. Ясно, что исполь-
зование такой станции на самолете-постановщике помех весьма проб-
лематично. Таким образом, традиционные способы РЭП и виды помех
становятся малоэффективными.
Если говорить о радиоэлектронном вооружении (РЭС стрельбовых
каналов комплексов), то при его подавлении в ближайшей перспективе
наиболее эффективными будут:
• многоточечные помехи из боевых порядков защищаемых объектов;
• когерентные помехи, создаваемые из двух точек пространства с од-
ного объекта;
1.1. Принцип действия и применение оружия ФП
23
• помехи, перенацеливающие на ложные цели (управляемые, букси-
руемые и сбрасываемые ловушки, облака пассивных отражателей)
и подстилающую поверхность;
• кроссполяризационные помехи.
Добиться повышения эффективности РЭБ можно при совместном
использовании с обычными средствами РЭБ средств подавления, реали-
>ующих новые физические принципы воздействия на РЭС.
Таким образом, все вышеизложенное обусловило необходимость изыс-
кания принципиально новых путей, направленных на снижение эффек-
тивности применения РЭС (радиотехнических и оптоэлектронных) по-
тенциальным противником. Одним из таких путей является создание
•>МО ФП (подавления). В отличие от разрабатываемого оружия направ-
ленной энергии, использующего мощные потоки заряженных или нейт-
ральных частиц, либо узконаправленное ЭМИ сверхвысоких уровней
шергии и предназначенного для физического уничтожения ВВТ и живой
силы противника, поражающее действие СВЧО ФП нацелено на разру-
шение чувствительных элементов приемников (датчиков) информации,
переносимой электромагнитным полем, и в этом смысле СВЧО ФП явля-
ется оружием информационной борьбы.
Важная объективная предпосылка оснащения Вооруженных сил ЭМО
Ф11 обусловлена тем обстоятельством, что по мере развития и совершен-
ствования электронной техники снижаются уровни рабочих напряжений
И мощностей, выделяемых на нагрузках схемных элементов. Одновременно
уменьшаются уровни энергии внешнего воздействия, способные вызвать
Нарушения в работе этой техники. На рис. 1.1 представлена динамика
и 1менения уровней энергии, вызывающей нарушения функционирова-
ния радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) (кривая 1) и напряжения пита-
ния схем этой аппаратуры (кривая 2) за три с половиной десятилетия [76].
И1 рисунка следует, что за период с 1950-го до середины 80-х годов уро-
вень энергии, необходимой для нарушения работы РЭА, обусловленного
выходом из строя элементной базы этой аппаратуры, снизился с 10“2 до
10 9 Дж. Широкое распространение получила цифровая техника, весьма
чувствительная к возмущениям импульсного характера. Таким образом,
платой за колоссально возросшие возможности РЭА явилось возрастание
уя 1ВИМОСТИ ее элементов и прежде всего тех, которые имеют высокую
степень интеграции, от мощного электромагнитного излучения, индуци-
рующего большие токи в электрических цепях РЭА.
Потенциальная возможность резкого (на порядок) снижения потерь
защищаемых объектов от управляемых средств поражения (УСП) делает
со здание СВЧО ФП особенно актуальной задачей.
24
Глава1. Электромагнитное оружие функционального поражения
Рис. 1.1. Характеристики электронных систем: 1 — энергия,
вызывающая разрушения; 2 — напряжение питания
В радиоэлектронной борьбе с УСП основной является задача проти-
водействия этим средствам на конечном участке их наведения на цель.
Но именно на этом участке проявляются два наиболее существенных
недостатка, присущих традиционным средствам создания активных помех.
Первый из них обусловлен наличием известного эффекта дальности
открытой зоны и состоит в том, что по мере сближения защищаемых
помехами объектов с подавляемыми РЭС энергетические соотношения
помеха/полезный сигнал, начиная с некоторой дальности, становятся в
пользу полезного сигнала. Так, при уменьшении дальности до атакуемой
цели в 2 раза мощность отраженного ею полезного сигнала увеличится в
16 раз, а мощность помехового сигнала увеличится в 4 раза в случае
самоприкрытия. При создании помех из неподвижной зоны их мощность
практически не изменится. В результате любое из известных активных
средств РЭП, начиная с некоторой дальности, становится неэффективным
и образуется зона неподавления. При этом отношение сигнал/помеха поз-
воляет измерить координаты и параметры движения цели, а запас даль-
ности может оказаться достаточным для уменьшения накопившихся из-
за помех ошибок наведения до значений, характерных для беспомеховой
ситуации.
Второй недостаток связан с тем, что при сближении защищаемых
объектов (целей) с УСП неизбежно наступает угловое разрешение целей,
даже если они (цели) выдерживают плотные боевые порядки. После это-
го разрешенные объекты атакуются как одиночные цели. Следовательно,
наиболее действенные из известных — многоточечные помехи (ложные
1.1. Принцип действия и применение оружия ФП
25
ЦсЛИ, мерцающие, перенацеливающие на подстилающую поверхность и
। Иишка дипольных отражателей) становятся малоэффективными.
Следуя традиционным путем, оба вышеупомянутых недостатка мож-
но устранить за счет увеличения энергетического потенциала станций
пк I и иных помех и уменьшения ЭПР защищаемых объектов. Причем по-
надобится суммарное увеличение энергопотенциала и уменьшение ЭПР
НВ 2...3 порядка. Для этого потребуется неприемлемое для летательных
аппаратов (ЛА) увеличение массы и габаритов САП, а также переход на
IK 'Иую технологию производства малозаметных ЛА.
СВЧО ФП свободно от обоих отмеченных недостатков. Эффективность
»ioro оружия в отличие от традиционных САП возрастает по мере сбли-
жения с УСП, так как основной поражающий фактор СВЧО ФП — уро-
В« ив плотности потока мощности (энергии) СВЧ-излучения, создаваемый
И рпйоне цели.
Требования к энергетическому потенциалу СВЧО ФП не зависят от
Л IF защищаемого объекта, поэтому применение подобного оружия осо-
бенно перспективно для защиты объектов с большой ЭПР (например,
< > (мистических бомбардировщиков, военно-транспортных самолетов, ко-
раблей). Требуемый энергетический потенциал СВЧО ФП определяется
ц иловой и электрической прочностью элементной базы объекта пораже-
ния, характеристиками СВЧ-излучения (рабочей частотой, длительностью
И Частотой повторения импульсов, поляризацией) и свойствами среды
распространения.
Можно отметить и другие недостатки традиционных средств РЭП,
компенсируемые применением СВЧО ФП.
1. Традиционным средствам РЭБ присуще практически неустранимое
1йшг|дывание в ответной реакции на неожиданные (непредсказуемые)
действия противника, в частности на изменение режима работы, вида и
Пирометров сигналов подавляемых РЭС. Даже станции ретранслирован-
ных ответных помех излучают наделенные помеховой информацией сиг-
11И4Ы с запаздыванием в десятые-сотые доли микросекунды. В станциях
Помех с генераторным принципом работы подобная задержка может до-
«идить до десятых долей секунды.
2. Длительность нарушения нормального функционирования РЭС
Практически равна длительности эффективного действия помехи. Сниже-
!П!< >ффективности помехи или ее выключение автоматически ведет к
шн становлению режима нормального функционирования РЭС.
Сам эффект ФП проявляется в трех видах.
Во-первых, прекращение функционирования отдельных элементов
Г ><' или РЭС в целом, вызванное разрушением структуры этих элементов.
26
Глава 1. Электромагнитное оружие функционального поражения
Разрушение структуры приводит к невосстанавливаемым (катастрофичес-
ким, необратимым) отказам РЭС или их элементов.
Во-вторых, нарушение функционирования отдельных элементов РЭС
или РЭС в целом, вызванное изменением физической структуры этих
элементов. Такое нарушение приводит к восстанавливаемым (временным,
обратимым) отказам, сопровождаемым ухудшением параметров РЭС после
их восстановления, либо к сохранению этих параметров, если со време-
нем структура элементов восстановится полностью. Интервал временно-
го выхода из строя элементов РЭС изменяется в широких пределах — от
единиц миллисекунд до десятков минут (а иногда и часов).
В третьих, функциональные нарушения работоспособности РЭС, ха-
рактерные для традиционных видов помех (ложные срабатывания и сбои
в работе исполнительных схем, искажения выходных сигналов обнаружи-
тельных и анализирующих устройств и т. д.).
Первый вид отказов часто называют функциональным поражением, а
второй и третий виды — функциональным подавлением. Везде в этой рабо-
те будет употребляться единый термин — функциональное поражение (ФП).
3. Конкретные образцы традиционных средств РЭП ориентированы
на подавление РЭС определенного класса (функционального назначения)
и определенного диапазона рабочих частот. Вследствие ограничений по
массогабаритным характеристикам и энергопотреблению практически
невозможно создать на одном летательном аппарате комплекс РЭБ, спо-
собный одновременно подавлять любое из противоборствующих РЭС
противника. СВЧО ФП обладает внеполосным воздействием, т. е. пора-
жает РЭС любого класса даже тогда, когда рабочая частота мощного СВЧ-
излучения далеко отстоит от полосы пропускания основного канала при-
ема поражаемого РЭС. Это позволяет обеспечить поражение широкой
номенклатуры РЭС самого различного функционального назначения с
помощью СВЧО ФП одного типа. В этом смысле оружие функциональ-
ного поражения является универсальным.
4. Традиционные виды помех обеспечивают подавление приемных
каналов различных РЭС за счет маскировки и имитации полезных сигна-
лов, а применительно к системам вторичной обработки информации —
за счет перегрузки их ложными сигналами. СВЧО ФП в принципе спо-
собно поражать любые объекты, использующие элементную базу совре-
менной электроники независимо от класса РЭС, диапазона рабочих час-
тот, видов и параметров рабочих сигналов, степени помехозащищенности
в традиционном ее понимании. Причина такого явления заключается в
том, что при использовании СВЧО ФП воздействие не сводится только к
изменению преобразовательных свойств элементов РЭС, а ведет главным
1.1. Принцип действия и применение оружия ФП
П
«Юртом к изменению физической структуры этих элементов. В результа-
ir СВЧО ФП способно поражать узлы и элементы таких электронных
редстп, которые не подвержены воздействию традиционных видов помех,
« именно: передающие устройства, блоки питания, инерциальные систе-
мы Наведения, вычислительные средства, элементы антенно-фидерных
фактов, волоконно-оптические линии связи.
Мощное СВЧО может дезорганизовать работу банков, систем навига-
ции и управления транспортом, оборудования медицинского мониторинга
и I. п. информационных систем [154].
5. Воздействие мощного СВЧ-излучения на радиоэлектронную аппа-
ратуру, находящуюся в обесточенном состоянии на складах и в арсеналах,
«м (Ывает ускоренное старение этой аппаратуры: при ее однократном об-
।УЧспИИ параметры полупроводниковых структур ухудшаются примерно
И J...3 раза за время порядка одного месяца [61].
(1 Мощное СВЧ-излучение отличается от сходного с ним по характеру
жндействия на РЭС так называемого электромагнитного импульса (ЭМИ).
|1 рпботе [12] показано, что для микросекундного импульса различие в
Уровнях катастрофического отказа ЭМИ (видеоимпульса) не превышает
4 ib Однако надо иметь в виду высокую эффективность излучения и
Прнемн импульсов СВЧ-излучения, поскольку коэффициент направлен-
ной! действия (КНД) антенн составляет 30...60 дБ и, наоборот, низкую
>ф(|><-К1'ивность излучения и приема антеннами всех типов видеоимпуль-
ц>в Теоретически рассчитанный энергетический спектр ЭМИ ядерного
и»рыпн имеет максимум около 10“6 Дж/м2 на частоте 20 кГц. На часто-
!• .4) МГц интенсивность излучения падает до 10 12 Дж/м2. Отсюда сле-
iyei, ЧТО для антенн дециметрового и сантиметрового диапазонов волн
•МИ не представляет угрозы [107, 108]. Кроме того, эффективность экра-
нировки СВЧ-импульсов снижается в сотни раз по сравнению с таковой
him электромагнитных импульсов. Во столько же раз возрастает цена раз-
нршых мер защиты РЭС от воздействия мощных СВЧ-импульсов. Суще-
Iit* ппо увеличивается и вес экранов. Таким образом, применительно к
функциональному поражению импульсы СВЧ-излучения имеют преиму-
ществ перед электромагнитными импульсами.
7, Но мнению иностранных специалистов, СВЧО ФП имеет также
<Н1|И»дсленные преимущества по сравнению с ДО ФП [45]. Во-первых,
ill • ФП предъявляет существенно более высокие требования к точности
Н(11№дсния и удержания лазерного пятна на определенном элементе цели,
•1ГМ ( ВЧО ФП. Во-вторых, действие СВЧО ФП в гораздо меньшей степе-
ни шписит от состояния атмосферы и погодных условий, чем действие
ЦО ФП. В третьих, лазерные излучатели воздействуют на цель точечно,
28 Глава]. Электромагнитное оружие функционального поражения
а СВЧ-излучатели — объемно. Это значит, что СВЧ-излучение проникает
в электронные системы не только через антенну или оптическую систе-
му, но и через провода по цепям питания, через различные технологичес-
кие люки, зазоры, трещины, отверстия и тому подобные неоднородности
сплошных экранов. Иногда про такие пути говорят, что СВЧ-излучение
проникает через точки «черного входа».
Мощное импульсное СВЧ-излучение будет важным элементом инфор-
мационных технологий XXI века. Теоретические и экспериментальные
исследования этого излучения, генерируемого в виде коротких импульсов
длительностью единицы и десятки наносекунд, а впоследствии пикосекунд,
позволяют сделать вывод о том, что область использования такого излуче-
ния исключительно широка. С помощью мощного короткоимпульсного
СВЧ-излучения возможно решение следующих задач. В области обороны:
• радиолокация объектов, изготовленных по технологии «Stealth» (ма-
лозаметных и малоразмерных);
• помехоустойчивая радиосвязь;
• помехоустойчивое радиоуправление;
• противодействие иностранным радио- и радиотехническим разведкам;
• вывод из строя информационных систем и сетей противника;
• функциональное поражение любых образцов ВВТ, использующих
элементную базу современной микроэлектроники;
• поражение живых организмов (хромосомные и генетические нару-
шения, активация и дезактивация вирусов, изменение иммунных и
поведенческих реакций);
• физическое уничтожение образцов ВВТ (в перспективе).
В области мирного применения:
• дистанционное определение состояния атмосферы, акватории Ми-
рового океана и растительного покрова Земли, других планет Сол-
нечной системы;
• подповерхностная радиолокация (в интересах геологической развед-
ки и археологии, поиск запасов пресной воды, определение толщи-
ны ледяного покрова, поиск аварий и дефектов подземных кабелей,
трубопроводов и других магистралей);
• текущий мониторинг опасных зон выброса различных экологичес-
ки вредных веществ в атмосферу и водоемы;
• разрушение экологически вредных выбросов в атмосфере и образо-
вание экологически полезных соединений (например, озона);
• диагностика различного рода опухолей в медицине;
• обеспечение информационной безопасности;
• передача СВЧ-энергии импульсами наносекундной длительности на
расстояние порядка 1000 км и более [65].
1.2. СВЧ-оружие ФП многоразового применения
29
Настоящая работа посвящена исследованию условий функционального
поражения и подавления РЭС. Однако выявленные закономерности воз-
действия мощного волнового поля сверхвысокой частоты на электронные
• |>гдетва (радиотехнические, оптоэлектронные, вычислительные) представ-
UMioT и общенаучный интерес.
К настоящему времени сформировались два направления разработки
И использования СВЧО ФП. Первое направление предполагает создание
Мобильного СВЧО многоразового применения на базе генераторов мощ-
ного импульсного СВЧ-излучения. Второе направление — это создание
( ВЧО одноразового применения на основе электромагнитных боеприпа-
иж (ЭМБ) самого разнообразного применения.
1.2. СВЧ-оружие функционального поражения
многоразового применения
Установки СВЧО многоразового применения могут размещаться на
|шшых платформах: на космических аппаратах, самолетах, вертолетах,
кораблях, танках и иных транспортных средствах. Эффективным представ-
им гея использование такого оружия с борта боевых дистанционно пилоти-
|iv« мых летательных аппаратов (ДПЛА), наводимых на цели самолетами
И । ьнсго радиолокационного обнаружения и управления или с наземных
ьоминдных пунктов. Также возможно применение СВЧО разведыватель-
но ударными комплексами.
По оценкам специалистов [45], производительность одного боевого
ДИЛА с СВЧО на борту составит примерно 105 импульсов за полет. Что-
бы гарантированно поразить радиоэлектронную систему, СВЧО должно
оперировать серию импульсов. Если предположить, что каждая цель бу-
lu г облучаться тысячью импульсов, то ДПЛА мог бы успешно воздейство-
Нйп< на 100 целей за один полет.
В качестве базы для создания СВЧО ФП целесообразно использовать
1якис генераторы, которые обеспечат максимум удельной мощности (мощ-
III к |'И на единицу массы генераторной установки).
В качестве таких генераторов широкое применение получили вирка-
ippiu — триоды с виртуальным катодом. Заслуживают внимания двойные
онеппые решетки, реализующие принцип пространственно-временного
Преобразования многочастотного сигнала [41].
Для защиты наземных и морских объектов от ВТО могут использо-
мпкн многоволновые черенковские генераторы (МВЧГ). Массогабарит-
выс показатели МВЧГ хуже, чем у виркаторов, но их конструкция и техно-
'101 ни изготовления хорошо отработаны, поскольку они известны довольно
ИПВ1Я' [27].
30 Глава1. Электромагнитное оружие функционального поражения
По состоянию на сегодняшний день максимальная дальность функ
ционального поражения СВЧО невелика и составляет -10 км (если исклю
чить из рассмотрения многотонные «экзотические» установки). Поэтому
объектами поражения будут образцы высокоточного оружия (ВТО), кото-
рые действуют в ближнем бою, т. е. радиотехнические и инфракрасные
ГСН управляемых ракет, радиовизиры целей и ракет, бортовая аппарату
ра командного радиоуправления, терминалы потребителей информации
спутниковых навигационных систем и др.
К СВЧО многоразового применения предъявляются следующие основ-
ные требования.
Прежде всего необходимо обеспечить ориентацию основного луча ДНА
СВЧО на поражаемое РЭС. Амплитудно-фазовое распределение поля в
раскрыве поражаемого РЭС может быть таким, что уровень первых боко-
вых лепестков ДНА достигает -40 дБ. Это значит, что для ФП таких средств
по боковым лепесткам требуется в 104 раз более высокая мощность, чем
для ФП по основному лучу. Поэтому излучение СВЧ-импульсов желатель-
но производить в те интервалы времени, когда имеет место соосность
основных лучей антенн СВЧО и поражаемого РЭС.
Например, при относительных ошибках взаимной ориентации лучей
ДНА О/0фп и 0/0рэс, выраженных в единицах ширины лучей средства ФП
0фП и поражаемого РЭС 0рэс, при равномерном амплитудном распредели
нии поля на раскрывах обеих антенн, когда диаграммы направленности
имеют вид
sinl 2,78— |
___L____^2- (1.3)
2,78—
6о
ожидаемые значения потерь мощности излучения приведены в табл. 1.2.
Значения потерь в децибелах указаны в местах пересечения соответству-
ющих строк и столбцов.
Из табл. 1.2 следует, что предельно допустимыми можно считать ошиб
ки определения ориентации лучей, равные ±О,50рэс и +О,50фП. В этом
случае ослабление плотности потока мощности СВЧ-излучения, эффектив
но действующего в пределах апертуры антенны РЭС, не превышает 6 дБ.
С увеличением различия несущих частот РЭС и мощного СВЧ-излучения
ДНА приемной антенны сглаживается и влияние эффекта направленное
ти этой антенны уменьшается. Однако платой за снижение требований к
взаимной ориентации лучей антенн будет повышение уровня мощности
(энергии), необходимой для функционального поражения.
1.2. СВЧ-оружие ФП многоразового применения
31
Таблица 1.2
Ошибка Ориентации луча антенны СВЧО Ошибка определения направления луча антенны РЭС
-®-=0 ®рэс ф 1 ? 1® II о СЛ -®-=1 Орэс
г!г о 0 3 17
— = 0,5 0фп 3 6 20
-®-=1 бфп 17 20 34
Приведенный пример показывает, что в состав СВЧО ФП должна
щтдить подсистема, способная непрерывно отслеживать направление на
поражаемый объект и управлять ориентацией луча антенны.
Длительность мощных СВЧ-импульсов должна быть такой, чтобы не
у< искали срабатывать устройства защиты приемников РЭС от воздействия
мощных ЭМИ. Применение таких устройств будет неизбежным для за-
щиты от ФП. Вся энергия излучения должна быть сконцентрирована в
импульсе с крутыми фронтами, а общая его длительность ти не должна
Превышать времени срабатывания ту самых быстродействующих устройств
мщиты приемников: ти < ту = 70...90 нс. Использование таких коротких
Импульсов важно еще и потому, что с ними связан механизм малоэнерго-
ймкого ФП РЭС, что позволяет при одинаковой энергии излучения уве-
личить дальность ФП.
Максимальная импульсная мощность, излучаемая СВЧ-генератором
I пространство, ограничивается пробойными характеристиками атмосферы
I»» ионизацией).
При большой мощности СВЧ-излучения более длинные импульсы
| «п|гс осуществят пробой воздуха. Кроме того, пробойное значение на-
нрижснности электрического поля зависит от диапазона несущих частот,
лаииспия (высоты луча над земной поверхностью) и влажности воздуха.
СВЧО многоразового применения дороже одноразового СВЧО, по-
ни щку оно требует существенно большего энергетического потенциала.
Ппггому применение СВЧО ФП многоразового применения будет эффек-
1НИЦП и экономически оправдано при защите важнейших объектов инфра-
। ipvK iypu и жизнеобеспечения, таких как атомные и гидроэлектростанции,
нщ'рныс арсеналы, крупные транспортные узлы, предприятия, добываю-
щие, хранящие и перерабатывающие энергоносители и т. п.
32
Глава 1. Электромагнитное оружие функционального поражения
СВЧО многоразового применения способно воздействовать в преде-
лах объемной зоны поражения одновременно на несколько ракет и обес-
печивать защиту охраняемого объекта одновременно с нескольких направ-
лений за счет быстрого перенацеливания луча ФАР. Таким образом, СВЧО
многоразового применения имеет преимущества по сравнению с анало-
гичным оружием одноразового применения по пропускной способности,
быстродействию, управляемости и многократности боевого применения.
1.3. СВЧ-оружие функционального поражения
одноразового применения
Устройства СВЧО одноразового применения могут размещаться на
ракетах класса «поверхность—поверхность», «воздух—поверхность», «по-
верхность—воздух», «воздух—воздух», в управляемых авиационных бом-
бах, боевых кассетах, неуправляемых снарядах. Все эти управляемые и
неуправляемые средства поражения, оснащенные источниками мощно-
го СВЧ-излучения, принято называть электромагнитными боеприпаса
ми (ЭМБ).
Первое упоминание о боевом применении ЭМБ относится к 1991 году.
Во время первой войны с Ираком США использовали новый класс сек-
ретных боеголовок, несущих мощные источники ЭМИ. Этими боеголов
ками комплектовались ракеты «Томагавк» [4].
Во время второй войны с Ираком 26 марта 2003 года также были при
менены ЭМБ для поражения иракских объектов боевого управления, на-
сыщенных электронной техникой, электротехническим оборудованием и
кабельными сетями [152].
Успехи в создании одноразовых генераторов мощного СВЧ-излучения,
о которых говорится далее, в гл. 4, позволяют предсказать грядущий ка
чественный скачок в боевом применении СВЧО ФП. Мощный СВЧ-из
лучатель будет применяться не вместо боевой части ракеты (бомбы, сна
ряда), а вместе с ней. При этом за счет отбора части энергии взрыва боевой
части на излучение зона поражения целей осколками будет меньше, чем
у обычного боеприпаса, но зато в несколько раз возрастет радиус пораже
ния электронной аппаратуры объектов-целей [45].
Следует особо подчеркнуть, что стратегические управляемые авиацион
ные средства поражения, не излучая электромагнитные сигналы, имеют
минимум демаскирующих признаков. Для их наведения на цели приме
няют инерциальные и корреляционно-экстремальные системы управле
ния. Уход лазерных и пьезоэлектрических гироскопов — датчиков утло
вой скорости — в инерциальных навигационных системах составляет
1.3. СВЧ-оружие ФП одноразового применения
33
О,OJ...0,05 град/час [106]. Используется также навигационное поле, фор-
мируемое сетевыми спутниковыми системами. Такие системы управления
IK подвержены воздействию традиционных активных помех, но могут быть
подивлены или вообще выведены из строя СВЧО ФП. Так, например,
корреляционно-экстремальные системы используют цифровые карты ре-
||Ьсфа местности, которые вводятся в конкретные полетные задания опе-
рпгивно перед пуском ракеты или даже в процессе ее полета. Стереть или
мня бы исказить эти карты радиопомехи не могут. Но мощное СВЧ-из-
ЧУЧспие способно на деструктивное воздействие с таким эффектом.
Дальнейшее повышение мощности и энергии излучения лимитирует-
। « возможностями системы электропитания СВЧ-генераторов, в качестве
Вторых обычно используются емкостные накопители энергии. Эти на-
копители представляют собой сложные, громоздкие и дорогостоящие
Инженерные сооружения. В мегаджоулевом диапазоне энергий реальной
мьтернативой емкостным накопителям могут служить взрывомагнитные
Операторы (ВМГ) [33].
Эти источники энергии удачно сопрягаются с сильноточным реляти-
вистским СВЧ-генератором — виркатором на основе триода с виртуаль-
ным катодом. Под термином «сопряжение» понимается согласование
нмведансов ВМГ и виркатора.
В качестве источника электропитания для виркатора лучше других
Пцдходит ВМГ с индуктивным накопителем энергии в виде соленоида и
ив ктрическим взрывным прерывателем тока (ЭВП). Такой ВМГ являет-
। и усилителем мощности электрического импульса.
Перспектива дальнейшего развития и совершенствования СВЧО од-
iiopn ювого применения обусловлена также и тем, что ВМГ и средства
!иц>(|жсния (ракеты, бомбы, снаряды) являются объектами одноразового
ш йствия.
На рис. 1.2 представлена схема СВЧО функционального поражения
|И1110|шзового применения с указанием функциональных связей между его
•игмептами. По линии 1 передаются сигналы, переносящие информацию
и поражаемых объектах (целях). Информация о целях обрабатывается до
момента применения ЭМБ. По линии 3 осуществляется информацион-
ный обмен между системами информационного обеспечения и автомати-
|г кого управления. Эта информация необходима для наведения ЭМБ.
'1нпии 4 — это канал обмена информацией между комплексом традици-
онных средств РЭБ, если таковой имеется, и системой информационно-
in обеспечения СВЧО.
11собходимость информационного обмена по линии 4 обусловлена
|||гб11п:шием максимального снижения вероятности поражения защища-
34
Глава 1. Электромагнитное оружие функционального поражения
Рис. 1.2. Упрощенная схема СВЧО одноразового применения: РЛС — ра-
диолокационная станция (система); ГСН — головка самонаведения управ-
ляемой ракеты; СУ ВТО — система управления высокоточного оружия
емого объекта (носителя СВЧО) управляемой ракетой, когда головка само-
наведения (ГСН) этой ракеты уже поражена («ослеплена») и ее полет
осуществляется по памяти.
Нарушение работы электронных средств различного назначения (ра-
дио- и оптоэлектронных средств, компьютеров, взрывателей боеприпасов
и др.) может быть осуществлено тремя способами:
1) путем создания им преднамеренных помех во всем диапазоне ЭМВ;
2) путем физического их поражения оружием с обычным взрывчатым
веществом (ВВ);
3) функциональным поражением сильными электромагнитными по-
лями (ЭМП).
Первые два способа РЭБ применяются многие десятилетия и хорошо
изучены. Достижения науки и техники в области радиоэлектроники и в
военном деле привели к созданию нового наступательного оружия РЭБ —
ЭМО, которое выводит из строя электронные средства противника путем
поражения их чувствительных элементов сильными ЭМП. При этом фи-
зические разрушения объектов поражения практически отсутствуют.
Электромагнитное оружие, в том числе ЭМБ, представляет собой но-
вый вид оружия fl52]. Эффективность применения ЭМБ против осна-
щенных современной техникой армий может на порядок превышать
эффективность действия обычных фугасных и осколочных боеприпасов
аналогичного калибра. Разумеется, уничтожить электронное средство
можно и обычным боеприпасом. Однако он должен с высокой точностью
попасть в цель, чтобы поразить ее осколками или ударной волной.
Существенный недостаток современных электронных средств состоит
в том, что они пока что не имеют надежной защиты от воздействия силь-
1.3. СВЧ-оружие ФП одноразового применения
35
Пих ЭМП. Незащищенные электронные цепи достаточно легко выводятся
из строя «прожиганием» импульсом наведенного тока весьма чувстви-
|гльных полупроводниковых элементов, самым уязвимым местом которых
ииняются электрические переходы толщиной всего несколько микрон и
менее. Возможность необратимого поражения твердотельных полупровод-
никовых приборов возрастает в связи с исключительно высокой и непре-
рывно увеличивающейся плотностью их интеграции в микросхемах. ЭМИ,
и, ч пикающий при взрыве ЭМБ, сравнительно легко проходит не только
Через полимерные защитные материалы, но и сквозь металлические эк-
раны, за счет щелей, люков, технологических отверстий в защитных ко-
♦vxux приборов, через разъемы и цепи питания.
Конструкционные углеродистые материалы также не являются препят-
11 нисм для проникновения ЭМИ в электронные приборы. Измерения
•пгктрического поля внутри фюзеляжа ЛА, облучаемого мощным СВЧ-
И (Лучением, показали, что самое низкое значение эффективности экра-
нирования испытываемых ЛА составило 0 дБ, а в ЛА с фюзеляжем из не-
проводящих материалов наблюдался эффект повышения напряженности
Поим за счет отражений и резонансов [154].
ЭМБ даже небольшого калибра создают излучение с энергией Э =
=• Ж..40 Дж в ЭМИ длительностью тэми -1 мкс. Пиковая плотность потока
Мощности ЭМИ вблизи эпицентра взрыва имеет порядок мегаватт на квад-
рп । ный метр, что делает ЭМБ эффективным в радиусе нескольких десят-
koil метров [124].
При взрыве ЭМБ даже малых калибров 100... 120 мм электронным
целям могут быть нанесены следующие повреждения [124]:
• на удалении Дм = 6... 10 м от цели искусственно инициируется под-
рыв детонатора обычных ВВ;
• на удалении DM = 30 м выводится из строя система государственного
опознавания целей и блокируется пуск зенитных управляемых ра-
кет (ЗУР) переносных зенитных ракетных комплексов (ПЗРК);
• на удалении DM = 50 м выводятся из строя противотанковые магнит-
ные мины.
Н составе ЭМО могут применяться релятивистские СВЧ-генераторы,
пн гры и другие источники излучения. Для понимания особенностей функ-
Ш!<Шильного поражения (подавления) электронных средств необходимо
Ч'пгко остановиться на изучении физических процессов, протекающих в
рм шых веществах при воздействии сильных ЭМП.
Сильными принято считать поля, при действии которых, например,
ни кристалл такие его параметры, как подвижность (скорость, которую
приобретают носители зарядов под действием электрического поля еди-
36 Глава!. Электромагнитное оружие функционального поражения
ничной напряженности), удельная электропроводность и концентрация
носителей свободных зарядов, становятся зависимыми от напряженнос-
ти электрического поля Е. В физике твердого тела область сильных элек-
трических полей определяется соотношением [32]
3 1
(1.4)
где q — заряд электрона; I — среднее расстояние, пробегаемое электроном
от одного столкновения до другого; Т — температура; к — постоянная
3
Больцмана; ~кТ — энергия теплового движения электронов, которая в
сильных полях сравнима с энергией qlE, приобретаемой электронами за
время пролета расстояния / (такие электроны называют «горячими»).
Электрическое поле, возмущающее плазму, считается сильным, если
такие его параметры, как температура электронов, эффективная частота со-
ударений электрона, электронная проводимость и электронная диэлектри-
ческая проницаемость, существенно изменяются под действием этого поля.
Критерий сильного электрического поля формулируется в виде [53]
Е>Ер, (1.5)
где Ер — так называемое характерное плазменное поле
Ер = = ^lO^V^+v^), мВ/м,
где Т — температура плазмы, эВ; со - круговая частота поля; ve0 — эф-
фективная частота соударений электрона с тяжелыми частицами; 80 — сред-
няя доля энергии, теряемой электроном при одном соударении.
Эффект воздействия средств функционального поражения на объек-
ты, содержащие электронные компоненты, основан на возможностях изме-
нения физико-химических свойств электрорадиоматериалов при облучении
их сильными ЭМП. Необратимые изменения свойств вещества, приводя-
щие к качественно новым образованиям с иной электромагнитной струк-
турой, происходят при значительной энергии воздействующего ЭМП.
Плотность потока энергии П, при которой надежно поражаются совре-
менные электронные объекты, на 8... 10 порядков выше соответствующих
энергетических показателей традиционных преднамеренных помех, созда-
ваемых даже самыми мощными самолетными (вертолетными) и наземны-
ми станциями помех. Таким образом, основным отличием функциональ-
ного поражения от РЭП являются физические принципы нанесения
противнику информационного ущерба. При функциональном поражении
ущерб причиняется путем необратимого (катастрофического) или обра-
1.4. Уравнение функционального поражения
37
тмого (восстанавливаемого) изменения физико-химической структуры
щ первом случае — разрушения) элементов электронных систем вслед-
»гипс воздействия ЭМП на радио- и конструкционные материалы, входя-
щие в состав электронных и полупроводниковых приборов, а также и
ару। их компонентов этих систем.
Для понимания особенностей ФП электронных средств необходимо
крпгко остановиться на физико-химических процессах, протекающих в
|ki щичных веществах под воздействием мощных ЭМП.
1.4. Уравнение функционального поражения
Нанесение противнику информационного ущерба путем ФП его элек-
ipoiiiiux средств (ЭС) возможно, если выполнены энергетические усло-
вии ФП этих средств. Для получения необратимого эффекта поражения
К' главным условием является создание в районе расположения объекта
пирпжения сильного ЭМП, плотность потока которого Пвх соответствует
«ритическому значению Пкр, при котором поражаемый объект выходит
И1 строя, т. е.
Пвх>Пкр. (1.6)
Для каждого типа ЭС существуют критические уровни плотности по-
ТОМ энергии (мощности) П^, которые определяются восприимчивостью
|цмыХ чувствительных его элементов. В п. 1.5 приведены обобщенные
шипки критических энергетических уровней ФП ряда элементов совре-
менных электронных приборов.
Количественно информационный ущерб, наносимый противнику,
нПргделяется размерами области 5пор, в пределах которой исключается
not гупление данных от ЭС, поражаемого мощным СВЧ-излучением. Эта
пПипсть фактически изымается из обслуживания информационной систе-
мой, одним из элементов которой является пораженное ЭС. Предполага-
• н 4, что ее перекрытие другими ЭС отсутствует.
Обозначенную область следует отличать от зоны поражения средства
ФП — пространства вокруг средства ФП, при попадании в которое ЭС
Поражается СВЧ-излучением в заданной степени и с заданной всроят-
lltll TI.KJ.
Па границах зоны поражения выполняется условие (1.6). Внутри этой
юны обеспечивается функциональное поражение всех ЭС, имеющих оди-
Мпкопыс критические характеристики Пкр, если Пкр < Пвх. Для опрсделе-
htiu границ зоны поражения £>пор используется уравнение ФП.
В зависимости от типа средств ФП следует рассматривать два спосо-
' • их Применения. Одноразовые средства ФП в виде ЭМБ в основном
38
Глава 1. Электромагнитное оружие функционального поражения
Боеприпас
одноразового
действия
Рис. 1.3. Схема функционального поражения электронного устрой-
ства электромагнитным боеприпасом одноразового применения
обладают всенаправленным воздействием на ЭС в течение короткого вре-
мени существования ЭМИ (рис. 1.3).
Особенностью их функционирования является отсутствие избиратель-
ного воздействия на ЭС. Иными словами, при попадании в зону пораже-
ния любых ЭС (своих или противника) они могут быть поражены, если
только выполнено условие (1.6). Средства ФП многократного использо-
вания (лазеры, мощные СВЧ-установки) поражают ЭС узконаправленным
лучом и действуют на объект избирательно, не причиняя вреда собствен-
ным ЭС (рис. 1.4).
Оптическое или
Рис. 1.4. Схема функционального поражения электронного
устройства источником сильного узконаправленного ЭМП
Под уравнением функционального поражения (подавления) понима-
ется аналитически выраженная зависимость максимальной дальности
(радиуса зоны) функционального поражения (подавления) заданного РЭС
от совокупности энергетических, частотных и пространственно-временных
характеристик СВЧ-излучения оружия ФП и критической плотности пото-
ка энергии (мощности) такого излучения, поражающей (подавляемой) ЭС.
1.4. Уравнение функционального поражения 39
Можно надеяться, что со временем критическую плотность потока
Пергии (мощности) в уравнении ФП удастся заменить на параметры ЭС,
характеризующие его восприимчивость к СВЧ-излучениям. Движение на
этом пути обозначено в п. 2.4. Пока же критическая плотность надежно
может быть оценена в основном по результатам натурных испытаний.
Ниже приводится вывод уравнения ФП для случая поражения ЭС
средствами ФП направленного действия (рис. 1.4). Особенности приме-
нения уравнения ФП в других случаях оговариваются отдельно.
Устройство ФП (лазер или мощный СВЧ-излучатель) удалено от
объекта поражения на дальность D. Сильное электромагнитное поле, скон-
центрированное в узком телесном угле ахр, воздействует на приемник или
ин элементы входных устройств (оптических, антенно-фидерных). Если
поражаются элементы входных устройств, то плотность потока энергии в
месте их расположения определяется в соответствии с соотношением
Пвх=|^Хосл, Дж/м2, (1.7)
1дг Эизл — энергия ЭМП на выходе излучающего устройства средства ФП
Эизл = РИ1ЛТИЗЛ’ Дж’ (1-8)
— мощность источника ЭМП, Вт; тизл — длительность излучения, с;
U а р — телесный угол расходимости луча; а, р — ширина луча во вза-
имно ортогональных плоскостях (радиан); А^д <1 — коэффициент ослаб-
н’Пия энергии ЭМП при распространении по трассе длиной D.
D радиодиапазоне выражение (1.7) может быть записано в виде
П = РизлТиу,£х (1.9)
вх 4дЛ2 осл
1Д<- (1 — коэффициент усиления антенны мощного СВЧ-устройства
1лг Л — эффективная площадь антенны.
Когда для ФП используется СВЧ-излучатель на основе ВМГ, вследствие
Иг направленности излучения в формуле (1.7) следует принять О = 4л.
Поражение ЭС произойдет при выполнении условия
*иПвх=Пкр, (1.П)
Икр — критическое значение плотности энергии в плоскости разме-
ну и ия поражаемого элемента, при котором ЭС безвозвратно выходит из
< фон; — коэффициент использования ЭМП, учитывающий возмож-
40 Глава!. Электромагнитное оружие функционального поражения
ность поражения ЭС электромагнитным излучением, спектр которого не
совпадает с рабочим частотным диапазоном ЭС (диапазоном восприимчи-
вости). При ФП РЭС сильным ЭМП, спектр которого не перекрывается
с рабочим диапазоном РЭС, необходимо определять Ки с учетом влияния
на ослабление поля пространственно-временных характеристик антенно-
фидерного тракта, ДНА, частотных и поляризационных характеристик.
С помощью (1.11) и с учетом (1.7)-(1.9) можно получить уравнение
ФП ЭС.
Для средства ФП оптического диапазона
Э
кк-^Косл=^- (112)
Для радиотехнических средств
Р 1 G
V 1 ИМ ЬИЗЛЦ у _ГГ .. ...
^и а ^осл пкр- (1-1-1)
Оба эти уравнения (1.12) и (1.13) могут быть представлены в виде еди-
ного уравнения функционального поражения, совпадающего с (1.12), если
4п
в нем принять О = сф — для оптического диапазона или £2 = — — для
G
радиодиапазона.
Уравнения (1.12) и (1.13) позволяют, как и традиционные уравнения
РЭП, определять границы зоны поражения и энергетический потенциал
устройства ФП, необходимый для поражения различных объектов на за-
данных дальностях D.
Граница зоны поражения определяется максимальной дальностью по-
ражения Z)max при заданной критической плотности потока энергии Пкр,
которая должна быть известна для каждого конкретного ЭС. Из уравне-
ния ФП (1.12) следует, что
Г\ __ 1С7ИЗЛЛОСЛЛИ
ПтеГ2 ' <114>
Так, например, максимальная дальность ФП оптической ГСН уп-
равляемой ракеты американским лазерным комплексом ФП «Нимироз»
(рис. 1.5 и 1.6) может быть определена на основе следующих рассуждений.
Усредненное значение критической плотности потока энергии, при
котором происходит разрушение оптических деталей ГСН, Пкр = 50 Дж/см2
[158]. Примем Эизл = 200 Дж; £2 = 10"9; КИ - А"осл = 1. Тогда из (1.14) полу-
чается /1тах = 630 м. Зона подавления представляет собой конус, в верши-
не которого находится средство ФП (рис. 1.5). Длина образующей конуса
1.4. Уравнение функционального поражения 41
|1ярцп Дтах. Если комплекс ФП способен надежно сопровождать ГСН уп-
|тк«ясмой ракеты (УР) узким лучом, то зона подавления на плоскости мо-
*«Г быть представлена в виде круга с радиусом R= Z>max (рис. 1.5).
Средства ФП одноразового применения в качестве источника силь-
ного ЭМП используют ВМГ, который доставляется к цели либо ракетой,
'Hirto миной, либо другим носителем электромагнитного боеприпаса. Зона
поражения представляет собой круг радиуса R=Dmax (рис. 1.6).
При защите собственных ЭС от ракет, самонаводящихся на источник
о 1лучсния, следует учитывать возможность ФП своих средств собственным
гисктромагнитным оружием. Защищаемые ЭС не должны находиться в
нН1г ФП (рис. 1.6). Подрыв ЭМБ должен быть произведен на расстоянии
»•!' собственного ЭС Dc min, превышающем максимальную дальность по-
l«fi «гния Лтах (Dc min > Z)max). Дальность подрыва Dc рассчитывается на
|к<ю1)ании (1.14) с учетом критического значения Пкр, характерного для
дгНсгвия ЭМБ на защищаемое ЭС.
Рис. 1.5. Зона поражения
оптикоэлектронных
средств ФП
Рис. 1.6. ФП ГСН управляемой
ракеты, наводящейся на защищаемое
электронное средство ЭМБ
11 ри разработке комплексов ФП возникает задача определения энерге-
!»р|<-ского потенциала ЭфП средства ФП, обеспечивающего поражение ЭС
Ии шлпнной дальности. Искомый энергопотенциал определяется из урав-
IWIihm (1.12) и (1.13) как
Эфп ~~Z ПкрГ2Дзад. (1.15)
IJj (1.15) следует, что потребный энергопотенциал ЭфП устройства
фщкционального поражения находится в сильной зависимости от задан-
ной дальности поражения Дзад.
42
Глава!. Электромагнитное оружие функционального поражения
1.5. Критические энергетические уровни функционального
поражения электронных устройств
Обычно значение Пкр находится одним из двух способов:
1. Теоретически определяется Экр по типовым моделям функциональ-
ного поражения, из которых наиболее распространенной и заслуживаю-
щей доверия является модель Вунша — Белла.
2. Экспериментально для конкретного элемента входных устройств
РЭА определяется Экр.
В различных работах приводятся значения Пкр, при которых выхо-
дят из строя различные приборы. Эти значения лежат в пределах Пкр =
= ЮА.ЛО2 Дж/см2. Такой разброс значений вызывает сомнения в их спра-
ведливости. Поэтому предлагается косвенный подход к определению Пкр.
Этот подход опирается на результаты практических наблюдений за работой
РЛС при локации объектов с очень большой ЭПР (о > 103 м2) при малых
дальностях £>до них. Опытом установлено, что входные приемные элемен-
ты (полупроводниковые смесители, фазовращатели) не выходят из строя
в «тяжелых» условиях работы РЛС. Поэтому предлагается получить ин-
тегральные оценочные значения Пкр путем увеличения на 30...40 дБ вход
ных значений плотности энергии Пкр сигнала, наблюдаемого в апертуре
антенны РЛС, работающей в «тяжелых» условиях.
В простейшей ситуации работа РЛС иллюстрируется рис. 1.7.
Рис. 1.7. Работа РЛС в простейшей ситуации
Для определения Пкр необходимо найти значение плотности энергии
отраженного сигнала при работе РЛС в «тяжелом» режиме и, умножив его
на коэффициент запаса Х^1П, получить искомое значение
Пкр ^фп^тах’
(116)
где Птах — максимальная плотность энергии полезного сигнала, при кото
рой еще не наблюдается перегрузка приемника (верхний уровень дина
мического диапазона); Л"фп= 103...104— коэффициент ФП, определяющий
необходимый уровень превышения плотности энергии помехи Пкр над
максимальной плотностью энергии сигнала Птах.
1.5. Критические энергетические уровни ФП электронных устройств 43
Плотность потока мощности отраженного сигнала в апертуре антенны
(рис. 1.7)
Р=/ 4°’ ВТ/М2‘ <117>
(4л) £»4
При обработке N импульсов с длительностью ти плотность потока энер-
1И11 и апертуре антенны
PG
П = Л%Р =—оУти, Дж/м2. (1.18)
(4л) £>4
Критическая плотность энергии Пкр = КфпПтах.
Для ориентировочных расчетов принимается PCGC= Ю10 Вт; о = 103 м2;
Л/- К)2; ти= 10€’с; Л= 103 м; Лфп= 103.
Ит (1.16) и (1.18) следует, что Пкра 5 10 3 Дж/м2 = 510~7 Дж/см2. В ли-
ftpnType [139] приводится Пкр^0,1...1 мкДж/см2. Результаты практически
I ГНКШДают. В соответствии со вторым способом критическое значение Пкр
можно определить, если известен динамический диапазон поражаемого
приемника
*дин=^> (1.19)
-'min
Шг /*1п1п — чувствительность приемника; Ртах — максимальная мощность
принимаемого сигнала, при которой приемник с заданным качеством об-
рйбнтывает сигнал.
И । (1.19) следует максимально допустимое значение энергии
®тах = ^^и^тах = ^дин Лп'т’ (1-20)
Критическое значение Пкр определяется из (1.16) и (1.20)
К К Р Мт
П„ = V» = Дж/мг, (1.21)
ни Л -------эффективная площадь антенны; G — коэффициент уси-
4л
1»НШ1 пнтенны; X — длина волны.
II'IM
Пкр = 4лХфпАГди„Л!11пЛЧ , Дж/м2. (1 22)
GX
Г1ни. Лфп = Ю3; Адин= Ю10; Р1тп= 10-12Вт; N= 100= 102; ти= 10 6с; G= 103;
• 1 К)2 м, тогда = 10 2 Дж/м2 = 10"6 Дж/см2 = 1 мкДж/см2.
ГЛАВА 2
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО
ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
2.1. Воздействие сильных электромагнитных
полей на вещества
В физике свойства и структуру любого вещества принято описывать
фазовым состоянием. Фазовое состояние вещества определяется характе-
ром взаимного расположения атомов в молекуле. В частном случае под
фазовым состоянием вещества могут пониматься агрегатные состояния,
газ, жидкость, твердое тело. При исследовании воздействия сильных ЭМП
на электронные устройства наибольший интерес представляют фазовые
состояния, характеризующие электромагнитные свойства диэлектриков,
ферро-, пара- и диамагнетиков, полупроводников. Для характеристики
изменений свойств радиоматериалов, находящихся в разных фазовых
состояниях, вводится понятие фазовых превращений.
Фазовые превращения — это переходы вещества из одной фазы в
другую, например полупроводника в проводник или проводника в сверх-
проводник. При действии сильного ЭМП первоначальное равновесное фа
зовое состояние (например, полупроводника) нарушается с ростом плотно
сти потока энергии П, Дж/м2 и в некоторой критической точке П = Пкр
происходит лавинообразное формирование новой устойчивой фазы (на-
пример, проводника).
На рис. 2.1 представлена качественная картина фазового перехода
диэлектрика в проводник при воздействии на вещество электрического
поля. Степень фазового превращения характеризуется значением удель-
ной проводимости о, Ом-1м-1. Лавинообразное необратимое фазовое пре
вращение диэлектрика в проводник наблюдается в критической точке
Е = Е^ ~107 В/см, когда происходит пробой (электрический или тепло
вой) диэлектрика. Вследствие фазового перехода (пробоя) необратимо
изменяется на много порядков проводимость вещества от Oj -10 ” до
°ш ~105, Ом 'см1. Заметим для сравнения, что диэлектрик кварц имеет
Oj -НТ11, Ом ’см-1, а проводник медь — о1П -7-Ю5, Ом^см'1.
Условием фазового перехода является не только критическая напря
женность электрического поля Е^, но и время воздействия ЭМП т, кото
рое должно быть т> 10-7 с [1].
2.2. Воздействие мощного импульсного излучения на элементы РЭС
45
Рис. 2.1. Фазовое превращение диэлектрика (I)
в проводник (III); II — переходная фаза
Причиной фазового превращения может быть не только воздействие
Ioimioio ЭМП, но и высокие или сверхнизкие температуры, высокое
чнипснис, другие факторы. Время фазового перехода из состояния I (ди-
vh к 1рик) в состояние III (проводник) характеризуется временем существо-
14111111 переходной фазы и составляет тн ~10~9... 10“* с.
2.2. Воздействие мощного импульсного электромагнитного
излучения на элементы радиоэлектронных систем
•1’11 элементов РЭС является результатом взаимодействия мощного
•МН с веществом поражаемых элементов. Это взаимодействие порожда-
• < риц процессов, классифицируемых как нелинейные явления в средах
|»» Щгс 1 пах). В отличие от хорошо разработанной линейной теории волн
н» чннсйпая теория еще далека от завершения. Поэтому выявление зако-
Цом< рностей функционального поражения (подавления) РЭС представ-
ки । фундаментальную проблему исследований.
hi ионной элементной базой современной микроэлектроники служат
• н»|и||>1ельные приборы, в состав которых входят металлы, диэлектрики
и почупроводники. Наиболее стойкими к воздействию сильных ЭМП
«яП» Н»гся металлы и диэлектрики. В полупроводниках фазовые превраще-
нии происходят при сравнительно небольших критических значениях
i'li'iniicTH потока энергии Пкр~ 1(Н... 10-7 Дж/см2. Главным фактором фа-
шпмм превращений является поглощение энергии электромагнитных волн
| IMII) При этом происходит переход энергии ЭМВ в другие виды энер-
»||п 1'нссмотрим физические процессы, протекающие при фазовых пре-
рчФ НИЯХ в металлах, диэлектриках и полупроводниках.
46 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
2.2.1. Воздействие электромагнитного поля на металлы
Основной особенностью металлов, типичным представителем которых
являются медь (Си) и серебро (Ag), является малая поглощающая способ
ность. При падении электромагнитных волн на металлическую поверх
ность большая часть энергии (более 99%) отражается в широком диапазоне
частот (в радио- и оптическом диапазонах). Вследствие этого эффекта
металлы имеют характерный блеск. Волна затухает в тонком слое (скип
слое) толщиной 10...20 мкм вследствие наличия в металлах большого ко
личества свободных электронов (-1023 см-3), слабо связанных с атомами
Под влиянием падающего на поверхность металла ЭМП эти электроны
возбуждаются и излучают вторичные волны, которые, складываясь, порож
дают электромагнитную волну. Взаимодействие этой внутренней волны
с кристаллической решеткой металла влечет за собой передачу ей лишь
небольшой части энергии падающей волны и быстрое затухание падаю
щей волны. Большая часть энергии ЭМП переходит в отраженную волну
При увеличении частоты f ЭМВ начинают играть заметную роль квантовые
эффекты, в первую очередь фотоэффект. При длине волны
с
Х = —<0,4 мкм
f
(ультрафиолетовая область) наблюдается фазовый переход типа «металл
диэлектрик». В этом случае резко уменьшается коэффициент отражения
(Л^гр-10-2) и металл становится для этих волн «прозрачным».
Металлы имеют малое удельное сопротивление руд-10"2 Ом мм2/м, а
удельная проводимость о -107 Ом-1м-1 (для меди о = 5,8-107 Ом-1м~1). При
сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю (Г-ОК), коэф
фициент поглощения падает до нуля и металлы становятся сверхпро
водниками (руд - 0, о -> °®). Для справки: медь при температуре Т ~ 4 К
имеет удельную проводимость о = 1021 Ом-1м-1, что на -14 порядков выше
ее проводимости при нормальной температуре (Г = 300К).
Теоретически рассматривая воздействие средств ФП на металлически
элементы радиоустройств, можно рассчитывать на фазовый (агрегатный)
переход типа «твердое тело—жидкость», т. е. на тепловое разрушение
(плавление) металла. В принципе изменение агрегатного состояния ме
талла может привести к необратимым отказам электровакуумных прибо
ров за счет теплового повреждения электродов (например, может распла
виться спираль приемно-усилительной лампы бегущей волны (ЛБВ))
Однако для этого плотность потока энергии принятой ЭМВ должна бы 11.
чрезвычайно высокой. Например, учитывая критическую температуру
плавления спирали ЛБВ Т= 3000 К и используя закон Стефана—Бальи
2.2. Воздействие мощного импульсного излучения на элементы РЭС
47
мина, можно определить необходимую плотность потока энергии ЭМП
при ФП в соответствии с формулой
П = огГ4, (2.1)
|де иг= 5,7-Ю-12 Вт см-2 град-4 — постоянная Стефана — Больцмана, Т—
йбсолютная температура.
При Т= 7^ =3000 К из (2.1) следует, что Пкр = 460 Дж/см2.
Полученное таким образом критическое значение Пкр на несколько
порядков выше возможностей современных и перспективных источников
«ильных ЭМП. Однако нельзя исключить создание в будущем таких сверх-
мощных источников электромагнитных волн. И тогда следует иметь в виду
Возможность возврата к «ламповой» концепции построения важнейших
умов РЭС в качестве контрмеры, направленной на защиту радиоэлект-
роцных средств от электромагнитного оружия.
2.2.2. Воздействие электромагнитных полей на диэлектрики
Диэлектрики широко применяются в радиотехнических и оптоэлект-
|М«иных устройствах (в антеннах, линиях передачи, оптических элементах
И 1 II.). К диэлектрикам относятся в первую очередь изоляционные мате-
риалы с весьма низкой электропроводностью (о ~1О-9...1О“10 Ом'см'1).
Диэлектрическими свойствами обладают также и полупроводники.
П диэлектриках может существовать весьма сильное электрическое поле
Н 10е В/см и выше). Диэлектриками могут быть вещества, находящиеся
I ш х различных фазовых состояниях: газообразном, жидком и твердом.
Фазовый переход, характерный для эффективного воздействия силь-
nnh> ЭМП, связан с явлением пробоя диэлектрика, когда он теряет свои
ни адсктрические свойства и переходит в месте пробоя в новое фазовое
ин гояние проводника (рис. 2.1).
Механизмы пробоя в твердых телах, жидких и газообразных диэлект-
)н<ках связаны с образованием проводящих каналов (шнуров). Электро-
щихюдность диэлектриков при пробое резко возрастает (на много поряд-
•нп) и достигает значений о~105...106 Ом ‘см-1. Критическое значение
н«црнженности поля Екр, при котором происходит пробой (фазовый пе-
|*«щ), называется электрической прочностью диэлектрика. Для твердых
in мсктриков характерной является величина £кр= 1О7...1О8 В/см.
В сильных ЭМП ток 7, проходящий через диэлектрик, не подчиняет-
М кону Ома. В слабых полях с ростом напряженности электрического
но in Е ток I вначале растет, а затем при Е> Е^, когда наступает пробой
ин -лектрика, ток увеличивается скачком (рис. 2.2).
48 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
Рис. 2.2. Пробой в диэлектрике: I — ток в диэлектрике (А);
р — удельное сопротивление (Омсм); Т — температура
В твердых диэлектриках могут наблюдаться два вида пробоя — тепло-
вой и электрический.
Тепловой пробой обусловлен повышением количества тепла в объеме
диэлектрика при росте напряженности поля Е. Вместе с ростом Е увели
чивается и температура диэлектрика Т. Для диэлектриков при слабых ЭМП
(£<£кр) повышение напряженности поля Е влечет за собой рост элект
ропроводности материала. Удельное сопротивление р (Ом см) уменьша
ется по экспоненциальному закону (рис. 2.2) [1]
Р = Ров-АГ,
где Т — температура в градусах Цельсия; b — постоянный коэффициент;
Ро — удельное сопротивление диэлектрика при 7 = О °C (фазовое состо
яние I).
Так как удельное сопротивление диэлектрика с ростом напряженное
ти ЭМП уменьшается (проводимость возрастает), ток / растет.
Стационарное фазовое состояние I возможно до тех пор, пока тепло
выделение не превышает скорости отвода тепла. При Е = Е^ -107 В/см
температура диэлектрика достигает критического значения Т = Ткр, при
котором диэлектрик разрушается и переходит в новое фазовое состоя
ние III, которое характеризует его как проводник с весьма малым удель
ным сопротивлением рпр~10“5 Ом см. Тепловой пробой может наступить
в любом диэлектрике независимо от его удельного сопротивления р0.
В отличие от теплового пробоя электрический пробой не является
следствием нарушения теплового равновесия диэлектрика. Электрический
пробой порождает нарушения стационарного (равновесного) состояния
вещества. Причиной этого является туннельный переход носителей элек
трического заряда из валентной зоны в зону проводимости кристалла или
2.2. Воздействие мощного импульсного излучения на элементы РЭС 49
Мирная ионизация атомов свободными (возбужденными) электронами.
П основном электрический пробой происходит при лавинообразном на-
метании концентрации электронов (ударная ионизация) и наблюдается
р чистых диэлектриках, тогда как туннельный эффект характерен для
диэлектриков с посторонними примесями.
При Е < в диэлектрике наблюдается стационарное фазовое со-
। гоиние I, т. к. процесс ионизации уравновешивается процессами реком-
Пинпции. При Е = Екр ударная ионизация приводит к резкому (лави-
нообразному) увеличению концентрации электрических зарядов в зоне
приводимости и наступает электрический пробой, для которого характер-
ным является скачкообразное нарастание температуры диэлектрика. В не-
которых случаях при снятии напряжения свойства диэлектрика могут вос-
। гпнавливаться, т. е. наблюдается обратное фазовое превращение вида
•проводник—диэлектрик». При тепловом пробое, как правило, обратное
превращение не наблюдается. Продолжительность переходной фазы про-
Йон II (рис. 2.2) составляет тп ~10“7 с. Это время определяет минималь-
ную длительность ЭМИ тэми при функциональном поражении электрон-
ных средств кратковременным излучением. Поражение будет надежным
При соблюдении двух условий: Е > Е^ и тэми > тп.
При функциональном поражении в процессе фазового перехода ди-
мсктрика (I) в проводник (III) при воздействии сильного ЭМП решаю-
щую роль играет электрическая составляющая поля Е, ибо диэлектрики
ПС восприимчивы к магнитному полю Н. При различных энергетических
расчетах напряженность магнитного поля Н не учитывается, и плотность
потока энергии ЭМП, под действием которого происходят фазовые пре-
вращения, определяется по формуле
Е^
п=1Г’Дж/м2’ (22)
д
где = — волновое сопротивление диэлектрика; ц и е — соответст-
венно абсолютные магнитная и диэлектрическая проницаемости вещества.
Для диэлектрика относительная магнитная проницаемость равна цг= 1,
поэтому ц = ргЦ() = 1,257-Ю-6 Гн/м. Ориентировочное значение диэлект-
рической проницаемости диэлектрика
Е = ЕгЕо ~ 4,44-10"11, Ф/м.
Волновое сопротивление свободного пространства равно
W = W0
= 120л, Ом.
(2.3)
50 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
Так как усредненное значение относительных диэлектрической и маг-
нитной проницаемостей диэлектрических материалов составляют ег = 5 и
1, то волновое сопротивление диэлектрика равно
ц/
= -170 Ом.
(2.4)
2.2.3. Воздействие сильных электромагнитных полей
на полупроводники
Особый вид радиоматериалов представляют собой полупроводники.
В современных электронных устройствах полупроводниковые элементы
нашли широкое применение. Именно внедрение полупроводников в элект-
ронную технику позволило совершить революционный переворот, который
в последние десятилетия наблюдается во всех направлениях развития
информационных систем. Этот переворот связан в первую очередь с соз-
данием высокопроизводительных цифровых вычислительных устройств,
различных сверхвысокочастотных радиотехнических устройств (линий
передачи СВЧ-сигналов, ФАР, генераторов, усилителей и других уст-
ройств), оптоэлектронных и лазерных устройств. Полупроводниковые
приборы и интегральные схемы (ИС) практически вытеснили из радио-
технических устройств традиционные электровакуумные приборы и из-
менили весь облик РЭС. Удельный вес полупроводниковых элементов в
современных РЭС составляет более 80%. Поэтому изучение возможностей
ФП полупроводниковых устройств сильными ЭМП приобрело в настоя-
щее время особый интерес как с точки зрения качественного повышения
эффективности действия электромагнитного оружия РЭБ, так и изыска-
ния способов защиты от ФП.
Полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы входят в
состав РЭС самого различного функционального назначения: РЛС, радио-
локационных, лазерных, телевизионных и инфракрасных ГСН; станций
радиотехнической, лазерной и инфракрасной разведки; средств радио-
управления, радиосвязи, радионавигации, в том числе и спутниковой,
радиотелеметрии и т. д. И эти же приборы и микросхемы являются наи
более уязвимыми элементами РЭС — радиотехнических, оптоэлектрон-
ных и вычислительных — к воздействию мощного СВЧ-излучения.
Полупроводники обладают как магнитными, так и электрическими
свойствами, основными из которых, интересными с точки зрения воздей
ствия на них сильных ЭМП, являются [43]:
• весьма высокая чувствительность к внешним воздействиям (на
греву, облучениям ЭМП и другим);
2.2. Воздействие мощного импульсного излучения на элементы РЭС
51
• отрицательные температурные коэффициенты электропроводно-
сти при нагреве (при росте температуры удельное сопротивление
полупроводника падает);
• весьма широкий разброс электронной проводимости даже при
стандартной (комнатной) температуре (удельное сопротивление раз-
личных полупроводниковых материалов может принимать значения
в интервале от 1()'3 до 106 Ом см).
На основе полупроводниковых материалов создают полупроводнико-
вые приборы — диоды, транзисторы, монолитные и гибридные (пленоч-
ные) ИМС, другие приборы. Существует большое разнообразие конструк-
ций полупроводниковых приборов и широкий спектр технологических
приемов их изготовления. Устойчивость РЭС против функционального по-
рч «ения определяется в конце концов стойкостью против разрушения
•исктрических переходов полупроводниковых элементов.
В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводни-
иоиых приборах может быть электронно-дырочный переход, гетеропере-
ход или переход, образованный в результате контакта между металлом и
I кыупроводником (переход Шотки).
В данном разделе рассматриваются такие полупроводниковые прибо-
ры, как диоды, полевые транзисторы, у которых в качестве выпрямляю-
щею электрического перехода может быть р-л-переход, гетеропереход или
ш'рсход Шотки, однопереходные биполярные транзисторы и фотодиоды.
1>ш конкретности акцент сделан на полупроводниковом диоде.
В диоде с р-л-переходом или с гетеропереходом кроме выпрямляюще-
IM перехода имеются два омических перехода, через которые р- и л-обла-
। in диода соединены с выводами. В диоде с выпрямляющим электричес-
ким переходом в виде контакта между металлом и полупроводником всего
няни омический переход.
Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные р-и-пере-
хплы. Поэтому при прямой полярности внешнего напряжения, когда
Происходит понижение потенциального барьера в р-л-переходе, т. е. при
Прямом направлении для р-и-перехода, количество носителей заряда, ин-
er тированных из сильнолегированной в слаболегированную область,
иичительно больше, чем количество носителей, проходящих в противо-
ни>|ижном направлении.
В соответствии с общим определением область полупроводника, в
хошрую происходит инжекция неосновных для этой области носителей
шриди, называют базой. В диоде базовой областью является слаболегиро-
ВцНПиЯ область, которая может оказывать существенное влияние на его
•нрписристики и параметры [118].
52 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
Полупроводниковые р-л-переходы изготавливаются на полупроводни-
ковой пластине. При этом в исходном полупроводниковом материале
создаются зоны с разным характером проводимости. На основе р-л-пере-
ходов создают транзисторы и диоды. Емкости запертых р-и-переходов
используются как конденсаторы. Резисторами служат слаболегированные
области полупроводника, имеющие сравнительно большое удельное со-
противление. На одной круглой пластине диаметром 90...110 мм изготав-
ливается одновременно несколько десятков схем.
Процесс изготовления состоит из эпитаксиального наращивания, окис-
ления, фотолитографии, диффузии и металлизации на подложке из моно-
кристаллического кремния. Подложка служит для отвода тепла, электри-
ческой изоляции и придания схеме необходимой механической прочности.
На пластине подложки наращивается эпитаксиальный слой кремния с про-
водимостью л-типа. Этот слой служит для образования коллекторных об-
ластей транзисторов. Эпитаксиальное наращивание — это получение
монокристалла из атомов. Атомы осаждаются на поверхность монокрис-
таллической подложки таким образом, что кристаллическая решетка на-
ращиваемого слоя является точным продолжением кристаллической ре-
шетки подложки.
Затем проводятся несколько диффузионных циклов, в ходе которых
образуется изоляция между различными элементами будущей интеграль-
ной схемы, формируются на поверхности эпитаксиальной пленки области
с p-типом проводимости, служащие базами транзисторов и резисторами,
формируются эмитгерные области с проводимостью л-типа. В диффузи-
онный процесс входят операции окисления, фотолитографии и собствен-
но диффузии примеси. Сначала пластина нагревается в атмосфере, обо-
гащенной кислородом. На поверхности эпитаксиального слоя образуется
слой двуокиси кремния. Затем двуокись кремния удаляется с тех участ-
ков, через поверхность которых будет диффундировать примесь р-типа.
Чтобы удалить двуокись кремния, на ее поверхность наносят равномер-
ный слой фотоэмульсии, которую засвечивают через маску (шаблон) с
прорезями, образующими нужный рисунок. Незасвеченные участки фото-
эмульсии удаляются при проявлении. Когда пластина подвергается трав
лению в растворе, содержащем плавиковую кислоту, двуокись кремния
разрушается на незасвеченных участках, обнажаются те участки поверх-
ности пластины, где требуется сформировать р-области.
Следующий технологический этап заключается в создании, где это не-
обходимо, электрических соединений между компонентами будущей ИС.
Для этого в слое двуокиси кремния вытравливается новый комплект окон
на тех местах, где должны быть сформированы контакты с компонентами.
2.2. Воздействие мощного импульсного излучения на элементы РЭС 53
Мп нею поверхность схемы напыляют тонкий слой металла (чаще всего —
мюминия), на котором методом фотолитографии получают рисунок меж-
пмдинений. Если в одном слое металла нельзя организовать все соедине-
нии (когда необходимо прокладывать пересекающиеся проводники), этот
viiutl покрывается слоем стекла (окиси кремния), поверх которого нано-
< шея еще один слой проводников и т. д.
Разрез кремниевой пластины, на которой в результате применения
1«кн11логии эпитаксиального наращивания получены ИС, иллюстрирует-
(я рис. 2.3.
Последняя операция по обработке пластины — разрезание ее на от-
я«>н>ные схемы (скрайбирование). Полученные кристаллы («чипы» от анг-
инНского chip — «осколок») ИС оформляют как компоненты больших
*п’К1ронных систем. Для этого к кристаллу' приваривают выводы в виде
ынких металлических проволок.
Современная технология, использующая описанные процессы, позво-
|)и| । получать кристаллы ИС площадью от долей до единиц квадратных
•чилиметров с количеством элементов 103 и более (при этом достигается
шппность расположения компонентов порядка 103 1/мм2). Кристалл с
иыводнми может быть смонтирован в отдельном корпусе, обеспечиваю-
iiifM необходимую герметизацию, теплоотвод, а также возможность уста-
новки и электрического соединения ИС с другими элементами электрон-
Hiill системы или устройства на плате печатного монтажа.
Гибридные ИМС появились несколько раньше монолитных. Для их
h t| отопления на подложку из изоляционного материала (керамики или
। t»ium) напыляются тонкие металлические пленки, образующие резисторы
54 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
и соединительные проводники. Для пленочных резисторов выбираются
материалы с высоким удельным сопротивлением, а для проводников —
с низким. Пленки напыляют через специальные маски-трафареты. Обычно
напыляют сразу несколько одинаковых схем на одной общей большой
подложке. После окончания всех требуемых циклов напыления пластину
разрезают (скрайбируют) на части, соответствующие подложкам отдельных
схем. К специальным контактным площадкам на пассивных пленочных
компонентах будущей схемы приклеивают активные элементы — дио-
ды, транзисторы и монолитные ИС в микроминиатюрном бескорпусном
исполнении.
Сведения, составляющие фундамент микросхемотехники, отражают
опыт создания современных РЭС. Основное в этом опыте — тесная взаимо-
связь и взаимовлияние технологических возможностей производства ИС,
а также схемотехнических и прочих требований к изделиям на их основе.
Толщина пленок, образующих проводники и легированные полупро-
водящие области, очень мала, порядка нескольких микрон и даже долей
микрона.
В выпрямляющем электрическом переходе и прилегающих к нему
областях происходят разнообразные физические процессы, которые могут
приводить к эффекту выпрямления, к нелинейному росту тока с увеличе-
нием напряжения, к лавинному размножению носителей заряда при удар
ной ионизации атомов полупроводника, к туннелированию носителей
сквозь потенциальный барьер выпрямляющего электрического перехода
как при обратном, так, в определенных условиях, и при прямом напряже
нии, к изменению барьерной емкости с изменением напряжения, к эффек
ту накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в прилегаю-
щих к выпрямляющему переходу областях. Все эти эффекты используют
для создания различных видов полупроводниковых приборов: выпрями
тельных, смесительных, детекторных и переключательных, с резким вое
становлением обратного сопротивления, стабилитронов, стабисторов,
шумовых, лавинно-пролетных, туннельных и обращенных диодов, вари
капов. Некоторые из названных эффектов являются нежелательными и
даже вредными для одних диодов, но для других эти же эффекты служат
основой принципа действия.
Воздействие мощного СВЧ-импульса сопровождается пробоем элект
ронно-дырочного перехода (р-и-перехода) или перехода «металл — полу
проводник» (перехода Шотки).
Обратное напряжение, приложенное к диоду, обычно падает на вып
рямляющем электрическом переходе диода. При больших для конкретного
полупроводника обратных напряжениях происходит пробой выпрямляю
2.2. Воздействие мощного импульсного излучения на элементы РЭС 55
|Цг1« электрического перехода. Пробой перехода (и соответственно пробой
пж1Дп) сопровождается резким увеличением дифференциальной проводи-
мости этого перехода при достижении обратным напряжением критичес-
Шши для данного прибора значения.
Наиболее распространенные повреждения полупроводниковых при-
(м»|юн происходят вследствие поверхностного пробоя, объемного пробоя,
прийои диэлектрика и сквозного пробоя в транзисторах с несколькими
переходами [129].
Лавинный пробой р-и-перехода вызывается резким размножением но-
ги < г ней заряда под действием сильного электрического поля. Лавинное
ря1Множение носителей заряда происходит в результате того, что они,
Приходя через выпрямляющий переход при обратном напряжении, при-
||П|ЮП1ЮТ в сильном электрическом поле на длине свободного пробега
№И1<ип1ительную энергию, достаточную для образования новых электрон-
но дырочных пар носителей заряда за счет ударной ионизации атомов полу-
проводника.
Туннельным пробоем р-л-перехода называют электрический пробой,
ИМ шинный квантово-механическим туннелированием носителей заряда
‘X пн и. запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии.
И сильных электрических полях возможен прямой переход электро-
||<1И из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс называется
(уппсльной (электростатической) ионизацией.
Условия туннелирования возникают только при определенной, кри-
1МЧССКОЙ напряженности электрического поля Е^. Для кремниевых пе-
IwkOAOB она составляет -8- 10s В/см, а для германиевых-ЗЮ5 В/см.
1ничепию Ец, соответствует пробивное напряжение перехода и соответ-
• Iпенно напряжение пробоя прибора.
Туннельная ионизация часто маскируется лавинным пробоем вслед-
। |инг ударной ионизации. Например, для начала туннельной ионизации
* /I1S необходимы поля с напряженностью -3 106 В/см, а ударной иони-
мции соответствуют поля -10s В/см [32]. Поэтому ниже везде использу-
и единый термин — полевой пробой.
Чем больше мощность СВЧ-излучения, тем сильнее ток, проходящий
ч»>||1'1 глектрический переход, и тем больше тепла выделяется в переходе.
И ним состоит причина теплового пробоя. Тепловой пробой в диодах
|||КН1гходит с образованием так называемого «шнура», или канала высокой
Приводимости. Температура в шнуре превышает среднюю температуру
и ноппой части р-л-перехода. В свою очередь, появление шнура вызыва-
ть < шбо дефектами в р-л-переходе, либо флуктуацией плотности обрат-
iihiii гика по площади перехода.
56 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
Полевые пробои связаны, как правило, с временными (восстанав
ливаемыми) отказами. Тепловые пробои — с отказами катастрофически-
ми (невосстанавливаемыми). Если время восстановления полупровод-
никового прибора мало (близко к нулю), а его параметры выходят за
пределы нормы, то такой отказ называется параметрическим. Примером
параметрических отказов является ухудшение вольтамперных характери
стик (ВАХ) диодов после их облучения мощными СВЧ-импульсами.
Следует отметить, что явление пробоя электрического перехода име
ет сложный характер. Так, например, пробивное напряжение при тепло
вом пробое зависит от обратного тока через диод при температуре окру-
жающей среды, поэтому у диодов с большими обратными токами даже при
комнатных температурах создаются условия для теплового пробоя, и он
наступает раньше, чем лавинный пробой. Этот эффект характерен для
германиевых диодов. У кремниевых диодов из-за значительно меньших
обратных токов напряжение теплового пробоя настолько высоко, что рань-
ше наступает лавинный пробой. А тепловой пробой может произойти лишь
при высоких температурах окружающей среды. Кроме того, пробой мо
жет начаться как лавинный, а по мере увеличения обратного тока перейти
в тепловой (118].
Все виды пробоев обусловлены поглощением полупроводником кван
тов электромагнитной энергии — фотонов. Существуют различные меха
низмы такого поглощения.
Во-первых, существует эффект поглощения энергии квантов свобод
ными электронами зоны проводимости или дырками валентной зоны. Этот
процесс носит название поглощения носителями заряда: энергия квантов
идет на перевод носителей заряда на более высокие энергетические уровни.
Во-вторых, энергия фотонов может передаваться валентным электро
нам с переводом этих электронов в зону проводимости (энергия фотонов
расходуется на ионизацию атомов полупроводника). Этот процесс назы
вается собственным поглощением.
В-третьих, существует примесное поглощение, при котором энергия
фотонов идет на ионизацию или возбуждение примесных атомов.
В полупроводниках могут происходить процессы поглощения фотонов
кристаллической решеткой и некоторые другие виды поглощения [118].
На рис. 2.4 для кремниевого полупроводника (Si) схематично показа
ны те области длин волн X, для которых действуют различные указанные
выше механизмы [43].
Из рисунка видно, что преобладающим является первый механизм,
связанный с поглощением энергии фотонов свободными носителями
заряда.
2.2. Воздействие мощного импульсного излучения на элементы РЭС
57
1'ис. 2.4. Поглощение в Si в разных диапазонах электромагнитных волн:
1 — поглощение свободными носителями; 2 — поглощение
кристаллической решеткой; 3 — поглощение примесями
Поглощение фотонов характеризуют показателем поглощения а, рав-
ным относительному изменению потока фотонов в слое полупроводника
•циничной толщины (рис. 2.5) [118]
(2.6)
Решение этого дифференциального уравнения
J = или Ф = Ф0ехр(-осх).
Фо Ф о
И । (2.6) следует, что показатель поглощения а определяется как ве-
•hmiiiih, обратная толщине слоя полупроводника, после которого поток
'|ц||||||<|1> уменьшается в е= 2,718... раза.
58 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
Зависимость показателя поглощения от энергии фотонов называют
спектром поглощения полупроводника.
2.3. Влияние конструктивных, технологических и схемных
особенностей и особенностей элементной базы радиоэлектронных
средств на критические уровни функционального поражения
Выше обращалось внимание на то, что одинаковые полупроводнике
вые приборы, изготовленные различными предприятиями, могут иметь
существенно отличающиеся критические уровни поражения (более чем в
10 раз на примере транзисторов типа 2N718). Это значит, что разные пред
приятия в технологической цепочке изготовления приборов используют
одинаковые материалы разной степени чистоты (по заводской терми
нологии — разные покупные изделия), по-разному выполняют одинаковые
технологические операции, имеют разную квалификацию специалистов
и т. д. Совершенствование технологии изготовления диодов может увели
чить их стойкость к СВЧ-излучению в десятки раз.
В табл. 2.1 представлена зависимость мощности теплового поражения
(выгорания) кремниевых диодов с барьером Шотки от вида металлизации.
Из табл. 2.1 видно, что металлизация позволяет повысить мощность по
ражения в 10...25 раз при длительности импульсов ти = 3 нс и в -40 раз
при ти= 1 мкс. Так, например, замена в кремниевых диодах с барьером
Шотки металлизации, — а именно использование для металлизации сила
ва титана, платины, молибдена и золота — привела к повышению мощ
ности поражения с 3...10 Вт до 80...100 Вт при длительности импульсоп
ти= 3 нс и с 0,2...0,4 Вт до 8...15 Вт при ти = 1 мкс.
Таблица 2.1
Вид металлизации Мощность поражения, Вт
ти = 3нс ги = 1 мкс
Ni (л-тип) 3...10 0,2...0,4
Ni/Cr/Au (л-тип) 10... 15 0,2...0,4
Palladium (р-л-тип) 10...15 0,2...0,4
Ti/Mo/Au (лртип) 15...25 1...2
Мо/Au (лр-тип) 40...60 2...3
Pt/Ti/Mo/Au (л-тип) 80... 100 8... 15
На величину мощности СВЧ-импульса, выдерживаемую диодами без
заметного изменения параметров, существенно влияет схема их включе
ния и величина нагрузки по низкой частоте. В частности, подача отрица
3.3. Влияние элементной базы РЭС на критические уровни ФП 59
MMMiui'O смещения на смесительные и ограничительные СВЧ-диоды уве-
чиЧииист их стойкость к СВЧ-излучению.
Длн использования в диапазоне 1...40 ГГц в качестве смесительных и
горных разработаны диоды с селективным легированием, изготовлен-
Н« • ₽ no МВЕ и M0CVD технологии. Эти диоды по сравнению с диодами
I Онрм ром Шотки на кремниевой или арсенидогаллиевой основе отлича-
ет я нс только низким барьерным потенциалом и сильно асимметричной
Ш.Ч, но и более высоким критическим уровнем поражения (КУП). Так,
няНример, при воздействии мощного радиоимпульса на частоте -9,6 ГГц
» hi нгсльностью ти= 200 нс диоды с селективным легированием выходи-
4М КI сгроя при мощности -200 Вт, а диоды с барьером Шотки на основе
I и Ал при мощности -5 Вт.
|1 (ранзисторе с затвором Шотки (ТШ) на арсенидогаллиевой основе
йпяьиюе влияние на КУП оказывает тип металлизации электрода затвора.
IШ С титаново-платино-золотой металлизацией (Ti/Pt/Au-металлизацией)
ИМ* Hit более высокие КУП по сравнению с ТШ, в которых используется
*>1И1Миниевая металлизация.
Пи рис. 2.6 представлена зависимость нормированной мощности Рн
И мучения, воздействующего на цифровую ИМС, от соотношения длины
•'ill (Я X излучения и длины I выводов микросхемы. Эта частотная зави-
ММость имеет ярко выраженный резонансный характер, причем максимум
к*'Н1ггствует полуволновому резонансу вибратора. При уменьшении //X
ПИ*' резонансного значения мощность РИ резко падает, а при увеличе-
нии выше резонансного значения мощность уменьшается более плавно,
н|и(Г>пижаясь к стационарному значению. Излучение падало на ИМС по
ннрмпли к оси «вибратора». Задачу поиска резонансов более высокого типа
и кгдователи перед собой не ставили.
Рис. 2.6. Нормированная мощность Рн излучения,
выводящего из строя цифровую ИМС
60 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
На рис. 2.7 изображена зависимость нормированной амплитуды на
пряжения U/Uo, наводимого на р-п-переходе демпферного диода ИМС
133-й серии, от отношения /Д при плотности потока СВЧ-мощности
П= 2... 10 Вт/см2, которая на 5... 10 дБ меньше уровня повреждения ИМС
[1151. Эта частотная зависимость также выявляет резонансный характер
воздействия СВЧ-излучения на ИМС.
Рис. 2.7. Нормированная амплитуда наводки,
выводящей из строя цифровую ИМС
При этом уровень резонансной наводки уменьшается с ростом Z/A., что
свидетельствует об увеличении потерь на переизлучение выводами ИМС
поступающей СВЧ-мощности.
Анализ облученных цифровых ИМС показал, что при длительности
импульсов СВЧ-излучения 5... 100 мкс происходит повреждение микросхем
(демпферных диодов, переходов эмиттер — база входного транзистора)
и проплавление токоведущих линий. Причем проплавление происходили
в 60% случаев от полного числа повреждений микросхем.
Повреждение ИМС связано с тем, что они являются нагрузками для
«вибраторов», образованных выводами микросхемы, в то время как внут
ренние элементы микросхем подвергаются действию значительно более
слабых электрических перегрузок, образующихся за счет электромагнит
ных связей между проводниками и за счет видеосигналов, формирующихся
в результате детектирования СВЧ-импульсов во входных цепях.
Уровни повреждения ИМС определяются в основном тремя при
чинами.
Первой причиной является напряжение, наводимое СВЧ-излучением
на металлических вводах микросхемы и зависящее от отношения //л
(рис. 2.6 и 2.7). Минимальный уровень мощности (плотности потока мо»ц
ности) повреждения имеет место на частотах, соответствующих полувол
2.3. Влияние элементной базы РЭС на критические уровни ФП
61
ишюму резонансу. В области коротких импульсов, соизмеримых с быстро-
Н*1к гиисм микросхемы, амплитуда напряжения наводки уменьшается с
упрочением импульса.
Вгорая причина связана с эффективностью поглощения СВЧ-излуче-
нии НВ активных сопротивлениях ИМС, которая определяется величиной
Ци» истей, шунтирующих активные сопротивления (например, барьерной
'шикти для р-л-перехода). При увеличении частоты СВЧ-излучения выше
г 1
Порогового значения /0 =---, где С— величина шунтирующей емко-
2п/?С
!М, и R— величина активного сопротивления, эффективность поглощения
11№ргии этого излучения быстро падает. Для р-и-перехода при R= 10 Ом
и 1 I пФ, частота/0 = 15 ГГц.
Третья причина обусловлена размерами элементов и токоведущих
линий ИМС. Роль этой причины определяется уровнем интеграции мик-
t*it ксмы, т. е. числом элементов на кристалле ИМС. Для больших интег-
Няльных схем (например, элементов памяти) размеры элементов значи-
№чы1о меньше, чем для цифровых ИМС с малой степенью интеграции.
Ihapi ия повреждения полупроводникового или МОП-перехода импуль-
КМН с ти< 1 мкс уменьшается пропорционально объему, занимаемому
•нргхиДОм.
Как видно, все три причины напрямую связаны с конструктивными
и I» миологическими особенностями ИМС.
Физически повреждение таких сложных структур, как ИМС, объясня-
ли и тем, что мощное СВЧ-излучение, падающее на ИМС, наводит интен-
• нииые токи в металлических выводах микросхемы. Эти токи, проходя
। пктивные сопротивления переходов и токоведущих линий, приводят
» ИХ перегреву и повреждению.
Экспериментальные данные, приведенные в [21], выявили законо-
м*|шость в образовании восстанавливаемых (временных) отказов. При
н/п йствии серии импульсов на несущей частоте -9,41 ГГц и частоте по-
111|№ния F„ = 100 Гц на персональную ЭВМ ЕС 1841 наблюдалось следу-
wiirti явление.
При длительности импульсов ти= 7...8 нс сбой обращения к накопите-
И и гибких магнитных дисках (НГМД) происходил при плотности потока
<.»1||цы"ги импульсного излучения Пм > 3...5 мкВт/см2 или, что эквива-
I' liiiiii, плотности потока энергии Пэ>2,7...4,5- 10~8Дж/см2. В том случае,
мм ив »„ 1 мкс, значение Пм> 8...10 мкВт/см2 или Пэ> 8...10-10-8 Дж/см2.
| и» им образом, для «длинных» импульсов мощность, необходимая для сбоя
' |И1111ения к НГМД, превосходит аналогичную мощность для «коротких»
нычульсив в 2,0...2,7 раза, а энергия — в 2,2...3,0 раз.
62 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
При тех же длительностях импульсов сбой функционирования опс
ративной памяти ЭВМ зарегистрирован при Пм > 46 мкВт/см2 (Пэ г
> 4,4 КГ7 Дж/см2) для ти= 7...8 нс и Пм> 4 103мкВт/см2 (Пэ> 4-105 Дж/см2)
для ти= 1 мкс. Здесь требуемое для сбоя значение мощности при «длинных»
импульсах превосходило аналогичное значение при «коротких» импуль
сах в 87 раз, а по энергии — в 91 раз. Причем и сбой процесса считывания
информации с НГМД, и сбой функционирования оперативной памяти
ЭВМ, который препятствовал выполнению системных и прикладных про
грамм, явились следствием нарушений работоспособности интегральных
микросхем персональной ЭВМ.
Наблюдаемый здесь эффект, видимо, объясняется тем, что у импульса с
т„ = 1 мкс был очень пологий передний фронт длительностью Тф»7...8 нс,
что не позволяло проявиться полевому механизму отказа, а тепловой энср
гии не хватало для поражения. Однако при соответствующей мощности
«длинного» импульса и той же длительности переднего фронта достигал
ся нужный для сбоя обращения к накопителю уровень.
Экспериментальные данные также свидетельствуют о том, что конст
руктивное и схемотехническое исполнение НГМД и оперативной памяти
существенно влияют на критические уровни поражения узлов ЭВМ. При
малой длительности импульсов критический уровень поражения схем
оперативной памяти в 9,2...15,3 раза превосходит аналогичный уровень
магнитного накопителя по мощности и в 9,9—26,3 раза по энергии. При
большой длительности импульсов превышение критического уровня по
ражения еще более значительное и составляет 400...500 раз как по мощ
ности, так и по энергии.
Совсем другая картина наблюдается для невосстанавливаемых (ката
строфических) отказов, связанных с тепловым механизмом поражения. Для
теплового поражения, при прочих равных условиях, чем длиннее импульс,
тем больше требуемая для функционального поражения энергия. Но при
меньшей мощности излучения.
В табл. 2.2 представлены экспериментальные данные зависимости
мощности поражения Рп различных полупроводниковых диодов от дли
тельности СВЧ-импульсов ти.
Анализ данных табл. 2.2 позволяет сделать следующие выводы:
• увеличение длительности СВЧ-импульсов ведет к снижению критиче-
ского уровня поражения по мощности и увеличению КУП по энергии.
• подтверждается заключение о влиянии конструктивно-технологичсс
кого исполнения диодов на величину мощности и энергии их пора
жения, причем это влияние сильнее при более коротких СВЧ-им
пульсов (последняя строка табл. 2.2).
2.3. Влияние элементной базы РЭС на критические уровни ФП
63
Таблица 2.2
Тип диода Мощность поражения диодов, Вт
Энергия поражения диодов, 10-8 Дж
ти=1нс тн = 2 нс ти = 3 нс ти = 4 нс ти = 10 нс
кремниевый диод с прижимным контактом, 1ОЧСЧНЫЙ 33 3,3 23 4,6 18 5,4 16 6,4 10 7
Арссииогаллиевый диод с Лярьсром Шотки (БШ) 19 1,9 14 2,8 12 3,6 11 4,4 6 8
Кремниевый диод с БШ и металлизацией молибденом 13 1,3 8 1,6 7 2,1 6 2,4 5 5
К|№мииевый диод с БШ, Мггшлизированный титаном 4 0,8 3 0,9 3 1,2 3 1,5
1’яшица в мощностях я знер- iHux поражения кремниевых iiinvion с прижимным контак- |<1м и металлизированным ти- 1Я1юм Шь 26 2,6 19 3,8 15 4,4 13 5,2 7 5,5
Таким образом, прослеживается влияние длительности СВЧ-импуль-
м Im критический уровень поражения облучаемых диодов.
II табл. 2.3 представлены экспериментальные зависимости энергии ФП
I руины смесительных, детекторных и переключательных диодов от числа
Импульсов облучения. Диоды включались стандартно в прямоугольный от-
юк волновода (волноводную секцию) и облучались радиоимпульсами
• Несущими частотами, совпадающими с центром диапазона рабочих ча-
< '<> диодов. Критический уровень поражения диодов оценивался энер-
I игИ импульса, при которой наблюдалось неприемлемое для нормальной
|и|Ао1 ы диода отношение его обратного сопротивления Я<Лр к прямому со-
|||ининлению Япр.
Качественно ФП диодов проявляется в виде изменения крутизны ВАХ,
• «♦ффициента потерь на преобразование и коэффициента передачи по
мощности. Однако все перечисленные характеристики непосредственно
I Шинны со значениями и Япр. Поэтому практически удобно пользо-
•н1Ми именно отношением /?(^р/Япр.
Нвступление теплового пробоя определяется уровнем Добр/^пр “ 2—3,
I uni гупленис полевого пробоя (с последующим восстановлением рабо-
пособности диода) — Добр/^пр = 8—12-
64 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
Таблица 2 I
Смесительные диоды Детекторные и переключательные диоды
Тип диода Энергия одного СВЧ-импульса, вводимого в волновод, Дж Число импуль- сов с такой энергией, при которой на- ступает ФП Тип диода Энергия одного СВЧ-импульса, вводимого в волновод, Дж Число импуль сов с такой энергией, при которой на- ступает ФП
ЗА129 210-7 1 2А203 io-6 5
Д404 107 2 2А523 210-5 11
Д405А 1,5-10* 10 2А522 ю-4 11
Д405АП 2-Ю-6 10 А534 10"* 11
Д405БП КГ5 И 1А501 io-4 11
ДК-С1М 10"* 25 А537 К)"* 11
2А101 6-ю-5 25 Д605 ЗЮ-3 10
Как видно из табл. 2.3, в среднем более стойкими к воздействию СВЧ
импульсов являются переключательные и детекторные диоды. Хотя наблю
даются отклонения от этого правила. Так, смесительный диод ДК-С1М
более стоек, чем любой из указанных в табл. 2.3 детекторных и перс
ключательных диодов, за исключением диода Д605. Диод Д405А устойчи
вее диода 2А203 и практически так же устойчив, как диод 2А523. Диоды
Д405АП и Д405БП более стойки, чем диод 2А203.
Тот факт, что ФП наблюдалось только после воздействия двух и бо
лее импульсов, указывает на наличие эффекта накопления ущерба в про
цессе поглощения диодом порций энергии, каждая их которых в отдель
ности недостаточна для выхода его из строя. Далее будут указаны условия,
при которых эффект накопления приводит к ФП облучаемых приборов
В табл. 2.4 даны сводные результаты четырех серий испытаний кремли
евых точечных детекторных диодов Д609 в составе детекторных приемли
ков. Испытываемые приемники подвергались воздействию СВЧ-излучения
с длиной волны Х= 3,42 см и Пм = 2000 Вт/см2. Изменялись длительное п.
импульса ти и количество импульсов N, облучающих приемники. Облу
чение производилось как одиночными импульсами (А = 1), так и пачка
ми с частотой повторения импульсов Fa = 10 Гц и разным числом импуль
сов N в пачке.
Сравнение серии испытаний № 1 и № 2, проведенных при разных i„
и прочих одинаковых параметрах СВЧ-излучения, показывает, что в пер
2.3. Влияние элементной базы РЭС на критические уровни ФП
65
Таблица 2.4
f 1 Параметры СВЧ-излучения До облучения После облучения
^обр’ кОм ^пр> кОм Чувстви- тельность, дБ кОм Лпр> кОм Чувстви тельность, дБ
1 ти= 0,15 мкс, N= 1 198,7 3,2 -30 124,7 7,3 -20
’ J ти = 0,4 мкс, N= 1 192 3,4 -30 117,3 8,2 -18
1 ти = 0,8 мкс, N= 14, F„ = 10 Гц 189 3,4 -30 81,4 10,5 -12
4 ти = 4 мкс, N = 6, Fn = 10 Гц 187 4,1 -30 8,1 8,1 Диод вышел из строя
will серии отношение R^/R^p после облучения уменьшается в 3,6 раза, а
но агорой серии — в 3,9 раза.
В результате большего на 0,35 дБ (в 1,08 раза) уменьшения отношения
Я, |,/Я11р измеренная во второй серии испытаний чувствительность ока-
МШ'Ь на 2 дБ ниже, чем в первой серии. Оценки показывают, что сни-
••пис чувствительности приемника с -30 дБ до -20 дБ (в первой серии
пытаний) и до -18 дБ (во второй серии) уменьшает дальность действия
иощии, в состав которой входит приемник, на 44% и на 50% соответ-
I 1ЙГННО.
Следовательно, достигнутое во второй серии за счет большей в 2,7 раза
«•«•pi ии СВЧ-излучения уменьшение чувствительности приемника на 2 дБ
шнилпительно дает всего лишь шестипроцентное уменьшение дальности
ih । ния станции по сравнению с достигнутым в первой серии.
Отсюда следует, что при заданной степени поражения имеется техни-
Ш к и и возможность рационального выбора параметров СВЧ -излучения
ilVirM минимизации энергетических затрат.
Из сравнения серий испытаний № 2 и № 3 следует, что увеличение ти
и шт раза с одновременным переходом в пачечный режим (N= 14) ухуд-
Ц)и₽г почти в два раза отношение Яобр/^пр и на 6 дБ — чувствительность
Приемника. Энергия, обеспечивающая такое ухудшение характеристик
Шинн Д609, увеличивается в 28 раз по сравнению с таковой в серии № 2
" И 76 раз по сравнению с серией № 1. Такое заметное, но все же несоизме-
римое с энергетическими затратами ухудшение характеристик диода объяс-
pMnivii низкой частотой повторения СВЧ-импульсов: накопление послед-
1!>пй импульсных воздействий здесь проявляется достаточно слабо.
66 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
Объясняя ухудшение характеристик диода, несоизмеримое с энерги
ей воздействующих импульсов, можно сказать, что время релаксации tpcJI
диодной структуры было меньше периода следования импульсов Тп.
Сравнение серий испытаний № 3 и № 4 показывает, что увеличение
ти в 5 раз (с 0,8 до 4,0 мкс) приводит к выходу из строя диода, хотя количе
ство импульсов в пачке было меньше в 2,3 раза (6 вместо 14). Здесь так
же подтверждается сделанный выше вывод о том, что и в данном случае
Трел < Гп. Поэтому пачка действовала как серия одиночных импульсов. Уве
личив в серии № 4 энергию импульса в 5 раз по сравнению с серией № 3,
а общую энергию пачки импульсов лишь в 2,14 раза, удалось обеспечить
катастрофический отказ детектора. И достигнуто это в основном за счет
увеличения энергии одиночных импульсов, а не за счет «накопления*
ущерба при использовании пачки импульсов.
Выгода использования пачки импульсов с обоснованно выбранными
длительностями и периодами следования импульсов заключается в том.
что при заданной Пм возможно нанесение функционального поражения
радиоэлектронному средству, которое невозможно поразить одиночным
импульсом с такой же Пм.
Воздействие мощного СВЧ-импульса существенно влияет на ВАХ по
лупроводниковых диодов.
СВЧ-импульсы длительностью ти= 150 нс на частоте /= 10 ГГц воздсй
ствовали на кремниевые точечные смесительные СВЧ-диоды Д406А. Ни
рис. 2.8 и 2.9 представлены вольтамперные характеристики этих диодов
до (кривые 1 и Г) и после (2 и 2') облучения при одной и той же Пм.
Кривые 1 и 2 изображают зависимость прямого тока диода от прило
женного напряжения, а 1' и 2' — обратного тока.
Рис. 2.8. ВАХ диода Д406А
при воздействии одиночных
импульсов
Рис. 2.9 ВАХ диода Д406А
при воздействии пачки
импульсов
2.3. Влияние элементной базы РЭС на критические уровни ФП
67
Рис. 2.8 отображает воздействие серии одиночных импульсов, а воз-
игистиие пачки импульсов показано на рис. 2.9. Из графиков рис. 2.8 и
|пн. 2.9 видно, насколько велика разница между ВАХ до и после облуче-
нии диодов в режимах одиночных импульсов и импульсных пачек. Под-
ннфждается сделанный при анализе данных табл. 2.4 вывод о том, что о
» действии пачки импульсов можно говорить тогда, когда время между
•Ллучающими импульсами меньше времени релаксации диодной струк-
туры И присутствует эффект накопления ущерба. В противном случае имеет
мн hi воздействие серии одиночных импульсов.
Из рис. 2.8. и 2.9. следует также, что изменения ВАХ носят необрати-
мый характер, ухудшают работу диодов в схемах преобразователей часто-
ты и при ограниченной Пм СВЧ-импульсов возможно повышение эффек-
П11П1ОСТИ ФП путем перехода в пачечный режим облучения.
Отказы, связанные с необратимым ухудшением параметров поражае-
мых средств, часто называют параметрическими. Это восстанавливаемые
ш ипы с ухудшением характеристик поражаемого элемента и практичес-
н Нулевым временем восстановления.
Некоторые выводы позволяют сделать экспериментальные данные,
> |||упнированные в табл. 2.5.
Тик, например, критический уровень поражения арсенидогаллиевого
мнительного диода с барьером Шотки ЗА117А-6 по крайней мере в двад-
IIIit. риз выше аналогичного уровня поражения (и по мощности, и по
Ih prnu) кремниевого точечного смесительного диода Д405А (табл. 2.5).
Таблица 2.5
Тип ни шт Параметры СВЧ-излучения Эффект воздействия
Длина волны, см Длитель- ность импульса, мкс Число импульсов в пачке Энергия облучения, Дж Мощность облучения, Вт
/140) 3 0,15 1 3-I04 2-Ю3 ВАХ не восста- навливается
0,75 0,015 2 0,2- IO"4 1,33 103 ВАХ восстано- вилась через 6 с
44IHA 3 5 2 1,5 -1(Н 0,03 103 ВАХ не восста- навливается
П41ИЛ11 15,8 0,15 2 4-104 2,67-103 ВАХ восстано- вилась через Юс
ИП7А6 15,8 5 3 30 1(Г* 0,6 Ю3 ВАХ не восста- навливается
68 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
Из этого можно заключить, что материал, из которого изготовлен полу
проводниковый прибор, существенно влияет на его стойкость к воздей
ствию СВЧ-импульсов.
Кремниевые точечные смесительные диоды Д402 и Д404 применяются
в преобразователях частоты одного и того же СВЧ-диапазона, имеют оди
наковые параметры и одинаковые КУП (согласно [122], предельная энер
гия облучения обоих диодов СВЧ-импульсом одинакова и составляет
0,2 10“8 Дж). Мощность импульса, облучавшего диод Д402, всего в 1,5 раза
больше мощности облучения диода Д404, но его длительность — в десять
раз больше и, следовательно, энергия облучения диода Д402 в 15 раз боль
ше энергии облучения диода Д404.
В результате ВАХ диода Д402 не восстановилась, хотя он облучался
одним импульсом, а у диода Д404 восстановилась после облучения его
двумя импульсами.
На рис. 2.10 приведены экспериментальные зависимости мощности
поражения Рпор (кривые 1, Г на рис. 2.10, а) и энергии поражения ЭПО|,
(кривые 2, 2' на рис. 2.10, б), вызывающие катастрофический отказ мало
шумящих транзисторов Шотки с 1 мкм — затвором, от длительности СВЧ
импульсов [12]. Эти транзисторы применяются в аппаратуре гражданского
назначения. Мощное излучение имело следующие параметры: несущая
Рис. 2.10. Мощность (с) и энергия (б) поражения, вызывающие
катастрофический отказ малошумящих транзисторов Шотки
2.3. Влияние элементной базы РЭС на критические уровни ФП 69
1« гота 9,3 ГГц; частота повторения импульсов 10... 10 кГц; время облуче-
нии транзисторов 1...3 мин.
Верхняя (1, 2) и нижняя (Г, 2') кривые определяют границы диапазо-
не иозможных значений мощности и энергии поражения соответственно.
|li рис. 2.10 следует, что укорочение импульса при прочих одинаковых
v нтииях требует большей мощности и меньшей энергии поражения.
В табл. 2.6 приведены экспериментальные зависимости критических
У|м>пней катастрофических отказов (выгорания) зарубежных полевых СВЧ-
||шн шсторов типа FSX и DXL сантиметрового диапазона волн от длитель-
ппгги импульсов при двух значениях частоты повторения этих импуль-
иии /•), = 10 кГц и Fn = 100 кГц и несущей частоте f = 9... 10 ГГц.
Таблица 2.6
Длительность Г 11*1 импульса, нс Эффективная мощность, при которой транзистор выгорал, Вт Энергия выгорания транзистора, мкДж
F„ = 10 кГц Гп = 100 кГц Fn = 10 кГц Гп= 100 кГц
1,5 30 15 0,035 0,02
3 25 12 0,04 0,02
10 10 4 0,06 0,03
Как видно, увеличение частоты повторения импульсов ведет к сни-
•eiiHK) КУП, но роль энергии (мощности) более значительна: увеличение
«|ц*ргии облучения в два раза даст такой же эффект, как увеличение час-
1«ны повторения импульсов в 10 раз. Этот факт целесообразно использо-
при выборе параметров мощного излучения СВЧО ФП. Дело в том,
•ни начиная с некоторого уровня не только очень сложно наращивать
Мнщпость СВЧ-импульсов, но и увеличивать частоту повторения мощных
имиул1^ов. Поэтому возможно получение требуемых характеристик СВЧО
♦I'll in счет компромиссного выбора импульсной мощности и частоты
IIIIRIпрения импульсов.
II табл. 2.7 представлена зависимость мощности выгорания тех же тран-
iiii 1О|мч1 от длительности импульсов при Fn = 4 кГц, но в отличие от пре-
идущих (табл. 2.6) данные транзисторы функционировали в схеме мало-
IIIV нищего входного СВЧ-усилителя, т. е. облучение производилось не
liiiieiihiiux транзисторов, а СВЧ-усилителя.
Для наглядности данные табл. 2.6 и 2.7 представлены в виде графи-
ни пи рис. 2.11.
Ни рис. 2.11 кривые 1, Г — значения соответственно мощности Рвыг
И 1|М1| энергии выгорания на частоте повторения импульсов Fn = 10 кГц;
1 ' «качения тех же Л,,,г и Э,,, ,. на F„ = 100 кГц; 3 — график изменения
JOJD.ll £>JD11 11
70 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
Таблица 2.7
Длительность СВЧ-импульсов, нс Частота повторения импульсов, кГц Эффективная мощность СВЧ-импульсов, обеспечивающая выгорание транзистора, Вт
1 4 20
10 4 5
100 4 1
1000 4 0,8
мощности выгорания тех же транзисторов, работавших в схеме малошумя
щего усилителя, при Fn = 4 кГц (интервал длительностей импульсов от
1 до 10 нс). Правда, этот график является иллюстративным, так как пост
роен по двум точкам, но он позволяет сделать очень важный вывод: стой
кость полевых СВЧ-транзисторов, работающих в схеме усилителей, ниже
стойкости тех же транзисторов, облучаемых отдельно, на специальном
стенде вне схемы. Из рис. 2.11 видно, что мощность поражения (выгора
ния) полевого транзистора, облучаемого отдельно с частотой повторения
импульсов F„ = 10 кГц (кривая 1), существенно выше такой же мощности
при использовании транзистора в схеме малошумящего усилителя (кри
вая 3), хотя в последнем случае частота повторения импульсов в 2,5 раза
2.3. Влияние элементной базы РЭС на критические уровни ФП
71
меньше. Это явление имеет простое объяснение. Дело в том, что обычно
рилноэлектронное устройство находится в экранируемом пространстве.
•МИ проникает в пространство за экраном различными путями, созда-
I Интерференцию поля за счет разных путей распространения и отра-
Miiiui от экрана — стенок кожуха или приборного отсека. В данном кон-
*|И'Пюм случае транзистор находится вблизи пучности результирующего
HIUIM. Если бы этот транзистор располагался вблизи узла электромагнит-
но!» поля, то критический уровень его поражения был бы выше анало-
iii'iHoro уровня по сравнению с уровнем отдельно облучаемого элемента.
Для всех полупроводниковых компонентов радиоэлектронной аппа-
1*1 уры существует общая закономерность: стойкость к импульсному СВЧ-
ИМ1учснию при прочих равных условиях снижается с увеличением часто-
ты Повторения импульсов, если период их повторения меньше времени
1»гщксации структуры материала облучаемого полупроводника (кривые 1
И J ни рис. 2.11).
Поспользуемся полученными экспериментальными данными для оцен-
ки параметров антенны СВЧО ФП, способного обеспечить необратимое
Поражение входных малошумящих усилителей РЭС, выполненных на базе
►4 Нт указанных полевых транзисторов. Данные транзисторы обладают
111|ш1до более высокой температурной стойкостью по сравнению с бипо-
чирпыми транзисторами аналогичного назначения.
Эффективная мощность СВЧ-импульса, воздействующего на затвор
||»чц шстора, может быть определена как
Рт=^Ра, (2-7)
н* /‘й — мощность СВЧ-сигнала, перехватываемая приемной антенной
I* К , в котором используется данный транзистор; а < 1 — потери мощно-
I! па пути от выхода антенны РЭС до затвора транзистора.
Реально эти потери не превышают 5... 10 дБ, если частоты излучения
•шиадиют с рабочим диапазоном частот РЭС.
' >ффективная мощность СВЧ-импульса, обеспечивающая необратимое
Пирижение РЭС, при ти= 10 нс, Рпор= 5 Вт (табл. 2.7). Эта мощность соот-
••I с| пуст частоте повторения импульсов Fn=4 кГц. Обычно мощность
чкражсния одиночным импульсом на 20...40% больше аналогичной мощ-
III* in при воздействии пачки импульсов. Осторожная оценка (с запасом)
мп» | Г исходить из того, что мощность поражения усилителя одиночным
импульсом Рпор1= 10 Вт, т. е. в два раза больше, чем Рпор при FIt-4 кГц.
I«ли приемная антенна поражаемого РЭС имеет эффективную площадь
1)1(| । м3>то Д™ поражения малошумящего усилителя с дальности D= 5 км
ишПчодима СВЧ-установка с энергетическим потенциалом
72 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
^4тгЛ2Рпор,
<^<пр
3,15-1О10 Вт при а =—10 дБ,
1,0-10*° Вт при а =—5 дБ,
(2.8)
где Р — выходная импульсная мощность СВЧ-установки; G — коэффи
циент усиления антенны СВЧ-установки; Рпор1 = Рвх.
При наличии установки с выходной импульсной мощностью Р
= 100 МВт для необратимого поражения РЭС потребуется антенна с ко
эффициентом усиления G= 315...100. В трехсантиметровом диапазоне воли
такие коэффициенты усиления обеспечат передающие антенны с эффек
тивной площадью Лпр = 0,023... 0,007 м2, при этом геометрическая площадь
ее должна быть порядка Л-0,045...0,015 м2.
Таким образом, ориентировочный расчет показывает реализуемость
СВЧО ФП воздушного базирования.
В табл. 2.8. приведены экспериментальные данные о критических урон
нях энергии поражения интегральных микросхем транзисторно-транзис
торной логики (ТТЛ-схем), планарных транзисторов, ИМС с диэлектри
ческой изоляцией элементов, гибридных аналоговых и цифровых микро
схем при разных длительностях облучающих импульсов.
Таблица 2 Л'
Тип схемы, транзистора Пороговое значение энергии поражения схемы СВЧ-импульсом длительности ти, Дж
ти = 5 нс ти = 100 нс ти = 1 000 нс
ТТЛ-схемы 7,5-10-8...1,710-7 5-10-7...9-10-7 310А..8 кг6
Гибридные цифровые микросхемы ЗКУ’.-Л-КГ6 1,5-1(Г<...91(Г6 НО"5... 510 s
Гибридные аналоговые микросхемы 1,5 10-7...6 1(Г7 210А..5 io-6 110A..3-10-5
Планарные транзисторы 1,25 10'7...8 ТО'7 1,4-10А..6 КГ6 110-5...2,5-10-5
ИМС с диэлектрической изоляцией элементов 7,5-КУ8 610-7 4 ICC6
По данным табл. 2.8 на рис. 2.12 и 2.13 в логарифмическом масштабе
построены графики, иллюстрирующие усредненные границы критических
уровней энергии поражения микросхем и транзисторов [34].
На рис. 2.12 интервалы между кривыми 1 и 3 определяют возмож
ный диапазон критического уровня или пороговой энергии поражении
для ТТЛ-схем; интервалы между кривыми 2 и 4 — для планарных транзи
сторов. На рис. 2.13 кривые 2, 5, 3 и 4 определяют соответственно ниж
нюю (кривые 2 и 3) и верхнюю (кривые 5 и 4) границы диапазонов КУ 11
2.3. Влияние элементной базы РЭС на критические уровни ФП
73
Рис. 2.12. Зависимость пороговой энергии поражения
транзисторов от длительности импульсов
интегральных микросхем от длительности импульсов
I iif'рилпых цифровых (2 и 5) и аналоговых (3 и 4) микросхем, а зависи-
Mtи I ii I — ИМС с диэлектрической изоляцией элементов.
Анализ графиков на рис. 2.12 и рис. 2.13 позволяет сделать следующий
М1ЮЛ, При уменьшении длительности СВЧ-импульса ти от 1000 до 100 нс
1111||ц Асние полупроводниковых структур происходит согласно модели
UViiiun — Белла. При более коротких импульсах она перестает действо-
Резкое увеличение скорости уменьшения энергии повреждения на
Hlirrpiuuie от 100 до 5 нс свидетельствует о переходе где-то при значении
0 10 нс к полевому механизму пробоя, при котором основным факто-
ром поражения становится напряженность электрического поля СВЧ-
ИМнмп>сп и скорость ее изменения, а нагрев является лишь фоном.
74 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
При сверхкоротких импульсах (от единиц до 10...20 нс) ФП полупро
водниковых структур может сопровождаться процессами, не укладываю
щимися в рамки тепловых моделей, в том числе модели Вунша — Белла.
Физические механизмы воздействия таких СВЧ-импульсов на полупро
водники изучены еще недостаточно глубоко. Однако экспериментально
установлено, что воздействие подобных импульсов чаще всего приводи!
к возникновению временных (восстанавливаемых) отказов. При этом
время восстановления изменяется в широких пределах: от микросекунд
до часов.
Влияние напряженности электрического поля и скорости ее измене
ния на параметрические отказы наглядно демонстрируется приведенны
ми в [154J экспериментальными результатами исследований воздействия
СВЧ-излучения на микропроцессоры.
Во время эксперимента плата микроЭВМ, выполняющей тестовую
программу, облучалась пачкой из примерно 5 тысяч импульсов. При этом
оценивалась относительная частота сбоев программы. Зависимость веро
ятности сбоя от напряженности электрического поля £для двух значений
длительности импульсов ти и двух значений длительности их фронтов т(],
представлена на рис. 2.14.
Рис. 2.14. Зависимость вероятности сбоя в работе микропроцессора
Pentium MMX 233 МГц на плате Rocky-518 HV от напряженности
электрического Поля при облучении импульсами
Как видно, при действии короткого импульса ти = 2,5 нс вероятность
сбоя р = 1 наступает при напряженности электрического поля в 2,5 раза
меньшей, чем при действии более длинного импульса ти = 80 нс. Кроме
того, при действии короткого импульса вероятность сбоя изменяется от
2.3. Влияние элементной базы РЭС на критические уровни ФП 75
н»ли практически до 1 в узком диапазоне изменения напряженности поля
ф* • I кВ/м, а при действии более длинного импульса та же вероятность
•нмепнстся в диапазоне в 20 раз более широком Д£ ~ 20 кВ/м.
Гиким образом, еще раз подтверждается вывод о том, что при действии
•нрптких импульсов механизм поражения связан с восстанавливаемыми
яаишми. Главную роль здесь играет скорость нарастания напряженнос-
Ж «псктрического поля.
Ни рис. 2.15 показаны зависимости вероятности сбоя программы от
Нпрпжснности поля для двух разных плат, близких по геометрическим
И* «мерам и выполняющих одинаковые функции. И здесь виден существен-
Н мп разброс критических уровней поражения, вызывающих сбой (веро-
•ипнтей восстанавливаемых отказов).
Рис. 2.15. Зависимость вероятности сбоя в работе микропроцессора
Pentium MMX 233 МГц на плате Rocky-518 НУ(кривая2) и DX4-S
CPU 100 МГц на плате SSC-5X86H (кривая 1) от напряженности
электрического поля при облучении импульсами
< 'овсом другая картина наблюдается для невосстанавливаемых (ката-
। рофпчсских) отказов, связанных с тепловым механизмом поражения,
(им, при прочих равных условиях, чем длиннее импульс, тем больше тре-
f<**MiiH для ФП энергия, но при меньшей мощности излучения.
Одним из важнейших достоинств СВЧО ФП по сравнению с тради-
111ПЦ11ЫМИ средствами РЭБ является внедиапазонное поражение РЭС.
Н»1 приводятся некоторые экспериментальные данные по поражению
1*и 1|К>рвдиоэлементов, облучаемых отдельно или в составе РЭС мощным
• IV! излучением с длиной волны, отличной от длин волн рабочего диа-
пн «инн поражаемого РЭС.
76 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
Анализ материалов табл. 2.5 позволяет сделать следующие выводы по
внедиапазонному воздействию СВЧ-излучения.
Диоды Д405А и Д405АП (№ 3 и № 4 в табл. 2.5) имеют одинаковые
критические уровни поражения. Но ВАХ диода Д405А не восстановилась
в отличие от аналогичной характеристики диода Д405АП, хотя мощность
СВЧ-импульса на этом диоде была в 89 раз больше, чем на диоде Д405, и
энергия — примерно в 2,5 раза больше.
Причина заключается в том, что диоды Д405А и Д405АП предназна
чены для работы в схемах преобразования частоты трехсантиметровот
диапазона волн. Поэтому воздействие на волне А. = 3 см более эффекты п
но, чем на волне в 5,3 раза большей (к= 15,8 см), хотя энергетические па
раметры СВЧ-излучения в последнем случае были в несколько раз боль
ше. К такому же выводу приводит сравнение диодов № 1 и № 4 табл. 2.5
Кремниевый точечный смесительный диод обратной полярности Д405АП
имеет более высокий критический уровень поражения, чем кремниевый
точечный смесительный диод Д402. При одинаковой длительности импуль
сов и практически одинаковой мощности и энергии одиночных импуль
сов ВАХ диода Д405АП после воздействия двух импульсов восстановилась
через 10 с, в то время как ВАХ диода Д402А не восстановилась при во ч
действии одного импульса. Это объясняется тем, что структура диода
Д405АП, предназначенного, как указывалось выше, для работы в преоб
разователях частоты на длине волны А = 3 см, менее чувствительна к СВЧ
излучению на другой длине волны, чем структура диода Д402, предназна
ченного для аналогичной работы, но во всем СВЧ-диапазоне.
При воздействии СВЧ-излучения с несущей частотой f = 9,08 ГГц и
длительностью импульсов ти = 150 нс на кремниевые биполярные трап
зисторы 2Т640А-2 мощность выгорания (расплавление металлизации) со
ставила 130...330 Вт. При тех же параметрах СВЧ-излучения и несущей
частоте/= 6 ГГц мощность выгорания транзисторов была в 6... 13 раз мень
ше. Это объясняется тем, что диапазон рабочих частот транзистороп
2Т640А-2 составляет 1...7,2 ГГц, т. е. при «попадании» СВЧ-излучения и
диапазон собственных частот транзистора требуются меньшие мощности
и энергии поражениям. Ранее такой же эффект внедиапазонного воздей
ствия СВЧ-излучения был зафиксирован применительно к полупровод
никовым диодам.
Анализ результатов, изложенных в п.п. 2.2 и 2.3, позволяет сделать еле
дующие выводы.
1. При тепловом механизме поражения чем больше мощность СВЧ
излучения, тем более короткий импульс требуется для поражения полу
проводниковых структур.
2.4. Тепловое поражение полупроводниковых приборов ЭМИ
77
11<> Мере уменьшения длительности СВЧ-импульсов одна и та же сте-
Н*яь поражения полупроводниковых элементов достигается при меньшей
♦ииргии СВЧ-излучения.
Л При полевом механизме поражения для появления временных от-
июп Колее длинные импульсы требуют большей мощности и большей
«нрргии, чем более короткие импульсы. Это указывает на зависимость
ntnjri»oro поражения от скорости нарастания напряженности электричес-
ннп поля СВЧ-импульса. Более длинные импульсы, как правило, имеют
Л I пологие фронты.
1 Временные (восстанавливаемые) отказы могут сопровождаться как
йнпиым последующим восстановлением, так и восстановлением с ухуд-
Н1*кием параметров. Последнее обстоятельство наглядно проявляется на
Примере ВАХ различных диодов.
4 При ограничениях на пиковую мощность ФП одних и тех же РЭС
Мн err быть обеспечено переходом в пачечный режим облучения. Большая
♦)н|1< »( гивность пачечного режима по сравнению с режимом одиночных
импульсов связана с эффектом накопления повреждений поражаемых
I' К Выигрыш в пиковой мощности составляет 20...40%.
4 Стойкость к СВЧ-излучению транзисторов и других электронных
'<||цП|фов, работающих в электрических схемах РЭС, отличается от стойко-
• 1И Ггх же транзисторов и приборов, облучаемых отдельно на специальных
I Ipiiiiiix. Поэтому на сегодняшний день достоверная информация об осо-
(ршкк'Тих и критических уровнях функционального поражения РЭС, как
рмпогсхнических, так и оптоэлектронных, может быть получена путем
•*|||< римснтальных исследований. Ввиду сложности и высокой стоимос-
ти Н1КИХ исследований важнейшей является задача теоретического осмыс-
ttsiiiiu процессов ФП с целью выработки обоснованных практических
ИХ имитаций при создании СВЧО.
б Обобщенным критерием оценки степени функционального пораже-
tiiHl дцодов может служить отношение их обратного сопротивления к их
фимому сопротивлению. Данный критерий учитывает и изменение кру-
III ini.i НАХ, и коэффициент потерь на преобразование системы, и коэффи-
чш н| передачи по мощности.
2.4. Тепловое поражение полупроводниковых приборов
электромагнитными импульсами
(ли возникновения теплового пробоя необходим перегрев канала
•ы> кий проводимости примерно на 10 К. Это свидетельствует, во-первых,
(им, что необходима малая мощность для развития теплового пробоя,
78 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средспт
и, во-вторых, о том, что тепловой пробой может быть необратимым, если
довести разогрев канала высокой проводимости до появления необратимых
физико-химических процессов в полупроводнике. Следствием малою
объема канала высокой проводимости, по которому происходит тепловой
пробой, является также малая инерционность процесса теплового пробоя
полупроводников. Тепловые постоянные времени нагрева и охлаждения
канала высокой проводимости могут быть порядка 10б... 107 с. При этом
еще надо учесть, что при тепловом пробое напряжение на диоде уменьвы
ется и барьерная емкость р-н-перехода диода разряжается через сопротии
ление канала высокой проводимости с выделением добавочной мощное
ти в канале высокой проводимости. Это явление способствует ускорению
разогрева канала высокой проводимости и уменьшению инерционное! и
процесса теплового пробоя [118].
Тепловой пробой сопровождается увеличением рассеиваемой мощно
сти и соответственно повышением температуры полупроводника.
2.4.1. Модель поражения Вунша — Белла
Электромагнитное СВЧ-излучение проникает в РЭС разными пути
ми: через антенну, оптическую систему, технологические люки, отверстия,
щели, разъемы, цепи питания. Но в любом случае самый мощный «элек т
ронный удар» принимают на себя элементы, расположенные на выходе
приемной антенны радиотехнического устройства или оптической систг
мы оптоэлектронного устройства. Такими элементами являются малому
мящие входные усилители и смесительные диоды в радиотехнических сред
ствах; фотодиоды — в лазерных ГСН; фоторезисторы — в тепловых ГСП
При нагревании диода мощным СВЧ-импульсом основная часть при
ложенного к диоду напряжения падает на переходе и в нем же выделяет
ся основная мощность. Поэтому при анализе теплового механизма Ф11
полупроводниковых приборов в качестве основного объекта исследовании
выберем именно полупроводниковый диод. Задача исследования заклю
чается в том, чтобы определить: как меняется температура электронно
дырочного перехода; через какой интервал времени после воздействия
мощного импульса наступит разрушение перехода, т. е. произойдет ката
строфический отказ диода; какие параметры мощного СВЧ-излучения
обеспечивают наступление такого отказа.
Для предсказания уровней мощности ЭМИ, вызывающих теплово»
поражение (повреждение) полупроводниковых структур, физики Вунш в
Белл предложили модель, получившую широкое распространение при
оценке термостойкости этих структур. Авторы рассматривали плоек и и
источник излучения, расположенный в р-и-переходе и помещенный и
2.4. Тепловое поражение полупроводниковых приборов ЭМИ 79
пл иточный полупроводник. Из решения одномерного уравнения теп-
!Ш1|кшодности ими было получено выражение для уровня мощности по-
рш* ния [129]
Рр=5&(Тр-Т0), (2.9)
lib 7р — температура разрушения перехода (она определяется как крити-
w*i мни температура плавления); То — начальная температура; ти — дли-
wntdioCTb мощного импульса; 5 — площадь перехода; к — коэффициент
!• шшпроводности; с — удельная теплоемкость; р — плотность вещества
miMvilpo водника.
Аналогичная формула получена в работе [78], но с тем отличием от
11 9) Что в правой ее части фигурирует сомножитель 2, который появля-
йся вследствие решения задачи для полубесконечного кристалла полупро-
imuiiihkii, а не бесконечного, как у Вунша и Белла.
Выражение (2.9) является частным случаем обобщенной модели Вун-
щя Белла, развитой другими исследователями и определяемой соотно-
си НИЯМИ
Р(ти) = Ят-|+5т-°’5+С (2.10)
И
С(ти) = Л + Лт“’5+Сти. (2.11)
I Iih шинные А, Ви С зависят от геометрии полупроводникового кристал-
ла, его эффективной площади, теплоемкости и теплопроводности мате-
рин ин, температуры поражения, толщины перехода. Эти постоянные оп-
|ши₽лнк)тся при аппроксимации экспериментальных зависимостей
Р(ти) иС(ти).
II Н1ННСИМОСТИ от длительности импульса меняется вклад каждого из трех
Ki lilcMbix, входящих в (2.10) и (2.11). Так, например, при значениях ти
I интервале от 100 нс до 10 мкс, наибольший вклад в сумму вносит сла-
ньмое Атй°’5 [12]. При 10 нс < ти < 100 нс значение параметров Р и Q
•«••|1глсляется в основном первым слагаемым. При ти > 10 мкс — третьим
шиннемым. Хотя названные границы достаточно условны, целесообразно
я I длинных импульсов указывать мощность поражения в справочниках
н| Полупроводниковым приборам.
' Лсдует отметить, что для импульсов короче 10 нс модель Вунша —
Б»пни гикже может быть справедлива, если импульс достаточно пологий,
I ели длительность фронта этого импульса мала. Но чем больше ско-
и И. нарастания импульса, тем в меньшей степени процесс поражения
80 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
полупроводникового элемента укладывается в рамки тепловой модели. При
коротких импульсах начинает действовать полевой механизм поражения,
определяемый в основном напряженностью электрического поля и скоро
стью ее нарастания. Описание полевого механизма поражения требует, по
видимому, привлечения аппарата нерелятивистской квантовой механики
Формулы, реализующие модель Вунша — Белла, обладают двумя не
достатками.
Во-первых, температура разрушения перехода имеет очень широкий
разброс значений. Так например, температура плавления кристалла крем
ния 1415 °C; температура плавления системы, состоящей из кремния и
омических алюминиевых контактов к нему при 11% содержании кремния
равна 576 °C; температура системы «золото — кремний» при 29% содер
жании кремния равна 370 °C [129] и т. д. Кроме того, температура разру
шения перехода очень сильно зависит от процентного содержания при
месей в кристаллах полупроводника.
Во-вторых, постоянные коэффициенты А, В и С, входящие в (2.10) и
(2.11), также отличаются большим разбросом своих значений, вследствие
чего рекомендуется определять их на основании экспериментальных дан
ных [12].
Указанные недостатки стимулировали поиск других математических
моделей теплового поражения полупроводниковых структур.
2.4.2. Модель поражения на основе зависимости температуры
нагрева от мощности и длительности электромагнитного
импульса
Разработанная модель поражения полупроводниковых структур с од
ним переходом основана на применении дифференциального уравнения
тепло- и массопереноса к решению соответствующей краевой задачи. Для
этого можно представить р-и-переход СВЧ-диода (рис. 2.16, о) или переход
«металл — полупроводник» в диоде Шотки (рис. 2.16, б) в виде однород
него линейного стержня, направление которого противоположно напрап
лению распространения мощного СВЧ-импульса, поступающего с выхо
да приемной антенны или оптической системы поражаемого устройств,!
Как видно из рис. 2.16, ось х направлена в сторону, противополож
ную направлению прихода мощного импульса от антенны или от оптичс
ской системы.
В качестве внешнего источника тепловой энергии (мощности) здесь
выступает мощный СВЧ-импульс. Поэтому для нахождения температуры
перехода надо решать неоднородное уравнение тепломассопереноса (уран
нение теплопроводности). Однако такое уравнение решается корректно
2.4. Тепловое поражение полупроводниковых приборов ЭМИ
81
Рис. 2.16. Структура полупроводниковых диодов [118]: а) одномерная
модель электронно-дырочного перехода: 1 — р-область; 2 — выпрямляю-
щий электрический переход; 3 — «-область; 4 — омические переходы;
5 — СВЧ-импульс от антенны (оптической системы); 6) одномерная
модель перехода «металл — полупроводник»
нвп.ко при условии, что тепловой источник расположен внутри стержня,
h ии же источник находится, как в нашем случае, на внешней границе
11 рж.ня, то проще решать однородное уравнение теплопроводности, а
Нарпмстры источника ввести в граничные условия задачи.
Уравнение, описывающее пространственно-временное распределение
ц мпграгуры Т в переходе диода, имеет вид [102,145]
dT(x,t) 2d2T(x,t) , .
---К-^ = а2----t>0, xe[0,/ , (2.12)
dt дх2 1 J
1 k ,
(di ц* к— a — коэффициент температуропроводности; / — толщина
pc
Перехода.
Ко >ффициент а, существенный для нестационарных процессов, харак-
•*ри»ует скорость изменения температуры. Если коэффициент теплопро-
жщипсти определяет способность вещества проводить теплоту, то коэф-
фициент температуропроводности является мерой теплоинерционных
। йойстп вещества.
Из уравнения (2.12) следует, что изменение температуры Т во време-
ни 11н любой точки пространства пропорционально величине о2. Други-
ми г ионами, скорость изменения температуры в любой точке перехода
йунгг тем больше, чем больше коэффициент температуропроводности. По-
нпму выравнивание температур во всех точках х, при прочих равных ус-
н ши в х, будет происходить быстрее в том веществе, которое обладает ббль-
1пм коэффициентом а.
Уравнение теплопроводности, как и любое уравнение математической
|<|| шкн, носит идеализированный характер, т. е. отражает только наиболее
82 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
существенные черты теплового процесса. Функции, входящие в началь-
ные и граничные условия, определяются из экспериментальных данных
и известны лишь приближенно. Поэтому важно, чтобы решение задачи
при приближенных исходных данных было бы близко к тому решению,
которое получилось бы при точных исходных данных. Иначе говоря, ма
лые изменения данных в условии задачи должны вызывать лишь малые
изменения в ее решении во всей области, в которой это решение рассмат
ривается. Тогда задача будет устойчивой относительно вариаций граним
ных и начальных условий, т. е. корректной.
Доказано (например, [145]), что задача решения уравнения теплопро
водности корректна и при заданных начальном и граничных условиях
имеет единственное решение.
Выбор начального и граничных условий в решаемой задаче произво
дится из следующих физических соображений.
До воздействия мощного СВЧ-импульса температура перехода опре
деляется температурой среды, в которой работает поражаемый датчик, и
электрическим режимом его функционирования. Эта температура в ста
ционарном режиме работы датчика одинакова для всех точек и равна
некоторой постоянной величине Го. Следовательно, начальное условие
задачи определяется штатным режимом работы полупроводника в аппа
ратуре:
Т(х,О) = То, (2.13)
где t = 0 определяет момент начала действия мощного импульса.
Первое граничное условие задается в виде
T(Q,t) = T0, (2.14)
аналогичном начальному условию. Если равенство (2.13) точное, то ра
венство (2.14) приближенное. Выбор граничного условия в виде (2.14) обо
снован тем, что температура левого конца стержня (перехода) (х= 0) еще
не успеет существенно увеличиться по сравнению с установившейся тем
пературой То, как переход будет разрушен тепловой энергией мощного
СВЧ-импульса. На правый конец перехода (х= I) поступает энергия мощ
ного СВЧ-импульса с выхода антенны. Поэтому второе граничное условие
имеет вид
(2.15)
дх
dQ 1 Pl п „„„ Р
где а =-----=-----; Q — энергия СВЧ-импульса на входе диода;-----
dt Sk S k S
плотность потока мощности, т. е. количество энергии, проходящей в еди
2.4. Тепловое поражение полупроводниковых приборов ЭМИ
83
иицу времени через единичную площадку в направлении возрастания
шмпсратуры, размерность Вт/см2.
Из соотношения (2.15) следует, что размерность плотности потока
мощности должна быть град/см. Чтобы привести истинную размерность
шинка мощности Вт/см2 к используемой в уравнении теплопроводности,
Р
ш <кшодимо, согласно теории размерности, ввести в отношение — коэф-
5
фнцисит теплопроводности и представить плотность потока мощности в
Р
•ч1ДС Ч = (размерность [fc] = Вт/см-град).
Л/С
Физический смысл предположения о постоянстве температуры То на
1||||цице, противоположной приходу импульса (х = 0), заключается в том,
•ин у этой границы р-и-перехода к нему с внешней стороны подключен
•j'iciib большой по объему приемник тепла, температура которого также
рпп|1Л То.
Приемник в течение всего времени поступления тепла по материалу
перехода обеспечивает поглощение поступающего тепла независимо от
калнчины теплового потока. Это достигается тем, что модуль градиента
ЭГ
шмиературы -г— при х = 0, первоначально равный нулю, после достиже-
ох
пни потоком тепла границы х = 0, т. е. через время запаздывания т, начи-
ни- г возрастать со временем. Одновременно возрастает температура пе-
|«,х<»дп на границе х= I, но градиент температуры там остается постоянным
И пивным величине q.
дТ
При достижении производной на границе х=0 предельного зна-
ОХ
игинм, равного величине потока тепла, поступающего в результате воздей-
((ВИЯ импульса со стороны х = I (т. е. величины q), рост температуры на
•1"Й границе прекращается и в переходе устанавливается стационарное
|1М прсделение температуры по длине перехода. Наступает баланс между
in цоком тепла, поступающим на границу перехода х = / и уходящим через
||ип1ицу х = 0. При этом температура на границе х = / достигает абсолют-
lint о максимума.
Ив рис. 2.17 представлена качественная картина распределения темпе-
ра |уры вдоль перехода по мере увеличения длительности импульса (при
И <||>пии, что этот импульс не вызовет разрушения перехода).
Уравнение (2.12) с начальным условием (2.13) и граничными усло-
iimtMH (2.14) и (2.15) представляет собой смешанную краевую задачу, по-
। кильку на одной границе задается температура, а на другой — тепловой
шпик 1123].
84 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
Рис. 2.17. Качественная зависимость распределения температуры
нагревания Т вдоль перехода х при четырех значениях длительности
импульса ти1 < хи2 < тиз < т„4 (соответственно кривые 1, 2, 3, 4)
Для решения уравнения (2.12) применяется метод Фурье (метод раз
деления переменных). Однако непосредственное применение этого метода
к уравнению (2.12) невозможно, так как граничные условия (2.14) и (2.15)
неоднородные. Стандартная процедура решения такого уравнения требует
введения вместо Т(х, t) новой функции, такой, чтобы граничные условия
задачи стали однородными. Затем, после разделения переменных и преоб
разования граничных условий, необходимо решить задачу Штурма — Л иу
вилля для уравнения, зависящего только от пространственной координа
ты х. Далее требуется записать разложение функции, выражающей начали
ное условие задачи, в ряд Фурье по системе ортогональных на интервале
О < х < / собственных функций задачи Штурма — Лиувилля и найти коэф
фициенты Фурье этого ряда.
Новая функция, связанная с T(x,t), определяется простым coot
ношением
Т(х, t) = T0 + qx + u(x, t). (2.16)
Используя (2.16) в соотношениях (2.13), (2.14) и (2.15), можно получить
w(x, 0) = -qx, (2.17)
w(0,() = 0, (2.18)
*М-0. <2Л<»
Эх
Уравнение, которому должна удовлетворять функция и(х, (), не оз
личается от исходного уравнения (2.12), так как
ЭТ’(хД) Эм(х,/) Э2Т(х,() Э2м(х,/)
Э/ Э/ Эх2 Эх2
2.4. Тепловое поражение полупроводниковых приборов ЭМИ
85
Таким образом, необходимо найти функцию н(х,/), удовлетворяю-
щую для 0 < х < / и Г > О уравнению
йи(х,/) , й2п(х,/)
1 = а2---Ц-2, (2.20)
Э/ йх2
< начальным условием (2.17) и однородными граничными условиями (2.18)
И (119).
Следуя методу Фурье, нетривиальное решение уравнения (2.20) пред-
> i является в ваде
u(x,/) = y(x)z(/)*0. (2.21)
Ииюльзуя (2.21) в уравнении (2.20) и разделив переменные, можно найти
J____1 = 1 Э2у(х)
a2 z(t) dt у(х) йх2
(2.22)
• <1< )| — постоянная положительная величина.
Исходя из (2.22), функции z(/) и y(t) могут быть определены как
|»и!' лия обыкновенных дифференциальных уравнений
^+И2Л(/) = 0; (2.23)
dt 2
^фЦр2у(х) = 0. (2-24)
dxl
I V'Iciom (2.21) граничные условия (2.18) и (2.19) для y(t) принимают вид
у(0) = 0 и ^ = 0. (2-25)
йх
Нетривиальные решения у(х) Ф 0 уравнения (2.24), удовлетворяющие
фвннчным условиям (2.25), существуют не для всех ц. Значения ц, при
Mipipwx существуют нетривиальные решения задачи Штурма — Лиувил-
'И Называются собственными значениями уравнения (2.24), а соответству-
*1цнс им решения у(х) — собственными функциями. Для рассматрива-
»мий задачи собственные значения
2и-1 л
। питпетствующие им собственные функции имеют вид [102]
I \ Г(2л~1)лх
y(x) = sin ------
(2.26)
(2.27)
86 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
При ц = общее решение уравнения (2.23) имеет вид
Z»(') = C«exp(-^a2'),
(2.28)
где С„ = const.
После подстановки найденных функций уп (х) и (/) в (2.21) можно
получить частное решение уравнения (2.20), удовлетворяющее граничным
условиям (2.25):
«и
(x,t) = Z„(/)y„(x) = C„exp
(-p2o2t)sin
(2и-1)лх
21
(2.29)
Составим формально ряд по функциям ип (х, /):
и(х’ ') = £Сл exp(-|i2a2/)sin
Л=1
(2я-1)лх
21
(2.30)
Функция и(х, t) удовлетворяет граничным условиям (2.18) и (2.19),
поскольку этим условиям удовлетворяет каждый член ряда (2.30).
Коэффициенты Сп определяются таким образом, чтобы выполнялось
начальное условие (2.17). Для этого, подставляя (2.30) при Г=0 в (2.17),
можно установить, что
со
u(x,0) = ^C„sin
Л=1
(2и-1)лх
21
— ~qx.
(2.31)
Это разложение и(х, 0) в ряд Фурье по системе собственных функ
ций уп (х), п = 1, 2, 3,..., ортогональных на отрезке 0 < х < /, а коэффипи
енты С„ — коэффициенты Фурье, определяемые как [102]:
j /
С«=Т——з-/ф>°)Уи(х)Фс, (2.32)
kWII о
1 2
W к(*)||= рл2(x)dx —норма собственной функции уп (х).
Lo
Интегрируя (2.32), получим
J(-?x)sinp„xdx=- 4-sin(p„/) = - 4g/ sinf-^
о (2п-1) л2
'(2w~1)rocU^.
2
2
Ил
|| = Jsm2
о
21
2.4. Тепловое поражение полупроводниковых приборов ЭМИ 87
II итоге решение (2.16) уравнения (2.12) с начальным и граничными
Vi линиями можно выразить аналитически через известные функции и па-
раметры [62]:
? N 1
71 * ill(xj) = 7’0 +qx—exp(-p2fl2/)sinp„xsinp„/, (2.33)
' л=1Ми
HI* kin jinl = ±1 в соответствии с (2.26); п = 1, 2, 3,...; N— максимальное
•lit по слагаемых в сумме. В общем случае N зависит от скорости сходи-
ыи* in ряда на заданном интервале времени.
Ряд в (2.33) сходящийся, a N= 4...5. В теории уравнений параболичес-
цн|о типа доказывается теорема (принцип максимума) [145, 102], согласно
Норой функция, удовлетворяющая этому уравнению, имеет максималь-
но» птчение в начальный момент времени или в граничных точках х = 0 и
I / Из простых физических соображений ясно, что максимальная тем
п*|нп ура перехода наблюдается в точке х= I и равна
N -I
Ттах = Ъ +д1-Л^ехр^у(). (2.34)
2 л=1 Ми
ИI (2.34) нетрудно получить явное выражение для мощности тепло-
•ОИ1 поражения полупроводниковой структуры с одним р-и-переходом
*р , / 2 2 V
1 8 Л ехР(-Мпа ')
1 тг2 Н Л2
Л и=1 (2и-1)
( рппнивая (2.35) с формулой Вунша — Белла (2.9), можно заметить,
Ни первая формула учитывает такой важный параметр, как толщина пе-
|Wti>jiu /. Это понятно, так как решение (2.35) уравнения теплопроводно-
ill получено при учете конечных размеров полупроводника, а не беско-
нечных, как у Вунша — Белла.
< )дпако недостаток, присущий модели Вунша — Белла (широкий раз-
fl|iin и неопределенность значений температуры Тр, о чем говорилось
|1н1рг), не устраняется.
Поэтому при анализе эффектов теплового поражения в дальнейшем
• Пользуются формулы, выражающие пространственно-временную зави-
нмосзь температуры нагревания от параметров полупроводника и мощ-
liiini СВЧ-излучения.
Дня СВЧ-генератора с энергетическим потенциалом Э = 1 ГВт при рас
H'Uliriiii между генератором и поражаемым РЭС R = 10 км и эффектив-
88 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
ной площади антенны поражаемого РЭС Лдф= 3 м2 мощность СВЧ-импуль
са, принятая антенной, равна
Э/Еж
^р=-ГТГ = 2’4Вт- (2.36)
4лЯ
Поскольку номенклатура приемных устройств поражаемых РЭС до
статочно разнообразна, потери мощности в тракте от антенны до смеси
тельного диода также различны. Если эти потери составляют от 5 до 10 дБ,
то мощность Р = — на входе диода будет изменяться от 0,8 до 0,2 В г.
dt
В схемах преобразователей частоты применяются германиевые, арсе
нидогаллиевые и кремниевые диоды. Из них последние обладают самой
высокой температурной стойкостью, и именно они используются в элек
тронной технике, работающей в сложных условиях. Поэтому можно счи
тать, что в качестве смесительного СВЧ-диода выбирается кремниевый
диод с параметрами £ = 1,2 Вт/см-град; с-0,75 Дж/г град; р = 2,3 г/см\
способный выдерживать температуру до 150 °C [122].
По характеру распределения концентрации примеси различают резкие
и плавные р-и-переходы. Их толщина / определяется разными параметра
ми. Но в любом случае она зависит от приложенного внешнего напряже
ния. Поэтому можно принять некоторое среднее значения / = 4...5 мкм
Обычно при анализе работы полупроводниковых приборов форму
перехода в точечном диоде принято считать полусферической, имеющей
диаметр d = 3...10 мкм. Приняв d = 4...5 мкм, можно оценить площадь пе
рехода как 5=^|~ = (3,93...2,51)10-7 см2.
Смесительный диод в схеме работает в нормальном (не напряженном)
режиме, поэтому его начальная температура То определяется не столько
электрическим режимом, сколько температурой прибора, в составе кото
рого он работает. Положим Го = ЗО°С.
На рис. 2.18 (с. 90) приведены графики зависимостей температуры на
гревания перехода от длительности мощного импульса ти при То= 30 °C и
разных значениях мощности Р в качестве параметра. Параметры диода /
и d указаны в экспликациях к рисункам. Графики построены в соотве т
ствии с соотношением (2.34).
Температура плавления кремния Тпл -1420 °C и почти на порядок пре-
вышает температуру разрушения Тр р-и-перехода диода, изготовленною
из кремния. Сама температура Тр в сильной степени зависит от состава и
процентного содержания примесей и даже для полупроводниковых эле-
ментов одного типа имеет существенный разброс. Статистических данных
2.4. Тепловое поражение полупроводниковых приборов ЭМИ
89
ПО температурам разрушения переходов нет. Поэтому, чтобы оценить за-
висимость энергии теплового поражения от длительности импульса ти
можно выбрать три значения: 7j,= 180 °C; 200 °C и 250 °C. Длительности
Импульсов ти, соответствующие данным значениям температуры, опреде-
/ипотся точками пересечения кривых 7(ти)на рис. 2.18 с прямыми Тр,
иираллельными оси ти. Тогда энергия поражения Q=Pt„.
На рис. 2.19 (с. 92) изображены графики зависимости энергии Q тепло-
вого поражения диода от длительности импульса ти при значениях темпера-
туры нагревания диода, при которых наступает его разрушение (180 °C;
Ч>0оС; 250°С), и тех же значениях параметров I и d.
Анализ полученных зависимостей, представленных на рис. 2.18 и 2.19,
Подтверждает экспериментально установленный факт, состоящий в том,
чп» с увеличением длительности электромагнитных импульсов снижает-
гн критический уровень теплового поражения полупроводниковых элемен-
loii по мощности и увеличивается уровень поражения по энергии. Другими
( Ловами, чем короче импульс, тем выше критический порог по мощнос-
III и ниже аналогичный порог по энергии.
На основании того же анализа можно сделать следующие выводы.
1. При увеличении мощности излучения длительность импульса, обес-
печивающего тепловое поражение полупроводникового элемента, умень-
шается, т. е. более мощный импульс будет и более коротким при дости-
•гпии одинаковой степени поражения. Однако возрастание мощности
происходит медленнее, чем уменьшение длительности импульса (напри-
мер, при увеличении мощности в два раза — с 0,3 до 0,6 Вт длительность
Импульса уменьшается в четыре раза для всех значений температур раз-
рушения перехода). Поэтому при укорочении импульса энергия теплово-
|и поражения убывает.
2. Изменение толщины перехода слабо влияет на величину энергии
Поражения, в то время как изменение диаметра точечного перехода ока-
шппст сильное влияние на энергию поражения. При уменьшении толщи-
ны перехода на 1 мкм (с 5 до 4 мкм) и одинаковом диаметре перехода
пергия поражения практически не изменяется; при уменьшении диаметра
Перехода на 1 мкм (с 5 до 4 мкм) и одинаковой толщине перехода энер-
। ИЯ Поражения уменьшается в два раза.
3. Теоретические результаты, полученные на основании решения урав-
нения теплопроводности со смешанными граничными условиями, прак-
1нчсски совпадают с экспериментальными данными.
В заключение этого раздела необходимо сделать несколько замечаний.
11 ри данной температуре разрушения перехода определенной мощно-
11 н теплового поражения соответствует некоторое минимальное значение
90 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средств
a
2.4. Тепловое поражение полупроводниковых приборов ЭМИ
91
Рис. 2.18. Зависимость температуры Т нагревания р-л-перехода от дли-
клыюсти ти мощного СВЧ-импульса при разных значениях мощности Р.
л) /=5 мкм, d = 5 мкм; б) 1=5 мкм, d=4 мкм; в) 1=4 мкм, d=5 мкм.
Кривые 1...5 соответствуют Р=0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 Вт
^пнсльности импульса (его можно определить из графиков на рис. 2.18).
'Ii у мощность можно уменьшить, если облучать полупроводниковый при-
иичкой импульсов той же длительности при условии, что период по-
|ГИ|№НИЯ импульсов в пачке будет меньше, чем время тепловой релакса-
ции полупроводника. В противном случае облучение пачкой эквивалентно
мИучспию одиночными импульсами.
I (олученное решение может быть применено к анализу любых полу-
проводниковых элементов, имеющих один р-л-переход. В качестве моде-
41 перехода был выбран однородный стержень. При этом температура
। П>||*ця (и перехода) изменялась вследствие переноса тепла вдоль него,
||*|н»пос тепла через боковую поверхность стержня не учитывался. Други-
ми словами, боковая поверхность перехода предполагалась теплоизоли-
ропипиой. В [59] показано, что учет теплообмена через боковую поверх-
HIH п> перехода полупроводникового элемента практически не вносит вклад
Й шпнеимость температуры нагревания перехода от длительности воздей
|иующсго импульса.
Аполитическое решение задачи теплового поражения полупроводни-
•iiiiux элементов с одним переходом позволяет с приемлемой затратой
ЧЙ111111111ОГ0 времени определить зависимости температуры нагревания пе-
1>- <п юв от длительности импульсов, температурных профилей (рас-
Ч||> и кния температуры вдоль перехода за время, равное длительности
92 Глава 2. Физические основы функционального поражения электронных средспь
Рис. 2.19. Зависимость энергии Q теплового поражения р-д-перехода от дли
дельности ти мощного СВЧ-импульса при разных значениях температуры раз
рушения перехода: а) 1=5 мкм, d=5 мкм; б) 1=5 мкм, d=4 мкм; в) 1=4 мкм,
d=5 мкм. Кривые 1...3 соответствуют Т^= 180°С; 200С и 250°С
импульса) и энергии теплового поражения. Важно также подчеркнуть, что
очень короткие импульсы (короче 50 нс) не только обеспечивают тепло
вое поражение полупроводниковых элементов при меньшей энергии по
сравнению с более длинными импульсами, но и лучше преодолевают во i
можные схемы защиты приемных устройств поражаемых РЭС.
ГЛАВА 3
ЖТОЧНИКИ СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
ЕСТЕСТВЕННОЙ И ТЕХНОГЕННОЙ ПРИРОДЫ
— -ST----------- . .= J 2- —
3.1. Источники мощных электромагнитных полей
Поражение радиотехнических устройств мощными радиоволнами
Про»1 ходит главным образом за счет прямого детектирования радиосиг-
нилин полупроводниковыми приборами, воспринимающими радиосигналы
Их »чсментарные антенны. Эффективное ФП РЭС может быть достиг-
НМ*» пугем воздействия на отдельные радиоприборы (смесители, усили-
»»«н, фазовращатели и др.). Современные станции активных помех (САП),
« хитрых применяются современные генераторы или выходные усилите-
«и, мшуг создавать помехи с ограниченной мощностью излучения, что
Ям «ню с низким КПД выходных усилителей передатчиков помех. Вслед-
мжк ггого САП не пригодны для решения задач ФП РЭС.
II I ВЧ-диапазоне для создания сильных ЭМП могут применяться
(Мшичные СВЧ-приборы:
• СВЧ-электронные приборы (магнетроны, клистроны, лампы бегу-
щей волны (ЛБВ), лампы обратной волны (ЛОВ) и др.);
• генераторы на твердом теле (параметрические генераторы, туннель-
ные диоды и др.);
• квантовые (молекулярные генераторы).
Дни мощных выходных СВЧ-приборов характерна работа в импульс-
И1 ни режиме, в котором развивается мощность Ри ~106 Вт при длительно-
и мучаемых сигналов т-10...100 мкс и скважности Q~ 10...100. В не-
Н|и'р|.| ином режиме современные выходные устройства передатчиков помех
miuuiiot излучения с мощностью РПОМех~ Ю3 Вт. Необходимость работы
и*|»1 штчиков в импульсном режиме является вынужденной и вызвана,
I'KiMtJ обеспечения выполнения РЭС своих функций, трудностями теп-
Вн*гподи, возникающими при непрерывной работе. Особенно велики теп-
HiHMi! потери на очень высоких частотах (f> 1010 Гц), где КПД приборов
.vipiii. мал. При переходе к высоким частотам трудности теплоотвода зна-
И1 г а ы ю возрастают, так как в соответствии с принципом подобия в гео
«••прически подобных радиоустройствах мощность теплового излучения
п| 1"ирц Р-А.2. Это связано с тем, что при уменьшении длины волны А,,
фи мданном значении выходной мощности Рвых = const уменьшаются
94 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
геометрические размеры прибора и, следовательно, возрастает степень chi
нагрева. Но достаточна ли эта мощность для поражения РЭС? Для ответ
нужно оценить потенциал станции ФП, необходимый для поражении
элементов РЭС.
Ориентировочно можно считать, что надежное ФП РЭС происходи!
при критическом значении плотности потока энергии Пкр = 0,1...1 Дж/см]
Получить такие плотности энергии в районе расположения поражаемо! о
элемента (например, полупроводникового фазовращателя ФАР РЭС) и
радиодиацазоне можно лишь при длительном воздействии на объект до
статочно мощного излучения (рис. 3.1) либо при кратком воздействии ни
объект, но очень мощного излучения.
Рис. 3.1. Условие ФП РЭС СВЧ-излучением: максимум луча источника
СВЧ-излучения должен быть направлен на поражаемое РЭС
Плотность потока мощности СВЧ-излучения в апертуре антенны РЭ(
без учета затухания, определяется по формуле
Р G -I
Пвх=-^-, Вт/м2, (3.1)
4лД
где Р„ — мощность передатчика помех; Gn — коэффициент усилении
антенны; D — удаление источника излучения от поражаемого РЭС.
Из тактических соображений, прежде всего из соображения безонас
ности защищаемого объекта, желательно, чтобы передатчик ФП обеспечи
вал поражение РЭС на расстоянии £>min> 10 км. Если известна плотное и.
потока П^ энергии, обеспечивающей поражение РЭС, то, подставляй
в (3.1) значение D = Dm-[n и переходя в ней от плотности потока мощное ! в
к плотности потока энергии, можно определить требования к энергетп
ческому потенциалу передатчика по формуле
Рпеп=4Лд<п^, (з.-)
где Пкр — критическое (необходимое для поражения) значение поток»
энергии; тп — время воздействия поражающего СВЧ-излучения на РЭ<
3.1. Источники мощных ЭМИ
95
Подставляя в (3.2) Пкр=0,1...1 Дж/см2, тп = 10“бс, £>min = 1()4 м, полу-
чим оценку необходимого энергетического потенциала СВЧ-излучателя,
«Ос. почивающего ФП:
FnGn = l,31018...l,3-l()19 Вт.
Следовательно, простой прикидочный расчет показывает, что имеют-
। и винительные трудности создания и практического применения средств
ф|| в радиодиапазоне. Главными из них являются:
• создание мощного источника СВЧ-излучения с очень большим энер-
4nD2inn
готическим потенциалом PnG„ =----------—;
• вывод этого источника в район дислокации РЭС, чтобы расстояние
между ними было Г>тах< 10 км;
• проблема защиты СВЧ-устройства ФП от поражения оружием про-
тивника.
Эги трудности исключают применение традиционных СВЧ-генерато-
В И выходных усилителей для целей ФП РЭС. Применение их, в част-
ник случаях, возможно при ведении антитеррористических операций на
||||ишиченных и контролируемых территориях. Несколько смягчить про-
Лнему «энергетического голода» традиционных САП может применение
«мнпных ФАР, но при этом возникает новая проблема, связанная с на-
авдснисм узкого луча антенны САП на поражаемое РЭС. Однако генера-
Ц||)Ы па новых физических принципах делают проблему ФП РЭС не столь
Надежной. К тому же в прикидочных расчетах использовано значение
характерное для ФП наиболее устойчивых к воздействию СВЧ-излу-
т**ний элементов, применяемых в РЭА. Вместе с тем, чтобы подчеркнуть
(рулпости создания устройства ФП, сознательно не учтено влияние уси-
кненьпых свойств приемной антенны облучаемого РЭС.
1) пользу того, что создание устройств ФП реально, говорят и послед-
< I «НЯ воздействий на РЭА излучений мощных источников электромаг-
ЦнШых помех природного и техногенного происхождения, результаты
пытаний генераторов сверхмощных СВЧ-импульсов, а также данные о
применении специальных СВЧ-средств ФП в локальных конфликтах.
К электромагнитным волнам радиодиапазона относят радиоволны с
Чй1 иной колебаний от 3 кГц до 6000 ГГц [139]. Этим частотам в свобод-
ном пространстве соответствуют длины волн от 100 км до 0,05 мм. Однако
|М1||одиапазон занимает только часть диапазона частот электромагнитных
*<111, используемых в радиоэлектронике, включающей в себя радиотех-
uu• v оптоэлектронику и акустоэлектронику. Поэтому при рассмотрении
||<||юсов радиоэлектроники радиодиапазон следует дополнить оптичес-
96 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
ким диапазоном. В совокупный оптический диапазон включают электро
магнитные колебания с частотами от 6000 ГГц до 3 • 108 ГГц, а иногда и до
ЗЮ11 ГГц. В свободном пространстве указанным частотам соответствуй и
длины волн от 0,05 мм до 10-9 мм.
Во всем столь широком диапазоне радио- и оптических частот сильны)
и сверхсильные ЭМП создаются только источниками природного прот
хождения космического масштаба: звездами и галактиками. В земных
условиях ЭМП высокого уровня наблюдаются лишь в части радиодиап.1
зона и на отдельных частотах оптического диапазона. Их источникам))
являются: вспышки на Солнце; грозовые разряды; ядерные взрывы; про
мышленные установки; лазеры; высокопотенциальные РЛС; ВМГ; гене
раторы сверхмощных СВЧ-импульсов.
Из перечисленных в качестве ЭМО возможно использование толькн
лазеров, излучателей на основе ВМГ и генераторов сверхмощных СВЧ
импульсов. Остальные источники мощных излучений — природные ли(>п
техногенные, но не относящиеся к оружию ФП.
Приведенный перечень источников указывает на то, что воздействии
сверхмощных излучений на электронные средства различного назначении
должны были наблюдаться задолго до появления ЭМО, т. е. в течение
длительного времени. Например, серьезные научные наблюдения за гр»
зовыми разрядами ведутся по крайней мере с конца XIX века. За боле)*
чем столетие собрано много сведений об этом природном явлении. А ш
последние пятьдесят — шестьдесят лет накоплены данные и выявлены не
которые закономерности воздействия сильных ЭМП на электронные при
боры. Эта информация позволяет отчасти понять принципы и уясни п>
последствия действия ЭМО.
Воздействие сильных ЭМП, создаваемых промышленными устаион
ками, вспышками на Солнце, взрывами сверхновых звезд и другими кос
мическими катаклизмами, проявляется в основном в виде помех разной
продолжительности и силы. Лишь в редких случаях результат их воздейс ।
вия на РЭС оказывается таким же, как он имеет место в случае применении
электромагнитного оружия. По этой причине даже за продолжительно)
время наблюдения не удалось накопить каких-либо систематических дан
ных об условиях, при которых отмечались случаи ФП радиоэлектронные
приборов излучениями указанных источников.
В этом отношении гораздо более информативными являются наблю
дения гроз и ядерных взрывов.
Данные, полученные в результате наблюдений гроз и исследовании
ЭМИ ядерных взрывов, могут быть непосредственно использованы при
изучении последствий применения ЭМО. Поэтому ниже приводятся о<
3.1. Источники мощных ЭМИ
97
lititiiibie сведения о механизмах формирования и особенностях электро-
МП1НИТНЫХ излучений молний и ядерных взрывов, а также некоторые
ННН1ЫС о последствиях их воздействия на РЭА.
Что касается молний, то иметь представление об их поражающих
||мк горах желательно и вне связи с ЭМО. Ведь характерное для последних
|»<’мтилетий стремление заменить человека техническими устройствами
|«м, где требуется высокая пропускная способность, точность, быстрота
|н'йкции и т. п., заставляет конструкторов повсеместно внедрять электро-
нику, а стремление сделать техническое устройство возможно более ком-
ик» : ным — использовать микроэлектронику.
Опыт показывает, что миниатюризация делает технические устройства
Жv более уязвимыми для грозовых разрядов. Найти пути повышения стой-
ки ги таких устройств к ЭМИ молний можно, только зная связь характе-
ристик молнии со всем спектром потенциально опасных воздействий ее
НИ 1’ЭА. А поскольку характеристики неразрывно связаны с механизмом
|и 111И1ИЯ молнии, то надо знать и его.
11о указанной причине ниже грозе уделено существенно больше внима-
iiliii, чем другим природным и техногенным источникам электромагнит-
ны ч излучений. Однако сразу следует отметить, что физический механизм
1|н||>мирования молнии пока что до конца не ясен, многие параметры
МШН1ИИ еще не измерены, а некоторые из них не оценены даже по порядку
величины [16].
Что касается ВМГ и генераторов сверхмощных СВЧ-импульсов, то
Мм<> появление ЭМО стало возможным только после создания источни-
*»н 1Лектромагнитного излучения с недостижимыми ранее уровнями
чшцности. Такие источники были разработаны на основе исследований
I области сильноточной релятивистской СВЧ-электроники. Релятивист-
в.ие СВЧ-генераторы уже вышли на уровни мощности 1О9...1Он Вт при
и мучении импульсов с длительностями 10'7...10“9 с, но до предела еще
лппгко. Характеристики таких генераторов ниже будут рассмотрены наи-
бп|сс подробно, поскольку именно в области СВЧО ФП уровень макси-
МИЫ10Й выходной мощности СВЧ-генератора имеет решающее значение.
Значительный информационный и материальный ущерб военным и
1|'!»жданским объектам мотуг нанести сильные ЭМП, создаваемые про-
мышленными установками. Интенсивность индустриальных помех, порож-
и.| мых деятельностью человека в обычной (не катастрофической) обста-
iliihKC, не превышает критических значений, при которых наступает ФП
। к тройных устройств. Поэтому промышленные источники ЭМП как
• > чгрцторы, пригодные для создания средств ФП, здесь не рассматрива
й " »|. Сказанное относится и к ядерным взрывам как источникам ЭМИ.
98 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Однако то, к каким последствиям приводит воздействие мощных ЭМП
промышленных источников, ядерных взрывов, высокопогенциальных РЭ(
(в основном РЛС), заслуживает внимания. Поэтому ниже соответствую
щие вопросы кратко обсуждаются.
Непреднамеренное ФП электронных средств (ЭС) различного назна
чения чаще всего наблюдается при аномальных электрических явлениях,
происходящих в земной атмосфере. Мощными источниками ЭМП явля
ются молнии при грозовых разрядах.
Наблюдения последних лет показывают, что случаи непреднамерен
ного ФП электронных устройств, работающих в различных диапазонах
электромагнитных волн, значительно участились. Сильные ЭМП, обра
зующиеся при естественных атмосферных грозовых разрядах, выводят из
строя не только бытовые электронные приборы (телевизоры, радиопрп
емники, радиотелефоны, компьютеры и другие), но и целые информацп
онные сети государственного значения. Причиной этого негативного ян
ления, которое раньше наблюдалось крайне редко, является массовое
внедрение в электронные устройства миниатюрных полупроводниковых
приборов и микросхем, весьма восприимчивых к воздействию сильных
ЭМП. Прежнее, «ламповое», поколение электронных устройств было зиа
чительно устойчивее, и поражение их молнией происходило крайне рсд
ко. Указанное обстоятельство приводит к необходимости изучения осо
бенностей ФП различных опто- и радиоэлектронных устройств сильными
ЭМП естественного происхождения с целью определения мер защиты этих
устройств от воздействия мощных излучений, порождаемых атмосферным
электричеством (в первую очередь — молнией).
Грозовые облака несут отрицательные и положительные электричес
кие заряды, заключенные в сравнительно небольшом объеме. В грозовом
облаке аккумулирована электрическая энергия порядка 1О10 Дж — прибли
зительно такая энергия высвобождается при вспышке молнии во время
сильной грозы. Много это или мало? Если измерять в тротиловом экви
валенте, то всего -1 т тротила. И только часть этой энергии преобразуш
ся в энергию ЭМИ. Тем не менее ее хватает на поражение некоторых РЭС и
радиусе до 10 км от канала молнии.
3.2. Грозы
На Земле источниками наиболее мощных ЭМП природного происхож
дения являются грозы. В масштабах планеты они наблюдаются практп
чески непрерывно: каждые сутки гремит около 300 гроз [150], причем
ежесекундно происходит около 100 разрядов молний в земную поверх
3.2. Грозы
99
linen» [84]. Большая их часть приходится на экваториальную область —
||<>«уденные грозы в Бразилии, тропические грозы в Африке и т. д. При
»|иМ повсеместно на Земле общая степень грозовой активности достига-
•I мпксимума в 19.00 по Гринвичу [150].
Молния представляет собой электрический искровой разряд в атмос-
i]»pc. Длина искры достигает нескольких километров, а при разряде меж-
ду облаками — нескольких десятков километров [16, 84]. Источниками
Ыоший являются грозовые кучево-дождевые облака, облака песчаных и
Им новых бурь, заряды снежных буранов, облака продуктов извержений
•П Капов и ядерных взрывов.
Объемные заряды в грозовом облаке накапливаются на составляющих
нбнпко гидрометеорах постепенно. По достижении активной фазы в боль-
liirli части грозовых облаков отмечается наличие на высоте 6...10 км цен-
Цн) положительного объемного заряда, а на высоте 2...5 км — центра от-
рицательного объемного заряда. Величины этих зарядов, как правило,
(МИНЫ Ci = +(24...4О) Кл, 02 = ~(24...40) Кл. Если других заряженных об-
Мс гей нет, то облако считается нейтрально поляризованным (рис. 3.2.).
Рис. 3.2. Распределение объемных зарядов в грозовом облаке:
1 — нейтрально поляризованное облако; 2 — положительно по-
ляризованное облако; 3 — отрицательно поляризованное облако
В умеренных широтах высота типичного грозового облака достигает
* 12 км. Грозовое облако заполнено зарядами, находящимися на гидро-
щ ц'орих (водяных каплях, снежинках, кристалликах льда), послойно.
Мидель с точечными зарядами Qt, Q2, q^ q2 является чисто условной. При
ним Принимается, что все точечные заряды расположены на одной вер-
'П1ЙЛЫ1ОЙ прямой.
JOO Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Однако иногда имеется область с зарядом qx = +(4...1О) Кл (рис. 3.2, 2)
Такое облако относится к положительно поляризованному грозовому
облаку. Гораздо реже в нижней части облака положительного заряда нет,
но имеется область отрицательного заряда величиной 02 = -(4—Ю) Кл и
верхней части облака (рис. 3.2, 3). Это случай отрицительно поляризован
ного облака.
При взгляде на рис. 3.2 появляется соблазн представить облако как
своеобразный большой конденсатор, одной из обкладок которого являет
ся область облака, заряженная положительно, а другой — отрицательно
заряженная область. В таком случае формально можно было бы опредс
лить запасенную в облаке электрическую энергию по известной формуле
Э=^_,
2
(3.3)
где С — емкость конденсатора; U — разность потенциалов, т. е. напряже
ние между обкладками конденсатора, связанное с зарядом одной из об
кладок Q (заряды обкладок равны по величине) соотношением
U А (3.4)
С учетом (3.4) выражение (3.3) записывается в виде
О1
Э=^-. (3.5)
2С
Известно, что в системе СИ емкость плоского конденсатора, обклад
ками которого являются две одинаковые плоские проводящие пластины,
расположенные параллельно друг другу на расстоянии d, связана с пло
щадью 5 обкладки и расстоянием d между ними зависимостью
С = е—, (3.6)
d
где £ — диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.
С учетом (3.6) соотношение (3.3) принимает вид
При рассмотрении грозовых явлений часто говорят о напряженности
электрических полей в облаке, между облаками, между облаком и земноп
поверхностью и т. д. Применительно к конденсатору напряженность эле к
трического поля Е между обкладками связана с разностью потенциалов И
выражением
U = Ed. (3.8)
3.2. Грозы
101
I учетом (3.8) и (3.7)
^ CE2d2 eSE2d (39)
2 2
Все параметры, входящие в (3.7) и (3.9), в принципе измеримы, и энер
ьнические возможности грозовых облаков оценить, казалось бы, неслож-
но Однако заряженные области, строго говоря, нельзя рассматривать как
обкладки конденсатора, поскольку отсутствует проводящая среда между
«рядами [142]. Даже отрицательный заряд в облаке — это не заряд сво
Л>\дных электронов, а совокупность зарядов, сосредоточенных на малых
Ни размерам гидрометеорах, погруженных в целом диэлектрическую воз-
иушную среду. Поэтому физические механизмы возникновения и разви
• ин молнии, особенно на первых ее этапах, остаются неизвестными [142].
Действительно, область, в которой рассеяны заряженные гидромете-
оры, занимает настолько большой объем, что не удается объяснить, как
«рады на достаточно массивных, т. е. весьма инерционных по меркам мик-
ромира, частицах — гидрометеорах успевают за миллисекунды собраться
И крайне ограниченной по размерам области, чтобы отсюда направиться
ни плазменному каналу, перед этим проложенному стартовавшим из дан-
unrt области лидером, к земле и в конце пути стечь в нее. В связи с отсут-
• ншсм удовлетворительной теории грозовых разрядов ограничимся озна-
комлением с фактическими данными о ЭМП, формируемых молниями,
И о характере воздействия таких полей на РЭА.
Самым общим является следующее представление о грозовом разря-
III молнии.
При накоплении в зарядонесущих областях положительного и отри-
цательного зарядов критической величины Q происходит электрический
пробой воздуха и образуется электропроводящий кратковременно суще-
• Шующий канал с током I в многие тысячи ампер, текущим от положи-
|г 1ьПо заряженной Земли (+0 к облаку. Происходит лавинообразный
процесс превращения части аккумулированной в облаке электрической
тигргии Ээ в энергию электрического поля.
Высота основания облака составляет Яо = 1...2 км (рис. 3.3). Скопле-
ние «рядов в облаке может простираться до высоты Н> 10 км при сред-
lit I» высоте 3...4 км.
В некоторой малой области облака, в месте, где напряженность элек-
«||ичсского поля Е при определенной концентрации зарядов достигает
критической величины Е= Екр, начинается ионизация и возникают элек-
1|И11111ые лавины — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие
kniiiuiM — тонкие шнуры, которые, сливаясь друг с другом, дают начало
102 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Рис. 3.3. Развитие молнии
яркому, термоионизированному образованию — головке лидера, облада
ющей высоким потенциалом. Лидер, двигаясь в направлении наименьшего
потенциала, формирует ионизированный канал. Диаметр электропрово
дящего канала, созданного лидером, составляет dn = 2...12 мм.
На рис. 3.4 представлена пространственно-временная картина разни
тия грозового разряда — молнии.
В начальной стадии (рис. 3.4, а) происходит толчкообразное (посту
пательное) движение ярко вспыхивающей головки лидера, с размытыми
неярко выраженными стримерами впереди. С течением времени фор
мируемый лидером канал удлиняется и превращается в проводящий кн
нал К. В момент, когда головка лидера касается земли, происходит мощ
ный главный разряд, порождающий ЭМИ с высокой плотностью энергии
П (Дж/м2). Скорость движения головки лидера в среднем составляв
1О5...1О6 м/с. Форма и длительность импульсов тока грозового разряда но
казана на рис. 3.4, б и 3.5.
В расчетах за длительность импульса ти принимается интервал времс
ни от момента начала главного разряда до спадания амплитуды тока до
уровня половины его максимального значения 1т. Длительность фроша
импульса Тф определяется интервалом между уровнями 0,3/w и 0,9/„,.
После завершения развития лидера молнии начинается вторая ее ста
дия, называемая главной. В конце плазменного пути, проложенного лиде-
ром, в момент контакта с землей возникает яркое свечение (рис. 3.3, «).
3.2. Грозы
103
Рис 3.4. Развитие трехкомпонентнои молнии: первая компонента состоит из лидера (у первой молнии четыре
кривые слева показывают ступенчатое развитие ионизированного канала лидером; пилот не показан) и главного
разряда; вторая и третья молнии — из стреловидного лидера и главного разряда
104 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
захватывающее часть длины канала К в несколько метров, — «свети
вая стрела», которая распространяется от земли к облаку со скорое гы<>
0,05...0,5 скорости света. Полет «стрелы» сопровождается резким увели
чением тока /. Главная, завершающая, стадия молнии развивается одно
временно и внутри облака, способствуя стеканию его заряда в землю. Пос иг
завершения развития главной стадии (рис. 3.3, в) свечение канала осла
бевает — наступает стадия послесвечения. В этой стадии светится весь
канал сразу, и по нему течет ток, хотя и небольшой. Как правило, пои
ный процесс развития молнии является многократным, т. к. после основ
ного разряда может последовать целая серия повторных молний (рис. 3.4)
Изучающему принципы действия и последствия применения ЭМО п<
следует ограничиваться общим представлением о грозовом разряде. Ведь
молнию многое роднит со средствами ФП, особенно с ВМГ. И в молив
ях, и в средствах ФП излучение мощных ЭМИ вызывается протеканием
больших электрических токов.
Детально физические механизмы возникновения и развития молнии
особенно на ее первых этапах, протекающих в облаках, пока не раскрыты
Но начиная с момента выхода разряда из облаков развитие и завершешк
молнии изучены достаточно подробно.
В процессе формирования молнии выделяются три стадии: лидерная
главная и послесвечение. За первой молнией (после ее окончания и нссч
да практически по тому же пути) следуют еще несколько разрядов-молнпп
Такая молния называется многокомпонентной. Развитие второй и посл<
дующих компонент молнии происходит иначе, чем развитие первой коми<>
ненты. Отличие в развитии, несомненно, связано с тем, что начиная си
второго все разряды данной молнии происходят по «готовому» ионизир<>
3.2. Грозы
105
ииииму каналу. Первый же разряд сам формирует такой канал в процес-
• | > micro развития. При описании процесса развития молнии ниже ис-
йи>1ьм>наны предположения, высказанные в [142]. Такого же рода сооб-
ния и данные имеются в [84, 85, 113].
1 |о современным представлениям процесс возникновения и протека-
МП» цюзового разряда — молнии происходит следующим образом.
I Молния зарождается в грозовом облаке в интервал времени, когда
«ю мсти разнополярных объемных зарядов (рис. 3.3) создают в некоторой
Ын мой области облака (ячейке) градиент электрического потенциала, до-
НН1ЮШИЙ в данный момент критического значения.
Кик известно, градиент устанавливает связь между значениями потен-
lUH'in в данной точке пространства и в соседней с ней точке. При переме-
щении из данной точки в соседнюю изменение поля происходит с наи-
Янлыпсй скоростью.
Ячейка, в которой градиент поля достигает критического значения,
ын*«т образоваться, например, в результате быстрого вихревого уплотне-
ния тпряженных гидрометеоров, а значит, локального усиления поля их
рядами. Если за доли секунды такое усиление не будет нивелировано
»«|ропой. возникающей на гидрометеорах в сильном поле, то возможно
«*[•• мление стримеров, пронизывающих среду преимущественно в неко-
щром узком секторе, и формирование здесь головки лидера.
Критическое (пробивное) значение разности потенциалов в каждом
конкретном случае определяется изоляционными свойствами среды об-
и*кй (рис. 3.6).
Даже в строго одинаковых условиях выявляется разброс напряжений,
фюонвающих длинный воздушный промежуток, т. е. наблюдается разброс
hi" >Г>ипных напряжений U. Пробой имеет вероятностный характер. Откло-
1ЙИИЯ от уровня напряжения Uo >5, соответствующего 50%-ной вероятности
Н|И|Поя, достигают 10...15% в обе стороны. Кривая 2 соответствует проме-
•угку меньшей длины.
В частности, при нормальном атмосферном давлении пробивная раз-
но» 1ь потенциалов для воздуха имеет порядок 3-106 В/м [99], а на высоте
I им над уровнем моря, т. е. на средней высоте старта молнии в Европе,
ПИИ понижается до 2 - 10б В/м [16]. Столь сильное ЭМП в грозовых облаках
•••»*• не зафиксировано (при измерениях получены значения 10... 12 кВ/м).
4|<| либо следствие несовершенства методики измерений, либо верно то,
по непосредственно перед грозовым разрядом происходит кратковремен-
но» усиление поля в малой по объему локальной области (см. выше).
В такой области создаются условия для быстрого увеличения плотности
। пнбпдных электронов за счет ударной ионизации, формирования стри-
106 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Рис. 3.6. Вероятность пробоя воздушных промежутков разной длины
напряжениями в резконеоднородных электрических полях [142]
меров и образования высокопотенциальной головки лидера с тонким слоем
горячей плазмы со стороны стримеров.
Стримеры — это узкие разветвленные каналы светящейся сильно
ионизированной плазмы. Разветвления, по-видимому, совпадают с траск
ториями в среде, вдоль которых с наименьшими затратами происходи!
ионизация в предразрядной стадии молнии.
2 . Стримеры создают условия для зарождения так называемого лиде
ра, т. е. сильноионизированной области в облаке с очень высоким потен
циалом. У лидера формируется головка с тонким слоем сильно нагретой
плазмы. При этом она сохраняет высокий потенциал лидера.
Горячая область головки лидера и холодная область стримеров теперь
совместно обеспечивают интенсивную ионизацию воздуха в направлс
нии, где напряженность внешнего электрического поля, в том числе со i
даваемого зарядами грозового облака (пока лидер находится в облаке),
меньше нескольких десятков тысяч вольт на метр, т. е. вдоль градиентп
(связанного с головкой), указывающего направление наибольшего умеш.
шения поля.
После выхода лидера из облака таким преимущественным направле-
нием становится направление на землю. Так, непосредственно у земли и
грозовой обстановке согласно измерениям значение напряженности pan
но всего лишь 10...200 В/см.
Лидер как бы прорастает рывками в этом направлении, образуя про
водящий плазменный канал за счет превращения нейтрального воздуха п
хорошо проводящую плазму.
3.2. Грозы
107
Лидер может прокладывать пути от облака к земле, от облака к верх-
Мы < ноям атмосферы, внутри облака и от облака к облаку.
«(ряды типа «облако — верхние слои атмосферы» (так называемый
йишюршенный разряд) и «облако — облако» (аномальный разряд) доволь-
йи редки и мало изучены. У незавершенного разряда имеется лишь лидер-
рей । тйдия; на РЭС он оказывает только электростатическое воздействие.
1ЬНые разряды являются самыми протяженными. Распространяясь
ИШ'шдсдно от объемного заряда одного облака к объемному заряду другого
МПникп, разряд покрывает расстояния в 40...50 км [84]. Однако электромаг-
ИЙНН" излучение этого разряда слабее, чем, например, у внутриоблачного.
Но как раз наиболее часто (в 50—70% случаев) наблюдаются внутриоб-
мчиыг разряды. Вторыми по частоте являются разряды «облако — земля»
10 ,.50% всех грозовых разрядов). Отрицательные разряды «облако —
• М и<» зарекомендовали себя как наиболее опасные для радиоэлектронной
•Ииарчтуры.
1*итряд «облако — земля» может быть либо отрицательным, либо поло-
•нцчп.пым. У такого разряда всегда есть главная стадия.
] Отрицательный разряд «облако — земля» начинается из области от-
pilnuтельного объемного заряда основания облака. После зарождения лидер
И|»)дми1нется от облака по направлению к земле толчками. Яркая вспыш-
И • «мой головки и канала за ней сопровождается мертвой паузой, когда
Мгишия практически не видно. Затем следует новая вспышка. Эта новая
• пышка показывает, что головка продвинулась на десятки метров, как
•и» и юбражено на рис. 3.7.
Ступень
лидера
Светящийся канал
и головка лидера
(вспышка, длящаяся
несколько микросекунд)
I’m- 3.7. Схема временной развертки нисходящего отрицательного лидера
Лидер приближается к земле со средней скоростью 105...106 м/с.
I икой ступенчатый лидер достигает земли. В момент касания земли
ну|₽|юм от ее поверхности в направлении к облаку по каналу, сформиро
108 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
ванному лидером, начинает распространяться ярко светящийся главт.и!
разряд. Этот разряд завершается стадией послесвечения. Таким образом,
отрицательный разряд в процессе развития проходит все три стадии мои
нии: лидерную, главную и послесвечения.
В Европе во время летних гроз около 90% нисходящих молний несу |
к земле отрицательный заряд. На положительные нисходящие молниц
приходится 10%.
В тропических и субтропических областях во время зимних гроз доля
положительных молний возрастает вплоть до 50%.
Нередко молнии возбуждаются от летательных аппаратов в полете
в среднем приходится один удар молнии в авиалайнер на каждые 3000 чи
сов полета {142]. И приблизительно половина таких молний начинаем см
не в грозовом облаке, а исходит непосредственно от самолета. Зарождс
ние молнии от самолета может произойти не только в грозовой, но и и
кучевой облачности, несущей относительно небольшой заряд.
Причиной таких молний являются поверхностные заряды поляри ш
ции, появляющиеся во внешнем электрическом поле на противополож
ных концах проводящих элементов ЛА. Роль такого внешнего поля игра
ет электрическое поле между противоположно заряженными облаками
Сосредоточенные на концах проводящего элемента заряды обеспечиваю!
большой перепад между потенциалами концов элемента и потенциалом
внешнего поля. Если элемент вытянут вдоль поля, то у его конца резко
усиливается электрическая напряженность. На другом его конце скапан
вается заряд противоположного знака — элемент поляризуется. В целом
такой элемент приобретает потенциал, равный среднему на его протяжс
нии потенциалу внешнего поля. Поскольку перепады потенциалов (pa i
ного знака) существуют у обоих концов элемента, то при выполнении
условий зарождения лидера молнии концы (оба) становятся источника
ми лидеров (разной полярности).
Поскольку наиболее частыми являются повреждения от отрицатель
ных молний типа «облако — земля», ознакомимся с процессами, про ге
кающими при грозовом разряде такого типа, более подробно.
Лидерная стадия присутствует у всех молний. Лидер зарождается в не
которой области (ячейке) внутри облака. Здесь он недоступен для наблюде-
ния. Поэтому все данные о лидерах получены после выхода их из облака
Главное отличие лидера первой компоненты отрицательной молнии
его ступенчатое развитие. Головка лидера при таком развитии не остан
ляет непрерывного следа. Наблюдается последовательность ярких вспышек
самой головки и канала за ней, сопровождающихся мертвыми паузами
когда свечения практически не видно. При каждой новой вспышке ока иа
3.2. Грозы
109
IMTWI, что головка продвинулась вперед на десятки метров. По результа-
»«м Одной из серий наблюдений средняя пауза между ступенями (вспышка-
ми) Слизка к 60 мкс (при разбросе измеренных значений от 30 до 100 мкс),
* нчипа ступени варьируется в пределах 10...200 м при среднем значении
Ml м 11родолжительность самой ступени, скорее всего, не превышает не-
Ц»ин.ких микросекунд [142].
Отрицательный нисходящий лидер приближается к земле со средней
*»н|юстью 1О5...1Об м/с. При этом по скорости выделяются две группы ли-
•rpuii: медленные a-лидеры и быстрые (3-лидеры. Во время разряда пер-
м<- почти не меняют своей усредненной по ступеням скорости. Однако
hi |Ш1ряда к разряду она принимает значения в пределах (1...8)1О5 м/с
(при среднем значении 3-105 м/с). У ₽-лидеров соответствующие ско-
рнгги в 3 раза выше. Обычно (3-лидеры сильнее разветвлены и для них
Ыр*ктерны более длинные ступени. При приближении к земле они рез-
ы ммедляются и становятся похожими на a-лидеры. Наблюдаются так-
восходящие отрицательные лидеры. Для них, как правило, характерны
инримегры a-лидеров, т. е. короткие, длиной 5...18 м, ступени и скорости
(1,1 4,5)-105 м/с. В шесть-семь раз реже происходят восходящие отри-
||Я1* явные разряды по типу P-лидеров, у которых скорость составляет
|И.К ,2,2)10б м/с, а длина ступеней доходит до 130 м.
V лидера молнии имеется стримерная зона, наблюдаемая в виде вспы-
Hlffc Перед головкой лидера (рис. 3.3). Вспышки возникают в момент прояв-
ч*кип свечения каждой ступени, т. е. перед формированием следующей
Mviiritn. Стримеры развиваются не только от головки основного канала,
Ни и от его ответвлений. Стримеры как бы нащупывают путь дальнейшего
|М жития лидера. Это, вероятнее всего, путь, на котором ионизация проис-
HuiHi С наименьшим энергетическими затратами. На это указывает, напри-
н« р, го, что стримерные вспышки стартуют не только от головки лидер-
Hiilo канала, но и из пространства перед ней, т. е. из области вне канала
нпинии, где ионизация уже состоялась до прихода туда головки лидера.
Применительно к искре выявлены следующие особенности стриме-
ра' ||42].
И I) искре, и в молнии роль лидера заключается в формировании вы-
• М1 'проводящего плазменного канала за счет локального усиления элект-
I ичрского поля в ближайшей окрестности лидерной головки. Головка
♦и 1ТГ потенциал, отличающийся от потенциала грозового облака в области
нирЦ молнии только падением напряжения на ионизированном канале.
I "прот ивление такого канала невелико (погонная удельная проводимость
umnim равна 4...7107 См/м, а его эквивалент волнового сопротивления
|О" ег порядок 100...300 Ом). Для сравнения: проводимость воздуха у
110 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
поверхности земли равна (10...40)-10"15 См/м. Поэтому потенциал голоп
ки на всем пути к земле почти столь же высок, как и потенциал в точке п
старта. И все же этого потенциала хватает только на ионизацию воздуха и
пределах некоторой шнуровидной области, диаметр которой составляй
dn ~ 2... 120 мм.
Механизмом, обеспечивающим формирование такой шнуровидпоИ
области, служит стримерная зона. Эта зона образуется за счет ионизации
молекул окружающего головку воздуха излучением сильно возбужденны к
молекул самой головки. Энергии квантов такого излучения достаточно дли
образования свободных электронов со средней плотностью 1О5...1О6 см '
в слое окружающего головку воздуха толщиной порядка единиц-десяткои
сантиметров. Большого заряда головки хватает на создание сильного элск i
рического поля в передней части головки, которое разгоняет свободные
электроны стримерной зоны до скоростей, обеспечивающих лавинную
ионизацию, причем наиболее интенсивную именно в упомянутой выпи
шнуровидной области. Одновременно развивается много менее интенспи
ных лавин, заполняющих электронами пространство перед головкой. Фор
мируется плазменная область (рис. 3.8).
Головка
лидера
Канал
лидера
Чехол из + +
ионизированных + +
молекул
Стримерная
зона, в которой
происходит
ионизация
молекул воздуха
ударами
электронов
Облако
Канал
лидера
+ + Головка
+ +х Стримерная
зона
Рис. 3.8. Вид лидера (с) и его схема (б)
Сильное возбуждение молекул достигается при высокой температур!
Предположительно процесс разогрева плазмы канала лидера идет слслт
ющим образом [142].
От высоковольтного лидера с большой частотой веерообразно рас ни
дятся многочисленные стримеры. Они заполняют перед головкой лнд< р •
3.2. Грозы
111
«Льем холодного воздуха, равный нескольким кубическим метрам. Обра-
«ипншиеся в стримерной зоне (лидерной короне) под воздействием силь-
ной) поля головки свободные заряды (продукты ионизации) участвуют в
формировании совокупного тока, питающего общий для всех стримеров
••ПЯЛ. При протекании тока выделяется тепло, которое и обеспечивает
• югрсв плазменного канала до 1000...5000 К.
По мере продвижения головки и формирования новой стримерной
мши лидерный канал перемещается за головкой и вбирает в себя заряды,
ннрннившиеся в объеме старой стримерной зоны. Именно канал являет-
nt основным вместилищем того заряда, который после контакта головки
лидера с землей создает мощный импульс тока главного разряда молнии,
• Шичит, и импульс ЭМП в окружающем пространстве.
Однако о величине токов самого нисходящего лидера мало что изве-
«по По аналогии с восходящими лидерами средний ток нисходящего
и (ера принимают равным 100 А [142].
Сделаем еще несколько замечаний о нисходящем лидере первой ком-
Н1111Г1ПЫ молнии [142].
I. Облачные заряды непосредственно в лидер не трансформируются
и tn время скоротечного лидерного процесса из-за массивности их носи-
• й (гидрометеоров) сами по себе из облака никуда не уходят. Они слу-
I источниками сильного электрического поля, вызывающего иониза-
inlHi молекул воздуха и рождение начальной плазмы. В дальнейшем они
поддерживают лидерный процесс. Размеры заряженной области в облаке
|пп11оименный заряд) оцениваются радиусом сферы = 400...700 м.
2. Скорее всего, лидеры отрицательных молний зарождаются вблизи
Шчписй границы нижней заряженной области, где поле самое сильное,
•и. предположение основано на следующем. В центре уединенной заря-
•wniott сферы поле вообще отсутствует. При равномерном распределе-
нии шряда в пределах сферы поле внутри нее растет от центра по радиусу
♦яиейио, а снаружи начинает убывать обратно пропорционально квадра-
1|| расстояния, так что максимальной величины (в системе СГС)
Е =
П 4ле0/(?
они достигает на поверхности сферы.
1. Отрицательный лидер несет с собой высокий отрицательный потен-
•iiihii, который равен среднему потенциалу облачных зарядов.
4 Замыкание сильно заряженного канала лидера на землю вызывает
'•"«Шивой процесс разрядки и затем перезарядки канала — главную ста-
ми » с большим током, представляющим основную опасность.
(3.10)
112 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Главная стадия молнии начинается в момент контакта лидера с поверх
ностью земли или заземленным объектом. Вообще говоря, контакт не все г
да бывает непосредственным. При сближении основного лидера с объек
том иногда от вершины объекта возникает и начинает двигаться навстречу
основному встречный лидер. В этом случае главная стадия начинается и
момент встречи двух указанных лидеров.
Главная стадия представляет собой физический процесс передачи зсм
ле зарядов головки лидера и сформировавшегося канала молнии. На всем
пути от облака к земле головка лидера несет высокий потенциал, сравни
мый с потенциалом облака в точке старта грозового разряда. В прогни
ном случае она не смогла бы наращивать канал молнии в направлении к
низкопотенциальной земле. Высоким является и потенциал канала мол
нии — иначе головка могла бы повернуть свое движение в обратную е го
рону — в сторону более низкого потенциала, чтобы идти по уже ионит
рованному каналу (легче ионизировать нагретый газ, чем воздух впереди
головки).
В момент касания земли или заземленного объекта головка отдает зарин
земле и принимает ее потенциал. Во время перетекания зарядов из головки
в землю вносится первый вклад в импульс тока главной стадии. Сразу
вслед за этим начинают стекать заряды из остальных высокопотенциаль
ных участков молнии. Этот процесс протекает в виде волны нейтрал и ти
ции заряда лидера, распространяющейся по каналу молнии от земли н
облаку со скоростью порядка 108 м/с. Между фронтом волны и землей ни
указанному каналу течет электрический ток, образованный зарядами к»
нала, идущими к земле. Амплитуда тока в среднем равна 30 кА, а в случи!
наиболее мощных молний достигает 200...250 кА [142]. Импульс столь
сильного тока сопровождается выделением большой энергии, часть кош
рой уходит в виде электромагнитного излучения.
Мощность ЭМИ молнии зависит от характеристик изменения велнчп
ны электрического тока в канале, проложенном лидером. Наиболее бьи i
рые изменения тока происходят во время главной стадии, когда крути in i
нарастания тока нередко достигает 1011 А/с. При столь быстром измене
нии величины электрического тока возникает мощное ЭМП. Оно визы
вает интенсивные помехи в радиоприемной аппаратуре на расстояниях
измеряемых десятками километров, и может быть причиной выхода я
строя (поражения) чувствительных элементов РЭА на дальностях, изм<
ряемых единицами километров — сотнями метров. Поэтому именно глаи
ная стадия молнии представляет основной интерес при выявлении ап ।
логии грозового разряда и электромагнитного оружия. После окончания
3.2. Грозы
113
। -«ной стадии наблюдается послесвечение. Во время послесвечения сколь-
иибуль заметного электромагнитного излучения не наблюдается.
Птпрая и последующие компоненты молнии. С окончанием главной ста-
»Н1| и Послесвечения нисходящей отрицательной молнии грозовой разряд
II» w шчивается. Для него характерно наличие чередования угасания
limy О и вспышек сформировавшегося канала молнии на протяжении
II 1,5 с после окончания главной стадии. Это указывает на протекание
Н«н иедовательностей импульсов тока по каналу уже после завершения
стадии.
1'сли паузы (перерывы) между импульсами небольшие, то каждая новая
(пышка повторяет траекторию предыдущей (приблизительно в половине
ipincn). При больших паузах (другая половина случаев) вспышки указы-
Ни частичное или полное изменение пути исходного канала. Созда-
IH И впечатление, что в этом случае грозовому разряду хватает времени
НИ in, чтобы «нащупать» новый путь в атмосфере с наименьшим сопро-
iiiiiai'iiHCM процессу ионизации. Однако, скорее всего, ионизированный
*| ы vx канала просто-напросто успевает заметно сместиться под действи-
• >' в три, турбулентности восходящих и нисходящих потоков воздуха.
I розовой разряд с несколькими последовательными вспышками не-
1Ни родственно в одном и том же канале или в его ближайшей окрестности
1| ibiimioT многокомпонентной молнией. Ее первая компонента, заканчи-
Цвнцинся главным разрядом с послесвечением, формируется в невозму-
iiihIiiom воздухе. Она была рассмотрена выше. Последующие компоненты
•|и|рмпруются в ионизированном канале воздуха и при других начальных
и пппннх. Поэтому их характеристики отличаются от характеристик первой
•НМШШСНТЫ.
Мпоюкомпонентность — отличительный признак отрицательной мол
Инн (кик нисходящей, так и восходящей). Среднее число компонент поряд-
ки iprx, а максимальное доходит до 30...40. Средняя длительность интер-
мпп времени, в течение которого наблюдаются вспышки канала, равна
II < । и максимальная его продолжительность составляет 1—1,5 с. Это
|мн||' сильно излучению пачки электромагнитных импульсов на протяже-
нии I 1,5 с.
V положительных молний наблюдается, как правило, одна компонента.
У нисходящих молний любая из компонент имеет главную стадию.
|М ’юго необходимо, чтобы лидер каждой очередной компоненты вновь
•I»’ • пл канал молнии. Только в таком случае возможен импульс тока глав-
Hiih । гидии. Многокомпонентность грозового разряда обеспечивается
•ы iipihcm в облаке нескольких изолированных друг от друга скоплений
114 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
одноименных зарядов, находящихся на гидрометеорах (небольших капли»
воды, на кристалликах льда и т. и.) и потому не контактирующих дру« i
другом даже в пределах скопления. Наличие готового ионизирован! и и и
канала молнии, сформированного первой компонентой разряда, сунн
ственно облегчает для оставшихся в облаке скоплений зарядов задачу н<
ремещения к земле.
Массовый уход электронов из области начала грозового разряда и ст
канала в землю делает эту область и канал заряженными положительно,
хотя и не до очень высокого потенциала. Тем не менее заряды соседив»
скоплений начинают притягиваться к этой области. В результате рент
возрастают напряженности электрических полей в указанной области и
около ближайшего скопления. Создаются условия для прорастания лилг
ра от скопления к ионизированной области.
В момент достижения возникшим лидером указанной области нами
нается интенсивная «перекачка» электронов из скопления в еще нс о»
тывший канал. Такая перекачка наблюдается в виде лидера, движущего, и
к земле непрерывно без ступенчатых толчков, в виде так называемой!
стреловидного лидера. Не только вторая, но и все последующие компо
ненты начинаются со стреловидного лидера.
Итак, у каждой компоненты нисходящей отрицательной молнии пмг
ется свой лидер и своя главная стадия. Лидер любой очередной ком по
ненты, двигаясь к земле, заново заряжает канал. В момент касания лии<
ра с землей начинается главная стадия, во время которой большая час и.
заряда лидера и вновь заряженного им канала передается земле и ней грп
лизуется в процессе протекания импульсов тока главной стадии.
У восходящей молнии первая компонента представлена только лндс
ром. Этот лидер стартует от объекта с низким потенциалом и движет с и и
направлении грозового облака с высоким потенциалом. По мере прибив
жения к облаку потенциал его головки нарастает. Однако вплоть до окончи
ния формирования лидером канала от точки старта до некоторой точки и
глубине облака, быстрых изменений заряда в нем не наблюдается. В сип
зи с этим у первой компоненты восходящей молнии главная стадия <п
сутствует. Зато у всех последующих компонент такой молнии имеются к и»
лидерная, так и главная стадии.
Всегда вторая и следующие за ней компоненты стартуют уже от облит
по направлению к земле. В целом они ничем не отличаются от второй и
последующих компонент нисходящей молнии.
Иначе говоря, каждой из рассматриваемых здесь компонент начини
ется с лидерной стадии, выходящей из облака и заканчивающейся в м< <
те старта восходящей молнии (первой ее компоненты). В момент касании
3.2. Грозы
115
лидером компоненты объекта, от которого стартовала восходящая молния,
наминается реализация главной стадии компоненты. Импульс тока глав-
Цой стадии уменьшается до половины его амплитудного значения в сред-
нем за Ю"4 с [142]. Однако отклонения от указанного среднего значения
нчень большие, вплоть до порядка в каждую сторону от среднего. Общая
к1коиомерность: импульсы тока положительных молний имеют длитель-
ность больше, чем отрицательных, а импульсы первых компонент длятся
ниыпе последующих.
После главной стадии по каналу молнии в течение сотых-десятых до-
► й секунды протекает слабо меняющийся ток порядка 100 А. Такой прак-
I пчески непрерывный ток не может сформировать ЭМП, сколько-нибудь
(iiicHoe для РЭА. Но иногда на фоне непрерывного тока наблюдаются
№ пиески тока длительностью порядка 10“3 с амплитудой до 1 кА, сопровож-
иикнниеся увеличением яркости свечения канала (М-компонента) [16]. Во
•рсми таких всплесков генерируются ЭМИ, на которые близко располо-
Цгнная РЭА реагирует тем или иным образом (чаще они воспринимают-
। <1 как помеховые импульсы).
В заключение приведем сведения об основных характеристиках нисхо-
НЩих отрицательных молний, развивающихся между облаком и землей.
I. Полный заряд, переносимый грозовым разрядом (первой молнией
II компонентами) из облака на землю, включая непрерывный ток, состав-
ит' 3...200 Кл.
2. Во время грозового разряда в грозовом облаке нейтрализуется от-
рнцптельный заряд величиной от 10 до 200 Кл.
3. Скорость распространения ступенчатого лидера молнии равна
(10 ..2,6)-106 м/с. Он переносит на землю заряд 3...20 Кл.
4. Скорость стреловидного лидера порядка 106...2 1 07 м/с. Он перено-
I ш шряд 0,2...6 Кл.
5. Скорость распространения светящейся области главной стадии
} IO’...1,5 108 м/с.
6. Переносимый главным разрядом на землю заряд равен 0,2...25 Кл.
7. Амплитуда тока первой молнии достигает 2...200 кА. Амплитуды
пшледующих молний (компонент) равны 2... 100 кА.
8. У ступенчатого лидера со средними параметрами при погонной плот-
ности заряда в канале лидера рл= 10~3 Кл/м скорость лидера равнялась
I 10 м/с. При такой скорости напряженность у поверхности земли под
шпером за 12 мс изменилась от 0 до 180 кВ/м. За это время головка ли-
|>п оказалась в 100 м от поверхности земли. Соответственно скорость
и >мснения электрического поля непосредственно под лидером составила
1ШПЙ0 105 кВ/м с.
116 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
3.2.1. Виды и физические механизмы грозовых воздействий
на радиоэлектронную аппаратуру
Гроза оказывает на РЭА воздействие следующих видов: электроста i и
ческое; токовое, сопровождающее прямой удар молнии в РЭА; гальваип
ческое (через токи молнии, проникающие в РЭА по системе заземлении)
электромагнитное; помеховое, являющееся следствием излучений koi in
рукций, подвергшихся одному из видов грозового воздействия.
Результатом таких воздействий может быть выход РЭА из строя. Чащ
правда, имеют место помехи и сбои в работе различных узлов РЭА. Опт
эксплуатации ЭВМ уже в шестидесятых годах XX века позволил специи
листам сделать вывод о том, что сбои при выполнении вычислитель)нам
операций достаточно часто происходят из-за грозовых ЭМИ.
Хотя воздействие токов, протекающих по цепям и конструкционным
элементам РЭА при прямом попадании в нее молнии, является наиболее
разрушительным, для нас оно интереса не представляет, поскольку прц
применении электромагнитного оружия такого рода токи не наблюдав и
ся. Заметим только, что токи молнии, как правило, приводят к термичеч
кому и динамическому разрушению проводников и элементов РЭА. Терм и
ческие разрушения происходят вследствие перегрева, особенно часто и
местах плохого контакта. Динамические — из-за действия механически»
сил, возникающих в параллельных проводниках с током или же в провод
нике с током, находящимся в магнитном поле.
Несмотря на отсутствие токов, сравнимых с.током молнии, термичс(
кие разрушения, а также электродинамический отрыв проводников в
местах пайки и обрыв токоведущих дорожек часто наблюдаются и при
применении ЭМО. Однако аналогия вряд ли уместна: уж очень различи
ются времена воздействия. Мы еще вернемся к рассмотрению поражении
указанных видов с целью выяснения условий их возникновения под воз
действием мощных СВЧ-импульсов.
Когда речь идет о ФП РЭА, вторичные помехи также не представая
ют существенного интереса.
Наиболее частой и важной для проведения аналогий с ЭМО причиной
опасных воздействий гроз на РЭА являются ЭМП, а вернее — интенси»
ность и характер их изменения в пространстве и во времени. При этом
перечень объектов, поражаемых ЭМП гроз, обширен: от устройств, нами
ненных микроэлектронной аппаратурой, до высоковольтных линий элек <
ропередачи.
Воздействие ЭМП гроз на РЭА проявляется через перенапряжения
возникающие в электрических цепях и на элементах схем как резульпн
действия электростатической и электромагнитной индукции.
3.2. Грозы
117
Проявление перенапряжений вследствие электростатической индук-
ции связано с медленными изменениями в пространстве и во времени
прическою поля в месте нахождения РЭА. Такие изменения всегда
ММыщ место во время формирования грозового облака, во время лидер-
iiiiil стадии и стадии послесвечения, когда происходит медленное переме-
Ш»мне зарядов по каналу молнии. Иногда причиной электростатической
Индукции являются медленные изменения заряда уже сформировавшегося
цы итого облака.
Изменения, вызванные накоплением зарядов грозовых облаков и их
Н»|*МСщением под действием ветра, совершаются в течение секунд —
«кликов секунд. Изменения, связанные с движением лидеров, длятся мил
•тику иды. Перераспределение зарядов во время главной стадии сопро
насгся изменением поля в течение микросекунд. Такие перераспреде-
лит! и>рядов формируют динамическую электромагнитную обстановку
I П|и>сгранстве, окружающем канал протекания тока молнии в главной
ниин Различаются электростатическая, индукционная и радиационная
•» I являющие напряженности электрического поля, которые соответствен-
*») пропорциональны заряду, току и скорости изменения этого тока в
»«1цн1 молнии во время разряда. При удалении от места удара молнии на
|ч юяние D эти составляющие изменяются пропорционально: О'1 —
• 1|>остатическая, D~2 — индукционная и D1 — радиационная. Соот-
и и । пенно на расстояниях до 20 км преобладают электростатические поля
IHHI отличаются от нуля до, во время и после разряда), а на расстояниях
•Mine 100 км — радиационные (существуют только во время разряда).
|1п расстояниях до 10 км от места разряда ЭМП имеют высокую ин-
tttUOCTb. Здесь их воздействие на РЭС способно вызвать необратимые
'фошссы в элементах РЭС вплоть до выхода РЭС из строя. На расстоя-
нии» йбльших 30 км и особенно 100 км, грозовые ЭМП оказывают на РЭС
•нчмш помеховое воздействие (их называют атмосфериками). Полного
РЭС здесь не бывает.
Напряженность электрического поля, создаваемого зарядами форми-
икюся грозового облака со смешанной полярностью (рис. 3.2) в не-
oiptill точке М поверхности земли (рис. 3.9), можно оценить по учиты-
Miiiiiirll влияние земли формуле [84]
» 4|, Q\, Qi — эквивалентные точечные заряды соответствующих заря-
ниых областей грозового облака, Кл; hql, hQl, — высоты располо-
118 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
жения над поверхностью земли центров эквивалентных зарядов, м; /
расстояние точки М от проекции центров эквивалентных зарядов на зсм
лю (предполагается, что все они находятся на одной вертикали), м.
Рис. 3.9. К расчету напряженности электрического поля отрицательного
точечного заряда Q, расположенного над проводящей плоскостью
На рис. 3.10 приведены рассчитанные в соответствии с (3.11) измене
ния с расстоянием / напряженности электрического поля, создаваемою
грозовым облаком. При расчетах в качестве исходных принимались зяи
чения параметров, указанных в [99].
Поскольку грозовое облако движется, расстояние / изменяется. Кап
следствие, изменяется напряженность в точке М. В частном случае, кегли
облако движется точно в направлении точки М, изменения напряженное i и
в ней будут в точности следовать кривым рис. 3.10 если, конечно, пари
метры Q, q и h остаются неизменными.
Изменения напряженности электрического поля в данном (и схожем
с ним) случаях настолько медленны, что они не могут вызывать поражг
ния по типу, характерному для ЭМО. Поэтому вполне можно ограничн
ваться оценкой только динамической электромагнитной обстановки
3.2.2. Оценка грозовой электромагнитной обстановки
Расчет грозовых воздействий на РЭА включает в себя расчет ЭМП
создаваемых токами молнии в районе нахождения аппаратуры, и персхни
от этих полей к токам и напряжениям, наводимым полями в цепях РЭЛ
Переход возможен, если известна эквивалентная схема исследусм<н1
цепи РЭА. Такая схема позволяет связать между собой наводки в цепи и
внешние грозовые поля (или токи молнии), вызывающие их. Обычно и
3.2. Грозы
119
“ |И от грозового облака смешанной полярности: для кривой 1 — =+24 Кл;
fcyi 6 км; Q2 - 20 Кл; й02 = 3 км; q{ = +4 Кл; hq\ = 1,5 км; для кривой 2 —
У| +40 Кл; hQl = 10 км; Q2 = -40 Кл; = 5 км; q{ = +10 Кл; hqi = 2 км
lorn случаях пользуются схемами типовых цепей РЭА. Такие схемы при-
им, например, в [84].
Однако здесь нас интересует только возможность расчета грозовых
•МП как возможного аналога получения таких же оценок для ЭМО.
Приближенный анализ возникновения, распространения и затухания
'МП производится путем моделирования процессов, происходящих в
Mi 1гмс «облако — земля», как процессов излучения ЭМП элементарным
н+иричсским излучателем — диполем Герца [84]. Предполагается, что
«рил Q, расположенный в облаке, имеет своим зеркальным отображе-
iH м относительно поверхности земли положительный заряд +Q. Элект-
ричя кий момент такого элементарного диполя
pa = 2Q0H0, (3-12)
•* Uu — заряд облака (в кулонах); Но — высота облака.
II спязи с изменением величины заряда Q во времени напряженность
। ч ч /' зависит не только от величины этого заряда, но и от его первых
производных
E(R,t) =
2Н0
4де
(3.13)
120 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
где в начальный момент Q = Qo начальный заряд облака Qo = 10...250 Кл,
п, ЭД d2Q(t) R
(2 =—-—; (J =----г—; т, =— — запаздывание; R — удаление точки
at dt с
наблюдения от облака; с — скорость света; е — диэлектрическая пропн
цаемость.
Расчеты и эксперименты показывают, что максимальное значение
напряженности электрического поля Ем около головки t'=t- R/c = 0 мн
жст достичь значения Ем> 106 В/м и сохранять это значение в течение
10... 30 мкс. Амплитуда тока / в электропроводящем канале изменяется
от /тах = 1т-250 кА до /min = 1О2...1О3 А (рис. 3.4 и рис. 3.5). Обобщенны!
характеристики спектра одиночного разряда приведены на рис. 3.11 |16|
Измерение напряженности электрического поля Е, В/м производился i.
на удалении от электрического разряда молнии DM = 1 миля (1,852 км)
измерительным приемником с полосой пропускания Л/1(1 = 1 кГц.
Прсдразряд (область! на рис. 3.4 и 3.5) формирует в течение време-
ни 7\ поле сравнительно небольшой интенсивности Е~ 1 В/м в высоко
частотной части спектра f > 10 кГц. Наибольшая напряженность поп я
Е~ 10 В/м приходится на излучение основной (1) и финальной части (’)
импульса разряда. Максимум излучения лежит в пределах /=5...10к1и
3.2. Грозы
121
И соответствует £м=8...10 В/м. Спектр напряженности электрического поля
£ после максимального значения Ем при f = 10 кГц спадает пропорцио-
HU.ii.ho 1//, а при/> 30 кГц напряженность поля уменьшается пропорци-
онально I//2. Частота fcp= 30 кГц называется частотой среза.
Плотность потока мощности (модуль вектора Пойнтинга) определя-
ется формулой [16]
F2 F2 о
П Вт/м2, (3.14)
м W 120л
I дс W= 120 л Ом — волновое сопротивление свободного пространства; Ем —
ПИПряженность электрического поля, измеренная на расстоянии £>м от
шицентра разряда молнии в заданной полосе пропускания A/jip прием-
ника-измерителя напряженности поля Е.
На рис. 3.11 измеренное значение напряженности поля приведено к
полосе пропускания приемника Л/пр = 1 кГц.
Плотность потока мощности ЭМП на удалении Dc от эпицентра мол-
нии равна (рис. 3.12)
л „ D2
Пс=Пм-у, (3.15)
НИИ с учетом (3.14)
Рис. 3.12. К определению плотности потока энергии в районе расположе-
ния поражаемого радиоэлектронного устройства: Dc max — максимальный
радиус поражения РЭС; Лм — дальность до измерительного приемника
122 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Плотность потока энергии ЭМП в районе поражаемого РЭС
Пэ
£2т D2
^М ьэми^м
120лП2
Дж/м2,
(3.17)
= П т =
1 *с иэми
где тэми — длительность электромагнитного излучения, порождаемого мол
ниевым разрядом.
Зная критическое значение плотности потока энергии Пэ кр, опреде-
ленное для каждого конкретного электронного устройства, можно опрс
делить уравнение ФП электронного устройства ЭМИ молнии
^экр
Г2т D1
ьэми
120nD2
С ПИЛ
, Дж/м2.
(ЗЛЮ
Ориентировочные усредненные значения Ем можно получить из гра
фиков, приведенных на рис. 3.11.
В предположении, что все спектральные составляющие ЭМИ прини
мают участие в ФП электронного устройства, интегральную оценку плот
ности потока энергии на электронном устройстве можно определить на
основе соотношения
Р _ ^мгэми^м^/з
3 120лД2Д/пр
(3.19)
где Dc — текущее расстояние от молнии до точки наблюдения; DM
= 1825 м — дальность, на которой была измерена напряженность элект
рического поля; &f3 = 1 мГц — эквивалентная ширина спектра электро
магнитного импульса; A/np = 1 кГц — полоса пропускания измерительно
го приемника; тэми = КГ4 с — длительность ЭМИ.
Приравнивая правую часть уравнения (3.19) величине Пэ кр, можно
получить максимальное значение дальности ФП РЭС молнией
Д:тах — Дл
ЪмиУэ
120л/7э кр Д/пр
(3.20)
При расчетах максимальной дальности ФП Dc max необходимо уста
новить значения Пэкр, величины которых для ряда электронных устройств
приведены в разд. 3.2.3-3.2.5. Значения других параметров, входящих и
(3.20), можно получить путем обобщения характеристик электрических
полей молний. Такие характеристики имеются в ряде источников [16|
Следует отметить, что результаты измерений этих характеристик, приведен
ные разными исследователями, в некоторых случаях значительно отлича
3.2. Грозы
123
pm и друг от друга. После обобщения при расчетах выбираем следующие
нириметры: DM = 1 миля = 1825 м; Ем = 10 В/м; "Гэми^ Ю"4 с> 4^ = Ю6 Гц;
А/,п. 103 Гц.
Г учетом этих значений были рассчитаны максимальные дальности
•I'll Д.тах. Результаты расчетов при разных Пэкр сведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Ем = 10 В/м
’blip Дж/м2 10 4 IO'3 10-2 io-' 1
Дж/см2 10-8 io-7 КГ6 ю-5 10^
А; гплх * м 9600 3000 960 300 96
Если учесть, что для ФП самолетных РЛС критическим значением яв-
«исп я ПЭ1ф= 1О7...1Д6 Дж/см2, то из табл. 3.1 следует, что ЛА нельзя приб-
/щжиться к грозовым облакам ближе Dc max=3 км.
В монографии [16] обращается внимание на то, в 20...30% грозовых
имений на Земле наблюдаются весьма мощные разряды молний со зна-
чениями Ек - 10 кВ/см на удалении DM-100 м от молнии. Такие сильные
•МП требуют существенного (на несколько порядков) увеличения безо-
HMi ного расстояния Dc шах
3.2.3. Характерные виды грозовых повреждений
На основе изложенного выше можно сделать вывод о том, что наи-
Мпыиее сходство между действием на РЭА электромагнитного оружия и
1|'<> ювых разрядов наблюдается в случае облучения РЭА электромагнит-
ным импульсом, порожденным в главной стадии грозового разряда. Та-
ы>11 импульс способен поражать чувствительные электромагнитные при-
Ро|»|.| на больших расстояниях от канала молнии. Характерные виды пов-
реждений грозовыми ЭМИ некоторых электрорадиоизделий приведены
ц шбл. 3.2 [84].
Из перечисленных в таблице изделий к воздействию грозовых импуль-
tMHi наиболее чувствительны полупроводниковые приборы и ИМС. Отка-
«ы этих изделий вызываются либо перегревом отдельных областей их ве-
ян < тиа, либо непредсказуемым перераспределением объемных зарядов и
iiikou в их структуре. Следовательно, отказы всегда связаны с электричес-
кими тепловыми и полевыми процессами. Часто отказ является следствием
нгхтрического пробоя.
Причиной электрического пробоя вещества прибора всегда является
импульс перенапряжения между выводами прибора, появляющийся при
124 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Таблица I.J
Наиболее характерные виды повреждений изделий элементной
базы РЭС при воздействии грозовых перенапряжений
Класс изделия Характер поражения
I II III IV V VI VII
Полупроводниковые приборы: диоды выпрямительные + +
диоды стабилизирующие + +
диоды лавинно-пролетные +
транзисторы + +
Интегральные микросхемы + + + +
Электровакуумные приборы + +
Газоразрядные приборы +
Резисторы + +
Конденсаторы + +
Примечание. В таблице приняты следующие обозначения: I — ложные
срабатывания; II — деградация параметров и их выход за допустимые пределы.
III — структурные повреждения р-и-переходов и активных элементов; IV — теп
левой пробой; V — плавление и выгорание металлизации и контактных дорожек,
VI — перекрытия на поверхности изделия; VII — пробой твердых и жидких ди
электриков воздушных и вакуумных промежутков.
прохождении через прибор фронта или спада электромагнитного гроз»)
вого импульса. Перепад напряжения вызывает направленное ускоренное
движение свободных зарядов, имеющихся в любом веществе. При нско
тором уровне перенапряжения кинетическая энергия ускоренных элект
ронов оказывается достаточной для выбивания электронов с внешних
орбит атомов и молекул вещества. Эти электроны, в свою очередь, уско
ряются и выбивают новые электроны. Начиная с определенного момента
такой процесс приводит к электрическому пробою вещества вследствие
ударной ионизации.
Для пробоя характерно резкое возрастание тока через прибор. Особей
но опасным является резкое возрастание обратного тока через р-и-переход
полупроводникового прибора. Если за время действия импульса перенаи
ряжения ток электрического пробоя не вызвал теплового поражения, то
выход прибора из работоспособного состояния связан чаще всего с появле
нием паразитных объемных зарядов и вызываемых ими токов в структур)
прибора. Нередко такого рода нарушения структуры сохраняются в течение
длительного времени после прекращения воздействия грозового импульса
3.2. Грозы
125
Mo, как правило, через некоторое время паразитные объемные заряды
•рассасываются» и характеристики структуры возвращаются к допробой-
ИЫМ значениям.
Тепловой пробой вызывается большими токами перенапряжения, про-
|вкиющими в течение достаточно длительного времени. Этот вид пробоя
Чище всего сопровождается необратимыми изменениями в структуре при-
бор», фиксируемыми как его поражение. Наиболее чувствительны к тепло-
ному пробою р-л-переходы полупроводниковых приборов (особенно пере-
вод «эмиттер — база», когда он включен в обратном направлении). Те-
пловой пробой обычно происходит на небольших по площади участках
перехода там, где локально выделившееся при протекании тока перенап-
ряжения большое количество тепла превышает термическую прочность
мщсства перехода. Во время гроз чаще, чем у других полупроводниковых
приборов, тепловой пробой р-л-переходов отмечается у биполярных тран-
ше торов, тиристоров, точечных и плоскостных диодов [84].
У полупроводниковых приборов планарной конструкции помимо теп-
ловых пробоев р-л-переходов нередки расплавления токоведущих дорожек,
Напыленных на поверхности окисных пленок. Такие дорожки имеются в
кремниевых усилительных СВЧ-транзисторах и быстродействующих ин-
шральных микросхемах.
Мощные короткие по длительности грозовые импульсы перенапря-
•с)1ии нередко вызывают электродинамический отрыв выводов полупро-
* пиковых приборов в местах их крепления (пайки, например). Отрыв
пишется результатом электродинамического воздействия больших элект-
рических токов перенапряжения, протекающих в параллельных участках
jmi положенных близко друг к другу проводников.
Если большие импульсные токи перенапряжения протекают в ИМС
Я |гчсние 1 мкс и более, то, как правило, наблюдается перегорание или
|нц плавление металлизированных токоведущих дорожек и резистивных
иг ментов таких схем.
11ри грозах нередки также пробои изоляционных материалов и пере-
»|1ытии токов по поверхности изолирующих промежутков. Воздушные
промежутки, например, пробиваются при напряженности электрического
|И»1И 25...30 кВ/см. Перекрытие токов по поверхности диэлектрика возмож-
нп уже при напряженности, превышающей 5 кВ/см. В то время как пере-
»рысил токов относятся к обратимому отказу, внутренние пробои вызы-
»> необратимые изменения свойств диэлектриков, приводящие к выходу
«। с троя конденсаторов, кабелей и других изделий.
Пробой вакуумных и газонаполненных промежутков электронных
•амп, тиристоров и разрядников вызывает только кратковременную потерю
126 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
3>
Степень грозовых повреждений оборудования и элементной базы РЭС
3.2. Грозы
127
ряОотоспособности указанных приборов, а значит, и аппаратуры, в которой
нии применены. Такова качественная картина грозовых повреждений
«искгронных приборов, используемых в РЭА.
Э.2.4. Количественные показатели грозовых повреждений
радиоэлектронной аппаратуры
Установлено, что одна и та же степень повреждения разных элемен-
|<(п электро- и радиоаппаратуры достигается при разных уровнях энергии
ценового ЭМИ. Это наглядно представлено в табл. 3.3 [84]. Особый инте-
ре представляют данные о критических уровнях поражения ЭМП грозо-
йых разрядов.
Стойкость полупроводниковых приборов к воздействию грозовых
(МИ принято характеризовать следующими показателями [84].
I. Пороговая энергия повреждения 1Упор, при выделении которой в
приборе за время действия грозового ЭМИ хотя бы один из параметров
Прибора выходит за нормы, установленные нормативно-технической до-
кументацией. Она определяется энергией импульса перенапряжения на
приборе, а не энергией грозового ЭМИ, которая с учетом потерь на пре-
образование, рассеяние и т. п. будет, конечно же, больше.
2. Критическая энергия повреждения И^,. Это фактически та же поро-
iuiiiki энергия повреждения, но в случае, когда повреждение обсспечива-
I it н импульсом перенапряжения с длительностью ти < 0,1 мкс, т. е. при
ни утствии теплообмена прибора с окружающей средой. определяет-
«к только параметрами полупроводниковых приборов, в частности пара-
мсгрими р-п- пере ходов и удельными сопротивлениями их высокоомных
Вбппстей. От параметров воздействующего ЭМИ она не зависит. при-
нт я в качестве характеристики стойкости прибора к воздействию пере-
напряжений, поскольку именно она является той' минимальной порого-
№Й энергией, при которой происходит повреждение прибора. Поэтому
иччда выполняется неравенство
^/пор>^кр- (3.21)
В табл. 3.4 проведены значения критической энергии повреждения
Нину проводниковых приборов различного назначения [84].
3. Импульсная электрическая прочность. Определяется наибольшей
мплитудой волны импульсного обратного напряжения и соответствую
шим ему значением обратного тока, предшествующими перекрытию (про-
Пию) по поверхности кристалла или разрушению р-и-переходов полупро-
йодпикового прибора. В процессе и после воздействия импульсного
|ы пряжения заданной формы, длительность и амплитуда которого соот-
128 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Таблица I 4
Значения критической энергии повреждения полупроводниковых приборов
Тип и назначение прибора Критическая энергия повреждения, Дж
Кремниевый выпрямитель (Т.-ЗУКТ*
Туннельный диод (1...8)1(Г5
Высокочастотный диод (i-.syio-8
Низкочастотный транзистор (2...6)10-5
Переключающий транзистор (5...10)10~6
Интегральная микросхема (8...10)-10~7
Логическая микросхема (1...10)10-7
ветствуют импульсной электрической прочности, полупроводниковый при
бор должен продолжать выполнять свои функции, а его параметры додж
ны сохраняться в пределах установленных норм.
В табл. 3.5 указаны значения импульсной электрической прочное!и
некоторых типов полупроводниковых диодов [84].
Таблица I 1
Импульсная электрическая прочность некоторых полупроводниковых диодов
Тип диода Параметры перенапряжения при волне 1,2/50 мкс
Обратное напряжение, В Обратный ток, А
Д7Г 700 14,5
Д7Ж 800 9,5
Д302...Д305 840...870 2,4...7,7
Д304* 400 0,3
Примечание.* При волне перенапряжения 10/500 мкс, в волнах перенапрн
жения: 1,2 мкс и 10 мкс — длительность фронта; 50 мкс и 500 мкс — длительно
сть импульса на уровне 0,5.
Приведенные в табл. 3.4 и 3.5 данные могут быть использованы при
оценке воздействия ЭМО на соответствующие полупроводниковые приьч
ры, если удается рассчитать или измерить уровень энергии или амплитуд \
перенапряжения от поступившего на прибор поражающего СВЧ-импулы и
Анализ характера повреждений полупроводниковых приборов при
грозах показывает, что наиболее частыми повреждениями являются: по
верхностный пробой; объемный пробой; смыкание (прокол) базы; откдч
нения параметров логических микросхем от норм технических условна
Наименее стойкими оказываются высокочастотные импульсные и m.i
ломощные полупроводниковые приборы. Более высокая стойкость о гм>
3.2. Грозы
129
|*Нй у ИМС, в которых применяются спаренные транзисторы. Крити-
кии энергия повреждения доя маломощных транзисторов составляет
1,10 мкДж [84].
Явление прокола базы характерно для транзисторов, изготовляемых
Цк|одом вплавления, а у транзисторов с неоднородной базой такой отказ
ирмкгически не встречается.
I силовой пробой часто наблюдается у транзисторов, работающих в
HkPltuOM режиме при больших напряжениях и токах.
Средняя пороговая энергия повреждения выпрямительных диодов
ыа/iiiil мощности (серий Д и КД) лежит в пределах
3 -10"* Дж < 1Гпор< 6,25 10"* Дж,
I ипритное напряжение пробоя равно 70 В < 7/оп < 800 В.
Для выпрямительных диодов средней мощности тех же серий харак-
гкриы следующие значения параметров повреждения:
• средняя пороговая энергия повреждения 5-10"* Дж < И^ор < 4-10 2 Дж,
при этом у диода Д229К при 1Кпор = 7,5 10"* Дж и ти = 0,8 мкс насту-
пает тепловой пробой;
• импульсная пороговая энергия повреждения (при воздействии им-
пульса с длительностью ти= 10 мс): 1,610“3Дж< <2,1 10 2Дж;
• обратное напряжение пробоя: 100 В < (7ОП < 400 В.
У импульсных диодов серий Д и КД средняя пороговая энергия по-
• 1СПИЯ составляет 2 -10-5 Дж < 1Кпор < 4,5-10 3 Дж, а обратное напря-
•Hiilc пробоя 20 В < (7ОП < 100 В.
II табл. 3.6 приведены ориентировочные данные о чувствительности
тсторов разных типов (назначения) к некоторым видам поврежде-
нии степень чувствительности выражена через соответствующую энергию
|НШргждепия.
И табл. 3.7 даны обобщенные сведения о критической энергии повреж-
Лкчпл транзисторов разного назначения. Данные, приведенные в табл. 3.7,
МОиучспы для транзисторов серий МП, КТ, ГТ, П.
Приведенные значения характеристик повреждения полупроводнике
Пых приборов можно рассматривать как ориентировочные для случая
Применения электромагнитного оружия.
II схемах РЭА неизбежно присутствуют резисторы. Хотя резисторы
• МНЯТСЯ к элементам, наиболее стойким к воздействию электрических
Ншрижсний, все же во время гроз они иногда поражаются.
1I р и воздействии мощных импульсов напряжения малой длительности
I !1( К)...20 мкс) основным механизмом повреждения резисторов является
прнПий внутри прибора или перекрытие по его поверхности, сопрово-
130 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Таблица 1 *
Ориентировочные данные по чувствительности транзисторов
к некоторым видам повреждений
Виды повреждений транзисторов серий П, Т, МП и ГТ Энергия, вызывающая повреждения транзисторов, Дж
маломощных средней мощности большой мощное 1II
Низкой и средней частоты Высокой и сверхвысокой частоты Низкой и средней частоты Низкой, средней и высокой частоты СИЧ
Сгорание 10'3...10~2 9,5 10-5...61а4 1,5-IO’3 - -
Тепловой пробой - 510-7...41(Н - -
Выход за пределы ТУ (деградация) 1,5 КГ5 3-1(У5...3 1(Н 8 10-4 8 10"*...1,5 КУ2 6,5 10 1
Прочие повреждения 210-s...8 IO"3 ЮЛ..310-4 610Л..610-3 2-Ю'2
Примечание: 1. Приведенные данные об энергии повреждения получены
в основном, для одного-трех транзисторов соответствующего типа, т. е. не являть и
статистическими; 2. Имеется различие в энергиях повреждения разного вида л ли
одного и того же типа транзистора:
• транзистор МП39Б (маломощный, средней частоты): сбои при 2 10 ’ Д.
сгорание при 10'2 Дж, т. е. при увеличении энергии всего в 5 раз;
• транзистор МП42Е (маломощный, средней частоты): выход за пределы IV
при 1,5-10-5 Дж; сгорание при 10“3 Дж, т. е. при увеличении энергии в 67 |xt i
• транзистор КТ602Б (средней мощности, низкой частоты): выход за npcip
лы ТУ при 8 10”4 Дж; сгорание при 1,5-10“3 Дж, т. е. при увеличении >и> (•
гии всего в 1,9 раза;
• транзистор КТ342А (маломощный, СВЧ): сбои при 3,5 Ю-5 Дж; выход >и
пределы ТУ при ЗЮ4 Дж; тепловой пробой при 4 10-4 Дж и сгорание при
6 10"* Дж, т. е. от начала сбоев до сгорания энергия должна была увеличп i ы •
в 17 раз, а от пробоя до сгорания — всего в 1,5 раза.
«дающееся уменьшением пробивного напряжения, увеличением томи»
утечки через резистор и перегревом вплоть до разрушения его структуры
В итоге следует либо полное перегорание, либо деградация параметром
резистора. Стойкость резисторов принято характеризовать импульснпП
электрической прочностью. Это понятие объединяет два пороговых yponiiu
1) предельное импульсное напряжение, которое резистор выдержи ни
ет без повреждения;
2) импульсную мощность рассеяния, определяемую предельным । и
личеством тепла, которое может рассеять резистор и при этом сохрани и
свои параметры в норме.
3.2. Грозы
131
Таблица 3.7
Обобщенные значения критической энергии повреждения
и напряжений пробоя транзисторов
Низпачение транзистора Критическая энергия повреждения, Дж Напряжение пробоя, В
<4б *4е
Ми немощные, низкой и 1 р- ш1сй частоты 510Л..2,8 10~* 5...15 25-45 24...30
Маломощные, высокой и । рррхпысокой частоты 9 10-®...810-5 0,3-15 10...45 7-45
1 1Н .1ПСЙ мощности, низкой и t рышей частоты 1,11ОЛ..1О-3 5...6 40-120 15...8O
щипаной мощности, низкой, • 1»'дией и высокой частоты 3,6 1О3...5,ЗЮ-3 6-7 60-440 40...300
Результаты испытаний резисторов на электрическую прочность при-
Якюны в табл. 3.8 [84].
Самыми стойкими, как следует из табл. 3.8, являются проволочные
|* шеторы.
Таблица 3.8
Предельно допустимые параметры резисторов
1 ин резистора Номинальная мощность, Вт Пределы сопротивлений, Ом Импульсная электрическая прочность при ти = 20 мкс
Предельное импульсное напряжение, кВ Импульсная рассеиваемая мощность
11р< иголочные 2 50...3000 8...20 1,3-0,13 МВт
3 200-3000 12-16 0,8-0,10 МВт
5 50...1200 10-30 4—0,06 МВт
10 50...7000 10...50 8-0,05 МВт
II ключ но-метал- 111 шрованные 0,125 100... 1100 0,2-1,25 1,45-0,9 кВт
0,25 100-50 000 0,15-1,75 0,8-0,2 кВт
0,5 100...90 900 0,4-2,0 1,8. .0,3 Вт
1,0 200-3 000 000 0,2-3,2 6,4-0,3 Вт
2,0 100...5 000 000 0,3-5,0 160-0,5 Вт
Vi неродные композиционные 0,25 51...1 200 000 0,2-2,0 8-0,1 кВт
0,5 51... 1 000 000 0,2...2,4 11-0,1 кВт
1,0 51. .1 100 000 0,1-1,8 250...0,3 кВт
132 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Резисторы, находящиеся в рабочем состоянии, т. е. под рабочим ini
пряжением, поражаются при меньших уровнях, чем обесточенные.
При использовании ЭМО оценка степени поражения резисторов прач
тичсски никогда не потребуется. Однако стоит помнить, что такого ропп
поражения возможны, особенно в микросхемах.
Еще одним видом элементов, без которых не обойтись ни в одном I’ >Л,
являются конденсаторы. Они достаточно стойки к воздействию переппп
ряжений.
Основной механизм повреждений конденсаторов — пробой внутри
прибора. В редких случаях происходят перекрытия по наружной попер»
ности конденсатора. И пробой, и перекрытие приводят к изменению ни
раметров конденсатора.
В результате ионизационных процессов, сопровождающих пробой
органические диэлектрики конденсаторов разрушаются, а керамически!'
материалы растрескиваются. Иногда происходит термическое разрушешн1
диэлектриков.
В качестве ориентировочных можно принять следующие критически!
уровни воздействия электрических импульсов [84]:
• для керамических конденсаторов емкостью 50...1000 пФ, рассчи
тайных на рабочее напряжение U = 1000 В, поражающим являен
импульсное напряжение от 6 до 10 кВ;
• для танталовых электролитических конденсаторе емкостью в щи
делах 4-10 3...2,2 мкФ, рассчитанных на работу при напряжении
U- 35 В, поражающим оказывается напряжение минимум 90 В и и
среднем 150 В прямой полярности и соответственно минимум 6*» II
и в среднем НО В при напряжении обратной полярности;
• длительность импульса пробивающего напряжения прямой полярин
сти составляет 0,25...5,5 мкс, а обратной полярности — 0,7...1,2 мм ,
• пороговая энергия разрушения при прямой полярности разрушаю
щего импульса — 86...3500 мкДж, а при обратной полярности
61...3300 мкДж.
Таким образом, танталовые электролитические конденсаторы повр< *
даются при уровнях энергии, близких к энергии повреждения полупро
водниковых приборов.
Сравнимы с энергией повреждения полупроводниковых прибор!н>
уровни энергии повреждения конденсаторов с малым рабочим напрял.'
нисм по постоянному току. Отсюда следует, что в условиях ........
ЭМО конденсаторы некоторых типов почти так же уязвимы, как и поп»
проводниковые приборы.
3.3. Воздействие на РЭС излучений высокопотенциальных РЛС
133
3.3. Воздействие на радиоэлектронные средства излучений
высокопотенциальных радиолокационных станций
Поражающее воздействие на РЭС СВЧ-излучсния было обнаружено
практически сразу после появления мощных импульсных РЛС. Более того,
I Процессе эксплуатации таких РЛС выяснилось, что зондирующие им-
йуньеы вызывают в близко расположенных объектах следующие эффек-
ты |142|:
• выгорание кристаллических смесителей в приемниках;
• воздействие продетектированных наводок на устройства анализа по-
лезных сигналов и данных в РЭС;
• сильные помехи на выходе приемника;
• срабатывание электро- и радиовзрывателей боеприпасов;
• возгорание паров топлива и смазочных материалов;
• повреждение глаз, перегрев тела и повреждение кожных покровов.
Перечень РЭС различного назначения, подверженных воздействию
МНЩНЫх зондирующих импульсов РЛС, достаточно обширен, поскольку
Wt<IKin диапазон рабочих частот современных РЛС, а спектры их излуче-
ний занимают полосы частот от единиц-десятков, до тысячи и более ме-
ню рц (у РЛС со сверхширокополосными сигналами).
Другими источниками мощных СВЧ-излучений являются высокопо-
мшпильные РЭС различного назначения, отличного от назначения РЛС,
« промышленные установки с источниками мощного электромагнитного
Й*лучсиия. Что касается характера воздействия сигналов названных РЭС
Не оОикты, то он практически ничем не отличается от характера воздейст-
(мм сигнала РЛС.
1',сгсственно, что для РЭС особую опасность представляют излучения,
|[М1цнкиющие в приемники через антенно-фидерные тракты. При этом
«•л/подается следующее.
| Сигналы среднего уровня (однако превышающего максимальный
•риПГПЬ полезного сигнала) обычно воздействуют на внутренние цепи
Ч|чн мпика, достаточно удаленные от его входных цепей. Под их воздей-
• 1«пем повреждения или изменения режимов работы возникают в трак-
18» промежуточной или видеочастоты и в следующих за ними устройствах.
1 Мощные одиночные импульсы, как правило, вызывают ухудшение
(триметров или выгорание кристаллических смесителей и детекторов на
••н/п приемника. К такому же эффекту может привести последователь-
на lb нескольких менее мощных импульсов. Но уровень их мощности
• I И быть всего лишь на 10...15% ниже мощности поражающего оди-
ночного импульса.
134 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
3. Для обеспечения выгорания кристаллических смесителей и детей
торов от СВЧ-импульсов требуется наименьшая энергия, если их длите т.
ность не превышает 10 нс. При такой длительности на поражение элемент
затрачивается вся (полная) энергия воздействующего импульса, посколгц
процесс воздействия будет адиабатическим, т. е. таким, который ир<>
исходит без теплообмена с окружающей средой. В нашем случае при
исходит только нагрев за счет энергии СВЧ-импульса, а отдачи тепла окру
жающему пространству нет. Так, при воздействии СВЧ-импульсов с дин
дельностью ти < 10 нс на полупроводниковые приборы установлено, чт
приборы диапазона 1...10 ГГц выгорали, если энергия импульса сосгип
ляла 0,1...! мкДж. Приборы более высокочастотные выгорали при эпср
гиях порядка 0,01...0,1 мкДж. Для обеспечения той же степени воздействии
одиночные СВЧ-импульсы с длительностью ти > 10 нс, но с мощносп.ш,
несколько меньшей, чем у более коротких поражающих импульсов, дол ж
ны иметь энергию больше, чем импульсы длительности ти < 10 нс: начи
нают сказываться потери на теплообмен. Основным поражающим фак к»
ром в этом случае становится не мощность, а энергия импульса. Энергия
должна быть такой, чтобы ее хватило на постепенный разогрев подверг п
емого воздействию прибора, вплоть до его полного выгорания, а такж*
на компенсацию тепловых потерь. Дело в том, что не исключено устанои
ление термодинамического процесса, при котором вся вновь поступав
щая энергия СВЧ-импульса целиком уходит только на компенсацию ген
ловых потерь, а прибор продолжает нормально работать при некоторой
постоянной, хотя и высокой температуре. Увеличение длительности нм
пульса, а значит, и его энергии, здесь ничего не дает. В этой ситуации и
выгоранию прибора может привести только повышение скорости посгуп
ления энергии, т. е. повышение мощности импульса.
4. Под воздействием одиночных СВЧ-импульсов с длительностями
ти > 10 нс полупроводниковые приборы, работающие на частотах гпг»г
10 Ггц, обычно поражаются при импульсной (пиковой) мощности, ирг
вышающей 5 Вт, а более высокочастотные приборы выходят из строя при
импульсной мощности, превышающей 0,5 Вт.
5. Ухудшение свойств, возникающее под действием последователи и
сти импульсов, происходит при более низком уровне их мощности, чем и
случае одиночного импульса. Типичный уровень мощности поражакшн П
последовательности импульсов составляет 1% от мощности одиночно!и
импульса, опасного в той же степени [142].
К приведенному утверждению, однако, следует отнестись крип г и•<
ки. Во-первых, не сообщается, о каком ухудшении свойств, при кают
3.3. Воздействие на РЭС излучений высокопотенциальных РЛС
135
№ г«гге следования и при каком числе импульсов в пачке идет речь. Вряд
«И щссь имеются в виду помехи и сбои в функционировании прибора во
ф< МП действия последовательности импульсов. Ведь в таком случае срав-
н»|ць с последствиями воздействия одиночного импульса оказываются
нмшррсктными. Во-вторых, ни при проведении исследований воздействия
(ин чгдовательностей типа ЭМИ ядерных взрывов, ни при экспериментах
• последовательностями СВЧ-импульсов такого существенного (на два
р|>|шдка) выигрыша в мощности поражающих импульсов за счет перехо
u к облучению объекта - цели пачкой импульсов не выявлено. Выигрыш
HMi с гея, но гораздо более скромный. Оценки такого выигрыша приводятся
1 инн нстствующих разделах.
(t Известны многочисленные случаи детектирования радиолокацион-
|1ЫЧ I пеналов в других приборах, в том числе и в нерадиотехнических. На
UHiitiihlc радиосигналы реагируют электрические музыкальные инструмен-
N, П частности органы, системы звукозаписи, фотоэлектрические устрой-
1111 управления, другие аудио- и видеоустройства. Суть в следующем:
|М111Ючастотная энергия большого уровня наводится в проводящих мате-
(шилпх, распространяется до ближайшего по цепи нелинейного элемента
И л- 1ектируется им. Если это происходит в звуковом устройстве, то эф-
4*k I проявляется в виде звукового фона с частотой повторения импульсов
МГ на звуковом выходе устройства. Степень воздействия зависит от
mHi и их факторов, но слабо зависит от рабочей частоты РЛС, за исключени-
»м ।гх случаев, когда в детектирующих цепях имеются резонансные узлы.
Пи результатам единичных испытаний в шестидесятых годах были
п шновлены следующие пороговые значения плотности потока мощно-
п« Пп сигналов РЛС, при которых проявлялся (возникал) эффект случай-
шип детектирования этих сигналов в приборах различного назначения:
• для приборов звуковой частоты (предварительный усилитель низкой
частоты для высококачественного воспроизведения речи и музыки,
усилитель звуковой трансляции) Пд = 10...100 мВт/м2;
• для приборов радиочастотного диапазона (ламповый настольный ра-
диоприемник AM, любительская радиостанция AM, радиолокаци-
онный приемник, военный связной приемник, приемник системы
тропосферной связи) Пд = 0,10...10 Вт/м2;
• для усилителя промежуточной частоты Пд= 0,10... 10 Вт/м2;
• для приборов видеочастоты (индикаторов кругового обзора и др.)
Пд= 1...30 Вт/м2.
Приведенные данные имеют весьма ограниченное значение. Их следу-
I [чиХМатривать только как ориентировочные.
136 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Представляется, что подобного рода воздействия будут наблюди i и и
и в случае применения ЭМО. При этом большее сходство будет имгн
место в случае использования устройств ФП многоразового действии,
излучающих последовательности импульсов.
7. Установлено, что при пиковой плотности мощности СВЧ-импущ.
са от 5 Вт/см2 и выше возможно возгорание паров топлива и смазочны»
материалов.
8. Энергии токов, наводимых импульсом мощной РЛС в монтажпш
проводах электро- и радиовзрывателей, может оказаться достаточно дли
подрыва боеприпаса. Существуют нормы на предельно допустимые плен
ности потоков мощности СВЧ-излучений, исключающие возможно» п<
случайного срабатывания названных взрывателей. Однако воспользова i м и
такими нормами для оценки возможности подрыва электро- и радиол ipi.i
вателей чаще всего невозможно. Ведь при выполнении расчетов ii.hiu
учесть длины проводников, их ориентацию в поле СВЧ-импульса, сопри
тивление проводников, наличие и характеристики поглощающей среды
Данные о них практически всегда отсутствуют либо являются весьма при
близительными.
3.4. Воздействие на радиоэлектронную аппаратуру
излучений техногенного происхождения
Помимо излучений высокопотенциальных РЛС серьезные нарушение
функционирования РЭА вызываются излучениями близко расположенный
к аппаратуре высоковольтных линий электропередачи, контактных се п И
железных дорог, высоковольтных установок, используемых в научны»
лабораториях и на производстве.
3.4.1. Высоковольтные линии электропередачи
Высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП) являются наиболее
распространенными источниками мощных индустриальных излучении
оказывающих воздействие на РЭА различного назначения.
Причиной генерирования ЭМИ большой мощности являются игр»
напряжения в ЛЭП, вызывающие резкие изменения (повышения) амп
литуды рабочего напряжения электрической сети. В соответствии с i.ihi
ном электромагнитной индукции изменения такого рода сопровождаю!! и
генерированием ЭМИ.
В частности, коммутационные перенапряжения, связанные с а лари л
ными отключениями или включениями ЛЭП, трансформаторами и i и
вызывают электромагнитные излучения не только с промышленнип ш
3.4. Воздействие на РЭА излучений техногенного происхождения 137
питой 50 Гц, но и ее гармоник на частотах 0,1...150 кГц и даже выше [85].
Наибольшие амплитуды у гармоник в диапазоне 0,1...3,5 кГц; особенно
больших значений в этом диапазоне они достигают в трехфазных линиях
ШфСДачи переменного тока, питающих электроплавильные печи, мощные
радиостанции и т. п.
Источником перенапряжения в ЛЭП являются также и молнии. ЭМВ,
|1н|южденные грозовыми разрядами, достигнув ЛЭП, начинают распрос-
грпинться вдоль нее практически со скоростью света, причем с малыми
И1 кнжениями и затуханием. В результате вредные воздействия молний на
I' *А наблюдаются на больших расстояниях от района грозы.
Наиболее мощные ЭМИ возникают при коротких замыканиях высо-
Кпвольтной линии на землю. В таких случаях пиковые значения токов
«н;т игают десятков и сотен килоампер. Если /кз — ток короткого замыка-
нии, то напряженность магнитного поля H[t), возникающего при корот-
кий замыкании импульса, определяется соотношением [85]
IK3 е Тс -costor
H(t) =—----------------<, А/м,
2itD
(3.22)
Г4» Тс = 0,05...0,1 с — постоянная времени сети; to= 2nf, f = 50 Гц; D —
(mt стояние от места короткого замыкания ЛЭП до точки наблюдения, м;
— ток, А.
Время существования такого магнитного поля определяется временем
грибцтывания защиты, равным 0,07...0,1 с.
Провод, вызывающий короткое замыкание линии, будет почти перпен-
дикулярен земной поверхности. Вектор напряженности магнитного поля
и» »ит в плоскости, перпендикулярной оси провода с током, т. е. почти
Ни|и1ллелен поверхности земли. Поскольку частота изменений магнитно-
к> поля низкая (-50 Гц), то оно будет с малыми потерями проникать в
«МАЮ на большую глубину.
3.4.2. Контактная сеть железных дорог
Как источник электромагнитных излучений контактная сеть подобна
Л »Н. Напряженность электрического поля, создаваемого токами в кон-
войном проводе, определяется соотношением [107]
Г h \ f 2Нп ]
k J Л1р ,
138 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
где U— потенциал провода относительно земли, В; Л — расстояние oi
контактного провода до точки наблюдения под ним, м; Нп — высота под
веса контактного провода над землей, м;
— функция изменении
Л
напряженности электрического поля в зависимости от отношения ----------,
(рис. 3.13).
Рис. 3.13. Коэффициент ослабления напряженности электрического
поля на оси пути в зависимости от относительного расстояния до
контактного провода
Так как Нп = 6,15 м, а максимальный радиус провода гпр = 9,7 мм, к>
соотношение (3.23) можно записать в виде
£ — 0,14
U
(3.24)
При коротком замыкании контактной сети на расстоянии D от закн
ротившего сеть провода возникает импульс магнитного поля с напряжен
ностью Н, равной [85]
Н = 1КЗ
1 ‘
1-ехр
______\ -*с .
2nD
(3.2S)
Вектор напряженности магнитного поля при вертикальном положении
провода ориентирован в окружающем провод пространстве параллельно
поверхности земли. Длительность импульса ограничена временем сра(ы
тывания защиты.
3.5. ЭМИ ядерного взрыва
139
3.4.3. Высоковольтные установки
Такие установки нередко являются уникальными по своим характе-
ристикам: току, напряжениям, запасаемой или трансформируемой энер-
IHH Хотя в связи с этим уровень мощности их излучения оказывается
очень высоким, негативных последствий для РЭА можно всегда избежать,
I к местоположение таких установок известно. Поэтому найти что-либо
нижожее на случаи применения ЭМО здесь сложно.
3.5. Электромагнитный импульс ядерного взрыва
Па Земле наиболее мощными техногенными источниками непредна-
меренных электромагнитных излучений являются ядерные взрывы. Спскт-
prt ii.iibie компоненты этих излучений фиксируются приборами в диапа-
шно от радиочастот до частот у-излучения. При исследованиях, связанных
I мерными взрывами, особо выделяются спектральные компоненты радио-
диапазона, связанные с так называемым электромагнитным импульсом.
Ядерный взрыв сопровождается образованием мощных ЭМП в диа-
П11 юне радиочастот. Возникающие поля распространяются на десятки и
кн ни километров. Они отличаются от ЭМП других источников природ-
ною и техногенного происхождения очень высокой крутизной фронтов
<||гктрической и магнитной составляющих и большими уровнями напря-
«МШОСтей этих составляющих (десятки киловольт на метр — у электри-
чг> кой, сотни ампер на метр — у магнитной).
11апряженности поля и временная форма соответствующего ЭМИ зави-
। «1 от мощности и высоты подрыва ядерного боеприпаса, времени взрыва,
1<н< стояния до его эпицентра и параметров среды.
Например, при одном и том же наземном или воздушном ядерном
К фыве наблюдаются три разновидности форм ЭМИ: одна характерна для
м>НЫ ионизации на расстоянии до 5 км от эпицентра, другая — для про-
। ||>ппства вне зоны ионизации (или при слабой ионизации) на расстоя-
IIIIUX более 5 км, третья — для дальней зоны на расстоянии в несколь-
ко десятков километров от центра ядерного взрыва (скорее всего — вы-
нпного). С возможными формами ЭМИ можно ознакомиться, обра-
||||<|пись к [108].
Что касается напряженности поля ЭМИ, то при ядерном взрыве мега-
юЦПОГО класса на высоте, превышающей 50 км, напряженность электри-
*111 кого поля составляет 10 кВ/м на расстоянии до 10 км от эпицентра.
1нкой же взрыв, произведенный на высотах 60...90 км, порождает элект-
рическое поле с напряженностью до 100 кВ/м на удалениях 20...30 км от
проекции эпицентра на плоскость горизонта в районе соответствующей
140 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
высоты, а произведенный на высотах 20...40 км — поля с напряженное
тями Е= 100 кВ/м и Н = 600 А/м на расстояниях 100...1000 км. Именно
поля указанных уровней характеризуют ЭМИ ядерных взрывов у поверх
ности Земли [107].
Приходящий к поверхности Земли ЭМИ высотного ядерного взрыпп
произвольно поляризован. Его амплитудные характеристики изменяются
во времени в широких пределах, притом случайным образом.
Особенности поляризации и изменения амплитуд ЭМИ ядерного взры
ва не только во времени, но и в зависимости от направления в простран
стве связаны с процессами его генерации. При взрыве сравнительно нс
большая доля ядерной энергии преобразуется в электромагнитную энергия!
импульса и локализуется в радиочастотном спектре. Такое преобразопа
ние происходит в несколько этапов. Вначале ядерный взрыв порождает
у-излучение. Затем наступает этап взаимодействия у-лучей с молекулами
и атомами атмосферных газов. Результатом такого взаимодействия явля
ется ионизация с одновременным увеличением кинетической энергии о(>
разующихся электронов и ионов. Движение потоков заряженных частим
(в основном электронов) при наличии асимметрии потоков сопровож
дается возникновением ЭМП, характеристики которого определяются осс»
бенностями асимметрии потоков электронов в локальных областях фор
мирования поля [129].
Воздействие поля ЭМИ ядерного взрыва можно свести к сгоранию
чувствительных элементов электро- и радиоизделий, связанных с болылн
ми антеннами или открытыми проводами, характерными для электросс
тей, к серьезным нарушениям в цифровых и контрольных устройствах
(часто без необратимых эффектов) [129].
Основными параметрами электромагнитного импульса ядерного взры
ва, характеризующими его поражающие свойства, являются:
• максимальные значения напряженностей электрического и магии i
ного полей импульса;
• длительность импульса и крутизна его фронта;
• вид и ширина спектра;
• поляризация;
• количество следующих друг за другом ЭМИ и временные интерна
лы между ними.
Заметим, что поскольку характеристики ЭМИ ядерного взрыва — дли
тельность и крутизна фронта — зависят от высоты и мощности взрыпа.
от расстояния до эпицентра и от среды, то от этих же факторов зависи
спектр ЭМИ.
3.5. ЭМИ ядерного взрыва
141
Степень воздействия ЭМИ ядерного взрыва на поражаемые объекты
типа РЭС определяется:
• взаимной ориентацией приемных элементов РЭС и векторов на-
пряженностей электрической и магнитной составляющих поля им-
пульса;
• наличием и размерами щелей и отверстий в кожухах блоков;
• характерными размерами электрических цепей питания, кабельных
линий, антенно-фидерных устройств.
Для ЭМИ ядерного взрыва характерно избирательное воздействие на
f'K'. Это свойство определяется видом амплитудно-частотных характери-
пнК приемника и режимом работы поражаемого РЭС. Воздействие ЭМИ
идсрного взрыва на элементы и схемы внутри корпусов и блоков, *тлект-
|И1МШ нитных экранов и других укрытий происходит главным образом через
И»генно-фидерные тракты, внешние кабельные и проводные линии.
В процессе изучения воздействий ЭМИ ядерного взрыва выявлены
। Ф Дующие особенности [107].
1. Поражающие эффекты при многократном воздействии ЭМИ по
I рдинснию с одиночным явно проявляются в тех случаях, когда временные
Интервалы в последовательности импульсов меньше или сопоставимы с
Д1Н гсльностями отдельных импульсов или, в общем случае, когда паузы
между импульсами меньше времени переходных процессов в электричес-
ких схемах и устройствах. Если указанные условия выполняются, проис-
ходит своего рода накопление эффекта воздействия.
2. При воздействии пачки, состоящей из 20 и меньшего количества
импульсов, снижение электрической прочности компонентов радиоаппа-
ршуры практически не наблюдается, если амплитуды импульсов в пачке
тин бы на 15...20% меньше известных (пробивных) амплитуд одиночных
Импульсов, при воздействии которых были зафиксированы поражения этих
►имнонентов.
Когда амплитуды импульсов в пачке не превышают критической, но
И'Шжи к ней, наблюдается значительное снижение электрической проч-
||п< ш соответствующего комплектующего изделия (на 20...30%).
3. ЭМИ ядерных взрывов воздействуют на аппаратуру главным образом
iwpr i связанные с ней электрические цепи, кабельные линии, антенно-
фцдерные тракты, входные устройства и отдельные протяженные элементы
• «мой аппаратуры.
Поражение аппаратуры обеспечивается мощными импульсами пере-
пдприжения, наведенного в указанных цепях, линиях и тому подобных
о 1рпйствах. При этом поражающее воздействие оказывается наиболее
142 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
сильным, ведущим к необратимым нарушениям, если в РЭА имеются ап
тенно-фидерные устройства длинноволнового или метрового диапазоне н>
волн. Для антенн дециметрового и сантиметрового диапазонов ЭМИ ядер
ного взрыва угрозы не представляют [108].
В частности, при воздействиях ЭМИ ядерных взрывов на узлы и бло
ки аппаратуры с соединительными кабелями, не превышавшими несколь
ких метров, чаще всего наблюдались лишь кратковременные нарушении
в виде появления ложных сигналов, срабатываний, сбоев и т. п. Необрп
тимые нарушения при воздействии ЭМИ ядерных взрывов происходили
в аппаратуре с протяженными линиями связи (длиной в сотни метро и)
3.5.1. Виды поражения радиокомпонентов электромагнитными
импульсами ядерных взрывов
Каждое из электро- и радиоэлектронных устройств реагирует на ЭМ II
ядерного взрыва по-своему. В результате изучения последствий воздейстипи
ЭМИ ядерного взрыва на объекты различного назначения были выявле-
ны следующие характерные виды поражений [108].
Поражения антенно-фидерных трактов характеризуются необратимыми
нарушениями работы антенных коммутаторов, пробоем или перегоранием
кабелей. По оценкам подобное возможно при выделении энергии порядкп
600 Дж. Такой энергии достаточно и для теплового пробоя отдельною
излучателя антенны.
Измерения показали, что в экранированных проводах питания на ни
дились напряжения до 100 В, а в кабелях разводки антенно-фидерны»
трактов длиной более 100 м — до 6 кВ. При таких напряжениях оказывал! м
ВОЗМОЖНЫМ ВЫХОД ИЗ СТРОЯ ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ ПриеМНИКОВ, ВЫПОЛНет 1ЫИ
на полупроводниковых элементах, а также пробой изоляции кабелей.
Характерные нарушения в работе РЭА в результате воздействия ЭМП
ядерного взрыва состоят в следующем:
• изменения электрического режима СВЧ-генераторов, сопровожли
ющиеся изменением частоты и мощности генерируемых колебаний
частоты следования генерируемых импульсов;
• увеличение коэффициента шума;
• увеличение потерь преобразования вследствие кратковременных н >
менений настройки узкополосных УПЧ;
• сбои в работе приемного устройства с выдачей ложных импулы <»
и подавлением полезных сигналов;
• ложные срабатывания и сбои в работе передающих устройств;
• сбои в работе импульсных узлов и схем синхронизирующих уч ।
ройств;
3.5. ЭМИ ядерного взрыва
143
• изменение первоначального состояния на противоположное у эле-
ментов памяти, выполненных на логических схемах (это приводило
к сбоям в работе делителей частоты и к потере информации в реги-
страх операционной памяти);
• нарушение нормального функционирования схем транзисторно-
транзисторной логики с высокой чувствительностью к полезным сиг-
налам порядка долей вольта (такие нарушения имели место уже при
импульсах перенапряжения с амплитудой, превышающей несколь-
ко вольт).
Нарушения в работе ЭВМ под действием ЭМИ ядерного взрыва про-
ноходят вследствие появления ложных сигналов и ложных срабатываний
Элементов, а также связанных с ними устройств.
В частности, для вычислительных устройств, работающих в реальном
Мпсштабе времени, как правило, недопустимы даже кратковременные сбои
| работе.
Наиболее уязвимыми для воздействия импульсов перенапряжения
пошлись усилители считывания оперативных запоминающих устройств,
чго связано с малым уровнем полезного сигнала считывания и высокой
Чувствительностью таких усилителей. Зато очень высокую устойчивость
Питали накопители на магнитных носителях.
Нарушения функционирования аппаратуры радиоуправления проявля-
мв в как:
• сбои телеметрических сигналов, обеспечивающих контроль кода ко-
манд управления;
• пакетирование ошибок в кодовых группах команд управления;
• сбои, проявляющиеся в выдаче ложных команд и трансформации
символов в кодовых группах передаваемых команд; задержки в вы-
даче квитанций на принятые команды управления.
| Функциональные узлы и микросхемы реагируют на ЭМИ ядерного
•• цн.цш искажением полезных сигналов и появлением ложных в аналого-
ам* схемах и сбоями в цифровых. Остаточные изменения параметров узлов
И микросхем отсутствуют. Это объясняется малой энергией импульсов
IU ^...Ю'9 Дж, недостаточной для развития в элементах и узлах электри-
n»i них, а тем более тепловых пробоев. Такого рода кратковременные на-
рУшёния работоспособности узлов и схем, вызываемые переходными про-
it<t। ими, начинали проявляться при напряженности электрического поля,
йртрышающей 20 кВ/м, и магнитного 100 А/м.
•нейтронные компоненты, применяемые в системах и средствах ра-
•нцм нити, повреждаются или деградируют при уровнях энергии, указан-
ные н табл. 3.9 [108].
144 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Таблица I V
Энергия повреждения электронных компонентов
Типы приборов Энергия, мкДж
Диоды с точечным контактом 0,7... 12
Интегральные схемы 10
Маломощные транзисторы 20...103
Мощные германиевые транзисторы 103
Переключательные диоды 70...100
Зеннеровские диоды 103
Выпрямительные диоды 500
Реле со сварным контактом (2...1ОО)-1О3
Резисторы (угольные) ю4
Такими энергиями должен обладать прямоугольный импульс длится i.
ностью 1 мкс, чтобы были повреждены соответствующие приборы. Харлк
тер повреждений описан в табл. 3.10 [107].
Не подлежит сомнению, что характер повреждений и эффекты при
воздействии ЭМИ ядерного взрыва на РЭА во многом похожи на те, мн»
наблюдаются в случае применения ЭМО. В этой связи представляет ни
терес то, в какой мере выработанные в процессе исследований ЭМИ ядер
ного взрыва критерии, методы и способы анализа и оценки пригодны дли
использования их при анализе и оценках последствий применения ЭМО
3.5.2. Оценка воздействия электромагнитного импульса ядерного
взрыва на радиоэлектронную аппаратуру
Принципы и методы анализа и оценки воздействия ЭМИ ядерно! о
взрыва на РЭА базируются на следующих положениях:
1) учете особенностей воздействия ЭМИ на конкретную РЭА;
2) выборе обоснованных показателей и критериев оценки послещ t
вий воздействия ЭМИ на типовые радиоэлектронные устройства заданно
го назначения;
3) выборе общего критерия стойкости РЭА к воздействию ЭМИ ядер
ного взрыва.
3.5.3. Учет особенностей воздействия электромагнитного
импульса ядерного взрыва
Учет особенностей воздействия ЭМИ ядерного взрыва проводин и
путем анализа трех составляющих:
3.5. ЭМИ ядерного взрыва
145
1) параметров ЭМИ ядерного взрыва;
2) возможных путей электромагнитной связи аппаратуры с внешним
и1С1Стромагнитным полем;
3) характеристик РЭА.
Таблица 3.10
Характер повреждений электронных компонентов
Клисс изделия или устройства Характер повреждения или эффект
Полупроводниковые приборы Деградация параметров диодов и транзисторов в составе ИМС, пробой конденсаторов, плавление и выгорание металлизации, разрушение токове- дущих дорожек. Обрыв соединительных прово- дов, разрушение резисторов
• ВЧ-приборы (отражательные «яистроны, ЛОВ, ЛБВ) Пробои между электродами и корпусом
11йпинно-пролетные диоды Пробой активного элемента
Приемно-усилительные иолампы Пробой катод — подогреватель
1 и «[разрядные приборы Ложное срабатывание
РкзИСТОры Тепловой пробой, перекрытие
Конденсаторы Пробой диэлектрика и промежутков между выводами
Антенно-фидерные устройства Отказ антенного коммутатора. Пробой изоляции фидера
Приемные и передающие У< (ройства Временные изменения режима работы. Пробой переключающих диодов
НИМ Сбои, ложные срабатывания. Потеря информации в регистрах и ОЗУ
Устройства управления Сбои, выдача ложных команд
Источники питания |иыпрямители, стабилизаторы) Кратковременные изменения выходного напряжени
Анализ необходим для выявления:
• наиболее уязвимых (при воздействии ЭМИ) элементов аппаратуры
с известными параметрами (предполагается, что известны и пара-
метры ЭМИ ядерного взрыва);
• возможных путей проникновения энергии ЭМИ ядерного взрыва к
таким элементам;
• сравнительных вероятностей поражения элементов энергией ЭМИ
ядерного взрыва, проходящей к ним по возможным путям;
• оценки вероятностей характеристик электромагнитной связи чувст-
вительных элементов радиоаппаратуры с внешним ЭМП и стойко-
сти этих элементов.
146 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
Знание характеристик электромагнитной связи является особенно важ
ным, так как они определяют долю энергии ЭМИ ядерного взрыпв.
которая наводит ЭДС на выводах элементов, а значит, и протекающие и
элементе токи.
Именно такие токи обеспечивают поражение элемента, если они пре
вышают некоторую пороговую величину.
Подобный анализ необходим и при учете особенностей воздействии
ЭМО. Только на основе результатов такого анализа по принятым покати
телям и критериям могут быть получены оценки ожидаемой степени по
ражения заданного объекта.
К особенностям воздействия ЭМИ ядерного взрыва на РЭА надо от
нести следующие [107].
1. Стационарные РЭС более устойчивы к воздействию ЭМИ ядерно
го взрыва, чем мобильные, но зато по мобильной системе труднее нанс
сти прямой прицельный удар.
РЭС, работающие в составе разветвленной сети, в которой они соеди
йены между собой длинными кабелями, в большей степени подвержены
мощным наведенным импульсам тока, чем автономная аппаратура. Здесь
необходим учет условий прокладки кабелей, их ориентации относитель
но эпицентра взрыва, качества заземления.
2. Сильная зависимость стойкости антенн от их конструкции (рсак
ция на низкочастотные составляющие спектра ЭМИ) и электрических хв
рактеристик (реакция на высокие частоты спектра ЭМИ);
3. Место размещения аппаратуры (особенно длинных проводов и ки
белей). Если аппаратура целиком находится внутри металлических кузо
вов, корпусов и других хорошо проводящих ток укрытий, то действие полей
ЭМИ оказывается ослабленным.
Установлено, что устройства УВЧ- и СВЧ-диапазонов меньше подвер
жены воздействию ЭМИ, чем работающие в более низкочастотных дин
пазонах.
В каждом конкретном случае могут быть и другие обстоятельств!i
которые также следует принимать во внимание.
3.5.4. Учет показателей и критериев
При рассмотрении воздействия ЭМИ ядерного взрыва главной явля
ется задача оценки стойкости РЭА.
Среди характеристик РЭА всегда можно выделить те, которые неп<и
редственно определяют качество функционирования аппаратуры. Предел!.
3.5. ЭМИ ядерного взрыва
147
|»Мг (граничные) значения таких характеристик, при которых РЭА еще
рийотает с приемлемым качеством, но в случае небольшого превышения
практически сразу отказывает, целесообразно принять в качестве показа-
нной стойкости. К таким показателям можно отнести, например, отсут-
। Г*ИС ложных сигналов и сбоев, продолжительность времени потери ра-
(кноспособности, не оказывающую заметного влияния на решение задачи,
Положенной на РЭА.
Применительно к выбранным показателям разрабатываются критерии
(Щенки стойкости. Они указывают порядок (условия и последовательность
выполнения) вычислений ожидаемых максимальных, как правило, зна-
чений напряженностей электрической и магнитной составляющих поля
чМИ ядерного взрыва, наведенных этими составляющими токов в элект-
р1|'|еских цепях РЭА и порядок оценки на основе результатов указанных
вычислений изменений соответствующих характеристик. Затем в соответ-
< (Вии с критерием производится сопоставление ожидаемого измененно-
п» значения характеристики с ее же показателем. Если показатель не пре-
вышен, то РЭА признается стойкой к воздействию данного конкретного
•МИ ядерного взрыва.
Используются также и вероятностные критерии стойкости. Они пред-
г (являются значениями вероятностей, при которых не превышаются все
увпцнные выше показатели. Необходимым условием нахождения веро-
» гностных показателей является наличие статистических данных о пове-
л> нии выбранных характеристик РЭА (изменении значений параметров,
условий появления сбоев в работе и т. п.) при воздействии ЭМИ ядерно-
iti взрыва с разными характеристиками ЭМП. Такие данные зачастую
и tvутствуют. Однако и при использовании параметрических критериев на
ирпктике сталкиваются с необходимостью выполнения крайне сложных
вычислений.
Простого и универсального критерия для оценки стойкости РЭА к воз-
нвйствию ЭМИ ядерного взрыва не существует. Но даже если бы такой
врптсрий был, использовать его напрямую для оценки эффективности
применения ЭМО было бы нельзя. При оценках эффективности примене-
ния ЭМО требуются иные критерии, чем в случаях оценки стойкости РЭА
» воздействию ЭМИ ядерного взрыва.
Принципиальное отличие заключается в том, что в случае применения
•МО основной интерес представляет не стойкость РЭА, а наоборот, его
। ч шимость. Поэтому критерии оценки эффективности для ЭМО должны
« повиваться на показателях, достижение и превышение которых гаран-
148 Глава 3. Источники сильных ЭМП естественной и техногенной природы
тирует наступление заданной степени поражения РЭА. Сходство же в том
что и здесь критерии могут быть параметрическими и вероятностными
Наиболее полным и корректным (в связи с высокой неопределенностью!
считается статистическое описание уязвимости РЭА при воздействии
ЭМО, равно как и при воздействии ЭМИ ядерного взрыва.
В принципе критерием стойкости могла бы быть вероятность полтин
прекращения функционирования РЭА (в смысле невозможности рейв
ния возложенных на нее задач) после воздействия ЭМИ ядерного виры
ва. Однако в такое состояние разные РЭА переходят под влиянием ра i
ных причин. Поэтому указать единый подход к оценке их вклада в выхов
из строя самых разных радиосредств пока что не удается. Ясно, однако,
что общий критерий стойкости РЭА к воздействию ЭМИ ядерного взры
ва, если его разработают, будет связан с полным выходом РЭА из строп,
а основан на использовании самых общих физических принципов фупк
ционирования РЭА.
ГЛАВА 4
ОДНОРАЗОВЫЕ СРЕДСТВА
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОРАЖЕНИЯ
4.1. Взрывомагнитные генераторы
Успешное решение многих практических задач построения средств ФП
«|щ шно с дальнейшим увеличением мощности и энергии СВЧ-излучения.
Однако это увеличение лимитируется возможностями системы электро-
ПМ1ания СВЧ-генераторов. В настоящее время для генерации мощного
< П’Ьизлучения используются емкостные накопители энергии — сложные,
1|к1моздкие и дорогостоящие инженерные сооружения.
Альтернативой емкостным накопителям являются ВМГ, представля-
ющие собой устройства одноразового действия, способные генерировать
мпщные ЭМИ.
Плотность генерируемой электрической энергии в ВМГ может дости-
|«1Ъ -100 Дж/г, аудельная мощность— 1О13...1О14 Вт/м3. Удельные парамет-
ры всей системы электропитания на основе ВМГ (с системой запуска и
пирпичным источником начального тока) примерно на порядок ниже [33].
ВМГ работает по принципу пространственного сжатия магнитного
и пока под действием сверхвысоких давлений, образующихся при дето-
ШЩ11И КВВ. Среди всех типов генераторов импульсов ВМГ имеют наи-
унпис массогабаритные показатели и наивысшие значения мощности.
ВМГ успешно применяются для питания генераторов мощного СВЧ
N мучения (например, виркаторов), источников сильноточных пучков
•t'Ki poHOB и протонов для ускорителей, источников питания мощных
'НК ров.
Пространственное сжатие ЭМП реализуется в лазерах, которые кон-
ЫПТрируют энергию в весьма тонком шнуре. Лазер способен формировать
«миисоэнергетический луч электромагнитного излучения шириной всего
10 угловых секунд, что при удалении объекта поражения на 100 м, поз-
miiiiier получить на его поверхности поражающее пятно площадью менее
I IV см2, а на удалении 500 м — менее 4,7 см2. Это пятно с плотностью
1«"1>гии П = 10...30 Дж/см2 прожигает электронные приборы и выводит
И* Н । строя. Крупным недостатком ЛО ФП является необходимость точно-
hl нинсдения луча на цель (ошибка наведения не должна превосходить
150
Глава 4. Одноразовые средства функционального поражения
нескольких угловых секунд), что требует включения в состав комплект
СВЧО ФП весьма совершенной и дорогой подсистемы информационно
го обеспечения.
Широкое использование ВМГ в составе СВЧО ФП объясняется и»
крайней мере четырьмя причинами. Они наилучшим образом согласовапы
с высокоимпедансными нагрузками, например с виркатором или мощным
лазером [33]. В составе ЭМБ решают проблему электромагнитной совмс
стимости, не поражая собственные электронные устройства. По той ин
причине не наносят вреда личному составу (обслуживающему персоналу)
Кроме того, ВМГ значительно дешевле, чем генераторы СВЧ-излучепии
многоразового применения. ВМГ обладает замечательным свойством дли
тельное время хранить энергию магнитного поля в устойчивой форме и и
нужный момент (в момент подрыва КВВ) быстро превращать ее в качсс i
венно новую форму — в высоковольтный импульс, которым можно заип
тать мощный СВЧ-излучатель.
Обычный высокоточный боеприпас калибра 100 кг имеет радиус зоны
сплошного поражения около 40 м. ЭМБ того же калибра имеет минималь
ный радиус поражения электронных датчиков информации приблизится!,
но 200 м [45].
4.2. Физические принципы получения высокоэнергетических
электромагнитных полей
Принципы получения высокоэнергетических ЭМП на основе сверх
сильных токов предложены в 1951 году академиком А.Д. Сахаровым [ f 311
Эти принципы основаны на создании в замкнутом пространстве большим
электрическим током сильного магнитного поля, сохранении (аккумули
ции) его на заданное время в энергетически изолированном объеме и
сверхбыстром превращении энергии магнитного поля в энергию ЭМП при
взрывном деформировании (сжатии) металлического контура с током
В частности, при кумулятивном схлопывании в момент срабатывания ВВ
в полых металлических цилиндрах с током.
Возможность генерации сверхмощных электромагнитных полей ба ш
руется на основных положениях электродинамики. Наиболее полно и
физически наглядно процессы, протекающие в ВМГ, могут быть описи
ны уравнениями Максвелла. Для понимания сути физических явлении
порождаемых работой ВМГ, достаточно воспользоваться вторым урапш
нием Максвелла, записанным в дифференциальной форме
„ ()В
rot Е = , (4 I)
4.2. Физические принципы получения высокоэнергетических ЭМП
151
ПН £ = Е(х, у, z, t) — напряженность электрического поля в пространст-
йспно-временном представлении, в координатах х, у, z, Г,
В = В(х, у, z, f) = цН(х, у, z, О
магнитная индукция; Н — напряженность магнитного поля; ц = Иг Ио —
абсолютная магнитная проницаемость вещества; Цо= 1,257 10-6 Гн/м —
мшпитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума); — отно-
сительная магнитная проницаемость. В вакууме цг = 1, у диэлектриков
в парамагнетиках рг > 1, у ферромагнетиков pr » 1.
В правой части выражения (4.1) стоит производная, отражающая ско-
рость изменения во времени магнитной индукции В (напряженности маг-
нитного поля Н), а в левой части под знаком дифференциального опе-
jHi гора rot содержатся только пространственные производные компонентов
ыктора напряженности электрического поля Е
Хо Уо Z0
х _ Э Э Э z.
rot Е = — — —, (4.2)
ах ay dz
Ех Еу Ег
|дг 1.1 — знак определителя матрицы размером 3 х 3; Xq, у0, z0 — единичные
векторы координатных осей.
Уравнение (4.1) отображает важную физическую связь магнитного поля
ы электрического поля: любые пространственные изменения электричес-
йпго поля Е вызывают временные изменения поля магнитного В = pH, и,
<irt<i6opoT, пространственные изменения поля В влекут за собой измене-
ния напряженности поля Е. Последнее утверждение вытекает из первого
Уравнения Максвелла
rotH = ^+j, (4.3)
ot
I ле J — плотность тока проводимости; D — электрическая индукция (элект-
рическое смещение).
Оба фундаментальных уравнения электродинамики (4.1) и (4.3) взаи-
мосвязаны. Ниже к изучению явлений, протекающих в ВМГ, привлека-
вши лишь уравнение электродинамики (4.1) только из соображений бо-
иго ясных физических представлений об изучаемых процессах.
Из (4.1) следует, что если электрическое поле отсутствует, т. е. Е = О,
И поэтому rotE = 0, то это значит, что магнитное поле В = pH (в отсут-
1 ние электрического) может быть только постоянным, т. к.
£.0.
dt
(4-4)
152
Глава 4. Одноразовые средства функционального поражения
Однако всякое изменение магнитного поля во времени, когда
неизбежно вызывает возникновение электрического поля, так как в этом
случае левая часть уравнения (4.1) отлична от нуля.
Вполне удовлетворительные качественно-количественные характсрп
стики ЭМП, генерируемого ВМГ, могут быть получены при анализе вто|ю
го уравнения электродинамики (4.1), записанного в интегральной форме
(4.Э
где 5 — поверхность, ограниченная контуром L.
В такой форме второе уравнение Максвелла совпадает с законом элек
тромагнитной индукции Фарадея.
Рис. 4.1. К закону Фарадея: контур L (проволочное
кольцо) в переменном магнитном поле Н
Поток вектора В через поверхность 5 называется магнитным потоком
Ф = ^В<18, (4.6)
5
где векторный дифференциал ds понимается как произведение обычного
(скалярного) дифференциала поверхности ds на единичный вектор нор
мали Пр, т. е.
ds-nods. (4.7)
ЭДС, наводимая в контуре L ( рис. 4.1), связана со скоростью измс
г/Ф
нения магнитного потока -- соотношением
dt
_ d®
(4.8)
4.2. Физические принципы получения высокоэнергетических ЭМП 153
но «тому закон Фарадея (4.5) математически может быть записан в другой
фирме:
$Edl=-^=£. (4.9)
L dt
Знак минус в формулах (4.8) и (4.9) имеет важный физический смысл,
кПОрый необходимо пояснить.
Ток индукции I, наводимый в контуре L переменным магнитным по-
iHM В, равен
1=^-, (4.10)
R
Л — сопротивление металлического контура L.
Этот ток, в свою очередь, вызывает магнитное поле В, противодей-
птлующее изменению магнитного потока Ф через контур L. Эффект, воз-
•• и ► тощий при первичной электромагнитной индукции, противодействует
причине, которая его вызывает. Этот вывод, называемый правилом Ленца,
лнм наших рассуждений важен, т. к. он указывает на стремление сохра-
Ингь неизменным магнитный поток Ф, проходящий через кольцо L, при
чюГюм изменении напряженности магнитного поля Н = В/ц. Правило Лен-
HD соответствует принципу «противодействие равно действию».
„ t/Ф „ Т S
1’сли --= const, то S = const, ток 7= — = const, и никакой элект-
dt R
рпмпгнитной волны не будет. Для формирования ЭМВ необходимо, чтобы
i/*D
van Именно ЭМП, воздействуя на электронные устройства, может
til
«14 ШИТЬ ИХ ФП.
Из (4.9) следует, что изменение магнитного потока, приводящее к воз-
ни» цовению ЭМП, может быть вызвано следующими причинами:
• движением или деформацией контура L в магнитном поле, при кото-
d®
ром обеспечивается const;
• изменением во времени или в пространстве напряженности элект-
рического или магнитного поля
£ = <j)Edl, ф(/) = фд(ф?5; (4.11)
L S
• одновременным изменением всех перечисленных факторов.
II нашем случае наиболее важной является возможность формирова-
нии сильного ЭМП за счет сжатия контура L. Именно этот принцип ле-
♦ । В основе создания ВМГ.
154 Глава 4. Одноразовые средства функционального поражения
Для реализации этого принципа необходимо сначала в замкнутом объ
еме V создать магнитное поле с напряженностью Н и затем очень быстро
сжать объем Vдо минимальных размеров. При быстром сжатии V в сот
ветствии с правилом Ленца в сжимаемом объеме магнитный поток Ф
стремится сохраниться неизменным. Следовательно, напряженность м;п
нитного поля Н (плотность силовых линий магнитного поля) быстро упс
личивается, а это в соответствии с (4.9) приводит к лавинообразному па
растанию тока в контуре L. Контур L, таким образом, становится мощным
генератором ЭМП (своего рода передающей антенной).
В самом простом варианте ВМГ может быть выполнен в виде пропо
лочного кольца, через которое с большой скоростью v проскакивает обык
новенный магнит, как на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Простейший ВМГ на основе постоянного магнита:
а — магнит входит в контур, магнитный поток нарастает, г/Ф/Л>0;
б — магнит покидает контур, магнитный поток убывает, <7Ф/Л<0
(^Ф А
За счет быстрого изменения магнитного потока -* 0 в кольце /
\ dt J
наводится ток 7 и вокруг кольца возникает ЭМП. При движении магни гп
вверх (рис. 4.2, а) вначале магнитный поток, пронизывающий кольцо 7,
возрастает ЭД С индукции отрицательна (£<0). Она создай
индукционный ток 7, магнитное поле которого препятствует нарастанию
магнитного потока. Когда магнит покидает контур (рис. 4.2, б), магнитный
_ f <7Ф .А
поток убывает ---<0 , индукция положительна и индукционный ток /
V dt )
возбуждает магнитное поле Н, поддерживающее магнитный поток Ф
4.3. Преобразование энергии ЭМП при взрывном сжатии
155
Энергия ЭМП, излучаемая контуром L, зависит от степени намагни-
ЧиШости постоянного магнита и от скорости его движения v. Сильные
Ыигниты могут создавать в кольце L магнитное поле с напряженностью
II I03 эрстед (для сравнения: поле Земли имеет в среднем Н3~0,5 эрстед —
Инте магнитных полюсов 0,65, а на экваторе 0,35). Воздействие тако-
н» подвижного поля на контур L может инициировать ЭМИ с энергией
> ОД Дж, что явно недостаточно для поражения любого электронного
устройства. Рассмотренный пример построения ВМГ надо расценивать
итько как простейшую иллюстрацию принципа формирования ЭМИ.
Академик А.Д. Сахаров предложил получать сверхсильные ЭМП пу-
№М сверхбыстрого (взрывного) деформирования (схлопывания) металли-
Чгских контуров с током. Металлический контур, например, соленоид за
ГИТ пропускания через него большого постоянного тока I > 103 А может
М короткое время накопить значительный запас энергии магнитного поля
Л Дж. Затем при быстром кумулятивном схлопывании контура (солено-
ида) запасенное магнитное поле Н вытесняется из соленоида и сжимает-
м стенками специального коаксиального цилиндра. Внутри цилиндра co-
unt гея магнитное поле с индукцией В -25-106 гаусс. Запасенная энергия
Iм в результате взрыва переходит в энергию, выделяемую на нагрузке.
|пК1)й ВМГ, как указывалось выше, может быть источником питания для
Мкуумных приборов, сильноточных пучков электронов, систем питания
Мощных лазеров и других устройств, генерирующих мощные ЭМИ, ис-
пш|Ьзуемые для ФП РЭС.
4.3. Преобразование энергии электромагнитного
поля при взрывном сжатии
26 марта 2003 года в ходе войны в Ираке США применили новый вид
«ружия. Для поражения иракских объектов боевого управления, насыщен-
ных электронной техникой, энергетическим оборудованием и кабельны-
ми сетями, для крылатых ракет и управляемых авиационных бомб был
ршработан специальный боеприпас, испускающий при взрыве мощный
>МИ [152]. Этот ЭМБ построен на основе ВМГ. Его параметры не сооб-
шпются, однако известно, что уже сейчас построены ВМГ, у которых ток
и индуктивной нагрузке составляет ~108 А, мощность выделения энергии
|(),2...1О13 Вт, коэффициент преобразования химической энергии ВВ в
•нергию ЭМИ -20%, удельные характеристики на тонну конструкции
пк гивляют 100 МДж и 1012 Вт [33].
Стремление улучшить массогабаритные характеристики системы ге-
кгриции сильноточных наносекундных импульсов привело к использова-
нию ВМГ с индуктивным накопителем энергии в виде соленоидальной
156
Глава 4. Одноразовые средства функционального поражении
катушки. В такой схеме эффективным оказывается использование uirn нц
взрывных преобразователей, которые являются усилителями мопинн
электрического импульса и позволяют повысить напряжение в
ческой цепи примерно в 10 раз [33].
Для анализа и определения потенциальных возможностей никои н|||
и использования энергии магнитного поля Эм в интересах ФП Р')< ‘ м» • >
выделить некоторую замкнутую область V, ограниченную прочной utiHlr
ней оболочкой (рис. 4.3).
Рис. 4.3 Схема накопления и использования энергии магнитного ноли
в ВМГ: L — катушка соленоида с током /; ВВ — взрывчатое пени*
ство; V, Увн — внутренняя и внешняя области; S — внутренняя о!ю
лочка; О — внешняя защитная оболочка; / — усредненный липгИ
ный размер внутреннего объема; F — сила давления продуктов взрыпи,
К[ и К2 — ключи; И — источник постоянного тока
В выделенную область V помещен соленоид L, который с помнб|ЫН
ключа К2 (ключ К] нормально разомкнут) подключен источник н<>< шни
ного тока И. Ключ К2 размыкается, а ключ К( замыкает соленоид / пн
коротко. В результате в соленоиде начинает циркулировать пос кшпнып
ток I. Постоянный ток в цепи не способен вызвать электромагнита..।
лучения, и поэтому всю запасенную в объеме Vэнергию содержи! мш
нитное поле:
4,1 Преобразование энергии ЭМП при взрывном сжатии
157
Э=Эм=-|цЯ2</К, (4.12)
► И напряженность соленоидального (внутри соленоида L) магнит-
HR
П р и< П момент t энергия, заключенная в объеме V, равна Э(/). При
М| йиможпи две ситуации:
или -^>0. <413>
100) „ dt dt
В X • 0 энергия в области возрастает, что может быть связано с
til
Н»м и!сргии извне. В нашем случае приток энергии прекращается
9м t U В объеме V оказывается накопленной энергия
Э(/ = 0) = Эм. (4.14)
Й фЫП боеприпаса ВВ в области Квн, ограниченной прочной стенкой
ин । К воздействию на внутреннюю поверхность 5силы взрыва F.
|м » Н 1 нисм этой силы внутренний контур Sсжимается, густота сило-
• < miniilt магнитного поля увеличивается, ток 1 в катушке L растет и после
»».<!», внутреннего контура 5 энергия Э в объеме Vубывает
d3(t) „
——<0.
dt
I и 1НПЧПСТ, что область К начинает работать в режиме отдачи, излу-
|И Mi'iHM и окружающее пространство.
' I |ч IW, юпасенная в объеме V, уменьшается со скоростью уэ, соот-
, к, > г. > скорости распространения ударной волны гуд, которая, в свою
ЙМ*, шписит от мощности взрыва, определяемой тротиловым экви-
И»1Н1'М Скорость ууд больше скорости звука и изменяется в пределах
К I 10 км/с (33].
|йк инк модуль вектора Умова — Пойнтинга р по определению равен •
•••pi ин д' ), проходящей через площадку Д5 в единицу времени, то можно
- lim " ДЭ
P-2™oJA5A/’ (4.15)
Р | циничный вектор, указывающий направление движения энергии.
Ь Hi и честна скорость движения энергии ЭМП гэ, то можно опреде-
ли мицуль вектора Умова — Пойнтинга [18]
|р| = гэ1гЦтэрЯ2, <4'6)
I 2
р// W — объемная плотность энергии в пространстве, Дж/м3.
158
Глава 4. Одноразовые средства функционального поражения
Необходимо отметить, что входящая в (4.16) величина уэ — это ск<>
рость движения энергии ЭМП, вызванного взрывной волной. Скорое н.
гэ существенно меньше скорости распространения ЭМВ.
Знание вектора Умова — Пойнтинга и энергии как функции коордишп
позволяет найти скорость ее движения в любой точке пространства, а также
и длительность ЭМИ, порожденного взрывным схлопыванием заряжен
ного объема И Естественно предположить, что сразу после взрыва заряди
ВВ во внешней области Квн уменьшение энергии Э во внутренней ofwm
сти в течение малого интервала времени dt пропорционально длительно
сти этого интервала, скорости истечения энергии и самой энергии
dS = -av3ddt, (4.1/)
где а — коэффициент пропорциональности, за который можно припяп.
величину, обратную среднему линейному размеру / внутреннего объеми
ВМГ (рис. 4.3),
а=|- (4.18)
После разделения переменных и подстановки (4.18) в (4.17) это урин
нение приводится к виду
</Э
— = -av3dt. (4 19)
Э
Интегрирование (4.19) при начальных условиях Э = Эм при /= 0 дает
Э(/) = Эме-“^. (4..Ч»
Решение (4.20) показывает, что запас энергии, накопленный во ину»
рением объеме V (в соленоиде), является убывающей функцией времени
(рис. 4.4).
Длительность ЭМИ, образованного при взрыве ВВ, можно определшь
из (4.20) на уровне —Тзм_) = 1;
Эм е
1
Тэми"ауэ’ (4?|»
При ориентировочных линейных размерах внутренней обласш I
(рис. 4.3) /= 1 м коэффициент а равена = | = 1, м-1.
Если принять скорость взрывной волны уэ = 1...10 км/с, то предан.
ная длительность излучаемого ЭМИ примерно равна тэми= 0,1... 1 мс
4.3. Преобразование энергии ЭМП при взрывном сжатии
159
Рис. 4.4. ЭМИ при различной скорости ударной волны,
распространяющейся после взрыва ВВ в ВМГ (уэ1 > гэ2)
Следует заметить, что полученное значение тэми лишь оценивает воз-
можность существования импульса энергии, определяемого скоростью
движения энергии уэ. Реальная длительность излучаемого радиоимпуль-
«• Хи, сформированного в результате взрыва, может быть гораздо меньше,
I в. Ти « тэми, поскольку она зависит от скорости изменения тока dl/dt в
нПломках соленоида, разлетающихся во все стороны и являющихся излуча-
1*лями (антеннами) ЭМВ, или определяется параметрами СВЧ-генератора,
| in которого ВМГ служит источником питания. Величина тэми характе-
ризует лишь потенциально возможную максимальную длительность излу-
чения, которая может состоять из серии коротких импульсов. На рис. 4.5
представлена осциллограмма ЭМИ, полученного в результате взрыва ВМГ
ишмсстно с СВЧ-излучателем [95].
Рис. 4.5. Осциллограмма ЭМИ, полученного при взрыве ВМГ
160 Глава 4. Одноразовые средства функционального поражения
На осциллограмме, называемой на жаргоне разработчиков «рыбой*,
хорошо видно, как изменяется интенсивность ЭМИ. Во многом форми
ЭМИ совпадает с законом, определяемым соотношением (4.20). Метки
времени соответствуют 5т = 2-КГ6 с. Из рис. 4.5 видно, что радиосигнип
имеет ярко выраженную частотную модуляцию. Можно предположить, чш
рост мгновенной частоты излучения объясняется равноускоренным дни
жением осколков соленоида после взрыва.
4.4. Энергетические характеристики ВМГ
Ориентировочная оценка энергетических возможностей ВМГ по пн
несению противнику необратимого информационного ущерба может бы । и
получена на основе следующих соображений. Пусть основу ВМГ предс гаи
ляет соленоид с тороидальным ферромагнитным сердечником (рис. 4.(>)
Рис. 4.6. Тороидальный соленоид с ферромагнитным
сердечником F и катушкой с током I
В соленоиде, представляющем собой катушку L с N витками пропо
да с током I формируется сильное однородное магнитное поле НВ11у||1 и
сравнительно слабое поле Нвнешн вне соленоида. Внутри замкнутой об ни
сти Кв общем случае энергия может сосредотачиваться как в магнитном,
так и в электрическом поле. Полная энергия ЭМП, заключенного в обли
сти К, равна [33]
Э=-J(e£2 +рЯ2)г/К = Ээ +ЭМ, (4..>?)
где Ээ =у|е£2г/К — энергия электрического поля; Эм =—|цЯ2г/К
энергия магнитного поля.
4.4. Энергетические характеристики ВМГ
161
В связи с тем что электрическое и магнитное поля могут существо-
>мТЬ в области V независимо друг от друга, имеется возможность запасать
йпрок как электрическую, так и магнитную энергию. Чисто электричес-
хин энергия Ээ может храниться в заряженном конденсаторе, а магнит-
ная Эм — в катушке индуктивности с постоянным током. Для перемен-
ного ЭМП, существующего в области V, объективно сохраняется баланс
•пергии
Э(/)=-|^££2(/)+цЯ2(/)рИ = const. (4.23)
2к
Выражение (4.23) показывает, что хотя запас энергии в области Госта
ДОЯ постоянным, соотношение энергий, запасенных электрическим и маг-
нитным полем, непрерывно меняется. Существуют моменты, когда энер-
1ия системы является чисто электрической (Н= 0), а также моменты, когда
Him чисто магнитная (Е = 0). Однако никогда в изолированной области
е может быть Э = 0, всегда Э = const. Современные устройства позволя-
ют накапливать очень большую энергию в магнитной или электрической
форме. В дальнейшем рассматривается возможность накопления, хране-
ния и использования энергии магнитного поля Эм в интересах ФП.
Сильные и сверхсильные магнитные поля были получены в так называ-
емых концентраторах соленоидального поля [33]. На практике были реали-
и»инны соленоидальные хранилища с напряженностью Н > 107 Э, что на
много порядков больше напряженности магнитного поля любого изве-
11 ного постоянного магнита.
На рис. 4.6 представлена конструкция концентратора в виде тороидаль-
ного соленоида с ферритовым сердечником F. Такое накопительное устрой-
•тво позволяет получить замкнутые магнитные потоки со сверхбольшой
•Личиной Н.
Если на тороид прямоугольного сердечника намотано Л'витков хорошо
Проводящего провода и через катушку с индуктивностью L пропущен пос-
шннный ток I, то через каждый из витков проходит магнитный поток [33]
«2
Hdr =
Л1
7? 2
\iNIh г dr_
2п J, г ’
(4-24)
|ДС Н -----; h — линейный размер сердечника; R\ и Я2 соответственно
2лг
I (утренний и внешний радиусы тороида (рис. 4.6); г— текущее расстоя-
ние от оси тороида до любой точки магнитопровода F.
162
Глава 4. Одноразовые средства функционального поражения
Интегрируя (4.24), можно получить
Л рЛ'/Л, Л2
Ф,=------In—. (4.25)
2л Л,
Поток, проходящий сквозь все витки, в N раз больше:
. ... [iN2Ih, &2
ф = АФ; = г-----In—. (4.2ft)
2л 7?]
Индуктивность всего рассматриваемого накопителя по определению
равна
£ = Ф=^Л'-1п-2-, Гн (42/|
I 2л Л]
Запасенная в магнитном накопителе энергия равна
Эм = '/./2 = ЕУ2/2л1п^2 (4 2Н)
2 4л Л|
Соотношение (4.28) указывает на исключительно большие возможно
сти создания сильных и сверхсильных полей в тороидальных накопители*
за счет использования совершенных магнетиков с большой магнитной про
ницаемостью (р » 1) и особенно за счет «закачивания» в соленоид сильных
токов I > 103 А (энергия Эм находится в квадратичной зависимости in
тока Г).
Особо следует подчеркнуть следующее обстоятельство. Последние до
стижения в области высокотемпературной сверхпроводимости позволяв и
создавать сверхпроводящие обмотки соленоида, в котором однажды «к и
ченный» очень большой ток, сохраняясь достаточно долго, образует «исч
ное» сверхсильное магнитное поле Н. На сегодня сверхпроводимость jw
ализуется путем погружения соленоида в жидкость, охлажденную до восьми
низких температур.
Основные токопроводящие металлы в сверхпроводящем фазовом
состоянии уменьшают свое удельное сопротивление на много порядков
Так, удельное сопротивление алюминия при критической темпера гур»
Ткр= 1,2 К уменьшается до величины ро~1О~23 Ом см, вто время как в uu|i
мальных условиях (Т = 300К) рн -10-6 Ом см. В сверхпроводящем фаю
вом состоянии в обмотке соленоида может циркулировать ток / = 1()' А
без опасности разрушения соленоида.
Оценка возможной величины запасенной энергии с определенно!)
степенью осторожности должна исходить из следующих значений фи ш
ческих величин, входящих в (4.28): абсолютная магнитная проницаема и
4.5. Электромагнитное оружие на основе ВМГ 163
ферромагнитного сердечника ц = р.гце = ю4 1,3-Ю4 =1,340 2Гн/м; ток
И соленоиде I = 1 О3 А; число витков катушки N = 30; геометрические раз-
меры тороидального соленоида (рис. 4.6) h = 2 10-1м; ~^- = е = 2,7.
Подставив эти значения в (4.28), можно получить оценку запасенной
•нсргии Эм = 104 Дж. Это весьма значительная энергия. ЭМП с такой энер-
гией способно необратимо поразить электронные средства на дальностях
₽шпх ~ Ю0...300 м при критической плотности потока энергии Пэкр =
- 0.1... 1 Дж/м2.
Сверхсильные магнитные поля могут быть получены путем высокой
концентрации магнитного потока Ф в замкнутом (изолированном) объеме.
Для концентрации магнитного потока применяют быстрое (почти
мгновенное) его сжатие замкнутым металлическим контуром S’ (рис. 4.3).
Поверхность S под действием силы взрыва F быстро сокращается, соот-
ветственно лавинообразно возрастает напряженность магнитного поля Hi
дФ
ИЯ = —. (4.29)
aS
Напряженность Ясж в середине сжимаемого контура изменяется обрат-
но пропорционально его сечению. При сжатии диаметра контура Sb 10 раз
при начальном значении Но= 195Э можно получить Ясж~107Э. В экспери-
ментах при взрывном сжатии были получены Ясж= 1,4107Э (~1,Ы09 А/м)
при длительности ЭМИ ти = 2 мкс [33].
4.5. Электромагнитное оружие на основе
взрывомагнитного генератора
Взрывомагнитный генератор (ВМГ) является оружием РЭБ однора-
юпого применения. Главное, что отличает это оружие от традиционных
средств поражения фугасного или осколочного действия, — это незначи-
Плыюе, почти незаметное воздействие на элементы конструкции поража-
емых объектов. Взрыв ВМГ не приводит к заметным физическим разру-
шениям. Основное назначение ВМГ, как оружия РЭБ, состоит в нанесении
информационного ущерба электронным устройствам противника путем
ФП его элементов и модулей, восприимчивых к воздействию сильных
•МП. Процесс функционирования ВМГ целесообразно представить в виде
ipex последовательно выполняемых циклов (рис. 4.7).
Цикл первый — загрузка (рис. 4.7, а). Ключ Kj разомкнут, ключ К2 —
шмкнут. Внешний источник постоянного тока И подключается к катушке
i иленоида С, находящейся во внутреннем объеме V в оболочке S. Источ-
164
Глава 4. Одноразовые средства функционального поражения
Рис. 4.7. Циклы функционирования ВМГ: ВВ — взрывчатое вещество,
С — соленоид; И — источник постоянного тока; К, и К2 — ключи;
V, S — объем и поверхность внутренней области, в которой находится
соленоид с запасом энергии Эм; О — внутренняя оболочка ВМГ
в
взрыв —
формирование ЭМИ
(первая стадия)
ником тока И может служить аккумулятор, заряжающий конденсатор бот.
шой емкости. Он находится вне ВМГ и подключается к нему с noMoiiu.ni
ключа К2. Источник И должен иметь малое внутреннее сопротивление н
задавать ток I ~103 А. Загрузка ВМГ происходит в течение короткого пре
мени, определяемого постоянной времени тк контура
тк =-. (4 HD
к R
где L — индуктивность катушки соленоида (Z -0,1 Гн); R — сопротипт
ние цепи (Я -1 Ом).
Ориентировочное время загрузки составляет Тзагр = Зтк< 1 с. По истс
чении времени 7загр ключ К2 размыкается, а ключ Kj замыкается. При
цесс загрузки закончен, и во внутренней области V запасается энер| ни
магнитного поля
Z/2
Эм=—. (4'П
2
Цикл второй — хранение энергии (рис. 4.7, б). После завершения пик ни
загрузки внешний источник И убирается, во внутреннем электрическом
контуре начинает циркулировать ток / , поддерживающий запас энср1 пн
Эм, запасенной в первом цикле (4.31). ВМГ готов к боевому применению
Энергия магнитного поля Эм в объеме И может сохраняться долго п<<
всяком случае, в течение времени доставки снаряженного ЭМБ в район
4.5. Электромагнитное оружие на основе ВМГ
165
риеположения объекта поражения (цели). Если внутри накопительного
«СНсма V была создана температура, близкая к абсолютному нулю, то за-
пас магнитной энергии Э“ сохранится теоретически бесконечно долго.
Цикл третий — взрыв (рис. 4.7, в). ЭМБ выполняется в виде бомбы,
Пикеты, снаряда или мины. Носитель ЭМБ, например самолет, направляет
•к> на цель, используя прицельные системы. ЭМБ может быть доставлен
* оОъеклу поражения (радиолокатору, узлу связи, телецентру, радиостанции
И 1. п.) и диверсионной группой.
В момент взрыва на первой стадии внутренняя оболочка ВМГ сжима-
Iн я, элементы соленоида и оболочки разлетаются во все стороны. Радиус
। (ста продуктов взрыва равен
R = R&, (4.32)
1мс R — приведенное расстояние; с — тротиловый эквивалент заряда ВВ.
Из-за малой мощности заряда радиус разлета R -10 м, а энергия удар-
№ 1Й волны мала. Поэтому степень физических разрушений незначитель-
но, в то время как электронный объект необратимо теряет свое информа-
ционное назначение даже при больших промахах ЭМБ, от 100 до 1000 м.
При взрыве ВМГ на второй стадии вокруг эпицентра образуются ме-
1млические осколки (обрывки проволоки, элементы оболочки и другие),
к которых в самый начальный момент содержится большой ток (до 107 А).
Жги осколки в самом первом приближении могут быть представлены
чиемснтарными магнитными излучателями (рамками) и диполями Герца
(рис. 4.8).
Рис. 4.8. Образование продуктов взрыва ВМГ в виде большого числа
элементарных диполей с током: С — разрушенный соленоид; р —
вектор Умова — Пойнтинга; ЭМИ — электромагнитный импульс,
ЭД — элементарный диполь
166 Глава 4. Одноразовые средства функционального поражения
Так как при взрыве линии тока проводимости / в катушке соленоиду
внезапно разрываются, то в соответствии с законами электродинамики по
является сторонний ток /стор (ток смещения), который изменяется со сы>
ростью v в элементарном диполе. Каждый диполь становится элемепти||
ным излучателем ЭМП.
Структура силовых линий электрического поля Е возбужденного iw
ментарного дипольного излучателя представлена на рис. 4.9 в плоское । и
Oxz в виде расходящихся замкнутых кривых.
Рис. 4.9. Силовые линии электрического Е (а) и
магнитного Н (б) полей элементарного диполя ЭД
Силовые линии магнитного поля в плоскости Оху, нормальной кош
вибратора, показаны на рис. 4.9, б [112]. Напряженности электрическою
и магнитного полей Е и Н пропорциональны току I, а фазы их различи
ются на л/2. Но в любой локализованной области Vn соблюдается уело
вие баланса энергии.
2лг
В ближней зоне на расстоянии гот диполя, когда -«1,осноипой
вклад в интенсивность излучаемого поля вносят слагаемые электрический!
и магнитного поля, пропорциональные 1/г3 и 1/г2 соответственно В ли in.
2пг
ней зоне при ——»1 формируются бегущие ЭМВ, которые распространи
Л
ются по сферической поверхности, так что на достаточно большом удаш
нии можно рассматривать электромагнитную волну как локально плос к \ и •
Электрическая и магнитная составляющие волны в дальней зоне убыин
ют пропорционально l/г, а плотность потока энергии П~ 1/r2 [112|
4.5. Электромагнитное оружие на основе ВМГ
167
Осколки соленоида в виде рамки или витка с током также являются
|*п>ЧНиками ЭМП. Структура развивающегося магнитного поля излуча-
НцеЙ рамки показана на рис. 4.10.
Рис. 4.10. Магнитное поле элементарной рамки
Другие источники ЭМП (магнитные диполи и рамки, отрезки проводов
И I Л.) также вносят свой вклад в общее суммарное поле, которое в итоге
ШнЖст рассматриваться в пространственно-временном смысле как частично
»< и''рентное (у < 1) [88]. Поэтому точное описание ЭМП может быть про-
Й1МСДСНО только в рамках теории пространственно-временной когерент-
ны ги поля.
11олное и адекватное исследование процессов, происходящих в резуль-
взрыва ВМГ, требует привлечения теории взаимодействия заранее
М|>п»енных магнитных накопителей с плазмой и продуктами химических
родий, происходящих при взрыве. Развитая максвелловская теория элек-
||ЮМ11Г11етизма в данном случае не дает достаточно правильных решений,
I к она предполагает стационарность однородных процессов и не учиты-
। кзаимосвязи всех видов материи, возникающей при взрыве ВМГ.
Ионное описание процессов, происходящих в ВМГ, ждет дальнейших ис-
дотший.
Конструктивно принципы формирования ЭМИ ВМГ могут быть реа-
Щичщны по-разному. Но практически во всех конструкциях основными
•«»мептами являются два схлопывающихся проводника. В спиральных
"Ml (рис. 4.11) такими элементами служат неподвижная спираль и кон-
>»Н|ри<1ССкий с ней цилиндрический металлический лайнер.
Лайнер расширяется при разлете продуктов детонации КВВ, иниции-
jh мою с торца прибора, и поочередно замыкает витки спирали. Вытес-
Нкоцо магнитного потока в нагрузку происходит вдоль витков спирали.
Ilii |||11инению с остальными конструкциями спиральный ВМГ обладает
168
Глава 4. Одноразовые средства функционального поражения
Рис. 4.11. Конструкция спирального ВМГ
наибольшей начальной индуктивностью, что позволяет усиливать начаиь
ную энергию на несколько порядков.
В плоском ВМГ (рис. 4.12) сжатие и перемещение магнитного поши
происходит между плоскими токонесущими шинами.
Рис. 4.12. Конструкция плоского ВМГ
Геометрически плоский генератор можно представить как «разверну
тый» и вытянутый в одну линию спиральный генератор.
Конструкция коаксиального ВМГ представляет собой два концен грпт
ских цилиндра, внутренний из которых заполнен КВВ. Известны дна |><
жима работы такого генератора: режим скользящей детонации (рис. 4 11),
Рис. 4.13. Коаксиальный ВМГ со скользящей детонацией
4.5. Электромагнитное оружие на основе ВМГ
169
I котором он работает аналогично плоскому и спиральному, и режим осе-
ицо инициирования (рис. 4.14), когда КВВ инициируется одновременно
flu Всей оси генератора, а сжатие потока производится сразу всей поверх-
ностью лайнера. Второй режим позволяет существенно снизить время
компрессии потока и сформировать импульс тока с более коротким време-
нем нарастания.
Из других известных конструкций быстродействующих ВМГ приве-
««•Н дисковый ВМГ, в котором поток сжимается двумя соосными диска-
ми, перемещаясь от центра к внешней окружности дисков (рис. 4.15).
ВМГ являются уникальными устройствами для получения сверхсилъ-
ных магнитных полей.
ГЛАВА 5
МНОГОРАЗОВЫЕ СВЧ-СРЕДСТВА
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОРАЖЕНИЯ
5.1. Назначение и задачи многоразовых СВЧ-средств
функционального поражения
Многоразовые СВЧ-средства ФП предназначены для защиты своих
войск, боевой техники и важных объектов от ударов управляемого оружии
противника и нанесения ущерба путем электромагнитных ударов по его
радио- и оптоэлектронным средствам информационного обеспечения, и
также живой силе. В рамках своего предназначения многоразовые сред
ства ФП должны решать следующие задачи.
1. На малых дальностях в пределах заданной области пространств.!
необратимо выводить из строя чувствительные элементы РЭС различно
го назначения, временно ослеплять операторов зенитно-ракетных комп
лексов (ЗРК), установок малокалиберной зенитной артиллерии и других
средств ближнего боя.
2. На средних дальностях в пределах заданных угловых секторов пы
зывать ложные срабатывания устройств автоматики и вычислительных
средств РЭС (прежде всего — РЭС ГСН управляемых ракет), обеспечн
вать отказы и сбои чувствительных элементов радио- и оптоэлектронных
систем автосопровождения целей.
3. На больших дальностях снижать чувствительность приемных уш
ройств.
Основным объектом ФП для многоразовых средств является РЭА.
составляющая основу всевозможных информационно-управляющих ст
тем военного назначения и управляемых средств поражения. Но наряду с
этим нельзя исключить возможность использования средств ФП для нс II
трализации Взрывателей мин, снарядов и других боеприпасов, приводи
мых в действие по радио- или проводным каналам. Сказанное относи ген
также и к дистанционным взрывателям боеголовок УР.
Роль и место многоразовых средств ФП в системе РЭБ определяется
с учетом двух обстоятельств. Во-первых, наличия ситуаций, в которых при
менение таких средств дает заметный дополнительный эффект. Во-вторых
наличия новых возможностей, которые привносят средства ФП в РЭ1>
5.1. Назначение и задачи многоразовых СВЧ-средств ФП
171
Имеется большое количество ситуаций, в которых наряду с традицион-
ными средствами РЭП могут быть использованы многоразовые средства
ФП. Прежде всего ситуации, в которых предусматривается защита от уда-
ров радиоуправляемого оружия. Кроме того, средства ФП незаменимы при
подрыве дистанционно управляемых боеприпасов. Так, например, в авиа-
ции наиболее часто возникают ситуации отражения атак истребителей и
IP К. Управляемые ракеты «воздух — воздух» и «земля — воздух» на такие
пели, как самолеты, могут наводиться только при наличии текущей инфор-
мации об атакуемом объекте. Необходимая информация может поступать
И бортовой комплекс управления либо от внешнего, либо от собственно-
IV датчика. Но в любом случае данные добываются и передаются с исполь-
|>ИШНием приборов и оборудования, чувствительного к деструктивному
одействию мощных СВЧ-импульсов, т. е. подверженного опасности ФП.
Аналогично обстоит дело и при защите наземных объектов. Здесь мож-
но выделить три зоны: зону гарантированного ФП, зону ФП с приемле-
мой эффективностью (вероятностью), зону функционального подавления
Рис. 5.1. Зоны действия многоразового средства ФП:
УФП — установка ФП; О — объект функционального поражения
Первая зона ограничивается дальностями порядка от сотен метров до
illoi'O километра от многоразового средства ФП.
172 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Вторая зона перекрывает интервалы от одного до десяти километро и и
зависимости от стойкости поражаемого объекта и заданной вероятное ! и
поражения.
Зона функционального подавления может простираться до нескольких
десятков километров. Здесь могут наблюдаться сбои в работе систем а и
тосопровождения целей и вычислительных систем. Известно, что для ЭВМ.
обрабатывающих данные в реальном масштабе времени, недопустимы даже
кратковременные сбои. Такие сбои могут привести к полной потере л|>
фективности функционирования и непредсказуемым последствиям.
5.2. Возможности многоразовых средств
функционального поражения
Естественной причиной высокой вероятности включения многора к>
вых средств ФП в состав комплексов РЭБ является то, что они практн
чески полностью свободны от недостатков традиционных средств радио
электронного подавления.
1. Для средств ФП характерно проявление эффекта малых дальносп il
Этот эффект состоит в том, что по мере сближения прикрываемого а к
тивными помехами объекта с подавляемой РЛС отношение мощностей
помехи и сигнала на входе приемника РЛС меняется в пользу сигнала
Скорость такого изменения зависит от того, как создается помеха. При
самоприкрытии объекта, когда станция активных помех находится на си
мом прикрываемом объекте, указанное отношение уменьшается пропор
ционально квадрату уменьшения дальности. В случае создания помех и i
неподвижной зоны увеличение отношения сигнал/помеха будет пропор
ционально четвертой степени уменьшения дальности от РЛС до прикры
ваемого помехами объекта. В результате при неизменном энергетическом
потенциале станции активных помех, начиная с некоторой дальности
между объектом и РЛС, помеха перестает обеспечивать прикрытие объект и
Этот эффект иллюстрируется графиками на рис. 5.2 и рис. 5.3.
Зависимости на рис. 5.2 рассчитаны для случая самоприкрытия. Пи
удалениях цели от РЛС D< 50 км активная помеха неэффективна. На таких
(р А
дальностях текущее отношение помеха/сигнал к = — становится мс
V /вх
ныпе коэффициента подавления данной РЛС &п= 3. Таким образом, лит
пазон дальностей слева от вертикальной штриховой линии определш ।
область неподавления РЛС. Справа от этой линии лежит область подан
ления, где помеха эффективна. Расчетные значения к рис. 5.2 припед!
ны в табл. 5.1.
5.2. Возможности многоразовых средств ФП
173
Таблица 5.1
Расчетные значения к рис. 5.2
Du, км р * с вх р * п вх
100 1 12 4
90 1,52 14,8 3,25
80 2,44 18,75 2,56
70 4,16 24,5 1,96
60 7,72 33,3 1,44
50 16 48 1
40 39,1 75 0,64
30 123,5 133,3 0,36
20 625 300 0,16
10 104 1200 0,04
Рис. 5.2. Изменение мощности полезного сигнала Рс вх и помехи Р„ вх,
а также отношения А/Ад на входе приемника подавляемой РЛС по мере
приближения цели-постановщика помех к РЛС
Рис. 5.3. Изменение мощности Рс вх и Р„ вх, а также отношения А/Ап
при прикрытии цели помехами, создаваемыми постановщиком помех
из неподвижной зоны
Таблица 5.2
Расчетные значения к рис. 5.3
Пц, км р 1 с вх р Л п вх */*п
100 20 1 6,7
90 20 1,52 4,4
80 20 2,44 2,73
70 20 4,16 1,6
62,2 20 6,68 1
60 20 7,72 0,86
50 20 16 0,42
40 20 39,1 0,17
35 20 66,64 0,10
30 20 123,5 0,05
174
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
На рис. 5.3 приведены зависимости тех же параметров от дальности
для случая прикрытия цели постановщиком помех из неподвижной зоны
Расчетные значения, приведенные в табл. 5.2, получены для следующп»
исходных данных. При дальности до цели £>ц= 100 км на входе приемип
ка РЛС отношение мощностей помехи и сигнала составляет к = 20. I 1рп
коэффициенте подавления /сп= 3 помеха становится неэффективной, пи
чиная с удаления Лц = 62,2 км и ближе к РЛС.
Ход кривых Рс вх и Рп вх указывает на то, что на некоторой дальней ш
они пересекаются, а при дальнейшем уменьшении дальности Рс вх прспы
шает РП вх.
2. Ориентация каждого конкретного образца средства РЭП на cojjui
ние помех (подавление) только РЭС определенного класса и в сравнится!,
но узком диапазоне частот крайне затруднит и практически сделает ш
возможным создание сколько-нибудь универсального комплекса Р'Н,,
способного противостоять любому из возможных средств противника
3. Для борьбы с активными помехами в РЭС широко применяют!
разнообразные устройства, средства и способы помехозащиты. При сопмр
стном применении в одном РЭС они способны многократно уменьши и
энергию помехи (на десятки децибел). Эффект от применения мер помг
хозащиты может быть снижен. Однако для этого необходимо постоянна
менять виды создаваемых помех, выбирать параметры помеховых сигпалпп
с учетом возможной защиты от них, избегать шаблонных подходов к opin
низации РЭБ.
4. Четвертый, но во многих ситуациях первый по важности недоспиок
связан с неизбежным, начиная с некоторой дальности, разрешением ни
угловым координатам разнесенных в пространстве источников помг»
Такая ситуация характерна, например, для случая, когда управляема*
ракета с радиолокационной ГСН атакует пару самолетов, создающих мер
цающую помеху. В процессе сближения на некоторой дальности углопиИ
разнос мерцающих источников оказывается больше разрешающей спосиП
ности РЛС. В результате один из самолетов-носителей такого источники
помех атакуется как одиночная цель с высокой вероятностью поражении
Перечисленные недостатки средств РЭП компенсируются при ни хи
чии средств ФП. Такая возможность связана со следующими особе i пн»
тями воздействия средств ФП на объекты.
1. Плотность потока мощности СВЧ-импульса, облучающего объем
увеличивается пропорционально квадрату уменьшения дальности от сряи
ства ФП до объекта. Поэтому возможен подбор такого соотношения мош
ностей (энергетических потенциалов) средства РЭП и средства ФП, при
котором недопустимое снижение эффективности средств РЭП, наступи
5.3. Состав многоразовых СВЧ-средств ФП
175
ющсе на известной дальности в процессе сближения его с подавляемым
1|'чс, компенсируется высокой эффективностью средства ФП.
Можно утверждать, что имеется такой интервал дальностей, в преде-
лах которого сохраняется эффективность средств РЭП и одновременно
существенным является воздействие мощных СВЧ-импульсов, которое
проявляется в виде импульсных помех, функциональных сбоев, повыше-
нии уровня шума.
12. Средства ФП способны деструктивно воздействовать на любые объ
IXгы, в которых имеются элементы и устройства, чувствительные к мощ-
IlinMy СВЧ-излучению. Они универсальны в том смысле, что могут пора
•Пть РЭС независимо от их назначения, рабочего состояния, диапазона
Чистот, вида и параметров используемых сигналов.
3. Средства ФП могут воздействовать на такие объекта, которые не
иоднержены воздействию помех, создаваемых средствами РЭП. К подоб-
ным объектам относятся передатчики, антенные устройства, блоки пита-
нии, приборы инерциальной навигации, вычислительные средства и т. п.
Не составляют исключений устройства и схемы помехозащиты РЭС. bo-
ll ) того, включение таких средств помехозащиты, как компенсаторы бо
ПЫХ лепестков, способствует прохождению дополнительной мощности
( ИЧ-импульса к чувствительным элементам по приемным каналам средств
Пимсхозащиты. Таким образом, складывается обстановка, при которой
Их точение средств помехозащиты способствует повышению эффективно-
। ж средств ФП.
4. Средство ФП способно исключить снижение эффекта воздействия
Пространственно-разнесенных помех.
Таким образом, налицо не противостояние традиционных средств РЭП
И многоразовых средств ФП, а, напротив, их способность существенно
Пополнять друг друга в рамках решения одной и той же задачи надежного
подпнления и даже поражения РЭС противника. Поэтому есть все осно-
йиния вести речь о комплексировании разных средств радиоэлектронно-
го подавления.
Можно предположить, что многоразовые средства ФП со временем
р опоправно войдут в арсенал средств РЭБ.
5.3. Состав многоразовых СВЧ-средств
функционального поражения
Для успешной реализации потенциальных возможностей многоразо-
»М- СВЧ-средства ФП должны иметь в своем составе: установку генерации
мощного СВЧ-излучения, подсистему информационного обеспечения,
176 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Рис. 5.4. Состав и основные связи элементов многоразового
средства функционального поражения
5.3. Состав многоразовых СВЧ-средств ФП
177
йство управления параметрами излучения и наведения антенны на
каемый объект. На рис. 5.4 показаны те основные элементы, которы-
ми Должны оснащаться многоразовые средства ФП для обеспечения их
1«|к|>сктивного функционирования. Такими элементами являются: источ-
ник питания (ИП), генератор мощных однополярных видеоимпульсов
ИМИ), сильноточный электронный ускоритель (СЭУ), электродинами-
Члская структура (ЭДС), устройство задания параметров СВЧ-импульсов
(У in свч), антенна (А), устройство ориентации луча антенны в задан
1шм направлении (УОА), устройство выдачи команд генератору (УВКГ),
Упгройство выдачи команд антенне (УВКА), устройство анализа данных
(УЛД), блок хранения априорных данных (БХАД), устройство принятия
|н>шспий (УПР), устройство выработки тактики действий (УВТД), блок
И!4дичи текущих данных (БВТД), процессор анализа и обработки разве-
ЯМпигельной информации (ПОАРИ), станция радиотехнической развод
«и (РТР), лазерный локатор (ЛЛ). Кроме того, в средстве ФП желательна
Информация, поступающая в виде данных о текущей обстановке (ДТО)
in* линиям передачи данных (ЛПД) из центра управления, от РЛС и средств
НК разведки, если таковые имеются. Информация об объекте О, назна-
ченном для поражения, добывается станцией РТР и лазерным локатором
нпдеистемы информационного обеспечения, а также, возможно, РЛС и
цвдетвом ИК-разведки. Целевая обстановка с учетом всей поступающей
Информации оценивается в блоке оценки целевой обстановки (БОЦО).
Ниже подробно рассматривается только устройство и функциониро-
инние генераторов СВЧ-импульсов и антенн. Что касается устройств управ-
ления и подсистем информационного обеспечения, то о них приводятся
иПШ» сведения общего характера, указывающие на их роль в обеспечении
функционирования средств ФП.
Используемая в многоразовом средстве ФП установка мощного СВЧ-
н мучения должна иметь в своем составе генератор сверхмощных СВЧ-
нмнульсов и антенную систему с подсистемой управления ориентацией
Одной из трудноразрешимых технических проблем является согла-
ицшпие выхода сверхмощного генератора со средой распространения СВЧ-
ИМнульса на пути к поражаемому объекту. При этом требуется концентра-
ции иыведенной из генератора энергии в направлении на облучаемый
иП|.гкт в предельно узком телесном угле. Судя по опыту разработок экс-
периментальных установок сверхмощного СВЧ-излучения, для установок
I'll генератор СВЧ-импульсов и антенная система должны создаваться как
1 «UIIIUC, функционально неразделимое устройство. Пока что такого устрой-
। inn получить не удалось. По имеющимся сведениям [27] реально фик-
178 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
сируемые потери при выводе СВЧ-энергии из сверхмощных СВЧ-гепсрн
торов существенно превышают минимально возможные.
Следует признать, что даже задача выбора конкретного типа auicri
ны, обеспечивающей достаточно высокие показатели работы совмести
со сверхмощным СВЧ-генератором, параметры которого полностью и i
вестны, однозначно не решена. Нет устоявшихся представлений и о прием
лемых технических решениях, наиболее подходящих для использовании
в средствах ФП. Особенно труден выбор типа СВЧ-генератора для мною
разового средства, размещаемого на мобильном носителе.
Ниже рассматриваются физические механизмы, обеспечивающие и
нерирование сверхмощных СВЧ-импульсов в наиболее перспективны ц
типах генераторов, приводятся сведения о потенциально возможных в
реально достигнутых параметрах СВЧ-излучения, отмечаются констру»
тивные и технологические ограничения, влияющие на возможное ш в
перспективы совершенствования характеристик средств ФП.
5.4. Генераторы сверхмощных СВЧ-импульсов
Наиболее перспективными для систем ФП представляются релятшш
стские СВЧ-генераторы на сильноточных релятивистских пучках. В паку
умной релятивистской СВЧ-электронике к настоящему времени дос пи
нута импульсная мощность 15 ГВт в трехсантиметровом диапазоне вопи
и 4 ГВт в диапазоне волн порядка одного сантиметра. Эти резулышы
получены на пучках с энергией 2 МэВ при токе 10...15 кА [27].
Впервые сильноточные релятивистские пучки, генерируемые взрыт >
эмиссионными диодами с магнитной изоляцией и высокой эффективно
стью, когда свыше 50% энергии, накопленной батареей конденсаторов
трансформируется в почти моноэнергетический поток электронов, были
получены в начале 70-х годов прошлого века. Внимание специалистов ерп iy
привлекли те уникальные возможности, которые открывались испольюли
нием этих пучков в различных областях науки и техники. Не оказалш в в
стороне и разработчики источников мощного СВЧ-излучения. Можно
констатировать, что, хотя на сегодняшний день разработчики добилш .
впечатляющих результатов, до предела еще далеко.
Для оценки предельно достижимых мощностей релятивистских им
пульсных СВЧ-генераторов в сантиметровом диапазоне волн (с точное п.и>
не хуже 20%) можно воспользоваться следующими зависимостями:
_ 109Л2, Вт — при одномодовом режиме;
Pnp = 1Ь2 <*'1'
3 10 А , Вт —при многомодовом режиме.
5.4. Генераторы сверхмощных СВЧ-импульсов
179
Теоретический предел мощности генераторов непрерывных колебаний,
выполненных на традиционных электровакуумных приборах, определяется
(ЙВИСИМОСТЬЮ
Рн = 107Х2, Вт. (5.2)
В (5.1) и (5.2) X заданы в сантиметрах.
Мощность генерации конкретного электровакуумного СВЧ-прибора
может быть оценена по формуле
Р = 7]Пр(/2-5, (5.3)
где т) — коэффициент полезного действия; U — напряжение, ускоряющее
пучок электронов; Пр — первеанс (проводимость электронного прибора
при насыщении); у обычного клистрона Пр =(1...1,1)-10“6Л • В ',5.
Следует отметить, что при U> 105 В пучок электронов становится силь-
но релятивистским и пользоваться формулой (5.3) нельзя.
Если зависимости (5.1) справедливы в диапазоне волн короче одного
। йнгиметра, то предельно достижимыми в диапазонах субмиллиметровых
и Миллиметровых волн оказываются импульсные мощности от 2,5 10б Вт
(X 0,5 мм) до 6,4 108 Вт (Л - 8 мм) в одномодовом режиме работы гене-
рптора и соответственно от 2,5-108 Вт до 6,4- 1О10 Вт — в многомодовом.
У обычных электровакуумных генераторных приборов в указанных
поддиапазонах выходная мощность сильно уменьшается, поскольку разме-
ра систем становятся сравнимыми с длиной волны. Поэтому такие мощ-
ности для них недостижимы.
На рис. 5.5 приведены оценки мощности, характерной для современ-
ных СВЧ-генераторов и лазеров в разных частотных диапазонах.
Сильноточные релятивистские генераторы бывают двух видов: вакуум-
ные и плазменные. В настоящее время наибольший интерес разработчи-
ков привлекают плазменные СВЧ-генераторы. Наличие плазмы в электро-
шнамической структуре генератора — канале транспортировки пучка —
обеспечивает зарядовую нейтрализацию его электронов. Следствием явля-
1ся улучшение качества пучка по сравнению с пучком в вакууме при
одинаковом токе. Плазма позволяет транспортировать пучок с большим
гоком при том же качестве, что и у пучка с существенно меньшим током
и вакууме.
Так, например, в результате частичной компенсации пространствен-
|ц>Г0 заряда пучка в экспериментальной установке удалось в 2,7 раза уве-
шчить ток пучка и в 4 раза поднять мощность генерации по сравнению с
оптимальным по своим характеристикам вакуумным гиротроном. При этом
КПД изменился с 11% до 15...20%.
180
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Рис. 5.5. Мощность генераторов когерентного электромагнитного
излучения в различных частотных диапазонах (- — импульсный
режим;------— непрерывный режим): 1 — обычные приборы;
2 — лазеры; 3 — сильноточные релятивистские генераторы [105J
К вакуумным и плазменным генераторам предъявляются сходные
требования. Они должны обеспечивать генерацию СВЧ-импульсов мак
симальной, предельно достижимой мощности при выдерживании заданных
параметров их формы и длительности. Электронные пучки, на основе
которых в настоящее время создаются генераторы, формируются сильно
точными электронными ускорителями (СЭУ). Только они способны ге
нерировать пучки релятивистских электронов мощностью 109...1013 Вт в
виде импульсов наносекундной длительности [55J.
При наличии соответствующих пучков СВЧ-излучение формируется
в специальных замкнутых объемах — электродинамических структурах
Излучение зарождается и развивается в процессе взаимодействия введен
ных в объем электронов пучка с собственными волнами структуры. Раз
витие может закончиться выводом энергии излучения из объема только
при выполнении определенных условий. Основные факторы, влияющие
на процесс формирования СВЧ-излучения, сводятся к следующему.
1. С учетом всевозможных ограничений, нестабильностей и потерь для
генерации мощных и сверхмощных СВЧ-импульсов требуются высоко
вольтные импульсные генераторы напряжения с мощностями порядка
0,01...100 ТВт (1О1О...Ю14 Вт). Только при таких мощностях возможно
получение сильноточных релятивистских пучков, обеспечивающих гене
рацию СВЧ-колебаний с мощностью порядка 1 ГВт и выше.
2. Работа с сильноточными потоками электронов обусловила необхо
димость перехода в СВЧ-генераторах к пространственно развитым элек
5.5. Сильноточные электронные ускорители 181
фодинамическим структурам. А это немедленно сказалось на изменении
процессов генерации СВЧ-излучения. Поэтому разработчики генераторов
ймпуждены изначально учитывать тесную связь сильноточного релятиви-
i |ского пучка электронов с процессами формирования излучения в задан-
ной (выбранной) электродинамической структуре.
3. Формирование сильноточного пучка возможно только при опти-
Мйдьной связи первичного устройства накопления и передачи энергии с
нагрузкой — диодом сильноточного электронного ускорителя.
Фактически в сильноточных релятивистских СВЧ-приборах процес-
»Ы формирования импульсов электромагнитной энергии и преобразова-
ния се в энергию СВЧ-импульсов происходят в едином устройстве. По-
чему очень важен выбор и согласование связей всех элементов генератора
( ВЧ-импульсов. Тем не менее при анализе допустимо раздельное рассмот-
рение способов получения первичных импульсов напряжения, устройств
НИ дальнейшего преобразования и передачи в нагрузку, формирования
цсктронных пучков, преобразования энергии пучка в когерентную СВЧ-
inWIJiy и излучения волны в заданном направлении в пределах малого те-
лесного угла [27].
5.5. Сильноточные электронные ускорители
Совокупностью элементов, из которых состоит сильноточный уско-
ритель электронов, обеспечивается решение следующих задач:
I. Генерация коротких высокочастотных импульсов. Их форма по
ШИможности должна быть близкой к прямоугольной. Реально, на прак-
I1IKC, удается сформировать импульсы напряжения U(f), форма которых
| полна с изображенной на рис. 5.6.
Гис. 5.6. Форма высоковольтного импульса напряжения, подаваемого на силь
Моточный диод (такой форма принимается в расчетах). У реального импульса
возможен спад амплитуды, показанный на рисунке штриховой линией
182
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Типичные значения временных параметров таких импульсов:
• длительность нарастания импульса (длительность переднего фронта)
тф] = 5...10 нс;
• длительность спада (длительность заднего фронта) Тф2 = 5...15 н<.
• длительность постоянного значения (длительность плоской части»
1= 30 нс-1 мкс (иногда до 10 мкс).
С увеличением амплитуды импульса длительность фронта, как при
вило, уменьшается.
2. Получение плотной электронной плазмы 1О|7...1О19 см-3 в тонком
слое около поверхности специального катода — источника электронов
Большие плотности тока эмиссии электронов из катода достигаются блп
годаря тому, что внешнее поле, приложенное к плазменному слою, сосрс
дотачивается на самом катоде и прилегающей к нему области, толщины»
порядка дебаевского радиуса
I кТ
r^~J~-------2’ (5.-1)
у 4ллОее
где к = 1,38 10~23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т— абсолютная тем
пература плазмы; лОе — концентрация электронов в плазме; е — зарин
электрона.
Величина дебаевского радиуса определяет глубину проникновении
статического поля в плазму. Соответственно плазма экранирует поле к и
года от внешнего пространства, начиная с расстояния порядка дебас не-
кого радиуса (расстояние отсчитывается от катода).
3. Формирование из электронов плазмы сильноточного релятивип
ского пучка с энергией электронов 0,5... 1 МэВ и током пучка 2... 10 кА
Максимальный ток электронного пучка обычно ограничен внутрсп
ним сопротивлением источника высоковольтного импульсного напряжг
ния. Это сопротивление составляет 1...100 Ом. Поэтому такой источник
при напряжении на катоде диода 1 МВ может создавать ток до 1 МА (вну»
ренним сопротивлением диода можно пренебречь). Однако в релятивиг»
ской электронике эффективно использовать такой ток не удается и » ы
неблагоприятного влияния собственного заряда пучка. В результате, ни
пример, при энергии электронов 1 МэВ ток пучка не превосходит 10 кА
4. Инжектирование релятивистского электронного пучка в дрейфощм
пространство, которое в некоторых приборах совмещено с электродинл
мической структурой.
Эта задача возникает в связи с ограничением, накладываемым ил
максимально допустимый ток электронного пучка, который можно нр<>
пустить через заданное дрейфовое пространство.
5.5. Сильноточные электронные ускорители
183
Ограничение диктуется следующими причинами:
I) при некотором предельном токе формируется потенциальный ба-
рьер Типа виртуального катода, если пространство представляет собой эк-
випотенциальную дрейфовую камеру;
2) когда объемный заряд электронов в дрейфовой камере нейтрализо-
Hrtli ионами, наблюдается электростатическая неустойчивость; в камере
ипшикает флуктуационный потенциал (флуктуационный виртуальный
>тод), превышающий энергию электронов пучка и способный полностью
виормозить пучок, т. е. привести к срыву пучка;
1) поперечная неоднородность плотности электронов в пучке (в час-
iiioci'H, трубчатые пучки всегда неоднородны по плотности) либо направ-
аиннпя скорость пучка обуславливают конвективные неустойчивости,
НрО.ииляющиеся в реальных магнитных полях, напряженность которых
* чдп конечна.
5,5.1. Схемы сильноточных электронных ускорителей
Конструктивно сильноточный ускоритель электронов оформляется в
Мдг электронной пушки, схема которой приведена на рис. 5.7 [89].
Рис. 5.7. Схема электронной пушки с анодной сеткой: 1 — источник высоко-
вольтного напряжения; 2 — катод; 3 — анодная сетка; 4 — металлическая
ц»уба (вакуумная камера); 5 — дрейфовое пространство; 6 — коллектор;
7 — электронный пучок; 8 — изолятор
В пушку входят высоковольтный источник напряжения 1, коаксиаль-
ный диод и металлическая труба 4, организующая дрейфовое простран-
»1 Mi Совместно с электродинамической структурой.
Включение пушки в работу производится импульсным напряжением,
»<но|юс от источника 7 прикладывается к катоду 2 и аноду 3, размещен-
ным внутри цилиндрической металлической вакуумной камеры 4.
Китод, анод и вакуумная камера образуют коаксиальный диод. Анод
пиши выполнен в виде сетки, электрически соединенной с металличес-
кий химерой (известны и другие конструкции).
184 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Электроны эмитируются катодом 2, ускоряются в промежутке к и
тод 2— анод 3 и инжектируются в дрейфовое пространство 5, в котором
они продолжают движение по инерции. В конце пути электроны оседаип
на коллекторе 6.
Вакуумная камера и дрейфовая труба помещены в сильное магнии в ><
поле с индукцией Во. Под действием этого поля электронный пучок 7 ни
всем протяжении от катода до коллектора имеет постоянный диамсщ,
приблизительно равный диаметру катода.
В релятивистских электронных пушках используются холодные как»
ды, действие которых основано на эффекте взрывной эмиссии. В пушка*
с взрывоэмиссионными катодами ток пучка ограничен только собствен
ным пространственным зарядом, а его величина определяется приложен
ным напряжением и геометрией диода. Ясно, что этот ток всегда мсш.
ше, чем максимально возможный ток высоковольтного источника.
В современных конструкциях электронных пушек анодная сетка прак
тически не используется. Применяется другая схема диода: магнитои и»
лированный диод. Конструкция диода иллюстрируется рис. 5.8, а, каче
ственная картина распределения силовых линий электрического ион»
собственного заряда пучка в дрейфовой камере 4 (на входе в нее, в самой
камере и в области коллектора) — на рис. 5.8, б.
Рис. 5.8. Схема формирования РЭП магнитоизолированным диодом:
1 — источник высоковольтного напряжения; 2 — катод; 3 — металличес
кая труба (камера) большого диаметра; 4 — металлическая труба (камера)
малого диаметра; 5 — коллектор; 6 — электронный поток
Боковая поверхность и торец сплошного цилиндра катода 2 изготаи
ливаются из металла или графита, реже — из металлодиэлектрика. Пап
5.5. Сильноточные электронные ускорители
185
большее применение в релятивистской высокочастотной электронике наш-
|| трубчатые катоды.
Катод расположен по оси металлической камеры 3, имеющей ради-
ус Л, и длину L( » А]. Здесь катод является внутренним электродом. Од-
ИПКО в некоторых приборах используются также конструкции диодов, в
<uiсирых внутренним электродом служит анод (обращенные диоды). Тем
и< менее импульс отрицательной полярности всегда подается на катод.
Камера 3 переходит в металлическую камеру 4 с меньшим радиусом Я2.
Мн камера относится к СВЧ-источнику. Обе камеры вакуумные; они на-
нпднгся в однородном магнитном поле, создаваемом внешним (по отно-
шению к камерам) соленоидом. Силовые линии поля направлены вдоль
in и камер. Металлические камеры заземлены, а на катод, как уже гово-
рилось, подается отрицательное напряжение.
Электронный пучок зарождается на катоде и движется под действием
ингшних электрического и магнитного полей вдоль оси камер. Индукция
Мш иитного поля
Ао >
(5-5)
I цс /„ — ток пучка, А; гъ — внешний радиус пучка, см; к— некоторое число,
1ИКОС, что
f
!«&<—, Дг = гв-гс;
Аг в с
у
— радиус катода; у — релятивистский фактор; Р = —; ve — скорость
«кскгронов в пучке; с — скорость света.
Ток пучка определяется внешним электрическим полем, ускоряющим
«||сктроны, и полем собственного заряда пучка, тормозящим электроны.
И результате противоположного действия этих полей при заданном потен-
ниплс катода должны наступать ограничения тока, даже если эмиссия
•Нейтронов с катода имеет бесконечную плотность.
Процесс в ускорителе (рис. 5.8) развивается так, что с увеличением
П'Кв пучка отрицательный потенциал на оси пучка растет быстрее, чем
пн ею внешней поверхности. Наступает момент, когда потенциал на оси
Ч’йвпивается с потенциалом катода. Ускоряющее электрическое поле для
•цгкгронов на оси становится равным нулю, и они останавливаются. Об-
ри |устся своего рода локальный виртуальный катод. Но внешние элект-
роны по-прежнему продолжают движение. Вследствие такого неравномер-
ного по сечению распределения скоростей пучок электронов превращается
и । рубчатый, даже если электроны эмитированы со всей поверхности ци-
। чПАрического катода.
186
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
По указанной причине цилиндрический диод с магнитной изоляцп
ей, изображенный на рис. 5.8, генерирует тонкостенный (с толщиной
стенок порядка ларморовского радиуса электронов в продольном магнит
n 2mecve _ ч
ном поле напряженностью Во, т. е. радиусом г„ =—-—-о„) трубча ii.nl
электронный пучок. В случае сильного магнитного поля (Во —> <») и налн
чия катода с очень высокой эмиссией электронов стационарный поли и (I
ток пучка можно оценить по формуле А.И. Федосова [89]
. _ тс3 (Yo~1)2________1
Ф" ‘ (r?J+2)7rFi2i„i'
о
€ U С*
где Yo =1 + г-,---= 17,04 кА и Uo — потенциал катода.
тс е
Этот ток является предельным в цилиндрическом взрывоэмиссионном
диоде с магнитной изоляцией. Для реальных пучков условие применимо
сти формулы (5.6) определяется неравенством [89]
где 5В — толщина стенок трубчатого пучка, причем радиус пучка гв сои
падает с радиусом катода гк.
Для того чтобы электронная пушка сформировала пучок, соответст uv
ющий заданным требованиям, на диод должен быть подан высоковольтнып
импульс достаточной мощности. Такие импульсы в электронной пушке пы
рабатываются специальным генератором импульсов 1 (рис. 5.7 и рис. 5.8)
5.5.2. Генераторы мощных импульсов
В настоящее время используется несколько схем формирования им
пульсов, питающих диод СЭУ. В любой из них реализуется принцип мед
ленного накопления электрической или магнитной энергии с последую! не (I
трансформацией ее в энергию существенно более короткого, по сравнен!ни
с временем накопления, импульса. Желательная форма импульсов — при
моугольная. Соответственно в генераторе должны быть устройства, обе
спечивающие накопление энергии, генерирование питающего высоко
вольтного импульса, компрессию (сжатие во времени) импульсов, форм и
рование мощного прямоугольного рабочего импульса, передачу рабочеш
импульса на нагрузку.
Указанные операции выполняются элементами, соединенными в со
ответствии со схемой рис. 5.9 [27].
5.5. Сильноточные электронные ускорители
187
1’ис 5.9. Блок-схема генератора мощного импульса, питающего диод
I ПИ — генератор высоковольтных импульсов; ПН — промежуточный нако
цитель; К — коммутатор; ФЛ — формирующая линия; ВР — выходной раз-
рядник; ПЛ — передающая линия; ИП — первичный источник питания
Первичный источник питания ИП прежде всего обеспечивает энер-
1м₽й генератор высоковольтных импульсов ГВИ. Импульс высокого напря
• гния от ГВИ заряжает промежуточный накопитель ПН с характерным
временем накопления порядка 1 мкс. В момент, когда напряжение на ПН
достигает максимального значения, срабатывает коммутатор К и промежу
ШЧЦЫЙ накопитель разряжается на формирующую линию ФЛ, заряжая
Ц до амплитудного напряжения за более короткое время (порядка 100 нс).
И момент, когда напряжение на ФЛ достигает максимума, срабатывает
годной разрядник ВР и энергия из ФЛ переключается в передающую
ЛИНИЮ ПЛ за время -10 нс. Формирующийся при этом прямоугольный
импульс напряжения транспортируется по передающей линии ПЛ к дио-
лу сэу.
Генераторы высоковольтных импульсов с амплитудой U из напряжения
Нгрничного источника Uo« U формируют импульсы с использованием
Накопителя энергии. В качестве накопительных элементов используются
»<1цденсаторы, катушки индуктивности, отрезки длинных линий и другие
Птройства, обладающие сильно выраженными емкостными или индук-
1И1ШЫМИ свойствами. Емкостные накопители формируют импульс за счет
|*| *|»ида конденсатора емкостью С, заряженного до напряжения - Uo, на
IIHI рузку с сопротивлением RH, как на рис. 5.10. Индуктивные накопите-
|« для этого размыкают цепи с индуктивностью L, через которую проте
|д>1 начальный ток /0 (рис. 5.11).
В схеме рис. 5.10 при замкнутом ключе К( и разомкнутом К2 конден-
сор С заряжается от источника питания до напряжения ~U0 через со
цинивление R>> RH. К моменту окончания заряда в конденсаторе нако
1пн<»| энергия
ГТ/2
Эс=^. (5.8)
2
188
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Рис. 5.10. Емкостная схема
накопления и формирования
импульса
Рис. 5.11. Индуктивная схема
накопления и формирования
импульса
После этого производится отключение конденсатора от источника клю
чом К] и подключение к нагрузке RH ключом К2. Поскольку постоянная
времени цепи разряда тр = RHC очень мала, в процессе разряда формиру
ется короткий импульс с энергией (5.8). Ток смещения в цепи разряда ем
кости равен
4
r<W(>)
dt
(5.9)
Поэтому чем выше скорость изменения напряжения на конденсат»
ре (/(/), тем больше падение напряжения на нагрузке. То есть с умет,
шением постоянной времени цепи разряда тр = RUC возрастает амплитуда
импульса на нагрузке и сокращается его длительность.
Предельные возможности накопления энергии определяются элек!
рической прочностью диэлектрика в конденсаторе. Современные матери
алы длительно выдерживают электростатическое поле с напряженностью
до 106 В/см.
В схеме рис. 5.11 энергия накапливается в индуктивности. При зам к
нутом ключе К! и разомкнутом К2 через катушку течет ток
(5.10)
L
где т3 = — — постоянная времени цепи заряда.
R
При размыкании ключа К( и замыкании К2 в момент t = тп энергия,
запасенная индуктивностью, выделится на сопротивлении нагрузки
Э”’“Г‘2£^
-12
1-ехр|
I Тз )_
(5.11)
5.5. Сильноточные электронные ускорители
189
В результате генератор с индуктивным накопителем формирует на
сопротивлении нагрузки импульсы, амплитуда которых значительно пре-
рышает напряжение источника питания. Импульсы имеют экспоненци-
альную форму и большую пиковую мощность.
Получение импульсов напряжения с амплитудой 105...107 В с помо-
щью емкостных и индуктивных накопителей невозможно. Поэтому исполь-
1уются схемы умножения напряжения.
Генератор Маркса [105] содержит N конденсаторов емкостью С каж-
дый, соединенных как на рис. 5.12.
Рис. 5.12. Принципиальная схема умножения напряжения
с компенсирующей емкостью Ск (схема Маркса)
При разомкнутых ключах К все конденсаторы соединены параллель-
МО и заряжаются от источника через сопротивления и R до напря-
жения Uo. При одновременном замыкании всех ключей К конденсаторы
осдиняются последовательно. Их общая емкость становится равной
С
N’
а заряд остается равным Q = NCU0. Разность потенциалов между верх-
ней обкладкой первого конденсатора и нижней — последнего N-ro при
•г М U= NU0. При замкнутом ключе К| батарея конденсаторов разряжается
nd сопротивление нагрузки RH, формируя импульс амплитуды, примерно
[шиной U = NU0 и длительностью по уровню половины амплитуды
Дня этого должно выполняться условие
NR
1.
(5.12)
II качестве ключей чаще всего используются искровые разрядники.
В схеме, показанной на рис. 5.12, коэффициент умножения напря-
жения равен (точнее, прямо пропорционален) числу конденсаторов N.
190
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Известна схема более эффективного умножения напряжения, предложен
ная Г.А. Месяцем. В ней коэффициент умножения с помощью Акаски
дов LC колебательных контуров близок к 2N [105J.
Различные модификации схемы генератора Маркса применяют кип
зарядные устройства накопительных линий более высоковольтных генери
торов и как самостоятельные генераторы высоковольтных импульсов. Кик
зарядное устройство генератор Маркса выдает в накопительную линию нм
пульсы микросекундной длительности. А накопительные линии, разряжп
ясь, формируют наносекундные импульсы с амплитудами до десяти mci и
вольт. Как самостоятельный формирователь мощных импульсов генерал пр
Маркса может выдавать в нагрузку импульсы длительностью 10 8... 10 "' <
при амплитуде, как правило, не превышающей 1 МВ.
Для формирования фронта импульса порядка 10'9 с необходимо, чш
бы собственная индуктивность контура L численно не превышала 10 4 R„
(при Rn = 100 Ом индуктивность не должна быть больше I0-7 Гн). ЧтоНы
уменьшить индуктивность до таких уровней, применяют специальные мс
ры. В частности, в качестве накопительных устройств используют спсцн
альные коаксиальные линии.
Мощные наносекундные импульсы получают заряжая емкостный >»i
копитель СВЧ-генератора от параллельно включенных секций генератором
Маркса. Такое включение повышает мощность импульса и снижает ипду*
тивность разрядного контура, но требует точной синхронизации момси
тов разряда.
Плотность энергии, запасаемой в генераторах Маркса, не превышай
5 кДж/м3 при выходном напряжении 2...2,5 МВ. Плотность энергии спи
жается примерно пропорционально квадрату увеличения напряжения
В табл. 5.3 приведены основные параметры некоторых мощных нано
секундных сильноточных ускорителей [27].
Таблица 1 I
Ускоритель Напряжение, МВ Ток, МА Длительность импульса, нс Импульсная мощность, 1 Hi
Сатурн (SNL, США) 2 12,5 40 25
Гермес-П (SNL, США) 10 0,1 80 1
Аврора (HDL, США) 12 1,6 120 20
Ангара-5 (ИРЭ, СССР) 2 5 100 6
Сноп-3 (ИСЭ, СССР) 1,9 1,5 100 1,3
Указанные в таблице СЭУ не предназначены для получения имнуш
сных последовательностей с высокой частотой повторения. К тому же-
5.5. Сильноточные электронные ускорители
191
учснь громоздкие устройства, а наличие большого числа разрядников дела-
»г их ненадежными и недолговечными, то есть малопригодными для при-
менения в установках СВЧ-оружия ФП.
Трансформаторные схемы генераторов периодических импульсных пуч-
MHI наносекундной длительности с высокой частотой повторения исполь-
iyi<iT зарядку формирующей линии с распределенными параметрами. Такая
линия обеспечивает быстрое накопление энергии, а в сочетании с быстро-
дойствующими коммутаторами — ее компрессию в короткий импульс. Для
уменьшения числа этапов компрессии импульса применяются гибридные
Пакостно-индуктивные накопители. Выгода определяется тем, что индук-
гниный накопитель способен запасти большую энергию: плотность ее в
мпгнитном поле неразрушаемых соленоидов достигает 40... 100 МДж/м3.
< ^ответственно в тысячи раз можно уменьшить объем гибридного устрой-
СПШ по сравнению с чисто емкостным, особенно если энергия вводится в
индуктивный накопитель прямо от генератора Маркса.
В качестве зарядных устройств для формирующих линий широко при-
меняются импульсные трансформаторы. Импульсный трансформатор
Может работать не только совместно с формирующей линией, но и самосто-
ительно. Обычно используются трансформаторы Тесла, линейные транс-
форматоры, обычные импульсные трансформаторы и автотрансформаторы.
1‘р11псформаторные схемы компактнее и надежнее генераторов Маркса,
способны работать в импульсно-периодическом режиме и больше подхо-
ди I для реализации в многоразовых средствах ФП.
Трансформаторы Тесла содержат два колебательных контура LlCl и Z2G
V индуктивной связью (рис. 5.13) [105].
Рис. 5.13. Схема трансформатора Тесла
После замыкания ключа К в контуре L{ Q возникают свободные ко-
н (>цпия, которые передаются в контур L2C-2- В качестве емкости С2 обыч-
|| используется емкость формирующей линии. Передача максимальной
192
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средапва функционального поражения
энергии из первого контура во второй происходит при равенстве часто!
собственных колебаний контуров, т. е. когда
, I , 1
' 2 (5")
Максимально возможное значение напряжения U2 на емкости С2
<5.И,
Следовательно, при С1 = я2С2 можно рассчитывать на умножение,
близкое к п. Реальное максимальное значение U2(t) достигается при пн
полнении условия
'l+k+y/1-k
------= Я,
l + k -yjl-k
(5.1'1
где и — целое нечетное число;
к = _М
М— коэффициент взаимной индукции между контурами. При и = 1; .1; 5
оптимальными являются значения к= 1; 0,6; 0,385.
На основе трансформатора Тесла разработана серия ускорителей «< ’и
нус» (табл. 5.4). В ускорителе «Синус-5А» трансформатор Тесла совмещен
с формирующей коаксиальной линией (рис. 5.14).
Одновитковая первичная обмотка трансформатора размещена на nnvi
ренней поверхности внешнего проводника линии. Вторичная обмотки
трансформатора размещена на диэлектрическом полом конусе и соедн
йена с внутренним проводником линии. Обеспечивается коэффицинн
трансформации 2-Ю3. Высоковольтный импульс формируется при pai|»i
де формирующей линии на вход передающей линии.
К недостаткам трансформаторов Тесла следует отнести трудност и и
получении импульсов напряжения с амплитудой в несколько мегаволы
Таблица ' 4
Ускоритель Энергия электронов, кэВ Ток пучка, кА Длительность импульса, нс Частота повторения, Гн
Синус-4 300 5 25 100
Синус-5А 700 7 10 100
Синус-6 400 (700) 5(7) 25 1000 (1)
Синус-13 200 10 10 250
Синус-7 2000 20 40 100
5.5. Сильноточные электронные ускорители
193
Рис. 5.14. Конструктивная схема ускорителя «Синус-5А» 1 — трансформатор
Тесла (а — первичная обмотка; б — вторичная обмотка; виг — соответственно
центральный и наружный электроды формирующей линии); 2 — формирую-
щий линия (трансформатор Тесла встроен в коаксиальную линию); 3 — газо-
ИЫй разрядник; 4 — генератор запускающих импульсов; 5 — передающая ли-
нии; 6 — вакуумный диод; 7 — соленоид; 8 —электродинамическая структура
Существенно большими возможностями в этом отношении обладает
линейный импульсный трансформатор.
Линейный импульсный трансформатор состоит из N одновитковых транс-
форматоров с единой вторичной обмоткой. В качестве вторичной обмотки
используется металлический стержень, на который надеты тороидальные
дукторы с первичной обмоткой [27,105J. Электрическая схема линейно
h| импульсного трансформатора приведена на рис. 5.15.
Рис. 5.15. Электрическая схема линейного трансформатора
194 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Со
На схеме Q = —, Со — требуемая емкость накопительного кондеи
сатора; Ui = 2U0, Uo — зарядное напряжение; Lt — суммарная индуктип
ность конденсаторов, разрядников, кабелей первичного контура, рассев
ния контуров; Сн — емкость нагрузки; Г2 — индуктивность вторичной
обмотки.
Поскольку вторичные контуры одновитковых трансформаторов сосдп
йены последовательно, напряжения, индуцированные первичными обмо »
ками на металлическом стержне, суммируются. Напряжение на емкое ! и
нагрузки Сн (на емкости накопительной линии) определяется выражением
(без учета возможных потерь)
NU
(/н = - ^ 1 (1-costo/), (5.1Щ
~2
где круговая частота го = ----, a L, = NL,+ Lv.
Если задано необходимое время т зарядки формирующей линии, то
индуктивность линейного импульсного трансформатора должна удовле I
ворять условию
<5'”
При известной энергии Эн, которую надо передать в нагрузку, это яч
условие можно записать в виде
(5IH)
л Эн
Линейные импульсные трансформаторы обеспечивают получение им
пульсов мегавольтного диапазона микросекундной длительности с эпер
гией до 106 Дж и более.
Например, импульсный генератор «Модуль» генерирует импульс токи
до 2 МА при длительности 10-7 с, напряжении 2 МВ и энергии 105 Дж
Другой генератор «Сноп-3» развивает мощность 1 ТВт и обеспечивас i >1
индуктивной нагрузке величины 30 нГн ток порядка 2,2 МА при скорое 111
его нарастания 4 1013 А/с. Он состоит из первичного накопителя энер! ни
в виде конденсаторной батареи, линейного импульсного трансформатор.!
промежуточного емкостного накопителя, формирующей и передающей
линий. Импульсный трансформатор обеспечивает зарядку промежуточною
накопителя с волновым сопротивлением 1,3 Ом. Напряжение нараст;к ।
5.5. Сильноточные электронные ускорители 195
«о максимума 2 МВ за 1,3 мкс. В свою очередь, накопитель вместе с ком-
мутатором и формирующей линией образуют LC-контур с временем на-
рвстания напряжения до максимума порядка 300 нс [104].
Самой мощной установкой на основе линейного импульсного транс-
<]и!рматора является построенный фирмой «SNL» в США ускоритель «Нег-
П1СН-1П». Он выдает ускоряющее напряжение 20 МВ, формирует ток пучка
N00 кА при длительности импульса 40 нс. Ускоритель содержит 10 гене-
раторов Маркса, 20 промежуточных накопителей энергии, 20 коммутато-
ров, 80 формирующих и передающих линий, 20 линейных импульсных
I рннсформаторов [105].
Резонаторные схемы генерации мощных СВЧ-импульсов. Наибольшее
распространение получили сильноточные ускорители на линиях с распре-
деленными параметрами. В этих ускорителях линии используются в ка-
честве быстродействующих емкостных накопителей, а многокаскадное
с жатие импульса обеспечивают сильноточные коммутаторы.
Формирование мощных наносекундных импульсов может также осу-
ществляться за счет временной компрессии высокочастотной энергии,
Накопленной в объемах высокодобротных резонаторов [55]. В таких объ-
емах энергия, поступающая от питающего источника СВЧ-колебаний (на-
пример, от магнетрона с мегаваттной мощностью в импульсах микросе-
Купдной длительности), накапливается в течение длительного времени.
I [«копленная СВЧ-энергия с помощью коммутаторов выдается в форми-
рующую линию за время, существенно меньшее постоянной времени
резонатора накопителя.
Накопление может производиться в резонаторах стоячей волны и
и резонаторах бегущей волны. Хотя различие между этими резонаторами
несущественное, обеспечить эффективную работу резонаторов бегущих
Поли на практике труднее, чем резонаторов стоячих волн.
В резонаторе запасается энергия, равная
PqQq
Info ’
(5-19)
I до Ро — мощность, поступающая в резонатор; Qo — собственная доброт-
ность резонатора; f0 — резонансная частота.
Время установления колебаний в резонаторе до уровня 63,2% стаци-
онарного значения напряженности
_1 1
vrp
(5.20)
196
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
(»0Х2
ГДе
— групповая скорость волны в резонаторе; — длшц»
волны в волноводе, по которому СВЧ-энергия поступает в резонатор,
ак =
<’>о
200^
— постоянная затухания волны при одном прохождении по кольцу обрш
ной связи в резонаторе бегущей волны.
5.5.3. Диоды с взрывной эмиссией электронов
Источником сильноточного электронного пучка, инжектируемого и
электродинамическую структуру СВЧ-генератора, может служить диод < <i
взрывной эмиссией электронов (ВЭЭ), металлодиэлектрический катод ниц
фотокатод, стимулируемый лазерным излучением. Основное общее свойг i
во перечисленных устройств состоит в том, что они способны за короткий
промежуток времени отдавать такие большие токи, которые невозможип
получить с использованием других известных устройств аналогичного ни
значения.
Плоский диод с ВЭЭ с холодного катода представлен на рис. 5.16 |К‘>|
Такой диод используется наиболее часто.
На металлический катод К плоского диода по передающей липин
подается высоковольтный импульс (/(/). Сеточный, или изготовленный
из фольги, анод А заземлен. Он почти прозрачен для высокоскоросшыл
Ф=-и0
d(0)
Рис. 5.16. Схематическое изо-
бражение плоского сильноточ-
ного диода с взрывной эмис-
сией; Ф — потенциал (анода
или катода соответственно)
к
электронов.
Высоковольтный импульс U(t) пари
стает в течение времени Тф] = 5... 10 п<
потом сохраняет постоянное значение и
течение т = 30...100 нс (вплоть до 1 мм )
и после этого спадает до нулевого зпачг
ния за время Тф2 = Тф1= 5...10 нс (рис. 5.(>)
Катоды с взрывной эмиссией эле к i
ронов имеют существенно неоднородную
поверхность. На заостренных неодп»
родностях электрическое поле, создав»
емое высоковольтным импульсом на к а
тоде, усиливается в сотни раз. После н<>
ступления импульса в течение первыи
нескольких наносекунд происходит апи>
электронная эмиссия с катодных микроострий, приводящая к взрыву и
образованию прикатодной плазмы. С этого момента электронная эмп<
5.5. Сильноточные электронные ускорители 197
W ----------------------------------------------------------------
кНН переходит во взрывную со свободной, т. е. обращенной к аноду по-
»• рхпости образовавшейся плазмы. Плазма расширяется со скоростью по-
риики г0 =(1...3)-106 см/с и в некоторый момент перекрывает промежуток
|»пк)Д — анод». Вплоть до этого момента под действием разности потен-
Ц11ЛЛОН анода и отрицательного заряда плазменного образования, численно
ряпиой приложенному к катоду напряжению, происходит ускорение элект-
|ии|ии При этом ускоряются практически только электроны слоя, обра-
Оющего указанную поверхность плазмы. Следующие за ними электроны
iiiiiiib перемещаются со скоростью v0, так как для них анод экранирован
ИМ тронами поверхности.
Как только плазма полностью перекрывает промежуток «катод —
ускорение электронов прекращается. Поэтому длительность импуль-
гн 1лектронного тока пучка (длительность пучка ускоренных электронов)
Йулст порядка
d(0)
т=-^, (5.21)
inc г/(0) — расстояние между катодом и анодом в диоде.
Пучок электронов такой длительности инжектируется в дрейфовую
Йку генератора.
При более детальном рассмотрении процесс взрывной эмиссии с ка-
тя п происходит следующим образом.
С поступлением на диод высоковольтного импульса локальная напря-
•гипость электрического поля на катоде может превысить 100 МВ/см.
И кто ль сильном поле с микронеоднородностей, всегда имеющихся на по-
Мрхности катода, вырываются электроны, а сами микронеоднородности
< гро разогреваются за счет таких электронов, и при некоторой темпера-
1ЦЧ процесс эмиссии переходит во взрывообразное испарение. Время от
момента подачи импульса напряжения до начала испарения острия, т. е.
Ц1СМЯ запаздывания взрыва острия т3, связано с плотностью предвзрыв-
НшО эмиссионного тока у’ характерного для данного катода, так что
.7
11||<>ивведение Je^3 есть величина постоянная, зависящая только от тепло-
>]>н 1ИЧССКИХ характеристик материала катода. Теплофизические характе-
рце гики — это теплоемкость, плотность вещества, коэффициент тепло-
нршюдности, коэффициент температуропроводности.
Плотность электронного тока ув в диоде, пока в нем протекает про-
iIfi < перекрытия плазмой пространства между катодом и анодом, опреде-
trtrrcn при eU0>> тес2 (в ультрарелятивистском случае) соотношением [89]
7 . gfZ0
Jb 2nd2(')’ (5-22)
198
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
где </(/) = d(0) — vot, т. е. обозначает расстояние от свободной поверхни
сти расширяющейся плазмы до анода в момент времени I, отсчитываемыII
от начала образования прикатодной плазмы.
Плотность тока je в плоском диоде ограничена действием простри и
ственного заряда электронов. Потенциальная эмиссионная способное i ь
катода со взрывной эмиссией существенно выше. Поэтому имеется boi
можность увеличения тока в сильноточных электронных пучках путем
нейтрализации заряда электронов в диоде.
Формула (5.22) с использованием релятивистского фактора элект|м>
нов пучка
может быть представлена в виде
. _ тес3 у
е 2nd2(t)
(5-М)
На величину термоэмиссионного тока при достижении им плотноеm
порядка 109 А/см2 накладываются и другие ограничения, вызываемы!
объемным зарядом электронов в области эмиттера. В частности, времц
задержки взрыва начинает зависеть от напряженности Е внешнего элгц
трического поля пропорционально £^3, то есть т3 ~Е~\
Формирование поверхности эмиттера происходит следующим обратом
При подаче на диод высоковольтного импульса первыми взрывают ен
микроострия, поскольку напряженность на них наибольшая. Испарин
шиеся частицы материала катода и других продуктов в сильном электричке
ком поле ионизируются, образуя плазменные сгустки (катодные факелы)
Температура электронов плазмы катодных факелов кТе = (1—5) эВ; ни
концентрация, в зависимости от плотности тока, равна п = 1018...1021) см 1
на расстоянии гк < 0,1 мм от поверхности катода и уменьшается ди
п = 10,3...Ю14 см-3 на расстоянии гк порядка миллиметров.
Возникнув, катодные факелы расширяются в окружающее катод ни
куумное пространство со скоростью (1...3)104 м/с. При расширении инн
сливаются друг с другом и образуют в непосредственной близости от ьн
тода сравнительно однородную эмитирующую плазменную поверхное и.
В ее формировании существенна роль эффекта экранировки (ослабленииi
внешнего электрического поля, сосредоточенного вблизи катода, элем
ронами, эмитированными катодными факелами.
5.5. Сильноточные электронные ускорители
199
Ослабление напряженности поля увеличивает время запаздывания
Мрыва оставшихся микроострий. Но для повышения однородности плаз-
мы и прикатодном пространстве желательно увеличивать число катодных
факелов (число испарившихся микроострий). Противоречие преодолева-
»|си за счет увеличения крутизны фронта высоковольтного импульса, т. е.
м счет увеличения dE/dt.
При большом значении dE/dt взрывная напряженность электрического
Ноля достигается почти одновременно для большого числа микроострий.
Энного промежутка времени не хватает для появления столь же большо-
10 количества электронов вблизи катода, порожденных ионизацией катод-
ных факелов, а значит, эффект экранировки оказывается слабым.
Катодные факелы способствуют как возникновению новых эмиссион-
ных центров на катоде под плазмой, так и новых микроострий. Этим, а
|икже и тем, что перенос массы с катода не превышает 10ц г/Кл, обсспе-
едппстся большой ресурс работы катодов.
► Электронный поток формируется из электронов, эмитированных фрон-
|(1М расширяющейся катодной плазмы. В свою очередь, в плазму элект-
|мин>1 поставляются из катода. Их источниками на катоде являются области
•Миссионных центров (области сработавших микроострий). Поперечные
|НиМсры таких центров измеряются единицами микрометров. Каждый
Центр представляет собой фазовый переход «материал катода — плазма».
Вылетевшие в вакуум электроны ускоряются приложенным к диоду на-
пряжением в направлении к аноду, который они бомбардируют. В резуль-
ЯЛт такой бомбардировки десорбируется (покидает поверхность анода) газ,
Ийииряется материал анода и образуется анодная плазма, которая расширя-
ется в сторону катода. Ускоренные тем же полем ионы способствуют об-
Ьоианию плазмы на катоде, чем усиливают ток пучка электронов в диоде.
Для использования по своему назначению пучок выводится из диода
1грубу дрейфа путем инжектирования (ввода) электронов, например че-
1*4 инодную фольгу. Фольга рассеивает электроны, чем увеличивает по-
нмрсчные составляющие их скорости.
Рассмотрев принципы и закономерности формирования и развития
Импульса в диоде, можно сформулировать следующие выводы.
1. Длительность импульса тока пучка в рассмотренном диоде ограни-
ЧДОшется интервалом времени от момента подачи высоковольтного импуль-
|И до момента перемыкания ускоряющего промежутка движущейся во
(речных направлениях катодной и анодной плазмой.
2. Высокая эффективность катода достигается при высокой однород-
ности плазмы на нем. В случае, когда межэлектродный зазор (размер
200 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
промежутка «катод — анод») задан, для повышения однородности пла ।
мы стремятся использовать материалы с малым временем запаздывании
конструкции катода с большим усилением электрического поля микро
неровностями, импульсы напряжения с высокой амплитудой и коротким
передним фронтом.
3. Наиболее слабым элементом рассмотренного вакуумного диода
источника мощного пучка электронов — является анодная фольга ин же к
тора пучка, которая к тому же увеличивает поперечный разлет электронок
Избавиться от фольги удается в коаксиальных диодах с магнитной
изоляцией, созданных на основе тех же катодов с взрывной электронной
эмиссией. Трубчатый пучок электронов формируется в них в сходящсм< и
неоднородном магнитном поле.
Поскольку нас интересует только потенциальная возможность форм и
рования сильноточных пучков электронов и их энергетические харакге
ристики, каких-либо сведений об особенностях конструкции конкрез пын
диодов и формирования в них пучков нужной формы и качества здесь н<
приводится. Такие сведения можно найти, например, в [27, 55, 56].
Цилиндрические диоды используются при реальных экспериментах в
плазменной релятивистской СВЧ-электронике. Схема такого диода с мш
нитной изоляцией изображена на рис. 5.17.
сильноточного диода с взрывной эмиссией
Этот диод генерирует тонкостенный трубчатый пучок электронов
В сильном магнитном поле с напряженностью Во расширением пучка по
перек поля можно пренебречь, поскольку в реальных условиях оно прот
ходит более чем на порядок медленнее, чем его продольное расплывание
Стационарный полный ток пучка определяется по формуле (\<н
v R
Согласно оценке [89] для пучка с энергией 100 кэВ и In— = 1 ток 1Л = 400 А
г v
'в
а при энергии 500 кэВ, т. е. при у= 2, ток 1ф = 3 кА. Практически это <|>>
досовские предельные токи для соответствующих цилиндрических в >|»ы
воэмиссионных диодов с магнитной изоляцией.
5.6. Электродинамические системы
201
Формируемый диодом сильноточный релятивистский пучок должен
Выть инжектирован в электродинамическую структуру, которая пред-
ки шачена для преобразования энергии пучка в энергию СВЧ-излучения.
5.6. Электродинамические системы
После того как сильноточный релятивистский поток электронов с
шсргией -1...10 МэВ сформирован и выведен из диода, требуется преоб-
ри ювать его энергию в энергию СВЧ-излучения. Такое преобразование
жуществляется в специальной электродинамической структуре (системе).
Преобразование происходит в результате взаимодействия полей зарядов
< |руктуры с ЭМП электронного пучка.
В момент инжекции пучка в электродинамическую структуру неизбеж-
ны нестационарные переходные процессы. Эти процессы представляют
। ОбОЙ индуцированные фронтом пучка в материале электродинамической
1щуктуры и среде, заполняющей ее полость (например, плазме), ЭМП,
Шряды и токи. Эти токи, в свою очередь, воздействуют в соответствии с
ыконом электромагнитной индукции на пучок. Согласно этому закону,
Ииперхность полости структуры и заполняющая ее среда стремятся пога-
опь возмущение, вносимое в них пучком.
При инжекции в вакуумное дрейфовое пространство электронного
пучка, когда действует сильное продольное магнитное поле, противодей-
11пие структуры оказывается таким, что через нее не проходит ток, пре-
иышающий некоторое предельное значение: пучок запирается полем сво-
И) пространственного заряда или происходит закручивание электронов
И собственном магнитном поле тока.
Так, при инжекции сплошного цилиндрического пучка в вакуумную
и меру его ток /0 и потенциал Фо не мотуг превысить значение [89]
з
' - 'l2
уЗ _]
.<____>_
, . R
l+4ln—
(5.25)
Слово «не могут» означает, что если ток пучка на входе в дрейфовую
камеру (ток инжекции) It > /0, то в камере формируется виртуальный катод,
игрнжающий такую часть электронного пучка назад, что дошедший до
конвектора ток не превышает /0.
Наличие в камере плазмы смягчает обратную реакцию, так как она
•К гично (а в плотной плазме практически полностью) нейтрализует заряд
202 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
и магнитное поле пучка. В результате через плазменную электродинамп
ческую структуру удается пропустить ток, существенно превышающий
вакуумный предельный ток. Эффект зарядовой и магнитной (токовой)
нейтрализации был обнаружен в первых же экспериментах по инжекции
мощного релятивистского электронного пучка в плотную плазму. В такой
с
плазме глубина скин-слоя — мала по сравнению с радиусом пучка /„
®р
Помимо зарядовой и магнитной нейтрализации пучка наличие плазмы
приводит к генерации обратного (на переднем фронте пучка) и прямою
(на заднем фронте пучка) плазменных токов. Обратный плазменный m
способствует меньшему искажению формы тока в собственных полях и
уменьшает затраты энергии электронов пучка на создание собственною
магнитного поля.
Ограниченность плазмы по радиусу гп в цилиндрическом металлшич
ком волноводе радиуса Л > гп наиболее существенно проявляется при ни
жектировании пучка на расстояниях от фронта пучка к - ve/| > — (в пло»
Y
кости инжекции пучка z = 0). В свою очередь, проводящая поверхнос 11.
волновода влияет на индукционные процессы при инжекции пучка в пла i
1
му только на расстояниях |z - ver| > — от фронта пучка при условии
где Jo, — функции Бесселя соответствующего порядка.
При этом ограниченность плазмы по радиусу проявляется в появлении
поверхностной волны (при выполнении условия ехр(<?)»1+у—, осп
'll
бенно если плазменный цилиндр имеет радиус, меньший, чем глубппп
скин-слоя). В некоторых генераторах эта волна является единственной
волной, развивающейся в СВЧ-излучение.
Таким образом в момент инжекции в замкнутое пространство элек 11 >< ।
динамической структуры пучок возбуждает в ней электромагнитные коне
бания многих мод, из которых лишь для некоторых выполняются в дань
нейшем условия их усиления за счет отъема энергии у электронов пучки
Энергия пучка — это та предельная энергия, которая потенциально
может быть преобразована в СВЧ-энергию. Из-за потерь лишь часть i
5.6. Электродинамические системы
203
переходит в энергию СВЧ-излучения. Эта часть определяет электронный
КПД генератора, который может быть достаточно высоким, до 80...90%.
В СВЧ-генераторах используются электродинамические системы с
|Ш «личными пространственными структурами. В сильноточных релятиви-
। гских СВЧ-генераторах электродинамические системы конструируются
1Ш основе отрезков волноводов с поперечными размерами, во много раз
превышающими длину волны. Внутренняя структура отрезков волново-
иОН может быть как гладкой, так и содержать замедляющую систему в виде
йииии передачи с периодически повторяющимися неоднородностями.
Линии изготавливаются в виде спирали, гребенки и т. п. В плазменных
рсли гивистских СВЧ-генераторах роль замедляющей системы выполняет
Плазменная среда. Для всех подобных структур характерен многоволно-
Мый режим работы.
Энергетические возможности сильноточного электронного ускорите-
ли используются эффективно, если СВЧ-излучение формируется в про-
цессе взаимодействия сильноточного релятивистского потока с несколь-
кими собственными ЭМВ электродинамической структуры. Эти волны
Имеют одну и ту же частоту, но отличаются либо направлением распрост-
ранения, либо пространственной структурой поля.
Электронный поток синхронизируется с ЭМП, если
<o-k-ve =л£2,
(5.27)
1Де ю — частота колебаний; к — волновой вектор; ve — скорость электро-
1КИ1, п = 0, + I, ± 2...; k ve — скалярное произведение векторов; £2 — ха-
рактерная частота колебаний электронов, зависящая от механизма излу-
СОп еДо
ЧПия. Так, например, при тормозном излучении Q = —, где (о0 -------,
у тес
у — релятивистский фактор, Во — индукция однородного магнитного поля;
W, и е — масса и заряд электрона; с = З Ю8 м/с — скорость света.
Дифракционное излучение реализуется при £1 =
•> где ve))
— ско-
I
рость поступательного движения электронов вдоль оси электродинами-
2тп>ец
ческой структуры, / — период структуры. При £2 = ——, где d — период
d
структуры однородного магнитного поля, имеет место ондуляторное из-
учение.
Из (5.27) следует, что в одной и той же структуре принципиально воз-
можно излучение на дискретном ряде частот.
204 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
5.7. Вакуумные сверхмощные СВЧ-генераторы
В сверхмощных релятивистских СВЧ-генераторах используются только
широкие трубчатые сильноточные пучки релятивистских элекгроноп и
сверхразмерные волноводы с диаметром Dv= 2Я»Х. В вакуумных СВЧ
генераторах с волноводными секциями круглой формы эффективны»
способ взаимодействия обусловлен связью медленных волн потока элск г
ронов с полями собственных аксиально-симметричных колебаний перво
дических волноводных секций электродинамической структуры на частотах
®(Лг,) = ЛгУе±н2лу-, « = 1,2,3...; (5.2Ю
Ас
• при одночастичном механизме вынужденного излучения электроне >»
пучка в периодически неоднородных системах и
со(Лг) = ЛгУе ± п2лу-±12в , « = 1,2,3...; (5.29)
Ас
• при вынужденном коллективном черенковском (рамановском) и i
лучении пучка в периодической системе.
В приведенных выражениях использованы обозначения: Lc — посто
янная, определяющая пространственный период неоднородностей замел
ляющей системы; f2B — частота плазменных колебаний пучка элекгроноп
kz — продольная относительно ve составляющая волнового вектора. В слу
чае простейшего релятивистского пучка (однородного в поперечном на
правлении) £2в=<ову~3.
В первом приближении таким условиям отвечают излучения электро
нов пучка, равномерно движущихся со скоростью ve в электродинамичс<
кой системе, периодически неоднородной с периодом Lc в направлении
движения пучка.
В генераторах с сильноточными пучками одночастичное излучение
практически не проявляется. Здесь преобладающими являются коллектив
ные механизмы вынужденного излучения.
При релятивистских энергиях и больших токах электронных пучков
направленные излучения сгустков электронов вызывают характерные мио
говолновые процессы. Д ля их развития требуется известный синхрон и im
пучковых волн потока электронов и собственных волн электродинамиче<
кой структуры.
Синхронное поле собственной волны определяется параметрами элск
тродинамической структуры, через которую транспортируется пучок
Поэтому излучение электронов можно считать черенковским, а сами источ
5.7. Вакуумные сверхмощные СВЧ-генераторы
205
ники СВЧ-излучения — черенковскими. Такое излучение стало основой
|| Гюты разных СВЧ-генераторов. Различие между ними заключается в
Периметрах пучка и электродинамической структуры. Но основное разли-
чии — в величинах тока пучка и ускоряющего напряжения.
S.7.I. Черенковские генераторы
Вакуумные черенковские генераторы сверхбольшой мощности — это
пдппчастотные пространственно-когерентные источники СВЧ-излучения,
функционирование которых основано на синхронизме электронов и ЭМП
Периодической структуры. При этом структура поля зависит от электронно-
10 потока, поскольку определяется его излучением. Черенковские гснера-
Юры обычно имеют секционированную электродинамическую структуру.
И реальных сверхразмерных электродинамических системах (волноводах)
I ipyKTypa поля излучения в первой (длинной) секции является сложной,
№и кальку взаимодействие потока и поля сопровождается излучением всех
•аг ментов секции и неоднородностей самого потока. Структура собствен-
ник полны системы тем не менее сходна со структурой поверхностной
*|Ц|11Ы волновода системы. Фаза поля этой волны почти постоянна вдоль
iMiWyca, а продольная компонента напряженности электрического поля
И 1>ь шети потока имеет минимум. Наличие минимума указывает на то,
но поток увлекает поле поверхностной волны и переносит его в следую-
щую, короткую, секцию. В короткой секции происходит формирование
МЮПИОЙ излучаемой волны.
Даже в однородной волноводной структуре в процессе равномерного
движения заряженной частицы со скоростью ve > Гф вблизи пространст-
•юпю-периодической поверхности в волноводе возникает черенковское
И шучсние вихревых ЭМВ. Когерентное излучение при многомодовом из-
Иучснии образуется вследствие коллективного возбуждения нескольких мод
1ML) одной частоты. Если электродинамическая структура осесимметрич-
на, то спектр волн, с которыми взаимодействуют электроны, дискретный.
3 in свойство обусловлено тем, что электроны взаимодействуют с несим-
Матричными собственными волнами (модами) структуры. В реальной
• фуктуре из-за ее конечности, неоднородности тока пучка, а также и по
И»К<>Горым другим причинам, спектр взаимодействия (и излучения) ста-
нииится непрерывным. Но лишь для некоторых из мод, вносящих вклад
I икну и ту же спектральную составляющую, выполняются в полной мере
пппшия усиления соответствующих им вихревых полей в процессе взаи
ЫплГЙствия с электронами пучка. Во многих СВЧ-приборах таковыми
опчются моды поверхностных волн.
206 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
В отличие от генераторов поверхностной волны в МВЧГ поверхнос i
ная волна не устанавливается, и в результате электронный пучок взаимо
действует с неоднородным спектром как поверхностных, так и объемным
волн структуры.
5.7.2. Многоволновый черепковский генератор
Обязательным элементом современных многоволновых СВЧ-геи.
раторов является одна или несколько волноводных секций. Волновод и
секции — сверхразмерный. Он может быть гладким или иметь периодц
ческую структуру. Секции волновода возбуждаются релятивистским эле к i
ронным пучком трубчатой формы. Условие генерирования многоводно
вого СВЧ-прибора, как и СВЧ-генераторов других типов, — обеспечспш
и поддержание синхронизма электронного потока и ЭМП собственной вон
ны системы. Особенность заключается в том, что синхронизм здесь м<>
жет выполняться одновременно для нескольких волн вихревого ЭМП пои
повода, которые при наличии соответствующего устройства (антенны),
согласующего выход генератора со средой распространения волн, буду!
излучаться в заданном направлении.
Черенковское излучение возникает при наличии соответствующе И
среды и выполнении условия
(5. М»
где ve =|ve| = const
— скорость электронов пучка; <о — частота черенкоп
, 2л
ского излучения; kz —— — продольная относительно ve составляющий
^z
волнового вектора черенковского излучения; Уф — фазовая скорость пои
ны черенковского излучения в направлении скорости ve.
Электромагнитные поля электронов, движущихся относительно элск i
родинамической структуры, возбуждают спонтанное излучение. Взаимо
действие спонтанно излученных волн на частотах, удовлетворяющих уело
вию (5.30), и электронного пучка обеспечивает формирование СВЧ-шву
чения, которое выводится из генератора.
На рис. 5.18 представлена схема, содержащая основные элемент
вакуумного МВЧГ [27].
Электродинамическая структура МВЧГ состоит из двух секций сперч
(Dv л.
размерного — »1 диафрагмированного волновода с одинаковыми
\ А )
периодами замедляющей структуры (Zc = £cl = Zc2). Секции соедини юн и
трубой дрейфа того же диаметра Dv.
5.7. Вакуумные сверхмощные СВЧ-генераторы
207
Fife. 5.18. Экспериментальный многоволновый черенковский СВЧ-генератор:
V— напряжение, подаваемое на катод с высоковольтного генератора импуль-
сов; / — катододержатель; 2 — отражатель; 3 — катод; 4 — коллимирующая
днифрагма; 5 — замедляющая структура первой секции волновода; 6 — дрей-
||><ншя труба; 7 — замедляющая структура второй секции волновода; 8 — соле-
ноид с катушками коррекции; 9 — несимметричный магнит; 10 — рупорная
антенна; 11 — выходное окно; 12 — излучаемая электромагнитная волна
I рубчатые электронные пучки диаметром 2гв = 5... 11 см и. током
/у • 6...35 кА формировались в коаксиальном диоде с магнитной изоля-
цией катода и взрывной эмиссией электронов. Диод помещен в неодно-
ршшос магнитное поле с напряженностью Во = 7...31,5 кГс при напряже-
нии на катоде U = 0,8...2,5 МВ. Длительность импульса напряжения на
иггодс диода 1 мкс при длительности переднего фронта 0,3...0,15 мкс.
Диплсние остаточного газа в электродинамической структуре не превы-
шало 7 • 10“3 Па.
В ходе эксперимента с МВЧГ использовались трубчатые графитовые
* о годы толщиной 1 мм и металлические катоды толщиной 0,1 мм. Обрат-
ный ток катодной плазмы устранялся магнитным полем, конфигурация
luioporo выбиралась с учетом прохождения его силовой линии ниже вер-
шплы отражателя 2.
) 1а выходе из электродинамической структуры пучок электронов рас-
НН1|»1Стся в неоднородном магнитном поле и они поступают на коничес-
►нй коллектор большой площади.
Для вывода мощного СВЧ-излучения из генератора в атмосферу ис-
||<|Ц|.’|уется рупорная антенна 10 с углом раскрыва 60°. Выходное окно 11
л ип метром 120 см выполнено из плоской полиэтиленовой пластины. От
Р» (рушения электронами, не осевшими на коллектор, окно предохраняет
[(•вцмметричный магнит 9.
Излучательные свойства антенны исследовались при возбуждении
рупора волной EOi круглого волновода. При напряженности электричес-
208
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
кого поля СВЧ-пробоя 30...50 кВ/см антенна позволяет выводить из гене
ратора в атмосферу СВЧ-излучение мощностью 10...20 ГВт с диаграммой
направленности, соответствующей волне Ет. Потери в антенне составим
ли около 50% от мощности генератора [27].
В МВЧГ используется взаимодействие пучка с полем неустанавлшш
ющейся из-за малой длины секций поверхностной волны, частота кош
рой близка к частоте тг-вида низшей полосы прозрачности.
В первой секции реализуется ЛОВ-режим и осуществляется модуляции
электронов пучка по скорости. Такая модуляция приводит к групп»
рованию электронов в сгустки за время пролета пространства дрейфа. Во
второй секции реализуется режим ЛЕВ с передачей энергии сгустков ЭМ 11
структуры секции. Описанное разделение функций условно, так как пи
деляет только преобладающие эффекты в секции. На самом деле модуляций
электронов в первой секции сопровождается обменом энергиями моду
лирующего поля и электронов, а энергоотбор во второй секции ведет к
изменению параметров сгруппированных сгустков электронного потоки
За счет энергии сгустков во второй секции возбуждается многоводии
вое излучение. Часть энергии этого излучения попадает в первую секцию,
чем обеспечивается обязательная для генераторов обратная связь. Гейс
рация излучения в одной отдельно взятой секции невозможна.
Предельный по мощности режим генерации обеспечивается за ечн
оптимизации длин секций и трубы дрейфа, расстояния между пучком и
структурой, величины магнитного поля, плотности тока пучка, согласо
ванием входа и выхода структуры с граничными средами.
Черенковский генератор оказался эффективным источником СН’|
излучения. Следствием сверхразмерности электродинамической струму
ры является формирование во второй секции направленного излучения i
диаграммой направленности, характерной для антенн бегущей волны. Это)
эффект иллюстрируется рис. 5.19 [27]. Безусловное достоинство многопои
нового черенковского СВЧ-генератора состоит в простоте фиксации ч:н
тоты и формы диаграммы направленности его излучения.
Известный по описанию в литературе [27] экспериментальный мин
говолновый черенковский СВЧ-генератор трехсантиметрового диапазон»
(1 =3,15 + 0,1 см) имел следующие параметры и характеристики режимы
работы:
диаметр структуры Dv = 14 см; период структуры
полная длина структуры Lo = 48,6 см; радиус диафрагм
ток пучка 4 = 15 кА; напряжение на диоде
Длительность излучаемого таким генератором импульса составляли
т= 60 нс, КПД генератора — около 50%.
Lc= 1,5 см.
г0 = 0,3 см.
и =2,1 МП
5.7. Вакуумные сверхмощные СВЧ-генераторы
209
Рис. 5.19. Угловое распределение логарифма мощности излучения
в зоне Фраунгофера; а — Н-плоскость; б — Е-плоскость
Мощность поддерживалась максимальной в сравнительно узком диа
IlHwiie параметров пучка. В частности, уменьшение напряжения на диоде
И гика пучка приблизительно на 10% приводило к уменьшению мощности
KHituc. То же происходило и при изменении диаметра пучка относительно
ннгимального.
Основные результаты исследования многоволнового черенковского
• |1'| генератора в режиме получения максимальной мощности (15 ГВт)
П|»дставлены на рис. 5.20 и 5.21.
Диаграмма направленности указывает на присутствие в излучении со
I ||1Пляющих как с вертикальной, так и с горизонтальной поляризацией.
Рис. 5.20. Диаграмма направленности излучения многоволнового
черенковского СВЧ-генератора: 1 — в вертикальной плоскости;
2 — в горизонтальной плоскости; 17=2,1 МВ, 1В= 15 кА, Во = 24,5 кГс
210 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
------------------------------------------------------------------
Распределение в пространстве мощности излучения с вертикальной пони
ризацией оказывается близким к распределению, соответствующему мош
Е01 круглого волновода.
По-видимому, наличие двух видов поляризации электрического ночи
и большой разброс мощности, регистрируемой в центре диаграммы пи
правленности, обусловлены нарушением аксиальной симметрии элсктрпи
ного пучка в процессе излучения [27].
Рис. 5.21. Спектр излучения многоволнового
черенковского СВЧ-генератора
Приведенный на рис. 5.21 спектр получен на основе усреднения cvm
марных результатов измерений спектральных характеристик излучгпия
МВЧГ генератора для разных направлений в пределах основного лучи ди
аграммы направленности и двух поляризаций.
Основная излучаемая мощность сосредоточена в пределах глапио
го лепестка диаграммы направленности и в окрестности единственны!
моды излучения. Оптимальный энергообмен обеспечивается при мини
мальной добротности электродинамической системы. Это характерна
свойство МВЧГ.
Приведенные диаграммы направленности и спектр излучения мпош
волнового черенковского СВЧ-генератора в режиме максимальной моши»
сти были получены для напряжения на диоде, тока коллектора и имнун
са СВЧ-излучения, формы которых представлены на рис. 5.22.
5.7. Вакуумные сверхмощные СВЧ-генераторы
211
Рис. 5.22. Характерные осциллограммы напряжения на диоде (а),
тока коллектора (б) и СВЧ-излучения (₽) в режиме максимальной
мощности (Р= 15 ГВт)
I оперирование сверхмощных гигаваттных импульсов СВЧ-излучения
l|h хспнтиметрового диапазона черенковским генератором сопровождает-
I образованием плазмы на поверхности электродинамической структу-
|0 И эрозией материала этой структуры, генерацией длинноволнового
Изучения и другими нежелательными эффектами. Все это затрудняет
hi пользование такого варианта многоволнового черенковского СВЧ-гене-
ри Ktpii в качестве многоразового устройства ФП.
При экспериментальном исследовании миллиметрового многоволно-
biiio черенковского СВЧ-генератора с -^- = 13 использовалась двухсек-
212 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
ционная структура с диаметром Dv= 11,8 см и периодом £с = 4 мм. Напри
жение на диоде регулировалось в пределах U = 0,9...2,1 МВ, а ток пучка
в пределах 1В = 7... 15 кА. Коллимирующая диафрагма была сменп<>||
полутбры с радиусом r0= 1 мм и г0= 1,2 мм, усеченный полутор высотой
h0 = 0,8 мм.
Взаимодействие пучка и поля в режимах ЛБВ было реализовано и
двухсекционных структурах с диафрагмами r0= 1 мм и г0= 1,2 мм Дни
структуры с r0= 1 мм максимальная мощность 1,8 ГВт достигнута на вопцг
X = 9,2 мм при U = 1,7 МВ, /в= 10 кА и КПД т] = 10%. Длительность С НЧ
импульсов составляла т = 60...70 нс (по нулевому уровню).
Для структуры с г0 = 1,2 мм максимальная мощность составляла 3 I Hi
на волне X = 9,72 мм и была достигнута при 6/ = 1,2 МВ, 1В = 12 кА и КИД
т] = 20% при той же длительности импульса т = 60...70 нс по нулевому
уровню. Экспериментально определенный спектр излучения предсташки
на рис. 5.23, а, а диаграмма направленности излучения — на рис. 5.23, Л
В результате эксперимента подтверждена также возможность пересi poll
ки частоты генератора за счет изменения напряжения на диоде: дли пи
волны излучения изменялась от 9,20 мм до 9,73 мм при изменении пи
пряжения в пределах 0,9...1,3 МВ. Однако отклонения напряжения hi
оптимального, равного 1,2 МВ, при неизменных геометрических пари
метрах прибора вели к существенному уменьшению мощности излучении
В эксперименте увеличение напряжения на диоде до 1,3 МВ приводи ш к
увеличению длины волны на -0,015 мм и снижению мощности в два ра щ
как показано на рис. 5.23, в.
Черепковский генератор миллиметрового диапазона испытывался пн
же в режиме ЛОВ — ЛБВ. При напряжении на диоде <7= 1,1 МВ, шм
пучка /в = 10 кА и диафрагмах почти прямоугольной формы было попу
чено излучение на волне X = 8,62 мм с мощностью 1,5 ГВт в импупьи
длительностью т = 60...70 нс по нулевому уровню. Относительная широко
A f
полосность излучения составляла ---= 0,2%, что соизмеримо с погрет
/о
ностью измерений. Тот факт, что измеренная по уровню 0,5 ширина сш к i
ральной линии излучения (0,2%) оказалась близкой к величине, обратки
длительности генерируемого импульса (0,1% от средней частоты), ук.иы
вает на высокую степень когерентности излучения многоволновою <<
ренковского СВЧ-генератора при — = 13.
X
В режиме ЛОВ — ЛБВ требуется более тщательная настройка, чем и
режиме ЛБВ. Отличие длин волн секций и диаметра пучка от onTHMajii.iiMi
5.7. Вакуумные сверхмощные СВЧ-генераторы
213
Р, отн. ед
9,2 9,4 9,6 9,8
Рис. 5.23. Результаты экспериментального исследования черепков-
ского генератора в режиме ЛБВ: а — спектр излучения; б— диаграм-
ма направленности в вертикальной (1) и горизонтальной (2) плоско-
стях; в — зависимость мощности излучения (1) и КПД (2) от длины
волны при неизменной геометрии электродинамической структуры
* личин вело к генерации в широком спектре частот, а диаграмма излу-
•I имя представляла собой хаотично расположенные пятна (в картинной
1пк1скости). При этом мощность падала до 0,5...! ГВт.
5.7.3. Гиротроны
Генерирование СВЧ-колебаний в гиротроне основано на использова-
нии вынужденных осцилляций электронов, вращающихся в однородном
Inn гоянном магнитном поле. Электроны инжектируются в электродина-
мическую структуру — резонатор — под некоторым углом к его оси, вдоль
МНорой направлены силовые линии внешнего магнитного поля. Резона-
11>рим может служить, например, круглый волновод. Электроны начинают
214
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
двигаться по спиральным (винтовым) траекториям с продольной Рц и
поперечной скоростями так, что при наблюдении с торца волновом
их движение происходит по окружности, радиус которой
VjL
rL=~, (5 4,
где S2 — циклотронная частота.
Для того чтобы генерация стала возможной, электроны пучка дол ж
ны быть релятивистскими. Только у таких электронов проявляется реп»
тивистский эффект зависимости циклотронной частоты от энергии. ’•>«[>
фект приводит к тому, что в процессе взаимодействия электронов »
СВЧ-полем они, обмениваясь с полем энергией, начинают вращать» >» <
разными циклотронными частотами. При этом электроны, смещаясь по
радиусу и по азимуту, собираются в сгустки.
Гиротрон можно рассматривать как разновидность мазера на цикли
тронном резонансе, поскольку в гиротроне, как и в мазере, электроны
взаимодействуют с ЭМП резонатора в условиях, когда фазовая скоро» п<
волны больше скорости света в вакууме.
Мазеры на циклотронном резонансе (и особенно гиротроны) являкн
ся наиболее мощными генераторами длинных импульсов в короткопол
новой части СВЧ-диапазона. Гиротрон содержит магнетронно-инжекюр
ную электронную пушку, нерегулярный волновод — открытый резонашр
и широкий коллектор электронов (рис. 5.24) [27].
Поток электронов, инжектируемых в резонатор, имеет достаточную
начальную закрутку и представляет собой, таким образом, совокупно» и»
возбужденных циклотронных осцилляторов. Под действием внешнею
фокусирующего однородного магнитного поля соленоида возникает <[»»»
зовая фокусировка осцилляторов. Она обусловлена зависимостью ча»|п
ты циклотронного вращения от энергии (скорости) частицы.
Образуются сфазированные сгустки, т. е. ансамбли электронов, имею
щих приблизительно одинаковую частоту вращения. Когда такой фазопын
сгусток попадает в тормозящую фазу взаимодействующей с ним волны
он отдает свою энергию ее электромагнитному полю. В результате ампин
туда волны увеличивается. Это можно рассматривать как индуцированшн»
излучение ансамбля циклотронных осцилляторов.
Если скорость электронов в гиротроне значительно меньше скоро» in
света, то такое излучение сопровождается изменением энергии попер» ч
ного (циклотронного) вращения без изменения продольной скорости ч.»
стиц. При этом процесс излучения внешне похож на аналогичный пр>»
цесс в квантовом устройстве, генерирующем в результате переходов межи»
энергетическими уровнями осцилляторов.
5.7. Вакуумные сверхмощные СВЧ-генераторы 215
Рис. 5.24. Схема экспериментальной модели гиротрона и распределение
мпгнитного поля по его длине: / — источник электронов (электронная
пушка); 2— соленоид; 3— волновод пространства взаимодействия (откры-
тый резонатор); 4— антенна и коллектор электронов; 5— вакуумное окно
В многомодовом открытом резонаторе гиротрона могут использоваться
(миичные моды. Селекция мод осуществляется выбором условий цикло-
1|нц|||ого резонанса и переходом к специальным резонаторам. Попереч-
ник структура поля, как правило, фиксирована, а продольная зависит от
•чвктронного потока.
кпд гиротрона с увеличением энергии электронов пучка падает,
INkжольку уменьшается число циклов вращения электронов на интерва-
Й в шимодействия с волной. Хотя в гиротронах с волноводами большого
чиймстра отмечались случаи самовозбуждения на модах с фазовыми ско-
рое I ими, близкими к скорости света, доплеровское преобразование час-
liiihi в них не происходит.
Кроме гиротрона (однорезонаторного генератора) известны работаю-
щие на том же принципе многорезонаторные гироклистроны, гиро-ЛБВ
и другие устройства. Во всех этих устройствах, как и в гиротроне, фазо-
мл скорость волн близка к бесконечности и происходит усиление коле-
(йпий на частотах, близких к критическим частотам волновода. При та-
йнх фазовых скоростях и частотах меньше всего сказывается неизбежный
|Mi6poc поперечных и продольных скоростей электронов. В частности,
нобой электрон, смещающийся относительно основной группы из-за
1>й Мроса скоростей вдоль оси резонатора, не выпадает из резонанса [27].
Среди упомянутых выше мазеров на циклотронном резонансе особый
iiuivpec представляют приборы со слабоускоренными бегущими волнами
(Уф > с). В таких мазерах (в отличие от гиротрона) волны излучаются под
216
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
малыми углами к оси симметрии резонатора. Самосогласованное взаимо
действие поля слабоускоренной бегущей волны и потока осциллятора и
(вращающихся электронов) приводит к усилению такой попутной вопим
с высоким КПД.
В отличие от гиротронов здесь электроны потока передают полю ион
ны преимущественно энергию своего продольного, а не вращательной!
движения. Это типично не только для мазеров, но и для лазеров на спи
бодных электронах.
С увеличением энергии электронов пучка возрастает роль коллскпш
ного собственного излучения их фазовых сгустков, так как усиливасн и
влияние эффектов когерентности зарядов. В ансамбле слаборелятииип
ских электронов эффекты когерентности приводят к самофокусировке
осцилляторов и даже могут вызвать самовозбуждение достаточно машин
объема нелинейной активной среды без какой-либо внешней электродв
намической системы.
В релятивистском потоке осцилляторов (вращающихся электроион),
как в движущейся среде, эффекты когерентности обеспечивают фа юную
самофокусировку электронов, взаимодействующих через излучение
пределах конуса направленного синхротронного излучения.
Условия возбуждения СВЧ-колебаний в гиротроне определяются дне
персионным уравнением. В случае трубчатого пучка, толщина степом
которого Дв существенно меньше радиуса вращения отдельного элскци!
на пучка в магнитном поле Во (rL » Ад), при генерации пучком волны ш
па Яо, в круглом волноводе дисперсионное уравнение имеет (без учета ссЯ >
ственных полей пучка) вид [55]
„2
®2 - с2 fc? + ) =------v , ---------------у , (s I л
Твх 40 ^ivoii Aj|V0||
где
Г 2 ( Hoi Afl
2 *11 ------- I 7
2 _ Wb Дв VOJL \ J p _ HOI .
Л A2 Q J2(g01) 1 R2
R — радиус круглого волновода; /,() и J2( ) — функции Бесселя пни
ветствующих порядков; ц01 — аргумент первого нуля функции Jt (>),
«=1,2,3,... — число вариаций возбуждаемой волны по азимуту; кОц,
начальные продольные и поперечные скорости электронов; сов — крут
вая частота плазменных колебаний электронного пучка. Первое ennui
5.7. Вакуумные сверхмощные СВЧ-генераторы 217
•мог в квадратных скобках описывает группировку электронов под воз-
действием электромагнитной волны, а второе слагаемое — инерционную
1||упиировку. Входящая в (5.32) величина 03 - — описывает фазовую груп-
С 2 2
Iицишку, обусловленную зависимостью J2 от энергии. Величина v0±k^ —
|||и|дольную группировку под действием магнитного поля.
11ри % —* 0 уравнение эквивалентно двум дисперсионным уравнениям:
<o-Aj|V0)) ±nQ = 0.
Эти уравнения описывают распространяющиеся по волноводу ЭМВ и
циклотронную волну электронного потока. Знаки ± соответствуют волнам,
ПИНривление движения которых совпадает или противоположно направ-
лению движения электронов. В первом случае возможно возбуждение нор-
Мйчьных доплеровских волн, а во втором — возбуждение аномальных волн.
Дисперсионные кривые, полученные в результате решения уравне-
ний (5.33), представлены на рис. 5.25.
Рис. 5.25. Дисперсионные зависимости: а — генерация встречной волны;
h — генерация на критической частоте; с — усиление попутной волны
Согласно расчетам [55], время развития неустойчивости при типич-
ных значениях параметров пучка и магнитного поля сравнимо с длитель-
V| V.
цостью пучка, если —<0,05 и составляет около 1 нс, когда — >0,1.
с с
Известные из литературы [55] характеристики некоторых эксперимен-
КИЫ1ЫХ образцов гиротронов, генерирующих импульсы наносекундной
длительности, приведены в табл. 5.5.
Уровень мощности выходного излучения до 2,5 ГВт при КПД -30%
мл достигнут на гиротроне с попутной волной. В нем использовался
218
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Таблица Л 1
Характеристики первых отечественных и зарубежных гиротронов
Длина волны, см Выходная мощность, МВт Энергия электронного пучка, МэВ Ток пучка электронов, кА КПД, %
6 1000 3,3 80 1
10 1500...2500 0,9...1,2 8 30
2 350 0,35 40 -
0,8 8 0,6 15 -
0,4 2 0,6 15 -
электронный ускоритель «Тонус», формирующий пучки электроноп <
энергией до 1,5 МэВ и током 60 кА в течение 50 нс (разработка ПИП
ЯФТПИ). Схема этого генератора и распределение внешнего магнитно!<>
поля по его длине изображены на рис. 5.24.
Пучок электронов в гиротроне «Тонус» инжектируется в круглый поп
новод диаметром 9 см через титановую фольгу толщиной 50 мкм, поме
щенную в области нарастающего магнитного поля, где индукция cocian
ляет 40% от индукции постоянной части поля, равной 0,3 Тл. Волновод
заканчивается рупором, перекрытым фторопластовым вакуумно-плотным
диском. Исследования гиротрона проводились при энергиях электроноп
0,9 и 1,2 МэВ, токе пучка до 8 кА и диаметре пучка 4 см. Начальные но
перечные осцилляции электронов связаны с их кулоновским расталкипп
нием, рассеиванием фольгой и усилением в нарастающем магнитном поле
Зависимость выходной мощности СВЧ-излучейия от индукции мш
нитного поля имеет резонансный характер. Генерация происходила ни
волне Нв с частотой 3100+100 МГц при фазовой скорости волны, пре
восходящей скорость света. Все свидетельствует о том, что основное и ы
имодействие осуществляется с поперечными электрическими составляю
щими высокочастотного поля при циклотронном резонансе.
Мощность СВЧ-излучения достигала 1,5 ГВт при энергии электроноп
пучка 0,9 МэВ и 2,5 ГВт при энергии электронов пучка 1,2 МэВ.
5.8. Плазменные сверхмощные СВЧ-генераторы
В плазмонаполненных электродинамических системах могут транспор
тироваться большие токи электронных пучков, недопустимые в вакуум
ных системах. Допустимые токи могут отличаться в 2...3 и более раз. I л
кая возможность обеспечивается зарядовой нейтрализацией электронно! о
пучка плазмой. Следствием может стать существенное (в четыре и боли
5.8. Плазменные сверхмощные СВЧ-генераторы 219
|М i) повышение мощности СВЧ-импульса, формируемого плазменным
ипсратором по сравнению с аналогичным вакуумным.
Возможна перестройка плазменных генераторов в очень широкой no-
doc е частот, когда отношение крайних частот диапазона перестройки со-
iшиляет 5...7 за счет изменения плотности плазмы. Такая возможность
иПлспечивается тем, что от концентрации плазмы, органически входящей
к востав электродинамической структуры, зависит набор мод собственных
ШЛИ структуры. Для таких мод наилучшим образом выполняются усло-
инч синхронизма с пучковыми волнами различных частот. Параметры
|*<1>1ТИвистского электронного пучка при этом остаются неизменными, т. е.
потребность в электронной перестройке частоты исключается.
Плазменная перестройка частоты может происходить с очень высо-
кой скоростью: время перестройки в полосе, характеризуемой коэффици-
ентом перекрытия kf= 7, составляет порядка 30 мкс. Такие скорости прин-
ципиально недостижимы в вакуумных релятивистских СВЧ-генераторах.
Плазменные СВЧ-генераторы на сильноточных релятивистских элек-
цюнных пучках являются принципиально импульсными. Они способны
Генерировать импульсы длительностью порядка 10—100 нс. Работа корот-
кими импульсами позволяет избежать проблем, связанных с появлением
нежелательных низкочастотных неустойчивостей плазмы в электродина-
мической системе (в основном за счет образования «паразитной» плазмы
й процессе бомбардировки электронами коллектора, при СВЧ-пробоях в
ИИКтродинамической структуре, из-за появления плазмы на стенках струк-
гуры под ударами электронов, покинувших пучок и других причин).
Задача эффективного вывода СВЧ-излучения из электродинамической
। нггемы сверхмощного СВЧ-генератора удовлетворительно решается толь-
ко а рамках плазменной СВЧ-электроники.
11ринцип действия плазменных релятивистских СВЧ-приборов осно-
и.ш па черенковском возбуждении собственных мод плазменного волно-
иоди. В известных к настоящему времени экспериментальных плазменных
I ВЧ-установках используются сильноточные релятивистские электронные
пучки с энергией электронов 0,5—1 МэВ. У таких генераторов релятиви-
I пкий фактор составляет у= 2—3 при токах пучков 2...10 кА. Электроны
• ниершают движение строго вдоль линий сильного магнитного поля.
Нейтронный пучок взаимодействует с прямой медленной плазменной
ни 1|!ой, так чтобы частота, излученная генератором, была в 2...3 раза
меньше плазменной частоты. При этом, так же как и во многих других
। перхмощных СВЧ-генераторах, возбуждение электродинамической сис-
! мы возникает за счет резкого изменения электрического поля в систе-
ме h момент перехода передним фронтом электронного пучка границы
220
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
(плоскости z = 0 на рис. 5.26) между сильноточным электронным ускори
телем и электродинамической структурой. Быстрое изменение поля ин
дуцирует спонтанное излучение плазмы и различных образований струи
туры. Спонтанные излучения, в свою очередь, вызывают появление и
плазме локальных плазменных колебаний: среди них всегда есть и такие
у которых фазовые скорости близки к скорости электронов пучка, при
чем соответствующие волны движутся попутно с пучком. В момент пере
сечения границы z = L (входа в волновод — рис. 5.26) попутные плазмси
ные волны частично отражаются, трансформируясь во встречную потоку
волну. Достигнув границы г= 0, эта волна полностью отражается, снони
становясь попутной, и т. д. С каждым проходом по длине системы за ciei
поступления энергии от электронов пучка (в процессе вынужденною
черенковского излучения) вызванная фронтом пучка локальная плазмси
ная волна нарастает по амплитуде и расширяется в пространстве. Koi ли
возмущение, связанное с плазменной волной, заполняет по длине не* i.
волновод, длина участка резонансного взаимодействия попутной плазмси
ной волны и электронного пучка становится максимально возможной
После этого требуется всего несколько проходов волны между входом и
выходом электродинамической системы (от z = 0 до z = L) для того, чтобы
установился квазистационарный уровень излучаемой мощности.
Таким образом, генератор не сразу включается в режим излучении
мощности заданного уровня. Для этого требуется некоторое конечное
время, именуемое временем включения генератора. В сильноточных гс
нераторах время включения составляет около 10 нс, а при малых токих
доходит до 60 нс.
Рис. 5.26. Схема плазменного релятивистского СВЧ-генератора: 1 — катод
ускорителя электронов; 2— релятивистский электронный пучок; 3— метал
лический волновод; 4 — плазма; 5 — коллектор релятивистского электрон
ного пучка (торец центрального проводника волновода); 6— коаксиальный
вакуумный волновод; 7 — рупор; 8 — анод; 9 — генератор высоковольт
ных импульсов; 10 — катушка индуктивности; II — вакуумный изолятор
5.S. Плазменные сверхмощные СВЧ-генераторы
221
Первый успешный эксперимент с плазменным релятивистским СВЧ-
ЮЮратором, схема которого приведена на рис. 5.26, был предпринят в
1983 г. [891.
Описанный процесс самовозбуждения генератора возможен только в
•нм случае, когда ток пучка 1В не меньше так называемого стартового тока,
। оставляющего ~О,267о, где /0 — предельно допустимый вакуумный ток
Дй>| мой электродинамической структуры, т. е. в отсутствии плазмы. На
рн< 5.27 приведена зависимость эффективности генерации СВЧ-излуче-
МИН при разных токах /в, вернее, при разных отношениях —. Как видно,
I 1о
И Мучение отсутствует до значения — = 0,26, после чего резко, скачком,
А)
эффективность возрастает до Т] = 0,17. Этот факт указывает на начало
|||исрации.
При токе порядка /в = О,45/о выходное СВЧ-излучение достигает
Максимального уровня. Дальнейшее увеличение тока пучка /в ведет к сни-
жению эффективности излучения вследствие отклонений от оптимальных
Условий генерации.
J *
J
° 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Wo
Рис. 5.27. Зависимость эффективности выхода излучения
из генератора ц от отношения А. [89]
4
Импульс высокого напряжения от высоковольтного источника 9 по
лается на взрывоэмиссионный металлический катод 1 диода-ускорителя
• полым цилиндрическим анодом 8. Диод формирует тонкий трубчатый
|ч'лнтивистский электронный пучок 2 со средним радиусом гв = 6 мм
И толщиной Дв = 1 мм. Пучок 2 инжектируется вдоль оси круглого ме-
I «одического волновода 3, предварительно, т. е. еще до введения в него
Пучка, заполненного трубчатой плазмой 4. Пучок и плазма находятся в
однородном магнитном поле Во = 2,5 Тл, формируемом катушкой индук-
I намости 10. Таким образом, в генераторе применен магнитоизолиро-
ЙИ11НЫЙ диод.
222 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Электроны пучка имеют только продольную составляющую скоро
сти ve. В конце пути электроны поглощаются торцом 5 центрального про
водника коаксиального выходного излучающего устройства 6. Проводник
таким образом, служит коллектором релятивистского электронного пуч
ка, и электронного пучка, заблаговременно создающего плазму. Колле к
тор электрически соединен с волноводом 3 (соединение на чертеже щ
показано).
СВЧ-волна генерируется в плазменном волноводе 4, распространяй
ся по вакуумному коаксиальному волноводу 6 и излучается рупором 7
Трубчатая плазма, образующая плазменный волновод, создается следую
щим образом. За внешней поверхностью анода имеется электронная нуш
ка, выдающая в течение десятков микросекунд электрический пучок ।
энергией около 0,6 кэВ и током до 100 А. Электронный пучок, проходи
через газ (к примеру, ксенон) при давлении ~10~3 мм ртутного столиц
ионизирует его. Плотность плазмы составляет -5 1014 см-3. Экспсримсп
ты проводились в распадающейся плазме при ее плотностях от 10*2 см *
до 5 1014 см3. При изменении плотности плазмы в этих пределах частот
излучения изменялась в интервале 5-Ю10 Гц < f< 2-1011 Гц. Толщина пли t
менного слоя Др = 1 мм, а его средний радиус варьировался в интсри.пп
7 мм < гр < 10 мм. Изменение гр приводило к изменению коэффициент
связи поля излучения с РЭП и соответственно к изменению механи imu
вынужденного излучения от томсоновского (одночастичного) к рама поп
скому (коллективному черенковскому) с увеличением зазора между пли
менным слоем и трубчатым релятивистским электронным пучком.
В рассмотренную схему заложены следующие основные идеи [891
1. Диаметр трубчатой плазмы больше диаметра пучка, и поэтому они
нс попадает в диод сильноточного ускорителя. Ранее для разделения пли
мы и диода использовались тонкая металлическая фольга, прозрачная дли
релятивистских электронов, но тем не менее ухудшавшая характерис । и
ки генератора и к тому же быстро выходившая из строя.
2. Селекцию мод можно осуществлять, подбирая радиусы трубча п>11
плазмы и трубчатого релятивистского электронного пучка.
3. Поперечные размеры пучка плазмы, волновода, а также плотней и.
плазмы и пучка, индукция магнитного поля постоянны вдоль длины гсш
ратора. Постоянство сильного магнитного поля вдоль всей электроднип
мической структуры обеспечивает отсутствие резонансного поглощающею
слоя. В рассмотренных выше вакуумных черепковских СВЧ-генерал <>| и *
электронный пучок проходит электродинамическую структуру в сильном
однородном магнитном поле и затем осаждается на боковые стенки ...
5.S. Плазменные сверхмощные СВЧ-генераторы
223
пола в области ослабленного магнитного поля. Такая схема коллекторной
области в плазменном релятивистском генераторе неприменима, так как
и области уменьшенной индукции магнитного поля возникает резонанс-
ное поглощение СВЧ-волны на внешнем радиусе плазменной трубки в слое
малой плотностью.
4. Поскольку возбуждается поверхностная плазменная волна, значи-
|спьиая часть ее энергии содержится не в плазме, а в вакуумном простран-
егпе между плазмой и стенкой волновода. Эта часть плазменной волны
имеет структуру, близкую к структуре ТЕМ-волны коаксиального излучаю-
щего устройства. В сочетании с высокой фазовой скоростью, близкой к
скорости света, это обеспечивает высокую эффективность вывода энер-
гии медленной плазменной волны в коаксиальный излучатель.
5. Применение выходного коаксиального излучающего устройства обе-
спечивает возможность эффективного вывода излучения в широкой по-
жюс частот.
Исследования плазменного генератора (рис. 5.27) проводились в режи-
ме одиночных импульсов (период повторения составлял несколько минут).
Последовательность включения элементов электрической схемы гснсра-
шров была следующей.
Сначала включалось импульсное магнитное поле с полупериодом 7 мс.
Через интервал времени Tj = 3,5 мс, когда магнитное поле достигало макси-
мального значения, включался источник плазмы. Плотность плазмы дос-
пп'пла максимального значения примерно через 30 мкс после включения
Плазменного источника. В этот момент времени подавался высоковольт-
ный импульс отрицательного напряжения на катод ускорителя. Импульс
имел длительность в интервале 30 НС...1 мкс. Последовательность вклю-
чения элементов электрической схемы генератора представлена графиком
нп рис. 5.28.
Как видно из графика, магнитное поле в процессе создания плазмы и
при прохождении релятивистского электронного пучка через плазму было
практически постоянным во времени.
Экспериментально установлено, что, хотя плазма позволяет транспорт
шривать токи 1В> 10, в плазменных генераторах, как и в вакуумных, со-
чиняется проблема использования больших токов сильноточных ускори-
Ьшсй при заданной энергии электронов. Техника не согласуется с физикой,
нпласно которой для повышения мощности СВЧ-излучения, вырабаты-
цйсмого генератором, нужно одновременно увеличивать и энергию элек-
фопов, и ток пучка. Опыт указывает на необходимость поиска оптималь-
ного соотношения между этими параметрами.
224
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
1ч
Рис. 5.28. Последовательность включения элементов электрической схе-
мы плазменного релятивистского генератора: В— индукция магнитного
поля; Uf — напряжение на катоде плазменного источника; U2 — на-
пряжение на катоде ускорителя электронов; ti = 3,5 мс; Т2=т1+ 30 мкс
В [27] имеются некоторые дополнительные сведения о результатах
периментов с тем же релятивистским плазменным генератором. В генери
торе использовался сильноточный релятивистский ускоритель «Терек II*
ФИАН СССР.
Ускоритель имел следующие параметры:
энергия электронов пучка
ток инжекции
длительность импульса тока инжекции
концентрация плазмы
магнитное поле, фокусирующее пучок
и плазму, однородное квазипостоянное
(с периодом 4 мс) с напряженностью
480 кэВ;
0,9 кА;
45 нс;
до 2-1014 см-3 (плазма в виде труЬш
охватывала пучок электронов);
до 3 Тл.
В результате экспериментов с этим генератором были установлены
следующие факты.
1. Мощность излучения практически не зависит от напряженно iк
фокусирующего магнитного поля в интервале 1.5...3 Тл.
2. В полосе длин волн от 2 до 5 см, в которой проводились итмс
рения, частота излучения всегда была в несколько раз меньше плазмеи
ной частоты.
3. Интегральная мощность излучения достигла 90 ±20 МВт при
КПД -21%.
4. В режиме генерации существует пороговая длина взаимодействия
При увеличении длины резонатора от 10 до 15 см мощность излучения
возрастала скачком по меньшей мере в 100 раз.
5.9. Виркатор
225
5. Эффективность возбуждения колебаний сильно зависит от каче-
нии пучка. Так, введение анодной фольги толщиной 90 мкм, приводя-
щей к расхождению электронов пучка на угол -21°, вызывало уменьше-
ние мощности СВЧ-излучения почти в 20 раз по сравнению со случаем
И отсутствия.
В целом характеристики плазменных установок пока отстают от соот-
мгствующих показателей вакуумных СВЧ-генераторов. У них сравнитель-
но низкая эффективность (ниже КПД), а энергия излучаемого СВЧ-им-
Иулъса размыта в очень широкой полосе частот, составляющей 20—30%
ОТ средней частоты.
5.9. Виркатор
Виркатор — общее название СВЧ-приборов с виртуальным катодом.
Ии|иуальный катод возникает при наличии положительного (относитель-
но потенциала катода) прозрачного (сетчатого) анода и большого объем-
ном заряда. Среди различных типов приборов, способных генерировать
импульсы гигаваттной мощности, виркаторы являются наиболее просты
мп и технологичными.
Для формирования большого объемного заряда, способного выполнять
роль виртуального катода, необходимо, чтобы в дрейфовое пространство
прибора из реального катода инжектировался электронный пучок с током
иыше некоторого критического.
Работа виркатора основана на использовании для генерации СВЧ-волн
собственного электрического поля зарядов сильноточных ускорителей.
Конструктивно виркаторы создаются в трех модификациях. Во-первых,
собственно виркаторы, в которых отрицательный импульс подается на
ян отд, а анод заземляется, как на рис. 5.29, а. Во-вторых, в виде рефлекс-
ного триода (рис. 5.29, б), в котором импульс положительной полярности
подается на анод, а катод заземляется. В-третьих, в виде редитрона, отли-
чающегося от собственно виркатора тем, что в нем вместо сетчатого
используется массивный анод с прорезью (рис. 5.29, в).
В зависимости от характера обратной связи, принципиально необходи-
мой для возникновения колебаний, виркаторы разделяются на две группы:
1) генераторы с электродинамической обратной связью доанодного
(досеточного) и послеанодного (послесеточного) пространств;
2) генераторы без электродинамической обратной связи.
На рис. 5.29 показаны схемы виркаторов без электродинамической
(•Лрптной связи. Схема виркатора с электродинамической обратной свя-
М> показана на рис. 5.30.
226
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Рис. 5.29. Модификации виркатора: а — собственно виркатор; б — вир
катор типа рефлексного триода; в — редитрон; А — анод; К — катод,
ВК — виртуальный катод; / — изолятор; 2 — сетка анода; 3 — окно для
вывода СВЧ-излучения. Стрелками указано направление СВЧ-излучения
По сравнению с другими релятивистскими генераторами виркаторы
обладают целым рядом достоинств:
• отсутствие замедляющей системы и предусмотрение в конструкции
использования довольно простой камеры волноводного типи
• работа без фокусирующего магнитного поля, что позволяет сни ши.
массу и энергопотребление установки;
• соизмеримость длины области взаимодействия потока частиц и иы
сокочастотного поля в резонаторе с длиной волны излучения;
• хорошее сопряжение с ВМГ как с источником запитывающего нм
пульса высокого напряжения;
• высокие пробойные напряженности;
• возможность высокочастотного управления;
• простота геометрии;
• допустимы запредельные токи.
К непосредственным следствиям перечисленных преимуществ они*
сятся: возможность изменения частоты генерируемых колебаний в очси>
широких пределах (изменением ускоряющего напряжения частоту можно
5.9. Виркатор
227
Рис. 5. 30. Виркатор с электродинамической обратной связью доанод
ного (досеточного) и послеанодного (послесеточного) пространств:
А — сеточный анод; К — катод; ВК — виртуальный катод; 1 — коротко-
замыкающие поршни; 2— модулирующий зазор в доанодном простран-
стве; 3 — отверстие связи доанодного и послеанодного пространств
«•менять в пределах до 0,4/q); простота конструкции, обеспечивающая
Простоту изготовления и эксплуатации; компактность приборов, что осо-
|впно важно при генерировании излучения в длинноволновой части СВЧ-
дщшазона.
На катод виркатора с генератора импульсов подается высоковольтный
импульс отрицательной полярности. Во время его действия с поверхнос-
•II катода происходит взрывная эмиссия электронов. Поток эмитирован-
ных электронов устремляется к положительно заряженному сетчатому
Иниду. Поле анода ускоряет электроны вплоть до момента пролета ими
•иодной сетки. К этому моменту каждый из проходящих сквозь сетку
нейтронов приобретает максимальную кинетическую энергию, которую
। подобно сообщить ему ускоряющее поле анода.
При пролете сетки примерно десятая часть электронов оседает на ней,
пбуславливая анодный ток. Остальные электроны продолжают движение в
Пространстве за анодом. Но теперь поле анода превращается для электро-
на в тормозящее. Под его воздействием электроны, прошедшие анодную
•«тку первыми, тормозятся. К ним присоединяются последующие электро-
ны, которые приобрели практически ту же кинетическую энергию, что и
первые, но далее двигались в более слабом тормозящем анодном поле (на
•иоде оседает новая порция электронов). В результате избытка кинетиче-
। кой энергии вполне может хватить для преодоления кулоновских сил
щ гплкивания уже остановившихся электронов. Значит, будет формиро-
МТЬСя плотное электронное облако — виртуальный катод.
В некоторый момент времени осевшие на сетке и находящиеся в непо-
। родственной близости по обе стороны от нее (уже прошедшие сетку и
подходящие к ней) электроны нейтрализуют внешнее поле анода. Эмити-
риинцные в это время катодом электроны не будут ускоряться полем ано-
m и начнут образовывать свое облако около катода. Анод соответственно
июни окажется положительным по отношению к такому облаку, и элект-
228 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражении
роны облака перейдут к ускоренному движению в направлении iniu<p>fl
сетки. В направлении сетки сдвинутся и электроны сформнроп пии» i
виртуального катода. Электрическое поле объемного заряда
катода начнет тормозить набегающие электроны до полной их <•< нно
и даже разворота в сторону движения к аноду. Такое относительно мри > ц I
нос смещение старого виртуального катода будет продолжаться до щ ом
пока новый сгусток электронов нс минует анод и, продолжая лиию-нм
нс преодолеет барьер, созданный старым виртуальным катодом, и in teipf
зует новый виртуальный катод на месте предшествующего. В д;ни шнцм
этот процесс повторяется.
В результате устанавливается сложный колебательный нрош п , >><*J
единяющий нс только периодические изменения плотности нит |рннщ
около анодной сетки, но и колебания виртуального катода как п< пт
го образования. Такого рода колебания невозможны без ускорении! н нм I
жения электронов, т. с. без электромагнитного излучения. Эго.укйи»
в свою очередь, взаимодействует с движущимися электронами, чем вш <нн
свой вклад в формирование генерируемого виркатором излучении |l rt <
стности, необходимая для устойчивой генерации обратная спя и. и пири
торс осуществляется за счет взаимодействия распространяют им ним
мерс (резонаторе) ЭМВ, излученных колеблющимися относи ген щи ш .«
отдельными электронами и виртуальным катодом, с электрнчп ю|Ы1!
лями разнонаправленных потоков электронов в пространстве юппн I
виртуальный катод. Таким образом, процесс формирования <11'1 iiiipt*
ния в виркаторе оказывается самосогласованным.
Такой представляется качественная картина генерации нпркитр-н»
СВЧ-излучения. В [57] изложена строгая теория работы вирюпори ‘йн |
зическис процессы в виркаторе оказываются весьма сложными 1<н|«ив
развита применительно к схеме системы с виртуальным катодом, йр I
ставленной на рис. 5.31.
d h
Рис. 5.31. Схема виркатора
5.9. Виркатор
229
h, Н 157] приведены также результаты моделирования действия виртуаль-
но катода в рамках разработанной теории.
•• Согласно строгой теории, в виркаторе действуют два механизма гснс-
ЭМВ. Первый связан с отражением электронов от виртуального
ц •'•да. Многократно отражаясь, они совершают колебательные движения
Иц'нространстве катод — виртуальный катод. Второй — с колебаниями
Ви ^’’Уального катода как целого в направлении к аноду и обратно к месту
1»«/3|,оначального формирования. Виртуальный катод начинает осцилли-
**агь притоках пучка электронов, больших некоторого критического зна-
ния, определяемого конфигурацией данной структуры.
JU, Применительно к первому механизму колебания виртуального като-
Иц Можно рассматривать как источник изменяющейся по величине и но
Правлению вынуждающей силы, воздействующей на электроны в нро-
’Листве катод — виртуальный катод. Под действием этой силы скоро-
ll “ электронов изменяются от нуля до околосветового значения. Период
Пленения скорости равен периоду Т колебаний виртуального катода. Од-
новременно с таким же периодом модулируется плотность электронного
Пикока. Фактически колебания виртуального катода вносят в систему
Попущения, определяющие параметрические резонансы в камере, т. е. в
^Новодном резонаторе.
Как схематически показано на рис. 5.31, система с виртуальным ка-
^Ом помещена в цилиндрический резонатор высотой h и диаметром 2Я.
с-^ При самых общих предположениях о функции распределения скоро-
электРонов, их концентрации по длине системы и плотности в попе-
ц~ *!ом сечении может быть получено дисперсионное уравнение. Это урав-
I]q йе описывает механизмы группирования заряженных частиц, условия
Н^Ьлен ия и развития неустойчивости (частоту и пороговый ток — гра-
Иц^У, выше которой появляется неустойчивость), величину максимального
^ремента (усиления возникшего колебания).
о- Так, для частного случая моноэнергетического слаборелятивистского
д0^°родного по углу пучка, осциллирующего в резонаторе с большой
частностью, установлено следующее.
д . 1. Инкремент тем меньше, чем меньше радиус пучка гв, используемого
возбуждения резонатора.
2. Инкремент тем меньше, чем меньше отношение длины генерируе-
волны к радиусу объемного резонатора R (рис. 5.31).
т0 При высоте потенциального барьера, создаваемого виртуальным ка-
^вк
£/(/)= J Ez(z.,t)dz,
о
(5.34)
230
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
превышающей кинетическую энергию электронов, вылетающих в при
странство анод — виртуальный катод:
U>(y0-\)mec2, (5.35)
вылетающие электроны останавливаются перед виртуальным катодом и
затем изменяют направление, т. е. начинают двигаться к аноду.
В (5.34)-(5.35) Ez (z,t) — составляющая напряженности электричек
кого поля в пространстве анод — виртуальный катод вдоль оси
— релятивистский фактор при скорости электрона ve; zBK — расстояние
анод — виртуальный катод.
Поворотное движение электронов эквивалентно смещению виртуаш.
ного катода, а с ним и максимума плотности пространственного заряда н
сторону анода. В процессе такого смещения виртуального катода величн
на плотности зарядов в виртуальном катоде растет, так как почти все вле
тающие в пространство анод — виртуальный катод электроны оказываются
захваченными движущимся им навстречу виртуальным катодом. С при
ближением к аноду величина потенциального барьера, создаваемого пир
туальным катодом, уменьшается, и в некоторый момент начинает выпои
няться неравенство
(/< (у0 — 1)тиес2. (5. IG)
При этом неравенство в течение некоторого времени усиливается, т к
отраженные от виртуального катода электроны покидают область анод
виртуальный катод, проходя через сетчатый анод в область анод — ка mil
или оседает на аноде.
Однако влетевшие в область анод — виртуальный катод новые элем
роны легко преодолевают низкий потенциальный барьер и продолжаю!
движение от анода за виртуальный катод. В результате виртуальный к и
тод начинает смещаться к прежнему (первоначальному) месту в резон
торе, где он вновь создает потенциальный барьер достаточной высоп.1
Далее процесс повторяется до тех пор, пока не прекратится поток элем
ронов, эмитированных настоящим катодом.
Ток отраженных виртуальным катодом и пролетевших сквозь n«-i •»
электронов оказывается промодулированным с частотой колебаний пир
туального катода. Соотношение между величинами этих токов измени
ется в зависимости от отношения тока инжекции к критическому. Hui
5.9. Виркатор
231
/Н(|Д » 7кр, то доля отраженного тока значительна и на прямой ток ин-
•₽кции накладывается модулированный отраженный ток. Таким образом,
I ииркаторе движется модулированный по плотности с частотой £2 элект-
риКНЫй поток, осциллирующий в несимметричной потенциальной яме.
Частота модулирующих колебаний, вызываемых осциллированием
•дейтронов относительно анода, равна
Q = 2л/ = — = -^ах-,
4тка 3 уа+1 d
1Л Тцд — время пролета электроном промежутка катод — анод. Время тка
Нирсделяется формулой
т 3 Ь+1 d
IF Ya *max’
(5.37)
1Л>
1
|l ^гпах
V г
I релятивистский фактор для электрона в момент пролета им сетчатого
инода, т. е. в момент, когда электрон имеет максимальную скорость vmax;
ti размер промежутка между катодом и анодом; F— гипергеометричес-
М1Й ряд, значения которого монотонно изменяются от 1 до 1,5 при изме-
нении уа от 1 до бесконечности.
Когда известна плотность тока зарядов j, значение F можно найти из
кип ношения
- _ 8 /р (Та 0 р2
94nd2 JyF-i
(5.38)
, mec3
1ДГ l0 =—— = 17 kA.
e
Частота колебаний виртуального катода определяется соотношением
. _ р Ya vmax
к 3 Ya+1 d
У реальных приборах эта частота немного меньше. Она лежит в пределах
1,92сор <ювк <2,31сор, (5.40)
(5.39)
Где Юр=е
, « = 0,07-^--^=^=----
ed —1 vmax
232
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Сравнивая (5.37) и (5.39), можно обнаружить, что частота колебании
виртуального катода совк примерно вдвое больше частоты £2.
Поскольку колебания виртуального катода выполняют роль возмути
ющей силы, которая вызывает параметрические резонансы, вирка) пр
оказывается широкополосным параметрическим прибором. Перестройку
частоты в виркаторе можно осуществлять либо за счет изменения напри
жения в промежутке анод — катод, либо длины самого промежутка, при
чем без нарушения условий параметрического резонанса.
Частота колебаний, генерируемых виркатором, зависит от величины
тока пучка электронов. Такая зависимость представлена на рис. 5 32
Характерное время развития неустойчивости в реальных вирка го
рах Тлуа 0,5...5 нс. Следствием неустойчивости является укорочение токи
на 0,5—5 нс.
5.10. Магнитоизолированный линейный генератор
Схема одного из вариантов магнитоизолированного линейного геп<
ратора (MILO) приведена на рис. 5.33 [55]. Отрицательное напряжешь
подается на длинный металлический цилиндрический катод, помещен.й
внутрь цилиндрической же (возможна и плоская) замедляющей струпу
ры. Замедляющая структура представляет собой диафрагмированный вон
новод, состоящий из примерно двадцати четвертьволновых ячеек.
В результате взрывной эмиссии на поверхности катода в простране i ш
генерируется ток 1Э, превышающий критическое значение
7кр = 17-----------------------L-, кА,
1+21п—
гв
где у — релятивистский фактор электронов, образующих ток.
(5ID
5.10. Магнитоизолированный линейный генератор
233
Рис. 5.33. Типичная схема MILO: 7— катод; 2— анод; 3—замедля-
ющая структура; 4 — щель для вывода СВЧ-энергии; 5 — антенна;
6 — колоколообразный колпак
Через промежуток анод — катод в таком случае протекает ток /кр,
й лектроны оставшейся части тока обеспечивают повышение потенциала
Ийсшней поверхности прикатодной плазмы до потенциала запитывающего
адтод отрицательного напряжения. Вокруг катода при этом образуется
радиальное электрическое поле Ег и круговое магнитное поле Вв (рис. 5.34).
Выходное СВЧ-излучение Замедляющая
Рис. 5.34. Принцип действия магнитоизолированного
линейного генератора (MILO)
В таких скрещенных электрическом и магнитном полях электроны,
покинувшие прикатодную плазму, начинают двигаться вдоль катода по
1]юхоиде или циклоиде с поступательной скоростью гд, равной
(5.42)
“0
v Z
причем — = —, где Z — импеданс линии; Zo — импеданс свободного
с Zo
Пространства.
Пучок этих электронов способен эффективно взаимодействовать с
одной из мод замедляющей структуры волновода, а именно с той из них,
у которой фазовая скорость Гф-Уд. В процессе взаимодействия проис-
'шдиг интенсивная группировка сгустков электронов в пучке и последую-
щий передача энергии сгустков излучаемой СВЧ-волне.
234 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Устойчивость работы MILO является следствием того, что при больших
напряжениях импеданс, а значит, и гд, не зависит от напряжения. В таком
приборе роль внешнего магнитного поля исполняет собственное малин
ное поле тока пучка. Это поле должно быть большим, и, следователь! и •.
импеданс СВЧ-генератора большим быть не должен. Импеданс системы
можно изменять, регулируя зазор между катодом и анодом. При этом
меняется соотношение между компонентами поля Ег и Ве.
Поскольку в приборе движение происходит, например, по трохоиде,
радиус которой обратно пропорционален собственному магнитному поли»
гт---, то рассчитывать на создание на основе MILO СВЧ-генераторп
Be
коротковолнового диапазона вряд ли стоит. Созданные к настоящему пре
мени MILO работают на волнах от 21 до 42 см. Оптимальной считаски
длина волны порядка 30 см. Длительности излучаемых импульсов состав
ляли 50...200 нс.
В конструкции рис. 5.33 анод прибора должен подвергаться интенсив
ному бомбардированию электронным пучком. Вследствие этого появляется
эрозия материала анода. Для продления срока службы анода на ток ни
кладывается ограничение. Предельно допустимое значение тока вдоль ос и
цилиндрического катода рассчитывается по полуэмпирической формуле
у1п1у + 7?2-1
4 = 8500--1(5.41)
йД
rK
где га и гк — радиусы анода и катода соответственно; у — релятивистский
фактор движущихся электронов потока.
Условие вывода СВЧ-излучения зависит от размера щели 4 на рис. 5.3 <
При этом должно быть обеспечено согласование с антенной.
На экспериментальной установке MILO в США на частоте/= 1,27 ГГн
были получены мощности Р = 2,0...2,5 ГВт.
Максимальный достигнутый КПД генераторов типа MILO составляв i
не более 5%. Имеется резерв повышения КПД.
5.11. Генератор мощных сверхширокополосных импульсов
Обязательным элементом рассмотренных выше мощных генератором
СВЧ-импульсов является источник высоковольтных напряжений нано- пли
даже пикосекундной длительности. Импульс подается в виде ТЕМ-волпы
на катод диода сильноточного электронного ускорителя. Энергия сфор
5.11. Генератор мощных сверхширокополосных импульсов
235
мированного ускорителем релятивистского пучка в электродинамической
системе преобразуется в СВЧ-излучение миллиметрового, сантиметрово-
го или дециметрового диапазонов волн. Общая эффективность при таком
преобразовании энергии высоковольтного импульса в энергию СВЧ-им-
нульса не превышает десятков процентов.
Однако имеется возможность непосредственно преобразовать энергию
высоковольтных импульсов в электромагнитное излучение. Для этого
Нужно подать высоковольтный широкополосный импульс непосредственно
h сверхширокополосную антенну. Характеристики излученного такой
питейной ЭМИ существенно отличаются от характеристик СВЧ-импуль-
Оп той же длительности и пиковой мощности [105].
Характеристики ЭМИ, излученного сверхширокополосной антенной,
нииболее заметно зависят от его длительности тс и длительности фрон-
та Тф.Так, ширина спектра частот Д/электромагнитного импульса без СВЧ-
Шполнения определяется как [13]
¥ = /в-/н. (5.44)
1ДС /в M-fn — соответственно верхняя и нижняя частоты спектра импульса.
Частоту fB принято оценивать по формуле
f 0,4
/,=----------------------------, (5.45)
ТФ
где Тф определяется как интервал времени между точками, соответствую-
щими 0,1 и 0,9 апмлитуды.
Нижняя частота /н определяется максимальной длительностью импуль-
са, которая почти всегда больше обычно принимаемой в расчет длитель-
ности на уровне половины максимальной (пиковой) мощности.
Когда говорят о ширине спектра сигнала, чаще всего имеют в виду
активную ширину спектра, т. е. ширину такого наименьшего интервала
чпетот, в котором сосредоточено 0,90...0,95 от полной энергии сигнала.
Но уровню 0,95 от энергии наиболее широкий спектр имеет прямоуголь-
( 2 ( 1 S
||ЫЙ импульс Д/с =— , гораздо уже — у треугольного Д/с =------ [73].
I X. , I 2тг
Г “ *' 2
Ни рис. 5.35 представлена зависимость Д/от параметров тс и Тф, усред-
ненная по многим импульсам.
Среднюю частоту спектра электромагнитного импульса без СВЧ-за-
ПОЛнения определяют как
(5.46)
236 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Рис. 5.35. Усредненная зависимость полосы спектра частот Д/
от параметров импульсов тс и Тф для многих форм импульса [105]
а по относительной величине
м 4/.
fc /в"*'/н Л+/н
(5.47)
судят о широкополосности:
Mf< 0,01
0,01 < Mf < 0,25
0,25 < Mf
излучение узкополосное;
излучение широкополосное;
излучение сверхширокополосное.
Схема формирования импульсов сверхширокополосного излучении
включает в себя (рис. 5.36) генератор высоковольтных импульсов напри
жения нано- и пикосекундной длительности; фидер, по которому импулы ы
напряжения (тока) поступают на вход антенны; сверхширокополосную
антенну, преобразующую энергию импульсов в энергию электромагнш
ного излучения.
Рис. 5.36. Схема источника импульсов широкополосного излучения: 1 — гс
нератор коротких высоковольтных импульсов; 2 — фидер; 3 — антенна
Форма излученного сверхширокополосного импульса не совпадас । <
формой импульса, поступающего на вход антенны с выхода генератора
Во-первых, причиной этого является ограниченность полосы пропуска
ния антенны; электрические колебания низких частот отражаются от вхппа
5.72. Антенны установок функционального поражения
237
шггенны. Для уменьшения влияния этого эффекта подаваемые в антенну
импульсы должны быть согласованы по спектру с ее полосой пропуска-
ния. Во-вторых, наибольшая энергетическая эффективность излучения
щсрхширокополосного ЭМИ достигается если на вход антенны поступа-
ют биполярные импульсы, такие, что j E(t)dt = 0.
о
5.12. Антенны установок функционального поражения
В сверхмощных СВЧ-генераторах одними из важнейших являются
Процессы ввода релятивистского пучка в электродинамическую систему
И вывода из этой системы СВЧ-излучения.
На входе электродинамической системы создаются условия свободного
входа электронного пучка в систему и одновременно полного отражения
>МИ обратно в объем резонатора системы. На выходе из электродина-
мической системы, напротив, создаются условия для максимально полного
поглощения электронов пучка, прошедших на выход системы (эту задачу
решает коллектор) и для почти свободного выхода СВЧ-энергии из генс-
ритора. В экспериментальных установках эта задача решается с помощью
коаксиального вакуумного волновода, переходящего в излучающий рупор.
Но поскольку рупор мало пригоден для формирования диаграммы на-
Ирввленности с узким основным лучом, в установке ФП выходной рупор
(гператора должен быть нагружен на специальную остронаправленную ан-
гПну (или же должен сам быть элементом соответствующей остронаправ-
пенной решетки).
В зависимости от места размещения установка ФП будет работать либо
и нижних слоях атмосферы, либо в диапазоне высот полета самолета-но-
сителя, либо в околоземном космическом пространстве.
При выводе СВЧ-излучения из генератора в окружающую среду ми-
нимальные потери наблюдаются, если выводимое излучение имеет высо-
кую пространственную когерентность. При таких условиях достаточно
Просто трансформировать излучение в волновой пучок с заданной геомет-
рией и требуемой поляризацией.
Исследования пространственной когерентности излучения проводи-
чмсь на черенковском генераторе трехсантиметрового диапазона волн с
=5 (X- 3,2 см; Р= 3...5 ГВт) [27). Была выявлена высокая простран-
А
। гпенная когерентность МВЧГ.
Аналогичные результаты были получены и для излучения релятивист-
»"i o дифракционного генератора [27].
238
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Поляризация излучения также оказывает существенное влияние пи
форму диаграммы направленности излучения. В исследованном MB’II
линии электрического вектора электромагнитного поля, которые ассоцн
ируются с поляризацией, были направлены по радиусам. В случае идеал!
ной аксиальной симметрии поле на оси было бы скомпенсировано, г. »
равнялось бы нулю. Реальное поле на оси отличалось от нуля, но были
существенно меньше, чем под некоторым (порядка 8°) углом к оси. Дин
получения максимума излучения в направлении оси оказалось необходн
мым сформировать линейно поляризованное поле. С этой целью в MB1 II
пришлось повернуть электрические векторы поля излучения в разпыч
точках апертуры выходного торца волновода на угол от 0° до 180°. Такой
поворот удалось реализовать, используя свойство анизотропии слоистых
диэлектрических сред.
Эксперименты по преобразованию поляризации излучения МВЧI »
Л
параметрами — -5 (1=3,2 см; Р = 3...5 ГВт) показали следующие р»
А
зультаты.
1. Мощность излучения с горизонтальной поляризацией (на кросс но
ляризации) не превышала 10% от основной компоненты.
2. Потери в слоистом диэлектрическом преобразователе составамии
30...40%, а так как потери в рупорной антенне многоволнового черенкоп
ского генератора достигали 50%, то сразу после преобразователя мощно» 11.
излучения основной компоненты была равна 1 ГВт.
На рис. 5.37 изображены пространственные распределения мощное i и
излучения до и после преобразования поляризации. На расстоянии -8,4 м
от преобразователя распределение (диаграмма направленности излучения)
приобретает форму гауссовой кривой при явно выраженной линейно)!
поляризации.
Рис. 5.37. Пространственное распределение мощности СВЧ-излуче
ния МВЧГ при отсутствии (а) и (6) при наличии преобразователя
поляризации на расстоянии 8,4 м [27]
5.12. Антенны установок функционального поражения 239
В экспериментах с МВЧГ была продемонстрирована принципиальная
возможность обеспечения высокой временной и пространственной коге-
рентности излучения многоволновых генераторов, а также возможность
формирования излучения с плоской поляризацией. Эти эффекты откры
ппют возможности создания со временем устройств ФП, обеспечивающих
когерентное сложение электромагнитных волн в пространстве и за счет
ттого значительного увеличения энергии излучения в точке расположе-
ния цели.
Антенная система, обеспечивающая излучения сверхмощного ЭМП,
должна в максимальной степени отвечать специфическим требованиям,
Предъявляемым к системам ФП. Широко используемые в эксперименталь-
ных установках рупорные антенны этим условиям, вообще говоря, не
отвечают. Специфичность требований к антеннам устройств ФП видна уже
и i следующего перечня основных решаемых ими задач.
1. Антенна должна излучать энергию СВЧ-импульса в пределах как
Можно более узкого углового сектора (узким лучом).
2. Транспортировать по фидерному тракту к излучателю импульсы с
очень высокой пиковой мощностью при приемлемом КПД.
3. Излучать импульсы наносекундной и даже более короткой длитель-
ности без существенного ограничения их спектра.
4. Обеспечивать быстрое переключение луча в пределах выбранного
рибочего сектора.
Параболическая антенна — одна из конструкций зеркальных антенн,
применение которых в устройствах ФП представляется наиболее прием-
лемым. Антенна представляет собой параболоид вращения с круглым
раскрывом и формирует луч игольчатой формы. Диаграмма направленно-
сти двухзеркальной передающей антенны системы Грегори (рис. 5.38)
Описывается соотношением (для одной плоскости)
, . Ji (&OSH10) , . .,
F(f)) = —------41 + cosO), (5.48)
v 7 tosine v 7
|дс fl — угол отклонения от оси симметрии антенны (в любой проходя-
щей через эту ось плоскости); J,(.) — функция Бесселя первого поряд-
2л со
mi; к = —- =---модуль волнового вектора излучаемой СВЧ-волны дли-
Л. с
ной к; а — радиус раскрыва большого зеркала.
Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощно-
сти (ширина основного луча) составляет
20О5=—, (5-49)
Эл
240
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Рис. 5.38. Двухзеркальная остронаправленная антенна системы Грегори (а).
ее диаграмма направленности (б) и структура двухлинейной сетки, пригодной
для формирования большого зеркала антенны (в): 1 — большое зеркало с
фокусом в точке Fx, выполненное в виде параболоида вращения; 2— эллин
тическое малое зеркало с фокусом в точке Г2, лежащим в плоскости раскрыва
облучателя антенны 3 (например, Р упора) на его оси [56]
где т — размерный множитель, учитывающий неравномерность облучи
ния раскрыва; если относительная величина поля на краю раскрыва нс
< 1° при — > ’<•
Л
менее 0,8 от поля на оси, то т = 60° и ширина луча 20о 5
Зеркала — металлические, с толщиной слоя металла не менее, чем и
три раза превосходящей толщину скин-слоя на самой низкой частоте |>и
бочего диапазона излучаемых волн. Главное зеркало может быть изгони!
лено из металлической сетки (рис. 5.38, в). Сетчатая поверхность аптеп
ны проигрывает сплошной по отражательной способности не более 1%,
если диаметр провода сетки превышает 0,01X, а размер ячеек меньше 0,1 л
Формула (5.48) хорошо работает при а > 50Х. К точности изготопш-
ния зеркал предъявляются довольно высокие требования: отклонение дп i
граммы направленности от расчетной пренебрежимо мало, если погреш
Л.
ность в выдерживании радиуса кривизны зеркала Аг < —. Если Дг - О, I л
5.12. Антенны установок функционального поражения
241
। пИжение коэффициента направленного действия, а значит, и коэффи-
циента усиления, приближается к 20%. Это крайне нежелательно при ис-
цнльзовании антенны в устройстве ФП.
Активные фазированные антенные решет ки (АФАР) сначала нашли при
мечение в РЛС дальнего обнаружения, а ныне применяются в различных
радиоэлектронных системах и в том числе в средствах радиоэлектронной
борьбы. Представляется возможным применение АФАР и в устройствах ФП.
Основное преимущество АФАР обусловлено тем, что когерентное сум-
мирование полей, излучаемых отдельными элементами решетки, позволя-
ет сосредоточить почти всю СВЧ-энергию в узком луче. Если луч перпен
популярен антенному полотну, ширина его минимальна. За счет изменения
||ц । колебаний, излучаемых элементами решетки, возможно изменение
ориентации луча относительно нормали к антенному полотну. Но закое
изменение ориентации луча приводит к его расширению. В АФАР, ис-
пользуемых на практике, применяются оба способа переориентации уг-
лового положения максимума диаграммы направленности излучения: как
механическое изменение положения плоскости решетки, так и электрон-
ное управление фазами колебаний, питающих элементы решетки.
Рупорные антенны едва ли могут использоваться как основные излу-
чатели в устройствах ФП. Но они могут применяться в составе АФАР и
Параболических антенн. В будущих устройствах ФП за рупорами скорее
iitciv сохранятся функции согласования между выходом СВЧ-генерато-
|нт и передающими антеннами. Необходимость в согласовании вызыва-
I геи тем, что мощность излучения на выходе электродинамической сис-
шмы в пространстве распределена крайне неравномерно (рис. 5.37, а).
Ио и рупор без дополнительных устройств не всегда может обеспечить
|рсбуемое согласование. Во многих современных информационных сис-
1гмпх ФАР запитываются от одного источника высокочастотных колеба-
ний, а управление положением диаграммы направленности выполняется
при помощи фазовращателей, включенных в цепи подачи высокочастот
Пых колебаний на элементы решетки. Для устройств ФП такое техничес-
ки' решение неприемлемо: слишком большой мощностью нужно управ-
'|1П'Ь в фазовращателях. По-видимому, модули АФАР устройств ФП должны
представлять собой СВЧ-генераторы большой мощности, каждый из ко-
и»рых нагружается на собственный излучатель. Из электродинамических
। метем мощных генераторов излучение выводится, как правило, вакуум-
ными прямоугольными или круглыми волноводами. Поэтому представ
чнсгся естественным использование в качестве излучателей АФАР сис-
н’м ФП именно рупорных антенн.
242 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Особенностью одиночной рупорной антенны является малая чуш i
вительность к изменению длины волны колебания, пока такие изменении
не выходят за пределы полосы пропускания волноводного тракта. Это сш>1|
ство особенно важно при излучении широкополосных колебаний, кощи
A f
----= 0,1 ...0,5, например, коротких импульсов с длительностью ти < 10 * с
или длинных импульсов с широкополосной внутриимпульсной модули
цией. Диапазонные свойства рупорной антенны характеризует график ни
рис. 5.39.
Рис. 5.39. Изменение коэффициента направленного действия
пирамидальных и конических рупоров при отклонении частоты f
от f0, на которой рупор имеет оптимальный КНД
Оптимальный рупор имеет максимальный КНД при заданной длппи
Увеличение длины рупора незначительно увеличивает КНД [66]. Дое нии!
ство рупора прежде всего состоит в простоге конструкции (рис. 5.40)
Пирамидальный рупор получается при расширении прямоугольною
волновода сразу в двух плоскостях. Конический рупор образуется расти
ряющимся круглым волноводом.
При использовании в качестве элемента АФАР угол раскрыва копичг
ского рупора определяется из условия максимума коэффициента напри и
ленного действия при минимальном уровне боковых лепестков.
Оценки показывают, что ФАР, содержащая N= 2 х 2 = 4 таких рупор!]
будет иметь диаграмму направленности с шириной главного луча Д0О, 11 •
(по уровню 0,5 максимальной мощности) при относительном урони*
боковых лепестков р~210-1 относительно уровня главного. Увеличена
числа рупорных излучателей в решетке до N = 10х 10 = 100 уменьши*’।
ширину основного луча до - 6° при уровне боковых лепестков -10 '. I Ipn
N= 100x100= 104 достигается Д0О5~О,5° при р -210-2. То есть рупор
не самый удачный излучатель для остронаправленных АФАР.
5.12. Антенны установок функционального поражения
243
Рис. 5.40. Пирамидальный (а) и конический (6) рупоры: Л — длина
рупора; </р — диаметр раскрыва конического рупора; ар — ширина
°п
раскрыва (в оптимальном рупоре R opt=yE-)
Фронт волны, излучаемой пирамидальным рупором, близок к сфсри-
•Нскому. Фазовые искажения в раскрыве определяются выражением [66]
2 2
• | У
<Ля ее
Г. к. у остроконечного рупора RE=RE= R.
Если не учитывать фазовые ошибки в раскрыве, то поле в дальней зоне
п главных плоскостях (Е и Н) выражается следующим образом:
f ka„
sin —-sin0
I 2
kap Q
—-sm0
2
где 0 — полярный угол, отсчитываемый от оси z в плоскости Е; г — рас-
с I 2п
стояние от центра раскрыва до точки наблюдения в волновой зоне; к = —;
Л
- напряженность электрического поля излучаемой волны в центре ра-
скрыва рупора; Хв — длина волны в раскрыве рупора; X — длина волны в
Щвободном пространстве; р — комплексный коэффициент отражения,
модуль и аргумент которого зависит от частоты (рис. 5.41).
, , . cos —-sin0
2
я х
Ду = --
Х.Л
= -^(х2+у2),
W >
(5.50)
,aL
Ев Еъ jnk\
l-p Q
---—COS0
1 + рХв
)е~^
£0, (5.51)
17—17 _ •
(₽" н^яХ
а 1-М I
cosO+---—
1 + Мв)
I
1- ——sin©
I X
e~jkr
Е0- (5.52)
244
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Рис. 5.41. Зависимость модуля |р[ и аргумента <р коэффициента
отражения открытого конца стандартного волновода от частоты [66]
Расчет по (5.51) и (5.52) не приводит к существенным погрешив* dim
лишь в случае относительно небольших фазовых искажений. Во веяний
п Зп
случае, они не должны превышать — в плоскости вектора Ей — ниша
2 4
кости вектора Н.
Если задана ширина луча диаграммы направленности в градусах и
уровне половинной мощности, размер ар может быть определен по фор
мулам
80^- когда задана ширина диаграммы
2Q0 5 ’ направленности в плоскости Е
53А, когда задана ширина диаграммы
20о ’ направленности в плоскости Н.
(5 П|
Соотношения (5.53) не верны для слабонаправленных рупоров (их /та
граммы направленности определяют экспериментально).
Конические рупоры возбуждаются в основном волнами типа //,, пар
Е01. Для рупора с оптимальными размерами (рис. 5.42) типичны диаррам
мы направленности, изображенные на рис. 5.43.
Ширина диаграммы направленности по уровню 0,5 оптимальпшн
конического рупора приближенно описывается соотношением [661
260,5
ЕА
hJ
'бО°Н
Г Ml
Так как в Е-плоскости основной луч несколько уже, чем в Н-п/кн ш
сти, то в случае необходимости одинаковой направленности в обеих .
костях круглый конический рупор деформируют, придавая раскрыву <[>< >рм»
эллипса с отношением полуосей -1,25. Вектор Е в таком рупоре орт и
тируется параллельно малой оси.
5.12. Антенны установок функционального поражения
245
Рис. 5.42. Оптимальные размеры конических рупоров в зависимости от
коэффициента направленного действия [66]
Рис. 5.43. Типичные диаграммы направленности оптимального
конического рупора при КНД = 17,7 дБ
246
Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
Коэффициент использования площади раскрыва оптимального копи
ческого рупора т)р = 0,5. Поэтому коэффициент усиления такого рупор»
примерно равен
X2
(5..YH
Для одного и того же значения КНД размеры конического и пирами
дальнего рупора отличаются незначительно. Поэтому выбор того или иною
типа рупора определяется требуемой структурой поля и конструктивны
ми соображениями.
Недостатки рупорных антенн — низкая направленность и значится i.
ные габариты (большая длина). Если рупоры и будут применяться в качг
стве антенн устройств ФП, то только в составе многоэлементных антенн
с коррекцией фазовых искажений на раскрыве.
Антенны сверхширокополосных излучателей конструируются в виде 11<Л
антенн (с параболическим рефлектором), ТЕМ-антенн и некоторых дру
гих. ТЕМ-антенна схематично изображена на рис. 5.44 [105].
Рис. 5.44. ТЕМ-антенна: 1 — фидер; 2 — антенна;
3 — антенно-фидерный переход
Антенна возбуждается импульсом тока, поступающим от генератор»
по фидеру, выполненному в виде полосковой или коаксиальной линии
При использовании коаксиальной линии требуется согласование ее <
антенной. С этой целью между линией и антенной устанавливается ко;н
сиально-полосковый переход.
Если частота следования импульсов тока не превышает 100 Гц, а ляп
тельность каждого из них меньше 0,3 нс, заполнять антенно-фидерны и
переход диэлектриком не обязательно. В этом случае оказывается доп»
точной электрическая прочность воздуха, достигающая при Тц < 0,3 нс in.i
5.12. Антенны установок функционального поражения
247
чения порядка 150 кВ/см. Когда длительность возбуждающего импульса
(Превышает 0,3 нс, переход должен быть заполнен диэлектриком.
Ширина ДНА в вертикальной и горизонтальной плоскостях растет с
увеличением угла раскрыва металлической пластины <р и угла между пла-
стинами 0 ( рис. 5.44).
Известны два недостатка ТЕМ-антенны. Во-первых, большая длина по
сравнению с пространственной протяженностью излучаемого импульса.
11<>-вторых, зависимость положения фазового центра от частоты.
Первый недостаток связан с тем, что антенна должна обеспечивать
югласование между фидером, имеющим волновое сопротивление (около
М).Ом), и свободным пространством Zo= 120 л = 377 Ом. Для лучшего
мсласования длину антенны L выбирают в несколько раз большей, чем
пространственная длина возбуждающего биполярного импульса. Обычно
/ > (2...3)сти. В случае возбуждения монополярным импульсом отноше-
L
Цис --- должно быть еще больше, так как основная часть энергии такс-
ой
(О импульса сосредоточена в области низких частот. Известно, что антен-
п М, размеры которых значительно меньше длины волны возбуждающего
Юлсбания, — это плохие излучатели.
Зависимость положения фазового центра от частоты приводит к до-
полнительному искажению излучаемого импульса. При высоких ампли-
tyflnx возбуждающих импульсов тока бороться с этим недостатком прак-
тически невозможно. А такие амплитуды в устройствах ФП действительно
ж лики: на вход подобной антенны уже подавались импульсы мощностью
10 ГВт.
Апертурная эффективность ТЕМ-антенны порядка 50%.
Схема антенны с параболическим рефлектором (IRA-антенны), исполь-
|*емой для формирования сверхширокополосного излучения, представ-
лена на рис. 5.45.
Возбуждающий импульс подводится к антенне по фидеру. Под воз-
цгйствием этого импульса замыкается газовый разрядник, заполненный
•йдородом под давлением 100 атм и расположенный внутри диэлектри-
ческой линзы. Срабатывание разрядника замыкает цепь емкостного на-
копителя энергии. Фактически антенна переводится в режим излучения
киротким, не продолжительнее 100 пс, фронтом импульса разрядного тока
емкостного накопителя. Длительность самого этого импульса примерно
fin два порядка больше длительности его фронта, а значит, и длительнос-
ти излучаемого импульса. Результатом такого соотношения длительнос-
1»й является низкая энергетическая эффективность IRA-антенны. Более
248 Глава 5. Многоразовые СВЧ-средства функционального поражения
того, продолжительное протекание большого тока через разрядник при
водит к сильному разогреву газа и эрозии электродов. На практике ни
ограничивает допустимую частоту повторения излучаемых импульсов и
снижает долговечность разрядника.
Рис. 5.45. IRA-антенна: 1 — фидер; 2— разрядник; 3 — диэлектрическая
линза; 4—пластины передающей линии; 5—параболический отражающий
диск; 6 — резисторы
Во время протекания тока разрядного импульса диэлектрическая инн
за 3 формирует сферическую ТЕМ-волну. Эта волна имеет постоянный
фазовый центр. Две V-образных антенны 4 направляют волну к n.ipit
болическому отражающему диску 5. V-образные антенны соединены i
отражающим диском через резисторы 6.
При расположении разрядника в фокусе параболоида сферический
волна, отражаясь от его поверхности, формирует волновой пучок с маной
угловой расходимостью. Соответственно сверхширокополосный имнуны
излучается в пределах узкой ДНА. Любое изменение положения p.i ijhhi
ника относительно фокуса (ближе или дальше от поверхности параЬшш
ида) изменяет расходимость пучка, увеличивает ширину ДНА. Смещение
разрядника в перпендикулярном направлении обеспечивает сканирование
луча в пространстве, хотя и в небольших пределах.
Угловая расходимость Д0 излучения зависит также от длины волны *
А
Как и у других антенн, расходимость пропорциональна отношению
длины волны к апертуре. Поэтому из-за большой расходимости длинно
волновой части широкого спектра длительность импульса уменьшаем и >
увеличением расстояния.
Апертурная эффективность IRA-антенны невелика, не превосходи i .’’•’I
5.12. Антенны установок функционального поражения 249
В известных источниках сверхширокополосного излучения, использу-
ющих антенны с параболическим рефлектором 0,5...4 м, амплитуда напря-
жения импульса достигала 150 кВ за время, не превосходящее 100 пс. При
ггом антенна диаметром 4 м обеспечивает ширину диаграммы направлен-
ности менее 2°.
Комбинированная сверхширокополосная антенна основана на совмест-
ном использовании элементов, имеющих общий вход, но разноименные
«псргии. Если у одних элементов в ближней зоне преобладает электри-
Чйская энергия, то у других элементов должна преобладать магнитная
«нсргия. Так, например, если нагрузкой фидера является общий вход двух
вибраторов, то полоса частот, в которой обеспечивается согласование фи-
дера с излучателями — вибраторами, может быть расширена, если совме-
। щгь объемы ближних зон таких вибраторов при условии, что в объеди-
ИчсМЫХ зонах преобладают разноименные реактивные энергии. Однако
того мало. Нужно, чтобы запасы реактивной энергии вибраторов одина-
ЮИ1ЫМ образом зависели от частоты и изменялись синфазно. В этом слу-
•luo при правильной взаимной ориентации вибраторов излучение оказы-
Инстся линейно поляризованным, а ДНА имеет вид кардиоиды.
На рис. 5.46 представлены два варианта конфигураций антенн, пред-
। тпляющие собой комбинацию электрического монополя длиной L
Рис. 5.46. Комбинированная антенна: 1 — электрический монополь;
2 — магнитный диполь
И мпгнитного диполя [130]. Линейные размеры антенн приблизительно
1'4«иы половине пространственной длительности биполярного импуль-
гй, т. е. £ =
СТ и
~Т'
ГЛАВА 6
ЛАЗЕРНЫЕ СРЕДСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО
ПОРАЖЕНИЯ
Лазер, являющийся оптическим квантовым генератором ЭМВ, ено
собен формировать в весьма узком телесном угле сильное ЭМП с выси
кой плотностью энергии. Свойство очень узкой направленности луча и
высокая энергетическая плотность излучения позволяют в принципе при
менять лазер в качестве средства ФП радио- и оптоэлектронных среда и
управления войсками и оружием [83].
Лазеры способны генерировать ЭМВ в широком оптическом дна
пазоне, однако как средства ФП практический интерес представляют опт и
ческие квантовые генераторы, работающие в так называемых «окнах про
зрачности» атмосферы, которым соответствуют волны оптически! о
диапазона 1 = 0,3—2 мкм, за исключением «непрозрачных» участков 1 = 0,ч\
1,15; 1,3...1,5 мкм.
Сформированное лазером ЭМП обладает высокой степенью прострап
ственно-временной когерентности.
Временная когерентность поля достигает значения /К()Г~0,1 с, благодари
чему удается получить сигнал с узким спектром (А/-10 Гц).
Практическая монохроматичность излучения обеспечивается двум и
обстоятельствами:
1) усиливаться и излучаться может только ЭМВ с частотой fa, удои
летворяющей равенству
где h = 2яГг = 6,6252-10“34 Вт-сек2 — постоянная Планка; (Е2-£\) — энер
гия, уносимая испускаемым фотоном при переходе атома активной с ре
ды с более высокого энергетического уровня 2 на более низкий уровень I.
2) генерация может возникнуть только на резонансных частотах рею
натора высокой добротности, образуемого, например, двумя зеркалами
Именно это последнее обстоятельство является причиной того, чк>
ширина спектральной линии лазерного излучения оказывается существен
но более узкой (приблизительно на 5...6 порядков), чем ширина линии
излучения при спонтанном переходе с уровня 2 на уровень 1.
аР
6.1. Принцип действия лазера 251
Высокая степень пространственной когерентности позволяет с помо-
щью простых оптических устройств концентрировать энергию поля в
письма узком телесном угле. Расходимость луча определяется выражением
4л’ (6.2)
1ЛС а и р — угловые размеры луча (ширина луча) в ортогональных плос-
костях, радиан.
Для современных лазеров угловые размеры луча оцениваются вели-
чиной а=р= 10...20 угловых секунд, поэтому пространственная расходи
мость луча имеет величину £2 = 1,9 10-1°...7,5 Ю'10. Величина £2-1 является
•киивалентом энергетического коэффициента усиления Сп антенны стан-
ции активных помех. Обычно Gn < 103... 104.
Можно отметить два механизма ФП радио- и оптоэлектронных средств
литерного оружия:
1. Непосредственное поражение электронных приборов путем прямого
воздействия сильного узконаправленного лазерного излучения.
2. Выведение из строя объекта за счет вторичного индуцированного
и злучения плазмы, порождаемой взаимодействием сильного ЭМП и твер-
дого вещества (например, материала обтекателя антенны). В таком слу-
чке возможно обратимое (временное) поражение электронного устройства,
которое через некоторое время восстанавливает свои функции. Этот эф-
фект здесь не рассматривается.
Способность лазера концентрировать энергию ЭМП в узком телесном
угле позволяет при сравнительно небольшой энергии излучения на выхо-
де оптической системы даже на больших расстояниях до подавляемого РЭС
создавать сильное ЭМП. С уменьшением расстояния R до объекта пора-
жения плотность потока энергии П растет обратно пропорционально квад-
рпту дальности до РЭС (без учета потерь в среде распространения)
Э Э
П=-------7 = (6-3)
4ril/?5 сфЯ2
•де Э — энергия излучения лазера.
При Э = 200 Дж, а-р= 10...20" и R= 10 км из (6.3) можно получить
11 1 Дж/см2, что уже достаточно для поражения некоторых полупровод-
никовых приборов.
6.1. Принцип действия лазера
Лазер — это оптический квантовый генератор, т. е. устройство, в ко
юром осуществляется генерация монохроматических ЭМВ оптического
диапазона вследствие индуцированного излучения. Структура лазера
252
Глава 6. Лазерные средства функционального поражения
Устройство
накачки
частота электромагнитного излучения
расходимость луча
ар
4л
Рис. 6.1. Устройство лазера
включает три основных элемента: резонатор, активную среду и генератор
накачки (рис. 6.1).
Резонатор обычно представляет собой размещенную между двумя зер
калами пространственно-локализованную активную среду (газ, жидкость,
твердое тело), находящуюся в возбужденном состоянии. В отсутствии
резонатора, в обычном состоянии, возбужденные частицы, например ат о
мы, переходят на более низкие энергетические уровни спонтанно, нс за
висимо друг от друга. Поэтому излучаемые ЭМВ не являются когерст
ными (степень их пространственно-временной когерентности у= 0).
Резонатор обеспечивает положительную обратную связь. Возникшая и
нем плоская ЭМВ распространяется в направлении, перпендикулярном
зеркалам, поочередно отражаясь от них при каждом прохождении скво и.
активную среду.
Однако, как и другие генераторы, лазер будет генерировать только при
выполнении порогового условия. Суть этого условия состоит в том, чти
усиление активной среды должно компенсировать все возможные потерн
в лазере. Пороговое условие начинает выполняться, как только достигаете и
значение критической инверсии, определяемое выражением [71]
(JV2-7V,) =_|п^1-^21, (6 1)
v 2 Ukp 2сг/
где N2 и —населенности среды, т. е. количество атомов в единице о(п.
ема активной среды, находящихся соответственно на верхнем 2 и на пн*,
нем 1 энергетических уровнях, которые определяют излучение лазера;
6.1. Принцип действия лазера
253
11 ^отр2 — коэффициенты отражения зеркал по интенсивности (одно из
юркал полупрозрачное); / — протяженность активной среды; о — харак-
1Срная площадь (сечение перехода с энергетического уровня 1 на энерге-
тический уровень 2, и наоборот).
Как только достигнута критическая интенсивность, генерация разо-
вьется даже из спонтанного излучения.
При включении устройства накачки, например газоразрядной лампы,
итомы в резонаторе совершают переходы на одинаковые, более высокие
шсргетические уровни уже не спонтанно, а упорядоченно. Эти переходы
фнзируются за счет внешнего излучения устройства накачки и наличия
резонатора с очень высоким качеством, которое обеспечивается высоко-
1схнологичными приемами изготовления отражательных зеркал резона-
шра (рис. 6.1). Любой квант света, возникающий в результате спонтан-
ного или вынужденного перехода частиц с верхнего уровня на нижний,
будет размножен индуцированным излучением других возбужденных ато-
мов на той же частоте. Так образуется лавина фотонов, что дает мощное
и «лучение очень высокой степени когерентности (почти монохромати-
ческое). Роль резонатора сводится к тому, что он из всего возможного
Ы1сктра колебаний 5(/) выделяет только те типы (моды), на которые он
НВСтроен. Одно из зеркал (непрозрачное) имеет коэффициент отражения
А'огр= 1’ а втоРое — полупрозрачное с KOJV < 1 служит для вывода во внеш-
нее пространство сформированного лазерного луча.
Спектр лазерного излучения дискретный. Он содержит большое чис-
ли N спектральных линий. Так, для твердотельных лазеров число типов
Колебаний (мод) N- 100, средняя частота /л = 310м Гц, интервал между
юеедними типами колебаний Д/л~1,7 108 Гц, а ширина спектра каждой
линии составляет примерно Д/- 1...10 Гц.
Некоторые обобщенные характеристики лазерных устройств приведе-
ны в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Активная среда Длина волны, мкм Энергия импульса, Дж Длительность импульса, с Диаметр луча на выходе, мм
Стекло с ниодимом 1,06 15 1()3 8
Рубин 0,69 300 10-3 6
(Текло с ниодимом 1,06 150 10-3 6
11олупроводник 0,84 10~4 - -
1 паевая He+Ne 1,15 2 IO 2 Непрерывный режим 10
254
Глава 6. Лазерные средства функционального поражения
6.2. Особенности применения лазера
Лазер как оружие ФП способен формировать ЭМИ с большой тин
ностыо энергии П. Настолько большой, что ее достаточно для поражении
некоторых опто- и радиоэлектронных устройств на значительных расе о
яниях (около 10 км). Однако вследствие весьма малого сечения луча
всего несколько десятых 0,2...0,8 м2 на расстоянии Я = 20 км возник.и i
проблема точного его наведения на поражаемый объект или, тем более па
элемент этого объекта (например, на фотоприемник ИК-головки самонп
ведения ракета), который тоже имеет весьма малые размеры. Поэтому и
состав лазерного комплекса поражения входит устройство оптоэлектрон
ной разведки и наведения луча лазера на объект поражения. На рис 6
представлена структурная схема комплекса оптоэлектронного поражении
типа «Немезис» [114].
Этот комплекс разработан фирмой «Нортроп Грумман» и предна ши
чен для борьбы с УР класса «земля — воздух» и «воздух — воздух» с 11К
головками самонаведения. Комплекс оптоэлектронного поражения р.т i
мешается на самолетах и вертолетах. Основу его составляют лазер и
подсистема информационного обеспечения. Всеракурсная оборона ПЛ
обеспечивается размещением лазера на подвижной платформе турслыш
го типа (рис. 6.3).
Сигналы тревоги от датчиков, работающих в ультрафиолетовом, а пн i
можно, и в ИК-диапазоне, поступают в приемник, который фиксируй ।
факт пуска ракеты и грубо определяет сектор атаки. Уточнение угловых
координат УР производится прецизионным пеленгатором, в состав кош
рого входит оптическое устройство точного сопровождения и приемип»
детальной разведки. Сигналы приемников обнаружения и детальной ра i
ведки поступают в устройство обработки информации, в котором опре
деляются типы целей, их приоритеты и точные пространственные к<и>р
динаты. Эта информация в виде формуляров целеуказания поступает и
устройство управления, принимающее решение о необходимости nopa*i
ния наиболее опасной цели Стратегия обороны (ФП, маневр или прим*
нение других средств) в виде команд К передается на устройство напет
ния луча лазера на объект поражения ОП. Для наведения луча лазера пи
ОП используются сигналы точного целеуказания, поступающие от пелен
гатора (приемника детальной разведки и целеуказания). На индикатор!
летчика формируются символы, несущие информацию о воздушной он
становке, принятой стратегии обороны и т. п. Команды К, определяюшп'
стратегию обороны, подаются из устройства выбора стратегии оборони
на устройства выброса ложных целей, на станции некогерентных актипны'
6.2. Особенности применения лазера
255
Рис. 6.2. Структурная схема комплекса оптоэлектронного поражения: ОУО — оптическое устройство
обнаружения пуска ракеты; ОУС — оптическое устройство сопровождения ракеты
256
Глава 6. Лазерные средства функционального поражения
Рис. 6.3. Схема ФП управляемой ракеты лазерным оружием: КОЭП — коми
леке оптоэлектронного поражения; 1 — лазер; 2— оптическое устройство.
3 — головка самонаведения управляемой ракеты
помех, на устройства управления заметностью летательного аппарата и
возможно, на некоторые другие (рис. 6.2).
Точность целеуказания определяется оптическим устройством п>
провождения ракеты, которое представляет собой матричный фотопрш м
ник с матрицей 28 х 28 (256 х 256) и цифровой обработкой сигналов. Гоч
ность сопровождения составляет о = 0,2°. Однако даже такая высокая
точность не обеспечивает прицельного наведения луча лазера с шириной
а= р= 10...20 угловых секунд на весьма малогабаритный поражаемый >ш
мент оптического устройства головки самонаведения. Например, coupe
менные матричные фотоприемники ИК-головок самонаведения имею)
угловые размеры, не превышающие угловых секунд. Если радиус anepiy
ры такого приемника г= 25 см, то ее угловой размер при наблюдении ।
дистанции Я = 10 км будет примерно равен 10". В этом случае вероятное и.
облучения ГСН составит величину порядка 10~4...4 10 4. Поэтому некою
рого увеличения вероятности ФП фотоприемников ГСН можно ожид.ш.
за счет сканирования луча лазера в выбранном с помощью устройства иг
леуказания телесном угле 20" х 20". Такое сканирование луча лазера мн
жет происходить естественным образом из-за случайных перемещений 5 Г
и ЛА, на котором установлен КОЭП. Но и в этом случае вероятность пП
лучения ГСН лучом лазера не превысит 1О"3...2 10~3.
Лазерные пучки воздействуют на поверхностный слой материала мп
шени. Поэтому они разрушают тонкостенные оболочки тепловым и ин
ударным воздействием.
Атмосфера прозрачна для лазерного излучения в диапазоне длин попн
0,3.:.2 мкм. Это несколько шире видимой области. В ИК диапазоне <>.+ •
есть окна прозрачности, где отсутствуют линии молекулярного попн.
ния различных атмосферных газов и аэрозольных примесей. Для длин тын
6.3. Оценка поражающего действия лазера
257
менее 0,3 мкм атмосфера абсолютно непрозрачна. Но даже и в диапазоне
I прозрачности атмосферы лазерный луч рассеивается в облаках, в тумане,
11 1 аэрозолях и пылинках.
6.3. Оценка поражающего действия лазера
Плотность энергии в пучке лазерного излучения, нужная для того,
Чтобы прожечь алюминиевую поверхность ракеты с эффективной толщи
НОЙ 1 г/см2, составляет около 1 кДж/см2. Для магниевых сплавов — при-
мерно столько же. Для титановых — в 1,5 раза больше [83].
Термодинамические характеристики и параметры некоторых матери-
алов авиационной и ракетной техники (точнее, некоторых веществ, на
основе которых эти материалы создаются) приводятся в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Материал Температура плавления, °C Теплота плавления, Дж/г Температура кипения, °C Теплота испарения, Дж/г
Алюминий 660 1060 2500 12 000
Магний 650 1090 1095 6000
Гитан 1670 1500 3300 10 000
Кремний 1415 2760 3250 16 000
Углерод 59 250
Для характеристики поглощения энергии лазерного излучения в тон-
ким поверхностном слое материала важна длительность воздействия (дли-
тельность импульса излучения) и температуропроводность материала х-
1*СЛи температуропроводность велика, материал за время действия импуль-
cil облучения прогреется на большую толщину. При низкой температуро-
щиюодности можно расплавить или даже испарить вещество малого уча-
стка поверхностного слоя мишени, причем остальная конструкция даже
И не нагреется. Коэффициент температуропроводности % имеет размер-
ность см2/с и показывает, за какое время Т прогревается слой материала
тлщиной А:
л2
Т = ~ (6-5)
А.
ИЛИ обратно — на какую глубину проникнет тепло при импульсном на-
ipcnc поверхности:
(6.6)
258
Глава 6. Лазерные средства функционального поражения
Коэффициент х — величина, производная от плотности, теплопровод
ности и теплоемкости материала:
где kj — коэффициент теплопроводности; Ср — удельная теплоемкое и.,
р — плотность материала поражаемого объекта.
Для некоторых веществ, входящих в материалы ракетной и авиациоп
ной техники, параметры температуропроводности приведены в табл. 6 I
Таблица О I
Материал Плотность р, г/см3 Теплоемкость С_, Дж/гК Коэффициент теплопроводно- сти, Вт/см К Коэффициент температуропро водности х, см ’/<
Алюминий 2,7 0,9 2 0,830
Магний 1,74 1,0 1,0 0,57
Титан 4,5 0,5 0,2 0,86
Медь 8,9 0,83 4,0 1,15
Углерод 2,25 0,71 1,0 0,625
Если длительность лазерного импульса т» Т, то происходит нагрев,
если же т « Т, то имеет место импульсный удар.
Пусть эффективная толщина поглощения энергии в материале обшив
ки ракеты, подвергающейся воздействию лазерного облучения 8 г/см2, и
плотность потока падающей энергии Q, Дж/см2 достаточно большая, так
что удельный энерговклад
? = Дж/Г’ <6 К>
о
существенно выше теплоты испарения.
Созданный в результате испарения вещества газовый слой распрос i
раняется в окружающем пространстве, передавая поверхности ракеты
удельный импульс
В результате материал обшивки приобретает некоторую скорость.
Допустимая скорость (не превосходящая порога разрушения) должна
составлять малую часть скорости звука в веществе материала (предел 1%)
Пусть у импульсного лазера т ~ 10'8 с (10 нс). Тогда эффективная тол
щина зоны поглощения лазерного излучения 8 для алюминия 310-4 г/см'
Для других материалов — примерно столько же. Скорость распространении
6.3. Оценка поражающего действия лазера
259
тука в алюминии v3B
6-103м/с (здесь Е— модуль упругости,
р — плотность).
Для эффективной толщины обшивки 8=1 г/см2 предел ударной проч-
ности составляет примерно 10 кДж/см2. Удельный энерговклад q такого
импульса существенно выше теплоты испарения (для того же алюминия
12 кДж/r). Если положить т~ 10“6 с (1 мкс), то порог поражения снизится
До I кДж/см2, но при этом удельный энерговклад уже близок к теплоте
возгонки материала. Иначе говоря, порог ударного поражения поверхно-
сти ракеты, ДПЛА или самолета мощным лазерным импульсом не ниже
порога теплового поражения.
Порог теплового поражения можно существенно повысить, если по-
крыть поверхность объекта веществом с низкой температуропроводностью
( «то абляционное покрытие). Такими свойствами, кстати, должны обла-
дить антирадиолокационные покрытия. С учетом влияния покрытия обыч-
но считается, что пороговая величина теплового поражения лазерным
излучением равна Qo ~ 20 кДж/см2. Для эффективности поражения ору-
жие должно обеспечивать Q > Qo. Это энергетические требования.
Но существуют еще физические ограничения на параллельность пуч
ка лазерного излучения. Минимально достижимая расходимость луча
определяется известным дифракционным пределом
(отношение длины волны излучения к апертуре излучателя, которая рав-
на диаметру фокусирующего зеркала). То есть если луч фокусируется в
точку на поверхности мишени, то вместо точки в фокальной плоскости
образуется пятно с поперечным размером
XR
<р =—,
D
|де R — фокусное расстояние зеркальной системы.
Самый крайний благоприятный для атакующей стороны случай — ког-
ДП размер пятна минимален, т. е. расстояние до мишени равно фокусному
|ЫСстоянию зеркальной системы. При расфокусировании размер пятна мо-
жет только возрастать:
2 (№
Ф =|---
2
2
A-ar
\r r
(6.10)
D
|дс —— — степень расфокусировки; AR — «глубина резкости».
R
260 Глава 6. Лазерные средства функционального поражения
Если не менять фокусное расстояние (не фокусировать луч на мишень)
то нельзя сделать диаметр пятна на поверхности мишени меньше мини
мального расчетного. Кроме того, желательно, чтобы размер пятна был ш
больше размера фокусирующего зеркала. Но при очень маленьком зсрг ।
ле тепловые нагрузки и импульсные удары по зеркалу очень скоро пи
разрушат. Учитывая эти обстоятельства и полагая <р= D, можно получи и
D2=XR, (6.11)
что определяет предельно возможную дальность (радиус) поражения
Л О данного типа (с данной длиной волны излучения А) независимо от с in
мощности. Зависимость требуемого диаметра зеркала от заданной дань
ности поражения представлена на графике рис. 6.4. Параметром семей
ства кривых на рис. 6.4 служит длина волны лазерного излучения.
Рис. 6.4. Связь диаметра зеркала и дальности поражения
Но указанная предельная дальность действия — это лишь геометрп
чески наиболее выгодное условие для обеспечения эффективности норн
жения. В реальных условиях работы для действительного поражения ip<
буется, чтобы плотность энергии на поверхности мишени была бы не нпж<
некоторой пороговой. Плотность энергии в районе расположения мишени
где Р— мощность источника ихлучения; т — длительность импульса (<пы
стрела»); R — расстояние до мишени; 0 — угол расходимости пучка л i
зерного излучения (6 = а = 0).
6.4. Типы лазеров
261
Пусть Q = Q(} (энергетический порог поражения). Тогда
11 В = ~ — яркость лазера, то есть энергия, выделяемая источником
о2
Излучения в единице телесного угла.
Таким образом, для того, чтобы лазер разрушил (прожег) металличес-
кую защитную поверхность корпуса цели на дальности Лтах, т. е. на наи-
более выгодной для лазера дальности, его яркость должна удовлетворять
условию Л = О0/?2ах, где Qq= 2 104 Дж/см2.
6.4. Типы лазеров
Современные химические лазеры непрерывного действия могут иметь
М|»ость порядка 1015 Дж/ст, что указывает на их принципиальную приме-
нимость для ФП на дальностях порядка 2,2 км. Для этого при X = 4 мкм
Потребуется зеркало диаметра 0,1 м. Состояние техники и перспективы
Промышленных разработок свидетельствуют о том, что в качестве лучево-
10 оружия в принципе могут использоваться химические лазеры на фто-
ристом водороде; эксимерные лазеры; рентгеновские лазеры; лазеры на
I победных электронах.
Химические лазеры на фтористом водороде (HF).
Источником энергии служит разветвленно-цепная реакция между
фгором и водородом:
F + Н2 -» HF (возбужденный) + Н,
Н + F2 -» HF (возбужденный) + Fj.
Для борьбы с неустойчивостью реакции в лазерах непрерывного дей-
11ИИЯ рабочую смесь разбавляют азотом и (или) гелием.
В результате реакции получаются молекулы фтористого водорода,
которые находятся в возбужденном состоянии. Возбуждаются колеба-
|г)п>ио-вращательные уровни, разделенные приблизительно одинаковыми
«исргетическими промежутками. Степень возбуждения очень высокая.
Но излучение не монохроматическое. Длины волн лежат в пределах
1,6...3,0 мкм. Когда говорят, что химический HF лазер работает на волне
J.K мкм, имеют в виду среднюю длину волны в диапазоне.
Как раз в диапазоне 2,6...3,0 мкм группируются линии поглощения
Индипого пара, которого так много в атмосфере. Поэтому в тропосфере,
кпк раз там, где базируются РЛС, летают ракеты и самолеты, такой лазер
гц|Ц| ли применим. Однако он вполне может найти применение в около-
262 Глава 6. Лазерные средства функционального поражения
земном космическом пространстве. В тропосфере же выгоднее применять
химический лазер на фтористом дейтерии DF, у которого излучение при
ходится на диапазон 3,6...4,0 мкм, где атмосфера практически прозрачна
Излучению DF лазера на средней длине волны 3,8 мкм соответствую
энергия кванта (фотона) в 0,33 эВ. Для HF лазера со средней длиной вон
ны 2,8 мкм эта величина соответственно равна 0,44 эВ.
Если считать, что химическая реакция полностью заканчивается и
каждая молекула DF(HF) принимает участие в формировании лазерною
излучения (каждая излучает по одному фотону), то грамм-молекула виде
лит энергию
DF: 1Fdf = 0,33 1,6 10~19-61023 = 32 кДж
HF: 1Fhf = 0,44 1,6 10“19-6 1023 = 43 кДж.
Молекулярная масса у DF равна 21, у HF — 20. Поэтому с учетом pa i
бавления рабочего вещества инертным газом в соотношении 1:4 имеем
4DF = 3,2-104/21-4 = 0,38 кДж/г,
?HF = 0,53 кДж/г.
Экспериментальные и практические данные, учитывающие неполное*
сгорание, отсутствие дезактивации возбужденных молекул, а также и гну
чение молекулами в среднем больше одного кванта, группируются око но
полученных здесь оценок.
Химические лазеры непрерывного действия реализуются при быстрой
прокачке рабочей газовой смеси через рабочую камеру. Технически про
качка — это работа реактивного двигателя. Есть литературные указании
на то, что построены и испытаны химические лазеры непрерывного дей
ствия с мощностью несколько мегаватт и КПД несколько процентов |83|
Эксимерные лазеры. Эксимеры — химические соединения инертны»
газов. Активной средой в таких лазерах являются нестабильные возбуж
денные состояния молекул эксимеров. После снятия возбуждения (в him
числе и посредством испускания фотона) молекулы этих соединений рас
падаются. Инициирование реакций, приводящих к появлению эксимеров,
происходит за счет внешних источников. Например — за счет разогрева
газовой смеси пучком электронов от разряда в газовой среде. Или за счс i
использования для этой цели пучка нейтронов. Или (обсуждался и такси!
метод) за счет энергии ядерного взрыва [83].
Эксимерные лазеры — это импульсные монохроматические лазеры <
высоким КПД порядка 50%. Такой КПД определяется по отношению с.
энергии, вкладываемой в рабочую среду. Полный КПД, естественно, ниже
Но и он может достигать нескольких процентов (5...6, теоретически до 10)
6.4. Типы лазеров
263
Длины волн излучения эксимерных лазеров приведены в табл. 6.4.
И мучение в основном в ультрафиолетовой части спектра, где атмосфера,
мюбще говоря, плохо прозрачна.
Длине волны 3080 ангстрем (ХеС1) соответствует энергия фотона 4 эВ
(для XeF — 3.5 эВ). Молекулярная масса 167 (для XeF — 150). Поэтому
Удельное энерговыделение хлористого ксенона ХеС1 составляет 2,4 Дж/г.
Соответственно для XeF — 3,3 Дж/г. Это верхняя оценочная граница.
Таблица 6.4
Фтористый аргон ArF 1930 A
Хлористый криптон Кг Cl 2220 A
Хлористый ксенон XeCl 3080 A
Фтористый ксенон XeF 3510 A
Молекулярный ксенон Хе J 720 A
Поскольку длина волны у эксимерного лазера меньше, чем у хими-
ческого, у него меньше и расходимость пучка.
Первые исследования принципиальных и технических возможностей
Эксимерных лазеров были предприняты в связи с эскизным проектиро-
»йиием противоракетных и противокосмических систем космического
базирования. Но применение их возможно как раз с наземных позиций,
lit есть для защиты объектов на наземных позициях и, в частности, РЛС
(и вообще РЭС любого типа и назначения от поражения ПРР, другим ору
Жнем). Это обусловлено тем, что для энергетических эксимерных лазеров
И отличие от химических нужна специальная система, размещать которую
HU борту ЛА сложно, дорого и нерационально, а вероятно, и невозможно.
Применение рентгеновских лазеров очень заманчиво для ФП: их излу-
чение обладает большой проникающей способностью и может выводить
hi строя внутренние элементы конструкции и бортовые электронные
подсистемы.
КПД рентгеновских лазеров — несколько процентов. Это типичное
течение КПД для лазеров, использующих молекулярные и атомные пе-
реходы.
Но целых три технические проблемы делают сомнительным создание
и применение рентгеновских лазеров в качестве оружия.
Во-первых, в рентгеновском диапазоне не работают зеркальные систе-
мы (вообще зеркала не работают при длинах волн короче 2000 ангстрем,
и для рентгеновских лазеров типична длина волны в интервале от 190 до
ИЮ ангстрем); по этой причине очень трудно формировать пучок направ-
ленного излучения.
264
Глава 6. Лазерные средства функционального поражения
Суть проблемы в том, что в диапазоне рентгеновского излучения p.i 1
ница в показателях преломления различных материалов очень мала. По
этому для получения приемлемых коэффициентов отражения надо испои i.
зовать сотни диэлектрических слоев. Рассеяние рентгеновского излучения
на таком большом числе поверхностей раздела приводит к очень большим
потерям. Как следствие, рентгеновские лазеры работают без зеркал в рс
жиме усиленного спонтанного излучения [71].
Во-вторых, энергия рентгеновского кванта настолько велика, что накач
ку необходимо производить от очень высокоэнергетического источник.!
В опытах с рентгеновскими лазерами в качестве оружия (согласно имсм
гцимся сообщениям) для накачки использовалась энергия ядерного взрыв.!
Из основных принципов работы лазеров следует, что, например, порч
говая мощность накачки четырехуровневого лазера в единичном объем!
на частотах ультрафиолетового и верхнего ультрафиолетового диапазоне ш
увеличивается пропорционально а в рентгеновском диапазоне — про
порционально Если, например, перейти с Х= 500 нм на Х = 100 пм
(диапазон мягкого рентгеновского излучения), то длина волны уменьши геи
в 5 раз, а требуемая пороговая мощность накачки в единичном объеме уш
дичится на несколько порядков. Поэтому для получения вынужденно! о
излучения на X = 14 А (область между диапазонами мягкого и собствен
но рентгеновского излучения) лазер накачивается мощным рентгеновским
излучением небольшого ядерного взрыва [83].
В-третьих, конструкция рентгеновского лазера весьма сложна. Очень
схематично ее можно иллюстрировать следующим чертежом (рис. 6.5).
И при этой сложности рентгеновский лазер принципиально является
устройством одноразового действия: его нельзя ни регулировать, ни про
верять в работе перед применением. Расчеты показывают, что требуем.in
для накачки такого лазера мощность ядерного боеприпаса должна состав
лять 50 кТ (1 кТ эквивалентна 4 -1012 Дж или 4000 ГДж).
Рис. 6.5. Рентгеновский лазер с ядерной накачкой
6.4. Типы лазеров
265
Химические, эксимерные и рентгеновские лазеры имеют общее свой-
ство: это лазеры на связанных электронах. Они используют переходы в
тмкнутых квантовых системах — атомах и молекулах. Другое дело —
литеры на свободных электронах [103].
В таких лазерах электронный пучок, движущийся с субсветовой ско-
ростью, вводится в магнитное поле, создаваемое периодической структу-
рой — линейкой постоянных магнитов (рис. 6.6).
Рис. 6.6. Схема возбуждения излучения в лазере на свободных электронах
Если пучок электронов совершает апериодические колебания, проис-
ходит некогерентное излучение (например, тепловое).
Для достижения лазерного эффекта нужно заставить электроны коле-
Ппться в направлении, перпендикулярном направлению основного движе-
ния. При этом колебания должны происходить с определенной четко за-
ЛШ1НОЙ частотой. Такие колебания можно осуществить за счет действия
hit движущиеся электроны магнитного поля, постоянного во времени, но
И 1меняющегося в пространстве по величине и по направлению. Техниче-
ской конструкцией, создающей подобное магнитное поле, может служить
шитлер — магнитная гребенка.
266
Глава 6. Лазерные средства функционального поражения
Будучи пропущенным через периодически изменяющееся в простри и
стве магнитное поле и двигаясь в плоскости, перпендикулярной этому
полю, электроны движутся по траекториям, имеющим вид синусоидаль
ной волны с завитушками (вигли). Поскольку такое движение являете и
ускоренным, электроны ихтучают электромагнитную волну. Это излучение
подобно синхротронному— магнитотормозному излучению, испускаемому
релятивистскими заряженными частицами в однородном магнитном поле
Поскольку магнитное поле переменное, имеет место разновидность син\
ротронного ихтучения — ондуляторное излучение.
Частоту излучения можно найти, замечая, что электрон в пучке со
вершает колебания в поперечном направлении с угловой частотой
2л 2л
Юв= (6 1?)
uw uw
где aw — период смены направления магнитного поля (период вигглсра).
гг — средняя продольная скорость электрона, почти равная с.
В системе координат, движущейся в продольном направлении со ско
ростью vz, электрон совершает колебания в поперечном направлении,
схожие с колебаниями заряда в электрическом диполе. А так как речь идс i
о движении с околосветовой скоростью, то вследствие лоренцова сокра
щения времени частота колебаний в этой системе координат будет опре-
деляться выражением
и равна частоте испускаемого электроном излучения. А поскольку элек i
рон движется, то частота излучения при наблюдении в неподвижной с и
стеме отсчета должна испытывать релятивистский доплеровский сдвиг, так
что частота наблюдаемых колебаний будет равна
(611)
Правая часть (6.14) получена с учетом того, что v^/c-X.
Соответствующая частоте (6.14) длина волны составляет
\с J
2. л — ——
0 2
(6 1*>)
6.4. Типы лазеров
267
Следовательно, длина волны колебания, излучаемого лазером на сво-
врдных электронах, может быть гораздо короче периода вигглера, посколь-
ку vz=c.
Если бы магнитного поля не было, то для электрона выполнялось бы
следующее равенство:
2 А2
/иес
~Е~
(6.16)
Однако из-за движения по траектории в виде вигглей множитель
1- —
упсличивается вследствие фактического уменьшения значения vt, так что
(6.17)
|дс постоянная
2ттес2
(6.18)
Ни чдвается параметром ондулятора и обычно К < 1; В — магнитное поле
ондулятора (усреднение производится по продольному направлению).
Из (6.15) и (6.17) следует окончательное выражение для определения
основной длины волны индуцированного излучения
&w । । eHaw
2у2 {2птес2у
(6.19)
где aw — шаг (период) вигглера; у = Е/т^2 — релятивистский фактор
[т,с2= 0,5 МэВ — энергия покоя электрона); Е— энергия электрона, а
ж, — его масса покоя; Н — напряженность магнитного поля вигглера.
Отсюда следует, что длину волны излучения можно перестраивать,
н 1мсняя период магнита aw, или при заданном магните, изменяя энер-
1ИЮ Е электронов пучка. Например, при aw= 10 см и К= 1 изменением
шсргии от 102 до 103 МэВ можно перевести излучение из инфракрасного
h ультрафиолетовый диапазон. Для получения мощного индуцированного
viзсрного излучения нужно иметь достаточно длинный вигглер и моно-
•нсргетический пучок. Конструкция на основе вигглера может использо-
и|| н.ся как источник, усилитель или умножитель частоты излучения.
268
Глава 6. Лазерные средства функционального поражения
Источником пучка должен служить сильноточный ускоритель элем
ронов с у = 100 и более. Качество пучка обычно очень хорошее, близмн
к дифракционному пределу. Угловая расходимость излучения лазера пи
свободных электронах ограничивается свойствами оптических систем
Если длина волны лазера очень мала, оптика не работает и угловая расхо
димость
А ,1+у
(6.20)
где d — поперечный размер пучка.
Характер движения электронов в вигглере указывает на то, что изну
чение поляризовано в плоскости, ортогональной направлению магнипкии
поля (рис. 6.6).
Форму спектральной линии и ширину полосы излучения можно пай
ти, заметив, что электрон излучает в течение всего времени пролета черс ।
магнитное поле вигглера, равного
где I — полная длина вигглера.
Излучение каждого электрона имеет вид прямоугольного импульса »
числом циклов внутриимпульсного колебания
Отношение — есть не что иное, как число периодов вигглера NB.
Спектр мощности такого модулированного импульса имеет вид
*(/)=
/о
(6.21)
/о
а его полная ширина Д/ по уровню половины максимального значения
приблизительно равна
А/= 1
/о 2УВ
(6.21)
Вид этого спектра показан на рис. 6.7.
6.4. Типы лазеров
269
Рис. 6.7. Спектр спонтанного излучения лазера па свободных
электронах в функции нормированной частоты х =-Ч----
Jo
Разброс энергии электронов в пучке, угловая расходимость электрон-
ного пучка и неоднородное распределение магнитного поля по сечению
пучка несколько искажают форму спектра. Поскольку обычно N„ = 100,
расширение спектра составляет ———5Ю~3.
fo
Лазеры на свободных электронах способны работать в режиме вынуж-
liciinioro излучения. Особенность этого режима в том, что спектральное
распределение (вид спектра) вынужденного излучения не совпадает со
•центром спонтанного излучения, а пропорционально его производной по
чистоте (рис. 6.8).
Из графика рис. 6.8 видно, что со стороны нижних частот/< fn имеет
место усиление, а со стороны высоких — ослабление. Этот эффект объ-
ионистся тем, что взаимодействие распространяющейся в продольном
•«правлении вынужденной электромагнитной волны с электроном в зна-
копеременном магнитном поле основано на процессе рассеяния света, а
Це на поглощении или излучении из связанных состояний, как в других
«икрах.
1азеры на свободных электронах могут быть выполнены только в виде
Крупных установок, поскольку для их работы необходимы большие уско-
рители электронных пучков. Поэтому установки с такими лазерами мо-
IV1 найти применение для защиты важных стационарных объектов.
С точки зрения применения в средствах ФП привлекательными явля-
Геи следующие свойства лазеров на свободных электронах.
1, Возможность перестройки частот излучения в широком диапазоне.
2. Ожидаемый довольно высокий КПД и, значит, высокая мощность
••«лучения. Повышение КПД предполагается достичь за счет сохранения
270
Глава 6. Лазерные средства функционального поражения
Рис. 6 8. Спектр сечения вынужденного излучения лазера на свободных
электронах в функции нормированной частоты х=---1----—
/о
aw
постоянным отношения —для чего постепенно уменьшают перни |
Е2
магнита вдоль электронного пучка. Но с повышением КПД при истин,
зовании такого спадающего вигглера значительно уменьшается диана ion
перестройки частоты.
Опытно-конструкторские работы, а тем более промышленные ра ipii
ботки, отстают от исследовательских экспериментов. Но эксперимент) и
теоретические оценки позволяют предполагать, что КПД лазеров на । ни
бодных электронах не превзойдут нескольких процентов. Наиболее ноам)
дящий по энергетике режим работы лазеров на свободных электрон.и
квазинепрерывный на длине волны 0,5...0,6 мкм — как раз в зеленом i1>< i
посредине окна прозрачности атмосферы. Но лазеры на свободных чн.» ।
ронах хорошо работают и в дальней ИК-области 100...400 мкм, и в онап
сти ультрафиолета (Х< 100 нм).
ГЛАВА 7
РАСПРОСТРАНЕНИЕ МОЩНЫХ СВЧ-ИМПУЛЬСОВ
В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
Распространение мощного СВЧ-излучения в атмосфере может со-
провождаться таким явлением, как пробой газовой среды. Если плотность
Поюка мощности превышает пробивное значение, воздух ионизируется
Н практически вся энергия излучения расходуется не на функциональное
Ппрнжение элементной базы электронной техники, а на поддержание
поименного слоя, т. е. на бесполезный нагрев среды. Таким образом,
погоня разработчиков генераторов мощного СВЧ-излучения за сверхвы-
сокими уровнями мощности, возможно, имеет смысл, если эти генерато
ры предназначены для работы в космосе. Если же генераторы излучают
анергию в атмосферу, то всегда необходимо помнить о предельных уров-
нях мощности, ограниченных пробоем воздуха.
Физические проблемы, возникающие при распространении мощного
1 11’1 излучения в атмосфере, обусловлены возможностью развития в по-
пик интенсивных ЭМВ ионизационных явлений, приводящих к СВЧ-про-
finio и потерям энергии волны на ионизацию газов воздуха. Эти явления
ШИСТНо ограничивают диапазон частот, интервал напряженностей полей,
к |икже длительностей импульсов, с помощью которых может быть осу-
ществлена передача больших мощностей в атмосфере Земли.
Процессы взаимодействия мощного ЭМИ с дисперсными средами во
Многом объединяют общность физических механизмов, пространственно-
пжплизованный характер стока энергии в атмосферу через дискретные
lltii лощающие центры и возможности дистанционной концентрации энер-
гии пучков излучения в определенных областях среды.
7.1. Поглощение СВЧ-энергии газовой средой тропосферы
Изучение процессов распространения коротких СВЧ-импульсов через
тмосферу Земли представляет интерес для многих прикладных наук. Это
। мн шло с тем, что по мере развития СВЧ-электроники расширяется круг
пФшстей практического использования СВЧ-техники. Во всех прикладных
МДП'ШХ, подробно проанализированных в работах [7, 10, 35], существен-
ной является проблема транспортировки СВЧ-энергии. На современном
пипс успехи СВЧ-электроники привели к созданию мощных и эффектов-
272 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов в атмосфере Земли
ных источников электромагнитного излучения — генераторов на реля i iiihi
стских электронных пучках [19, 56, 57, 105]. Такие генераторы позвонит
освоить гигаваттный диапазон мощностей при длительностях излучаемы,
импульсов от единиц до десятков наносекунд. Однако получение все iki
лее высоких уровней мощности СВЧ-излучения (имеется информации
о создании генераторов с импульсной мощностью -40 ГВт [154|) пи
талкивается на предел электрической прочности среды распространении
излучения — атмосферы.
Распространение ЭМИ в атмосфере сопровождается многочисленны
ми физическими явлениями, которые могут проявляться в результате и щ
имодействия ЭМП с молекулами кислорода, водяного пара и азота. 1ч «и
же интенсивность поля в импульсе выше порогового значения, возможен
эффект дополнительной ионизации и пробой. Ниже в этой главе а на ни
зируется влияние вышеперечисленных явлений на величину энергии,
транспортируемой в импульсе.
На приземных трассах распространения СВЧ-излучения воздух пред
ставляет собой смесь различных газов, хорошо перемешанных до высот
20...30 км. Наиболее сильное влияние на условия распространения поли
длиной 0,8...10 см оказывают пары воды. Концентрация водяных парии
быстро падает с высотой, их основная масса содержится в слое вошки
толщиной 2...3 км. Кислород и азот подчиняются закону постоят п>ц
состава воздуха до высот -20 км. Остальные газы можно не принимяи.
во внимание вследствие малости их процентного содержания в воздухе в
отсутствия характерных для них резонансных частот поглощения в выбран
ном рабочем диапазоне длин волн 0,8... 10 см.
Все существующие теории распространения электромагнитных коц₽
баний за основной параметр, определяющий особенность распростраиг
ния радиоволн в тропосфере, принимают показатель преломления. При
практических расчетах обычно используют следующую формулу для ни
декса преломления воздуха [137]:
.. / ,\ ,„6 77,4810рвп
N = (и-1)-106 =-^-1 р +--^"1, (7 1|
где п — показатель (коэффициент) преломления; Т— абсолютная тент
ратура; р — полное атмосферное давление; />вп— парциальное давление
водяного пара, мбар.
Зависимость /Уот высоты с большой степенью точности описываем и
экспоненциальной зависимостью
7V(/z)-7V$-expf-yj. (/ 'I
12. Оценка поглощения СВЧ-излучения водяными парами 273
Параметр Ns соответствует значению N у поверхности Земли; h —
h>j ота над поверхностью Земли.
При выборе среди известных формул для N и 7V(A) было учтено, что
пин частот/< 50 ГГц показатель преломления практически не зависит от
чистоты и в атмосфере изменение N с высотой в среднем происходит по
поненциальному закону. Таким образом, в нашем случае воздух мож
1(0 считать бездисперсной средой.
Из большого количества газов, входящих в состав атмосферы Земли
I приземном слое (до ~ 30 км), способностью поглощать энергию ЭМВ н
нштиметровом и миллиметровом диапазонах волн обладают водяной пар
К Кислород, так как молекулы всех остальных атмосферных газон (азота
N , аргона Аг, углекислого газа СО2, водорода Н2, гелия Не, неона Ne) не
Имеют ни электрического, ни магнитного моментов [8].
7.2. Оценка поглощения СВЧ-излучения водяными парами
В настоящее время известно достаточно большое количество теоре-
ПчсСКИХ работ, в которых исследуется и рассчитывается поглощение в
iitipnx воды излучений от сантиметрового до ближнего инфракрасного
ЦНП11ПЗОНОВ волн. Значения характеристик поглощения для сантиметро-
вых волн, измеренные экспериментально, довольно хорошо согласуются
। теоретическими оценками для кислорода. Но для водяного пара наблю-
даются большие расхождения: измеренное значение поглощения значи-
т> 1ЫЮ превосходит оцененное по формулам для частот выше 50 ГГц. Хотя
I ти Длин волн порядка 0,8...3 см это расхождение несущественно.
11одробное исследование коэффициента поглощения водяного пара в
। интиметровом и миллиметровом диапазонах волн проведено в работе [68].
Приведенная авторами формула, удобная для инженерных расчетов, дает
д< плиточную точность для практических целей и имеет вид
Yun
av;-
ехР ~
|=1.2 L \
А^ + >42 • А-. + А4,
(7.3)
1 rti‘ Тип ~~ коэффициент поглощения водяного пара, дБ/км;
Р r 1
1,-7601,300 J
274 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов в атмосфере Земли
7.2. Оценка поглощения СВЧ-излучения водяными парами
275
з
1 ( 1 1 V ( т г11’7
Л2 = 4,78 1 03—; Л3=р- - ; 4,=fep"2 — ;
2 760 Г 3 47J ’ 4 Z V318J
1=1, 2 — номер спектральной линии; V,- — обратная резонансная длппп
волны; Av — ширина спектральной линии поглощения; — резонанспап
длина волны; а,-— безразмерный коэффициент, определяющий величину
поглощения; щ — безразмерный параметр, характерный для каждой ли
нии поглощения; с — скорость света; — безразмерный коэффициент
характерный для каждой длины волны; р — абсолютная влажность, г/см
р — давление, Topp; Т — абсолютная температура, К; X — длина волны
см; а = 1,43879.
Выражение (7.3) для коэффициента поглощения радиоволн в на
рах воды согласуется с экспериментальными данными для длин волн
Х> 0,15 см с точностью порядка 2...3%. Параметры спектральных липп|1
поглощения для i= 1, 2, входящие в (7.3), приведены в табл. 7.1.
Таблица / /
i 1/Aj, СМ-1 ai V,(l), см-1 v;(2), см 1 &v/c, см 1 Л,-
1 0,74 1,002-10s 446,50 447,24 0,086 0,626
2 6,12 4,956-105 136,15 142,27 0,096 0,649
Рис. 7.1. Зависимость коэффициента поглощения
в водяном паре от длины волны
Значения коэффициента к^ для ряда значений длин волн даны и
табл. 7.2.
Таблица 7J
X, см 3,00 1,35 1,30 0,80 0,40 0,30 0,15
МО5 1,30 4,70 5,00 12,0 27,00 39,0 150
Таким образом, используя (7.3), а также данные табл. 7.1 и 7.2, можпн
оценить поглощение в парах воды радиоволн сантиметрового и миллиме i
рового диапазонов волн в зависимости от давления, влажности, темпера i у
ры и плотности воздуха (влажность, плотность и температура взипмн
зависимы). Расчеты по (7.3) иллюстрируются графиками зависимости уП||
от параметров среды (рис. 7.1-7.3).
Из приведенных формул и расчетов следует, что поглощение пропор
ционально абсолютной влажности и, следовательно, ее вариации вы кшу i
вариации интенсивности принимаемого сигнала.
На рис. 7.3 показано как меняется увп(р, р, X) в зависимости от тсмп<
ратуры при фиксированных значениях давления р, абсолютной влажней
ти р и разной длине волны X.
Рис. 7.3. Зависимость коэффициента поглощения от температуры
при р = 760 Торр, р = 7,7 г/см3: 1 — X = 1,35 см; 2 — X = 1 см;
3 — Х=3 см; 4 — Х = 2см; 5 —Х=1,3см; 6 —Х=1,4 см
276 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов в атмосфере Земли
Поглощение в водяном паре увеличивается с понижением темпера п
ры для длин волн, далеких от резонанса.
7.3. Оценка поглощения СВЧ-излучения кислородом
Поглощение кислородом ЭМИ обусловлено большим количеспюм
резонансных линий вблизи частоты /= 60 ГГц. При оценке коэффищк и
та поглощения для волн сантиметрового диапазона можно использован,
приближенную формулу [68]
N
TK=AVp (7 1)
где N— концентрация молекул кислорода; Т— абсолютная темпера ivpa,
Av — ширина линии поглощения.
В [68] показано, что в области частот от 3 до 45 ГГц ослаблсшн
излучения пропорционально р2 и у’-11/4, с уменьшением температура
поглощение возрастает. При Т = -40°С поглощение кислородом нрпк
лизительно на 75% больше, чем при Т = 20 "С. Этот эффект связан с нш
растанием плотности молекул при низких температурах. В том диапа и»»
частот, где преобладает поглощение кислородом, полное поглощение oft
ратно пропорционально абсолютной влажности, что обусловлено coo i и< i
ствующим соотношением между плотностью кислорода и плотностью ни
дяного пара.
На рис 7.4 приведены для сравнения расчетные зависимости ко н|>
фициента поглощения в функции длины волны в водяных парах и кш
лороде для средней абсолютной влажности р = 7,7 г/см3, р = 760 Горр
Т = 300 К, выполненные на основании (7.3) и (7.4).
Из графиков рис. 7.4 следует, что поглощение водяными парами cp.ui
нимо, а в большей части диапазона превышает поглощение кислородом
Следовательно, полное поглощение будет чувствительно к изменениям
содержания водяного пара в воздухе, а на краях выбранного диапазона дннн
волн — и к изменению плотности кислорода.
Ослабление в дожде (кривые 3, 4) может быть очень существенным, и
этот факт необходимо учитывать при доставке требуемой мощности к < л и
екту поражения.
Кроме кислорода и водяного пара в атмосфере присутствует еще рч i
газов, которые имеют линии поглощения в выбранном диапазоне динп
волн. Однако доля этих газов в общем составе атмосферы мала и их ш ш
дом в общее атмосферное поглощение энергии СВЧ можно прснебр. -и
7 4. Анализ пробойных явлений при прохождении мощного СВЧ-излучения 277
Рис. 7.4. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны
различными компонентами газовой среды тропосферы: 1 — поглоще-
ние водяным паром; 2 — поглощение кислородом, 3, 4 — поглощение
дождем при интенсивности 0,25 мм/час и 2,5 мм/час соответственно
7.4. Анализ пробойных явлений при прохождении мощного
СВЧ-излучения через приземный слой атмосферы
Стремление разработчиков генераторов сверхмощного излучения нара
шикать ихтучаемую мощность тесно связано с проблемой использования
• 1**1 оружия. Практическое применение этого оружия будет ограничивать-
। и предельными максимальными значениями излучаемой мощности, пе-
|М Д||ваемой к объекту функционального поражения, т. е. той мощности,
Шифрую можно донести до объекта поражения, не растратив на потери в
। |и дс распространения.
Специфика прохождения мощного импульсного СВЧ-излучения че
|ff । нейтральную атмосферу Земли заключается в том, что значения пере
। ншемой плотности потока энергии велики и область сильного СВЧ поля
>|»п (мвается чрезвычайно протяженной. При распространении такого
мп итого импульсного излучения существенную роль начинают играть
II- линейные явления, вызывающие как изменение свойств среды распро-
грипсния, так и эффекты самовоздействия СВЧ-излучения.
Наиболее низкопороговыми нелинейными явлениями в слабоиони
шрниннной газовой среде являются нагревная (тепловая) нелинейность
и 1>г । щектродный СВЧ-разряд, приводящий к ионизации среды на трас
11 распространения [53].
278 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов в атмосфере Земли
Широкий круг физических проблем, особенно статистической мехяпн
ки, связан с проблемой релаксации. Как следует из Я-теоремы Больцми
на, при любых возмущениях функции распределения частиц (по времени,
пространству, по скоростям) должны стремиться к термодинамически
равновесным распределениям. Причиной этого эффекта является взаимо
действие (столкновения) частиц. Процесс приближения функции расupi
деления к равновесной, обусловленный столкновениями частиц, назыпв
ют релаксацией. Проще говоря, релаксация — это приближение системы
к равновесию после того, как она была выведена из этого состояния вини
ним воздействием. Времена релаксации различают для разных процесч он
Так, время, за которое релаксирует импульс частицы (носителя заряда)
именуют временем релаксации импульса. Обратную ему величину папа
вают частотой столкновений [7]. Наряду с релаксацией импульса упру пн
столкновения частиц могут приводить к релаксации избыточной энергии
Ниже в этом разделе рассматривается динамика разогрева газовой
среды (воздуха) в поле СВЧ-импульсов, длительность которых сравнима
со временем релаксации энергии электронов. Особенно следует отметин.,
что при малых длительностях импульсов частота ионизации не являе и я
характеристикой только электрического поля импульса. Она зависш 01
его импульса и энергии.
Оценки пробойных напряженностей полей в СВЧ-импульсе при рис
пространении этого импульса в нижних слоях атмосферы Земли можно
получить в предположении, что несущая частота импульсов лежит в дин
пазоне 37,5—10 ГГц. Этим частотам соответствуют длины волн 0,8. 3 i м
Диапазон давлений составляет 1...100 Торр.
Несмотря на то что СВЧ-разряд в атмосфере исследуется с момент
появления радиолокации, в последние годы интерес к этому явлению bi ют
усилился. Это связано с разработкой новых принципов генерации сверх
мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности. В частности и
последние годы появились экспериментальные работы, в которых пока
зана возможность передачи через атмосферу интенсивных импульсов и i
лучений радиодиапазона. Необходимое условие такой передачи — мании
длительность импульсов. Настолько малая, что за время длителынк hi
импульса СВЧ-разряд не успевает развиться [65].
7.4.1. Критерии пробоя при действии непрерывного СВЧ-излученни
Исследованию пробоя газов и развития лавинной ионизации в ноли*
СВЧ-излучения посвящено много теоретических и экспериментами.пы*
работ [24, 98, 99].
7.4 Анализ пробойных явлений при прохождении мощного СВЧ-излучения 279
Согласно общепринятой концепции картина развития пробоя выгля-
дит следующим образом [99]. Появление в какой-либо области газовой
Среды сильного ЭМП вначале приводит к быстрому нагреву имеющихся
и пей первичных электронов, часть которых приобретает энергию, пре-
вышающую потенциал ионизации газовых молекул. При достаточно боль-
шом числе таких быстрых электронов частота ионизации превысит час-
тоту рекомбинаций и в среде наступит пробой. Развитие процесса пробоя
I дальнейшем может быть остановлено либо процессами диффузии, ре-
комбинации и прилипания, либо процессами, приводящими к снижению
.|МПЛитуды поля (и зависящей от нее частоты ионизации) в образующей-
ся плазме. Таким образом, условия возникновения разряда в слабоиони-
|Нрованном газе определяются соотношением процессов ионизации, при-
липания, диффузии и рекомбинации. В широкой области параметров
(и юного разряда выполняются, как правило, условия, позволяющие рас-
(мптривать кинетические коэффициенты как заданные функции ампли-
туды электрического поля. Исследование этих зависимостей для различ-
ных газов проводилось в большом количестве работ, которые в конечном
итоге позволяют оценить пробойные характеристики газовых сред.
Условия возникновения и развития пробоя слабоионизированной
Нзовой среды прямо следуют из уравнения непрерывности [48, 53)
Эи D „
— = Vjn-vrn-van-----rit+S, (7.5)
ot Л
Iде п — плотность электронов; vz- — частота ионизации; vr — частота ре-
комбинации; va — частота прилипания; D — коэффициент диффузии;
\ число электронов в единицу времени, появляющихся в данном эле-
ментарном объеме от других источников; Л — диффузионная длина, рав-
нин ширине луча источника мощного излучения или пространственной
протяженности импульса сти; с — скорость распространения ЭМВ; ти —
| шгельность импульса.
Первое слагаемое в правой части (7.5) — это скорость образования
ысктронов за счет ионизации газа в электрическом поле. Второе, третье
и четвертое слагаемые — соответственно скорости потерь электронов за
( Чет рекомбинации, прилипания к нейтральным атомам и в результате
ниффузии. При решении практических задач определения условий про-
Пин обычно полагают, что коэффициенты в (7.5) не зависят от времени.
При этом предположении решение уравнения (7.5) можно записать в виде
( D "I /Т ЛА
и = иоехр v, -vr-vo----у
У Л У
П-1 учета сторонних источников (S = 0).
280 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов в атмосфере Земли
Поскольку для возникновения пробоя достаточно, чтобы скоро» и.
образования электронов лишь незначительно превышала скорость и»
потерь, критерий пробоя можно формализовать как условие равенства э i н.х
скоростей. На основании (7.6) это условие будет выглядеть как
D
V/=Vr+Vfl+—.
(7./)
Уравнение (7.7) позволяет рассчитать условия СВЧ-пробоя в воздухе,
используя сложные зависимости параметров vz-, vr, v„ и Л от напряжен
ности электрического поля Е и давления р.
В теории СВЧ-пробоя в газах важную роль играет параметр, именуе
мый эффективной напряженностью электрического поля и определяемы»
как
Ее = - ,
>/со2 +V2
(7 8)
где со — частота СВЧ-излучения; v — частота соударений электроноп »
тяжелыми частицами (молекулами и ионами), которая хорошо аппрок» и
мируется зависимостью v - 5 109р.
В режиме непрерывного излучения, а точнее — в однородном элем
ромагнитном поле, без учета диффузионных потерь энергии СВЧ-п иц
чения, пробивное значение эффективной напряженности электричсск»»
го поля
Еепр(р') = ^Р-
(7.9)
Для дальнейшего изложения необходимо ввести и определить три по
вых параметра: дебаевский радиус, свободную диффузию и амбиполярную
диффузию.
Допустим, что в плазму введен «пробный» заряд q. На достаточно mi
лом расстоянии гот этого заряда потенциал равен —. Однако на больших
г
расстояниях от заряда потенциал убывает экспоненциально, а область с у
шествования сильного электрического поля вокруг заряда q ограничена
сферой с радиусом порядка rd. Величина rd, характеризующая скоро» и
экспоненциального спада поля пробного заряда в среде, называется acIi.i
евским радиусом или радиусом экранирования статического электрич» »
кого поля.
Диффузия, как известно, представляет собой перемещение час ..
(заряженных или нейтральных) из области большей концентрации н и
область, где концентрация меньше. Свободная диффузия характеризу» ।
ся отсутствием взаимодействия электронов с ионами. Ясно, что эта дш|»
7.4. Анализ пробойных явлений при прохождении мощного СВЧ-излучения 281
фузия имеет место при малой плотности заряженных частиц. Однако при
Цпстаточно больших плотностях электронов и ионов силы электростати-
чгского поля настолько велики, что движение положительных и отрица-
цгльных зарядов оказывается связанным, а процесс диффузии протекает
иначе. Заряженные частицы диффундируют теперь быстрее, чем они диф-
фундировали бы в отсутствие взаимодействия, но медленнее, чем элект-
роны в отсутствие взаимодействия. Такая совместная диффузия электро-
IIOH и ионов называется амбиполярной.
Характер диффузии определяется соотношением дебаевского радиу-
са rd и геометрического размера А, занимаемого полем. Если rd » А, то
диффузия свободная, а при rd«А — диффузия амбиполярная.
Значение пробойного поля с учетом диффузии, полученное из реше-
нии уравнения (7.7), имеет вид [159]
= 30/7.1+^- 1 +
V V
Е
^епр
(7.Ю)
1___
(ИМ)0’6.’
|| (7.10) коэффициент р = 1 при rd »А и р= 10, если г,/«А.
При выводе (7.10) была использована экспериментальная зависимость
чистоты ионизации vz от эффективной напряженности электрического по-
ли Ее. Эта зависимость иллюстрируется рис. 7.5 и обычно используется
НИИ линейной аппроксимации частоты ионизации как функции напряжен-
||1к Ти электрического поля на ограниченных интервалах отношения эф-
фективного поля к давлению.
При высоких давлениях, что справедливо для малых высот атмосфе-
ры, при анализе условий пробоя не принимают во внимание процессы
рекомбинации. Это допустимо, так как плотность электронов на малых
высотах незначительна. Для применения в широкой области значений
параметров справедлива зависимость частоты прилипания vc = 2,1 104р.
Результаты расчетов по (7.10) иллюстрируются графиком рис. 7.6.
Из графика рис. 7.6 видно, что при довольно больших значениях дав-
ления и диффузионной длины (рА> 10) формула для пробойного поля
шобретает вид (7.9). Именно такую зависимость Еепр(р) следует исполь-
U шить для оценки пробойного поля при работе мощных СВЧ-генерато
|П»п в непрерывном режиме.
7.4.2. Критерий пробоя при действии импульсного СВЧ-излучеиия
Наиболее подробные результаты моделирования явления СВЧ-пробоя
t использованием экспериментальных данных при прохождении корот-
ких импульсов в воздухе приведены в работе [160], где исследовано рас-
282 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов в атмосфере Земли
Рис. 7.5. Зависимость отношения частоты ионизации к давлению от отно-
шения эффективной напряженности электрического поля к давлению
Рис. 7.6. Зависимость пробойного значения отношения эффективной
напряженности электрического поля к давлению от произведения
давления на диффузионную длину
1.4. Анализ пробойных явлении при прохождении мощного СВЧ-излучения 283
щюстранение интенсивных 10...200 кВт/см2 СВЧ-импульсов длительно-
I п.ю З...ЗО нс. В эксперименте излучение гиротрона на частоте 9,6 ГГц с
помощью параболоида большого диаметра фокусировалось в камеру, где
давление газа менялось в широких пределах. Результаты этого экспери
мента представлены на рис. 7.7 в виде зависимости отношения напряжен-
ности электрического поля в импульсе к давлению от произведения дав
пения и длительности импульса.
Рис. 7.7. Зависимость отношения напряженности электрического поля им-
пульса к давлению воздуха от произведения длительности импульса и дав-
ления по экспериментальным данным [160]: 1— пробой; 2 — нет пробоя
Анализируя приведенные на рис. 7.7 экспериментальные данные, соот
иетствующие режиму пробоя, можно заключить, что они достаточно хо-
рошо ложатся на прямую, уравнение которой
! ^£пр = _ 2 (7.11)
ЮООр 1000
Соотношение (7.11) получено путем аппроксимации эксперименталь-
ных результатов. Оно позволяет оценить пробойную напряженность элект
[шческого поля Ее пр по порядку величины.
284 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов в атмосфере Земли
На рис. 7.8 представлены данные, полученные разными авторами
теоретически и экспериментально и собранные в [160] для частот от 3 ди
10 ГГц. На основании этих данных можно сделать заключение о достаточно
хорошем соответствии между теорией и экспериментом. Кривая 1 получена
на основании расчета по (7.11), остальные кривые взяты из разных не
точников, указанных в подписи к рисунку.
Рис. 7.8. Зависимости отношения напряженности электрического поля им
пульса к давлению воздуха от произведения длительности импульса и дан
ления, полученные разными исследователями: 1 — расчет по формуле (7.11)
2 — эксперимент, приведенный в Phys. Rev. V. 139. А 1796. 1965; теория Мак
Доналда: 3 — для частоты/= 32 ГГц, 4 — для частоты/= 10 ГГц [99]; теория
W. АН Т. Coffey: 5 — для частоты/= 10 ГГц, 6 — для частоты/= 3 ГГц[ 1601,
7 — ... эксперимент, приведенный в Phys. Fluids. V. 9. Р. 38. 1986 [99]
Как видно из рис. 7.8, наибольшее расхождение между теоретичс >
кими и экспериментальными данными наблюдается в области значении
ртИ < 104 Торр нс.
Основной вывод, который можно сделать на основе анализа прпи<
денных данных, сводится к тому, что напряженность поля, пробивании!
7.4. Анализ пробойных, явлений при прохождении мощного СВЧ-излучения 285
Ю воздушную среду, зависит от длительности импульса. Однако крите-
рий (7.11) не раскрывает физической сущности этой зависимости.
Гоулд и Робертс [157] обобщили теорию пробоя газов в непрерывном
режиме на случай ЭМП импульсов конечной длительности. По их пред-
положению пробойную напряженность электрического поля в импульсе
можно определить как минимальное значение амплитуды напряженнос-
ти поля, при которой плотность электронов в разряде успевает возрасти
до критического значения за время длительности импульса.
Формула для импульсного пробоя представляется в виде
«кр =«oexp(vT„),
(7.12)
D
|дс — критическая плотность электронов; v = v, -vo-----п0 — на-
Чдльная плотность электронов; А — наименьший геометрический размер
Области пробоя.
В непрерывном режиме наименьший геометрический размер области
пробоя определяется поперечными размерами луча d источника мощно-
ю излучения, а в импульсном режиме это может быть, как отмечалось
рпнее в (7.5), величина сти, если сти< d. Обычно, в большей части работ,
Исследовавших закономерности развития разряда в газовой среде, крите-
рий пробоя в импульсном режиме представляется в виде
D
'° А2’
1 । [ «кр I
—ln| —L| = v,-v,
"Си
Входящие в (7.13) величины могут быть рассчитаны на основе следу-
ющих соотношений.
Расчет частоты ионизации молекул атмосферных газов быстрыми
электронами, нагретыми за счет поглощения энергии СВЧ-поля, прове-
ден в [53] в рамках кинетической теории. Анализ приводит к следующей
формуле:
«кр
«О
(7-13)
V,-=v,oexp
Зги2 (Лоз2 + В^
еЕ2
(7.14)
Для воздуха коэффициенты А м В определяются соотношениями:
А • 2,2-1014 см2/с2; В = 5,5Ат2 см2/с4; Nm — концентрация молекул воздуха;
з
.2 е<Е2
v(0 = l,3-10-9lVm
Эи
т
/л4 (Ao2 +2.Z?)
,2 ’
•1( - энергия ионизации молекул.
286 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импулъсов в атмосфере Земли
Результаты расчетов с использованием с (7.13) хорошо согласуют »! i
экспериментальными данными, представленными на рис. 7.5, и, следи
вательно, эта формула может быть использована для расчета пробой! юн»
поля при достаточно длинных импульсах.
Для оценки роли диффузии в процессе развития разряда важно coo i
Т
ношение между дебаевским радиусом г^=4,9— и пространственной при
тяженностью импульса Л = сти, где Т — абсолютная температура, а п,.
концентрация электронов, см-3. Для высот в атмосфере Н < 60 км, rd • -
вследствие отсутствия ионизации. Поэтому в дальнейших расчетах усни
вий пробоя используется выражение для коэффициента диффузии, сирн
ведливое в условиях свободной диффузии, которая обычно является пап
более важным механизмом, определяющим пробой.
Согласно аппроксимации Мак-Доналда [99]
Л = 3,2-106Э,
где Э — средняя энергия электронов.
Поскольку для типичных СВЧ-разрядов Э = 4 эВ, для удобства расч<
тов можно принять значение коэффициента Z) ~ 12,8-106 см2/с.
На основании (7.13) условие пробоя, очевидно, можно представить кии
Л 1 ,
v,=vfl+—+—In
А
«о ,
Согласно (7.10), если рА>10, пробойная напряженность поля ч>
ставляет
I й2”
Епр^3°Р\ 1+~2- ’ (7.IM
V v
где р — давление, Торр, Епр — напряженность поля, В/см.
При формулировании приведенных выше критериев, определяющим
пробойное значение напряженности СВЧ-поля в непрерывном и импулы
ном режимах, предполагалось, что скорость ионизации среды синхро..
следует за амплитудой напряженности поля. Однако разработка гепгрп
торов сверхкоротких мощных импульсов для использования в системна
функционального поражения электронной техники обусловила необходп
мость анализа процессов и особенностей ионизации газовой среды и ik»i>
сверхкоротких СВЧ-импульсов. В этом случае уже нельзя использоп.т
применяемое при исследовании стационарных разрядов и разрядов и i н»ч>
достаточно длинных импульсов предположение о том, что кинетичеч юр
коэффициенты, входящие в (7.7), являются функциями амплитуды n ।
7.4. Анализ пробойных явлений при прохождении мощного СВЧ-излучения 287
пряженности электрического поля. На самом деле необходимо учитывать
•инисимость этих коэффициентов от средней энергии электронов, посколь-
ку процесс нагрева заряженных частиц в газовой среде обладает инерцией
ПО отношению к временным процессам в импульсе. Впервые это явление
|>ыдо отмечено в [53], где рассматривался разогрев частично ионизирован-
ной плазмы в ступенчато-включенном поле. В результате было показано,
что учет зависимости частоты столкновений от средней энергии электро-
нов хорошо объясняет тот факт, что разогрев электронов в эксперименте
проходит намного медленнее, чем это предсказывает теория, в которой
чистота столкновений считается постоянной. В [53] изложено решение
|ЙДачи о возмущении температуры электронной компоненты газовой среды
и поле мощного короткого прямоугольного импульса, включенного в
момент t=to и выключаемого в момент /=1'0 + ти. Решение приводит к
соотношениям
ЛТГ л
•=-* = О при/</0,
'»0
Л 7” (0)
г~ = —Уexp[-2tf(z)]{l-exp[-3v0(f-/0)]} при/0 + ти >t>t0,
7'° ^Ер (716)
"~4?eXPL-2A'(Z)][l ~eXP(_5vOTH)]eXP[-6vo(Z~TB -'о)]
'•о ПцЬр
при t>t0 +ти,
।дс £(0) — поле возмущающей волны на границе объема, занятого плаз-
мой; K(z) — поглощение этой волны от границы объема, занятого плаз-
мой, до точки наблюдения с координатой z; — момент времени дости-
жения точки z передним фронтом импульса; Те0 — невозмущенная (до
момента внешнего воздействия) температура электронов; ДТе — измене-
ние температуры электронов под действием поля; п0 — показатель пре-
ломления плазмы; v0 — эффективная частота соударений электронов с тя-
желыми частицами; 8 — доля энергии, передаваемая электроном тяжелой
•(истице при однократном соударении; Ер = JlTe0 -^-Зр»2 +v2 j — так на-
ливаемое характерное плазменное поле [53]; m и е — соответственно мас-
«.II и заряд электрона; <а — круговая частота волны.
Характерное плазменное поле играет роль своеобразного порога. Если
напряженность электрического поля Е « Ер, то это поле слабо возмуща-
<1 плазму и считается слабым. Если же Е>Ер, то температура электронов
nz d2 (нрСо)
с d(f>2
и
288 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов в атмосфере Земли
и другие параметры плазмы существенно изменяются под воздействием
электрического поля. Параметр 8 — одна из основных величин, харакн
ризующих энергообмен между электронами и тяжелыми частицами гаш
вой среды.
При выводе (7.16) поле возмущающей волны принято слабым, <вти I,
а импульс достаточно длинным [35, 160]:
£
2
(7 1/)
Два последних предположения позволяют пренебречь дисперсионным
расплыванием импульса при его распространении в среде.
Из (7.16) следует, что нагрев электронов в значительной степени ш
висит от параметра a = 8v0tH, который по своему физическому cmi.ii ну
представляет отношение длительности импульса ко времени релаксации
температуры электронов (8v0)-1. Очевидно, что если а « 1, то нагрев элск i
ронов под воздействием импульса практически не происходит за нремп
его действия и Д Те -> 0. При а » 1 величина возмущения температуры и
импульсном режиме не отличается от случая непрерывного режима Кри
ме того, необходимо отметить, что временная диаграмма возмущения Л /(
отстает от импульса поля и тем больше, чем меньше а.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно утверждай,
что с уменьшением длительности импульса при прочих равных услопнич
электрическая прочность атмосферы повышается и чем короче импхлы,
тем большую мощность можно транспортировать через нее для обеспсц
ния ФП электронных средств и систем.
7.4.3. Критерий пробоя атмосферы в сильных полях
коротких СВЧ-импульсов
Предположение о малости амплитуды поля, использованное при вы
воде (7.16), сильно ограничивает ценность полученного результата ичн
случаев применения мощных импульсов средствами ФП. Поэтому шом
в этом параграфе, исследуются эволюции температуры и концентра и ни
электронов в поле короткого мощного СВЧ-импульса. Для решения >к«п
задачи предполагается следующая модель. В однородной слабоиони ni|«>
ванной газовой среде (в воздухе) вдоль оси z распространяется лиипип'
поляризированный радиоимпульс с частотой <о»<ор, где ыр — плати и
ная частота невозмущенной среды. Плазменная частота зависит oi i
тронной концентрации, равной среднему числу элекгронов в единит.>
7.4. Анализ пробойных явлении при прохождении мощного СВЧ-излучения 289
ема. Выполнение условия со »сор позволяет не учитывать дополнитель-
ные потери энергии импульса при его распространении. СВЧ импульс с
Гауссовой огибающей можно представить аналитической моделью
£’(?,Г) = £оехр
(7.18)
1де Ео — амплитуда импульса; к =— — — — волновое число (модуль
с X
мол нового вектора).
Самое полное описание процессов, происходящих в газовых средах
После пробоя воздуха, дает кинетическое уравнение для функции рас-
пределения заряженных частиц в фазовом пространстве. Однако плазма
Газового разряда в макроскопических масштабах довольно хорошо и зна-
чительно проще описывается в рамках гидродинамических моделей. Гид-
родинамические модели к тому же более наглядны, нежели кинетические,
Поскольку они оперируют в основном с тремя функциями координат и
иремени. Эти три функции: электронная плотность я(г, /), средняя ско
рость w(z, /) и средняя энергия Э(г, f) носителей заряда. Функция рас-
пределения заряженных частиц в фазовом пространстве, с которой рабо-
IIIют кинетические модели, зависит от еще одного аргумента — импульса,
ри иного произведению массы частицы на ее скорость.
В рамках гидродинамической модели возмущение плотности и энер-
I ни электронов можно рассчитать, используя систему трех уравнений [48]:
Эл / х
— = -- E-w, (7.19)
Э/ т
1дс п и Э — плотность и энергия электронов; Эо — энергия тяжелых час-
тиц среды (невозмущенных проходящим импульсом); ДЭ = Э —Э0;л —
(радняя направленная скорость электронов; е и т — соответственно за-
рнд и масса электрона; v — частота столкновений электронов с атомами
и молекулами атмосферных газов; Q — энергия, передаваемая электрону
СВЧ-полем в единицу времени; 8 — эффективная доля энергии, теряе-
мой электроном при соударении с тяжелой частицей (обычно 8-10Л..10 2);
V/H vo — частоты ионизации и прилипания, являющиеся функциями энер-
IHH электронов.
290 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов в атмосфере Земли
Первое уравнение системы (7.19) получено в пренебрежении ди<|><|>у
зионным слагаемым. Диффузию электронов в первом приближении можни
не учитывать, если характерный пространственный размер неоднородно
сти электрического поля в плазме LE значительно превышает харакпр
ный масштаб, определяющий неоднородность плотности электронон /
LE» Le. Le=cth, т. е. в нашем случае примерно равен пространственной
протяженности импульса, а
где / — средняя длина свободного пробега электрона; т =-— сред! и<
время жизни электрона.
В третьем уравнении системы (7.19) не учитывалось влияние теши»
проводности на процесс нагрева электронов. Пренебрежение тепл<>1 ipo
водностью приемлемо, поскольку характерный пространственный размер
неоднородности ЬЕ значительно превышает характерный прострпп
ственный масштаб, определяющий неоднородность энергии электронон
^=-4 и-
VO
Кроме того, третье уравнение получено в пренебрежении ионизационными
членами, что допустимо, поскольку на предпробойной стадии v, < • fiv
Считается также, что 5 и v не зависят от энергии электронов. Это допу
щение не является строгим, однако для получения предварительных он>
нок им пользуются для значительного упрощения задачи.
Аналитическое решение системы уравнений (7.19) для случая прохож
дения через атмосферу Земли мощного СВЧ-импульса вида (7.18) получепн
в работе [35]. Соотношения, описывающие эволюцию параметров ') и v,
позволяют оценить пространственно-временное распределение imhmv
щений энергии и плотности электронов, образующихся в атмосфере при
прохождении мощных коротких импульсов. Полученные в [35] решении
позволяют подтвердить ранее сделанный вывод о том, что эффект iimpi
ва электронной компоненты определяется прежде всего параметром 6vi„
В случае достаточно длинных импульсов, когда 8vth>> 1, средняя >ш р
гия электронов
Э = Э0+Эстехр(-2х2), (7 чн
где Эст =----г—----у — стационарное значение средней энергии ни i i
2m8(tD2+v2)
ронов в однородном СВЧ-поле с амплитудой напряженности Ео;
7 4. Анализ пробойных явлений при прохождении мощного СВЧ-излучения 291
Z ~ct
Х=------.
сти
Из (7.20) следует, что нагрев атмосферы происходит локально, про-
прпнственно-временное возмущение энергии, повышающей темпериту
ру электронов, повторяет форму СВЧ-импульса (7.18) и синхронно с ним
Перемещается в пространстве. Максимальное значение энергии при х = 0
п(ответствует максимальной напряженности поля в импульсе. В проти-
иоположном случае очень коротких импульсов, когда 5vth« 1 в области
максимальной интенсивности поля (х = 0)
3 = 30+3ctJ|&vth, (7.21)
I. с. средняя энергия электронов много меньше величины Эст и нагрев
*‘|Сктронов при прочих одинаковых условиях происходит медленнее (прак-
1 „чески нагрева не происходит). Условия пробоя атмосферы при этом
ухудшаются.
В качестве примера воздействия интенсивных коротких импульсов
( НЧ-поля на величину энергии, переносимой импульсом, на рис. 7.9 при-
Э
«едены графики зависимости нормированных значений энергии Э* = ——
л ст
И концентрации (плотности) электронов п*=----от нормированного
Z
шипения координаты z* =---- для фиксированного момента времени
— =100 при различных значениях параметра 8vt1v Численные зна-
чония амплитуды Ео электрического поля выбраны таким образом, чтобы
мпкеимальное значение концентрации электронов было равно крити-
ческому лкр. Другими словами, значения амплитуды Ео равны импульс-
ному полю пробоя. При этом предполагалось, что частота ЭМП'равна
/ - 10 ГГц, начальная концентрация электронов п0= 10 см"3, концентра
Нии молекул газов воздуха ЛП1 = 5,881015 см-3, 8=0,01, Ео = 1400 В/см.
Приведенные графики подтверждают уже использованное выше утвер-
ждение о том, что характер разогрева электронной компоненты газовой
t рсды, а следовательно, и ее ионизация, существенным образом зависят
IIГ отношения длительности импульса к характерному времени релакса-
ции энергии электронов (в нашем случае время релаксации энергии элек-
цюнов практически совпадает со временем релаксации их температуры).
При 8vth » 1 температура электронов квазисинхронно следует за мед-
ленно (по сравнению со временем релаксации энергии) изменяющейся
си „бающей СВЧ-импульса. Температура, которая не представлена на гра-
292 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов в атмосфере Земли
a б
Рис. 7.9. Пространственный профиль возмущения энергии Э* и концентра
ции электронов п* в фиксированный момент времени т* = Г/ти =100. Пунк
тирная кривая соответствует огибающей СВЧ-импульса, 1 — 8v't11= 0,2,
2 — 5vt1i= 1,0; 3 — 3v-t„ = 10
фиках рис. 7.9, в моделях статистической физики имеет размерность эпср
гии и измеряется в единицах энергии (1 эВ = 11606 К).
Температурное возмущение практически совпадает в пространстве <
импульсом поля, оно несколько уже его, т. к. Эст ~ Е2. Возмущение коп
центрации электронов незначительно отстает при распространении от им
пульса поля.
Когда 8ути= 1 (рис. 7.9), максимальная величина энергии электронов
составляет ~ 40% от стационарного значения Эст, соответствующего ы
данной амплитуде. Поэтому для достижения критической концентрации
плазмы в этом случае требуются большие значения амплитуды поля в
импульсе, чем в случае Svt„ = 10.
При значении 8ути = 0,2, когда время релаксации энергии электропои
значительно превышает длительность импульса, максимальное значение
энергии электронов около 0,2Эст. Задний фронт возмущения темпера гу
ры очень пологий. Для достижения критической концентрации в этом
случае необходимы еще большие значения напряженности электрического
поля. Возмущение концентрации электронов значительно отстает от им
пульса поля и занимает область, размер которой во много раз превышаю
размер той области пространства, в которой локализовано поле импулы i
На рис. 7.10 для наглядности методики оценки пороговых полей ирги
ставлена динамика процесса установления возмущения средней энерпш
и концентрации электронов в поле ЭМИ. Зависимости безразмерны >
величин £*, Э*, п* от координаты z* показаны для последовательны•.
моментов времени /*= 0; (рис. 7.10, а); 0,5 (рис. 7.10, б); 1,0 (рис. 7.10, < »
3,9 (рис. 7.10, г); 5,0 (рис. 7.10, д); 10 (рис. 7.10, е).
7.4. Анализ пробойных явлений при прохождении мощного СВЧ-излучения 293
Рис. 7.10. Динамика возмущений слабоионизированной среды под вли-
янием СВЧ-импульса: Е* = Е/Ео — поле СВЧ-импульса; Э* = Э/Эо —
средняя энергия электронов; п* = л/л0 — средняя плотность электро-
нов; /* = //ти; z* = z/crH; Эо — невозмущенная энергия электронов до
прохождения импульса; п0 — начальная концентрация электронов;
ти — длительность импульса; Ео= 1400 В/см;/= 10 ГГц; п0 = 10 см-3;
6vt„ = 1; Nm = 5,88 10,5см 3; 5 = 0,01
294 Глава 7. Распространение мощных СВЧ-импульсов в атмосфере Земли
Анализ результатов приведенных численных расчетов пространстве 1।
но-временных профилей средней энергии и концентрации электронов по
зволяет сделать следующее заключение.
Влияние ограниченности времени разогрева электронов начипас!
сказываться на характеристиках возмущений и на величине пробойиоП
напряженности поля, если 8vth< 10. В этом случае нельзя использован,
предположение о локальной связи частот ионизации, прилипания и ли<|>
фузии с величиной эффективного электрического поля. Надо учитывап.
их зависимость от энергии электронов.
При 5vth > 10 профили возмущений температуры и концентрации элск
тронов практически повторяют форму огибающей импульса поля. Маь
симальная величина энергии Э*тах = 1, т. е. нагрев происходит как в он
нородном поле. В этом случае можно пользоваться критериями пробои,
полученными ранее для длинных импульсов. С уменьшением 5vtm Э*„,„
уменьшается и, следовательно, необходимо повысить амплитуду пони
чтобы концентрация успела дорасти до критического значения. Кром<
того, чем меньше 6vrI(, тем шире область возмущений Э* и п* и больви
расстояние между импульсами п* и Е*.
В этом случае необходимо корректировать критерии пробоя (7.10) и
(7.15). Однако коррекция указанных критериев для очень коротких им
пульсов представляет собой самостоятельную задачу, решение которой вы
ходит за рамки настоящей работы.
ГЛАВА 8
ПУТИ ПРОНИКНОВЕНИЯ МОЩНОГО СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ
К ПОРАЖАЕМЫМ ЭЛЕМЕНТАМ РЭС
8.1. Воздействие СВЧ-излучения на антенно-фидерные системы
Входные и выходные каскады РЭС, непосредственно связанные с
ни генно-фидерными трактами, а также элементы АФАР наиболее уязви-
мы для ФП ЭМИ. Эти элементы открыты для проникновения СВЧ-излу-
чсиия и работают на частотах, охватываемых спектром ЭМИ. При этом
ЭМИ наиболее вероятно будут воздействовать на антенны по боковым ле-
песткам их диаграмм направленности. При оценке мощности, необходи-
мой для ФП РЭС, необходимо учитывать то обстоятельство, что, собствен-
но поражающее воздействие будет оказывать лишь часть мощности
изучения, вырезанная пространственно-временным фильтром, т. е. ос-
либленная боковыми лепестками ДНА и отфильтрованная сравнительно
уткополосными фильтрами в фидерном тракте.
Но особенность воздействия мощного СВЧ-излучения на электронные
нстемы на сводится только к проникновению в аппаратуру через элементы
йнтснно-фидерного тракта. Возможно проникновение и через так назы-
Впсмые «точки черного входа» (по американской терминологии). К послед-
ним относятся вентиляционные отверстия, люки, технологические зазоры,
грещины и щели в блоках и экранах, провода цепей питания, управления
и сигнализации, точки заземления и другие элементы контакта с внеш-
ней по отношению к РЭА среде. В частности, опыт эксплуатации вычис-
лительных средств показал, что сбои при выполнении операций чаще всего
возникают при воздействии внешнего излучения по цепям питания.
8.2. Ослабление электромагнитных полей экранами
Уязвимые для ЭМО элементы РЭС защищены от прямого действия
поражающих ЭМИ экранами, как правило, многослойными. Во-первых,
1*''>С экранируется корпусами тех изделий, которые применяют и исполь-
«уют РЭС. Это фюзеляжи, транспортно-пусковые контейнеры или обечай-
• if ЛА, кузова транспортных средств, экранированные помещения и дру-
|не элементы строительных конструкций стационарных РЭС. Во-вторых,
296
Глава 8. Пути проникновения мощного СВЧ-излучения...
это кожухи и корпуса блоков электро- и радиоаппаратуры. И, наконец, и
третьих, — экраны отдельных элементов и устройств (усилителей, кабс
лей и фидеров, коммутационных и присоединительных изделий).
Экранирование обеспечивает ослабление ЭМП за счет использования
различных электрофизических эффектов, прежде всего отражения, рас
сеяния, преломления и поглощения. Эти эффекты сопровождают рас
пространение колебаний в средах с разными проводимостями, диалект
рическими и магнитными проницаемостями. На рис. 8.1 представлен
многослойный замкнутый экран в ЭМП, создаваемом внешними источ
никами излучения.
Рис. 8.1. Экран в электромагнитном поле
Экран делит пространство на несколько частей: внешнее пространство,
экранируемое пространство и собственно экран. Каждая из перечислен
ных областей определяется своими электрофизическими характеристика
ми: е — диэлектрической проницаемостью, ц — магнитной проницаемо
стью и о — удельной проводимостью среды.
За редким исключением области до и после экрана имеют одинаковые
электрофизические характеристики, которые соответствуют характерис гн
кам свободного пространства (ц = ц0 = 4л-10 7 Гн/м; е = е0 = 8,85 10~12 Ф/м
и о = 0). Характеристики материала экрана при этом существенно отличи
ются от соответствующих параметров свободного пространства, чем и опре
деляются его экранирующие свойства по отношению к внешним ЭМП
Для количественной оценки эффективности экранирования испод
зуют ряд параметров, основными из которых считают следующие [140|
1. Коэффициент экранирования S, равный отношению амплитуды
напряженности электрического или магнитного поля в какой-либо точю
8.2. Ослабление электромагнитных полей экранами
297
экранируемой области к амплитуде напряженности поля в этой же точке,
если бы экран отсутствовал, т. е.
с 5
г “ ц
(8-1)
I; 5я[дБ] = 201е|М
( Пу /
(8-2)
(8.3)
(8.4)
ЕС
Чаще всего коэффициент экранирования измеряется в децибелах:
5£[дБ] = 20^
1^1
2. Затухание в экране, которое определяется как величина, обратная
коэффициенту экранирования, и обозначается [64]
Л[дБ]=201g[ ] = -201g 5 = -5[дБ].
у *3 J
Коэффициент экранирования имеет выраженный резонансный харак-
icp. Поэтому импульс воздействующего на экран ЭМП изменяет форму
И длительность. Эти изменения характеризуются коэффициентами изме-
нения фронта и длительности импульса в экранируемой области
К — ^Ф3 ,, /х — тиЗ
Лф И Ли
тф| Тф1
Общие принципы экранирования удобно рассматривать на примере
плоского проводящего экрана, опуская эффекты, обусловленные его гео-
метрической формой. На рис. 8.2 представлен бесконечно протяженный
плоский металлический экран толщиной d, находящийся в воздухе. На
экран с одной стороны (слева на рис. 8.2) падает плоская ЭМВ.
При падении волны на границу раздела двух сред с различными элек-
трофизическими характеристиками (воздух — металл и металл — воздух)
«одна отражается и преломляется, а в толще экрана происходит поглоще-
ние энергии ЭМП. Все эти процессы сопровождаются потерями электро-
мигнитной энергии волны. Но в итоге некоторая часть энергии ЭМВ про-
никает в экранируемую область. Таким образом, общая эффективность
•кранирования равна сумме потерь на отражение, поглощение и много-
кратные отражения в стенках тонких экранов:
А [ДБ] = 4лр1 [дБ] + 4огл [дБ]+4^2 [ДБ]- (8.5)
Для любой распространяющейся ЭМВ характерным параметром явля-
ется полное волновое сопротивление среды, в которой происходит ее рас-
пространение:
^В=Д.
в Н
(8-6)
298
Глава 8. Пути проникновения мощного СВЧ-излучения...
Рис. 8.2. Отражение и преломление волны, падающей на плоский экран
Если учесть, что полное характеристическое сопротивление среды
^о =
1
о + /сое’
(8 7)
то для плоской волны в дальней зоне излучения ZB=2^.
Поскольку для диэлектрика о «сое,
(КН)
а для проводящей среды о »сое полное характеристическое сопротшии
ние соответствует полному сопротивлению металлического экрана
„ли |Z,|=^. <Я.»
Потери на отражение на границе раздела двух сред связаны с разлнч
ными значениями их (сред) полных характеристических сопротивлении
Проходя через экран, волна встречает на своем пути две границы разденн
(рис. 8.3).
Хотя электрическое и магнитное поля отражаются от каждой грани по
по-разному, суммарный эффект после прохождения обеих границ одинаков
для обоих полей. Для металлического экрана Z| » Z2. При этом наибшн-
шее отражение (наименьшая напряженность поля прошедшей волны) н.п>
людается для электрических полей при входе волны в экран (на первой
границе), а для магнитных полей при ее выходе из экрана (на второй
границе).
8.2. Ослабление электромагнитных полей экранами
299
2Z,
_____4^2^3_____£
(Z|+Z2)(Z2+Z3) 1
2Z3 4Z2Z3
"3 " (z2 + z3)111" (z, + z2 )(z2 + z3)
Рис. 8.3. Частичные отражения и преломления
на поверхностях экрана компонент ЭМП
Поскольку отражение электрических полей происходит главным об-
рп юм на первой поверхности, то даже тонкие экраны обеспечивают зна-
чительное ослабление поля проходящей волны.
Для металлических экранов [64]
4щ,[дБ]а201ё^,
(8.Ю)
|ЛС ZB — волновое сопротивление среды до экрана; Z3 — поверхностное
сопротивление экрана.
В случае плоской волны (в дальней зоне источника излучения) соот-
ношение (8.10) для потерь на отражение с учетом (8.8) и (8.9) можно пе-
реписать в виде
4ир [д Б] = 20Ig^b£ = 38,688 + 101g^, (8.11)
откуда следует, что потери на отражение велики у экрана, изготовлен-
ного из материала с высокой проводимостью и малой магнитной прони-
Нисмостью.
В ближней зоне источника поля излучения в основном определяются
нс характеристиками среды, а параметрами источника излучения.
Зависимости затухания за счет отражения плоской волны от экранов
для некоторых конструкционных материалов приведены на рис. 8.4 [64].
Волновое сопротивление, создаваемое точечным высокоомным источ-
ником электрического поля для ближней зоны излучения (г< Х/2л), мож-
но аппроксимировать уравнением
1Яв1эл=7^? (8.12)
300
Глава 8. Пути проникновения мощного СВЧ-излучения...
Частота, МГц
Рис. 8.4. Затухание при отражении плоской волны от экрана
где г — расстояние от источника до экрана; со — угловая частота поли
излучения.
В рассматриваемом случае потери на отражение в электрическом поле
ближней зоны источника излучения составляют
4тр.эл [дБ] = 2О1ё4соег|^э|’ (8 13»
где Z3 — полное сопротивление экрана, определяемое соотношением (Я.1))
Потери электрического поля ближней зоны излучения на отражение
оказываются больше, чем потери у плоской волны, и в основном опреде
ляют процесс экранирования.
Волновое сопротивление, обусловленное точечным низкоомным ш
(
точником магнитного поля в ближней зоне его излучения I r < ~ I, со
ставляет
кв|м (8.11)
Тогда
Лтрм[дБ]^2018^. (8.1М
В этом случае потери на отражение меньше, чем у плоской волны, и
на низких частотах их можно не учитывать (принять равными нулю).
Потери на поглощение обусловлены поверхностным эффектом в про
водниках. В силу этого эффекта амплитуды проникающих в металличп
кий экран электрических и магнитных полей убывают с глубиной по »
споненциальному закону (рис. 8.5).
Токи, индуцируемые в металле, вызывают активные потери и, следи
вательно, нагрев экрана.
8.2. Ослабление электромагнитных полей экранами
301
Рис. 8.5. Ослабление ЭМП в поглощающей среде
Таким образом,
Е2 = Е} exp -f ;
к о)
Н2 = Н} ехр
(8.16)
где Е2 и Н2 — соответственно напряженности электрических и магнитных
полей на расстоянии х от поверхности экрана;
6= Ц—
— глубина скин-слоя, определяемого как расстояние, которое должна прой-
ти ЭМВ в металле, чтобы амплитуда ее была ослаблена в е раз.
Затухание ЭМВ за счет поглощения в материале экрана для разных
конструкционных материалов иллюстрируется зависимостями (рис. 8.6)
При этом потери на поглощение экраном, имеющим толщину d, ока-
чиваются равными
Логл[дБ] = 8>69-| = 6,16г/7^1ЧО- (8.17)
Как видно из (8.17), потери на поглощение растут пропорционально
толщине экрана и монотонно увеличиваются с ростом магнитной прони-
цаемости, удельной проводимости его материала, а также частоты ЭМП.
Для тонких экранов можно оценить потери на многократные отраже-
ния. Эти потери связаны с волновыми процессами в толще экрана и в
основном определяются отражением от его границ и поглощением в ме-
талле экрана (рис. 8.7).
Почти вся энергия электрического поля падающей волны отражает-
ся от первой границы, и только небольшая ее часть проникает в экран.
302
Глава 8. Пути проникновения мощного СВЧ-излучения...
Рис. 8.6. Затухание ЭМВ при поглощении для экранов
разной толщины из различных конструкционных материалов
Рис. 8.7. Многократные отражения в тонком экране
Поэтому многократными отражениями внутри экрана для электричп кип
полей можно пренебречь.
Для магнитных полей большая часть падающей волны проходит и и
ран, в основном отражаясь, как это было уже сказано, только на нтриИ
границе, тем самым создавая предпосылки к многократным отражениям
внутри стенки экрана. Корректирующий коэффициент, учитывании ни
многократные отражения для магнитных полей в экране с толщиной < к и
ки d при глубине скин-слоя 8, определяется как
8.3. Корпуса-экраны РЭС в поле ЭМИ
303
4п>м[дБ122018 1-еХр(-у
(8.18)
Этот коэффициент многократного отражения имеет отрицательное зна-
чение, что указывает на уменьшение эффективности экранирования тон-
ким экраном вследствие многократных отражений.
Таким образом, можно сделать два существенных вывода.
1. Для электрического поля основным механизмом экранирования
являются потери на отражение.
2. Для низкочастотного магнитного поля в дальней зоне излучения
почти все ослабление достигается за счет потерь на отражение, в то вре-
мя как на высоких частотах ослабление происходит в основном из-за по-
1срь на поглощение, они же являются определяющими и при экраниро-
шшии магнитных полей ближней зоны излучения.
8.3. Корпуса-экраны радиоэлектронных средств
в поле электромагнитных импульсов
В практике обеспечения стойкости РЭС к воздействию ЭМИ можно
Встретить самые разнообразные по своему конструктивному исполнению
корпуса РЭС, выполняющие функции защитных экранов. При этом их
многообразие проявляется в самых разных, на первый взгляд не связан-
ных между собой аспектах.
Так, корпуса-экраны РЭС отличаются друг от друга линейными раз-
мерами, конфигурацией, конструктивным исполнением, используемыми
11и изготовления экранов материалами, наличием или отсутствием в кор-
пусах РЭС отверстий, щелей, крышек, сварных или клепаных швов, резь-
Попых соединений и тому подобных неоднородностей. Все это предъяв-
HICT свои особые требования к постановке и решению задач оценки
шлнбления поля ЭМИ экранами.
Тем не менее из всего многообразия существующих на практике ти-
пов корпусов-экранов РЭС можно выбрать наиболее характерные их мо
/КЛи, которые по тем или иным сходным классификационным призна-
кам могут быть объединены. Граф на рис. 8.8 иллюстрирует примерную
классификацию корпусов-экранов электро- и радиотехнических устройств,
< нпжающих эффективность ЭМО.
Основные конструкционные материалы, используемые для создания
к приусов и каркасов РЭС, обладают вдобавок еще и хорошими экранирую-
щими свойствами. Электрические характеристики основных конструкци-
iiiini.ix материалов и материалов, специально применяемых для создания
1КРШЮВ, приведены в табл. 8.1.
304
Глава 8. Пути проникновения мощного СВЧ-излучения...
Корпуса-экраны РЭС
Металлические
Неферромагнитные
Ферромагнитные
Многослойные
Электрически неоднородные
Неметаллические
Композиционные
Напыленные
Армированные металлом
Рис. 8.8. Классификация корпусов РЭС,
экранирующих их элементы от воздействия ЭМИ
Таблица S I
Материал Удельная проводимость о, 107 См/м Относительная магнит! гая проницаемость, рэ
Серебро 6,0 1
Медь отожженная 5,7 1
Медь холоднокатаная 5,53 1
Золото 4,0 1
Алюминий 3,47 1
Алюминиевые сплавы 1,2...2,0 1
Магний 2,16 1
Цинк 1,71 1
Титан 0,18 1
Латунь 1,48 1
Никель 1,14 1
Бронза 1,03 1
Олово 0,85 1
Свинец 0,46 1
Сталь нержавеющая 0,11 1
Железо 0,15...0,96 1000...100
Сталь автомобильная 0,57 1000
Пермаллой 0,17 80 000
8.3. Корпуса-экраны РЭС в поле ЭМИ
305
В первую классификационную труппу можно выделить неферромаг-
Нитные корпуса-экраны, которые характеризуются высокой электричес-
кой проводимостью их материала, обладающего однородными и изотроп-
ными свойствами.
Ферромагнитные материалы, обладающие высокой магнитной прони-
цаемостью цэ, имеют малую проводимость о по сравнению с диамагнит-
ными материалами, причем увеличение цэ происходит быстрее, нежели
уменьшение а. Поэтому и потери на поглощение в экранах из ферромаг-
нитных материалов выше (табл. 8.1). Однако реакция экрана из ферро
I магнитного материала на внешнее электромагнитное воздействие отли-
чается от реакции экранов из немагнитных материалов, что обусловлено
прежде всего нелинейными зависимостями свойств магнитных материа-
лов от частоты и амплитуды магнитного поля, а также изменениями их
магнитных свойств под действием механической обработки. Все это сви-
детельствует об определенной специфике решения задач ферромагнитного
экранирования и требует выделения ферромагнитных корпусов-экранов
И отдельную группу.
Известно, что высокой эффективностью экранирования обладают
Конструкции, комбинирующие экраны из немагнитных и магнитных ма-
гсриалов. Это свойство связано с тем, что при больших амплитудах ЭМП
магнитный материал насыщается и его магнитная проницаемость цэ, а
Следовательно, и экранирующая способность резко падают. Магнитный
Материал используется в совокупности с неферромагнитным, который
снижает напряженность воздействующего магнитного поля до уровня, не
Вызывающего насыщения магнитного материала и обеспечивающего ос-
новное экранирование. В связи с практической важностью и широким ис-
пользованием комбинированные многослойные корпуса-экраны РЭС так-
же выделены при рассмотрении в отдельную группу.
Как правило, к корпусам-экранам РЭС помимо обеспечения ослаб-
ления полей ЭМИ предъявляют не менее жесткие требования по их массе,
прочности, стойкости к внешним воздействиям агрессивных сред. Для ЛА
элементы конструкции наделяют также свойствами малоотражающих по-
верхностей для снижения их радиолокационной заметности. В этой свя-
ли в последнее время широко применяют экраны из специальных прово-
днщих пластических масс либо диэлектрические корпуса в совокупности
i металлическими включениями или конструкциями, которые помимо
|рсбуемых защитных свойств корпусов-экранов РЭС из пластических масс
обеспечивают их высокие механические качества. Поэтому приходится
рпссматривать также неметаллические корпуса-экраны РЭС различного
Конструктивного исполнения и оценивать их защитные свойства.
306 Глава 8. Пути проникновения мощного СВЧ-излучения...
На практике невозможно встретить сплошные однородные корпус»
экраны. Их однородность нарушается различными технологическими <н
верстиями, щелями, крышками и лЗоками, разъемными и неразъемными
соединениями отдельных элементов конструкции. Ввиду того, что мехи
низм проникновения электромагнитных полей помех через электричп
кие неоднородности корпусов экранов существенно отличен от проник
новения этих полей через сплошные стенки, электрически неоднородны*
корпуса-экраны РЭС также выделены в отдельную группу.
8.4. Ослабление электромагнитных импульсов
неферромагнитными корпусами-экранами
Основные экранирующие свойства проводящих оболочек при возлей
ствии на них ЭМИ можно оценить на основе довольно простых физичп
ких соображений.
Пусть ЭМИ с напряженностью магнитного поля Нх (/) воздействуй i
на замкнутую оболочку с некоторым характерным размером d и толщиной
Д « d. Проводимость материала оболочки о. Длительность импульса ЭМ 11
г>>тдиф> где тдиф — время диффузии магнитного поля через оболочку
gJ2
тдиф = 2л—г-. (8.19)
с
Магнитное поле в пространстве за экранирующей оболочкой
Н3(г)=Н(/)+Н'(/), (8.20)
где Н'(г) — напряженность индуцированного магнитного поля, обуслон
ленного наведенными внешним полем токами в оболочке. Плотность этих
наведенных токов
= , (8.21)
где Е, — обобщенная координата, характеризующая положение линии токи.
5(^) — площадь плоской фигуры, ограниченной витком, /(^) — длин»
трубки тока.
Площадь сечения элементарной трубки может быть представлена вин
де dS(Q = g(^)j(^), где g(%) —некоторая функция, зависящая от формы
и размеров экранирующей оболочки.
Элементарная трубка тока возбуждает поле с напряженностью
dH=G($jdS($,
где j — плотность тока; функция G(E,) зависит от формы оболочки.
8.4. Ослабление ЭМИ неферромагнитными корпусами-экранами
307
Суммарное поле всех текущих в оболочке токов равно
Я3 (/) = -ц0е0о^^ Ja^g(g)G(g)jg. (8.22)
Интеграл в правой части (8.22) имеет размерность длины и может быть
обозначен £о. Индекс а характеризует форму экрана.
Уравнение (8.22) можно переписать в виде
Я3(/) = -Та-^^+Я0(/). (8.23)
О1
Решение этого уравнения
я3(/)=—р т“Я0(е)</е. (8.24)
Параметр та в (8.23) и (8.24) имеет размерность времени и равняется
та - °ЛхНоеО-
(8.25)
На основании (8.24) можно сделать вывод о том, что для ЭМИ с маг-
нитной напряженностью Я3(/) и длительностью т « т„ ослабление поля
шмкнутой экранирующей оболочкой составит
Л(т) =--------.
о£аЦо£о
(8.26)
Как видно даже из приведенного приближенного анализа, ослабление
п экране зависит от длительности воздействующего на него ЭМИ.
Входящая в (8.26) функция эквивалентной длины оболочки равна
1,ЗЗлЯ
2jiR
4л/?
— для сферы радиуса R
— для цилиндрической
оболочки радиуса R
— для параллелепипеда
с размерами основа-
ния R, много больши-
ми высоты
(8.27)
Полученное в [64] решение задачи электромагнитного экранирования
цеферромагнитной оболочкой позволило получить оценку для ослабления
импульса, создаваемого разрядом молнии.
Полагаем, что импульс ЭМП молниевого разряда имеет экспоненциа-
льное нарастание и экспоненциальный спад
^ф+ _ ^ф-
(8.28)
308 Глава 8. Пути проникновения мощного СВЧ-излучения...
с конкретными параметрами: Я1тах = 50 А/м, постоянная времени нар.и ш
ния импульса = 1 мкс, спада— = 100 мкс, а экранирующая o6i*>ni'i
ка — цилиндр диаметром 0,25 м с толщиной стенки 1 мм, изготовленный
из алюминиевого сплава с проводимостью о = 2-107 См/м. Для этих инн
ных, следуя [16], можно найти изменения формы импульса за экраном
Эти изменения иллюстрируются графиком рис. 8.9.
Рис. 8.9. Изменения напряженности поля грозового
разряда экранирующей оболочкой
Как видно из рис. 8.9, замкнутая экранирующая оболочка не гот.mi
снижает амплитуду ЭМИ в экранируемом пространстве, но и сущее пн и
но затягивает его фронты. Это естественно, если учесть частотную ниш
симость коэффициента затухания: спектральные составляющие на (иии#
высоких частотах, вносящие основной вклад в формирование фронзок нм
пульса, ослабляются в большей мере.
С увеличением толщины экранирующей оболочки коэффициеп! in
тухания растет, а с уменьшением проводимости — падает.
8.5. Ослабление электромагнитных импульсов
корпусами-экранами из магнитных материалов
Особенности экранирования РЭС от воздействия мощных ЭМИ «[•• р
ромагнитными экранами по сравнению с экранами из немагнитных мп
териалов определяются прежде всего зависимостью магнитной пронинп
емости материала экрана от амплитуды напряженности вневпк н>
магнитного поля, а также отведением внешнего магнитного потока и ри
ном за счет разных значений относительной магнитной проницаем!» ш
окружающей среды (для воздуха р= 1) и материала ферромагнитною ч
рана (ц »1).
S.5. Ослабление ЭМИ корпусами-экранами из магнитных материалов
309
I Защитные свойства ферромагнитного экрана в отличие от нефсрро-
М4П1итного носят нелинейный характер. В некотором диапазоне амплитуд-
ных значений внешнего магнитного поля эффективность ферромагнитного
(крина выше, чем неферромагнитного. При достижении определенных
шичсний амплитуды магнитного поля Н = Нс эффективность экрапиро
кинин ферромагнитного экрана в связи с насыщением его материала ста-
НОПится хуже по сравнению с неферромагнитным.
Амплитуды магнитных полей интенсивных источников излучения, та
(ИХ как молнии или средства ФП РЭС, достигают Нт.м -I03 А/м и выше,
ГО приводит к частичному или полному насыщению материалов магнит-
ным экранов.
Поведение ферромагнитного материала в сильных магнитных полях
ВПрсделяется процессами насыщения этого материала. При дост ижении в
пицце экранирующей оболочки индукции магнитного поля, соотвстству-
йпцей насыщению (2?=Внас), относительная магнитная проницаемость
0<спьшается от ртах до 1 и соответственно ухудшаются защитные свой-
XIIUI ферромагнитных экранов. При этом в зависимости от того, насыщен
М магнитный материал весь по толщине или частично, защитные свой-
I run ферромагнитного экрана также различны. Критерием определения
||тниц, при достижении которых защитные свойства ферромагнитных
нгрппов становятся хуже неферро-
Ывгпитных, является полное маг-
Ншпое насыщение материала фер-
|юмигнитного экрана.
Амплитуда волны напряжен
цини магнитного поля в ферро-
магнитном металле при сильных
ыппгитных полях в процессе сво-
нп распространения в глубь мате-
рНПЧП уменьшается почти линейно.
1ц> значит, что волна индукции,
Проникающая в металл, имеет кру-
1'|(1 фронт, повторяющий по фор-
иг характеристику намагничива-
ем
Реальная кривая
намагничивания
Аппроксимирующая
ступенчатая
зависимость
"с
Рис. 8.10. Кривая намагничивания
ферромагнетиков
Н
пни Обычно при анализе экранирующего эффекта ферромагнитных
гЛглочек эту характеристику аппроксимируют ступенчатой функцией 1129]
||||ц 8.10).
Диффузия магнитного поля продолжается до тех пор, пока весь маг
пшпый поток в течение длительности всего импульса внешнего во.злейст
НИИ не войдет в металл. При этом достигается максимальная глубина
310
Глава S. Пути проникновения мощного СВЧ-излучения...
проникновения поля в металл Бнас. Слой 8нас в соответствии с приня в ill
ступенчатой формой кривой намагничивания насыщается до уровня Л||1Н
независимо от напряженности магнитного поля на поверхности экрана
Уравнения Максвелла в этом случае сводятся к двум уравнениям
°нас (8.24)
£(/)=2JU^“4
откуда соотношение для определения глубины проникновения насыщен
ного слоя
где — изменение во времени внешнего магнитного поля, А/м; ВН.1С
значение индукции насыщения, Гс; а — удельная проводимость материл
ла экрана, См/м; ти — длительность импульса внешнего воздействия, с
Для максимальной интенсивности поля за экраном необходимо, что
бы толщина насыщенного слоя была не меньше общей толщины стенки
экрана 8нас > d, т. е. чтобы обеспечивался режим частичного насыщении
материала экрана. Тогда общий коэффициент экранирования феррома)
нитного корпуса РЭС будет определяться защитными свойствами наем
щенного и ненасыщенного слоев, который в общем случае всегда мсш.
ше коэффициента магнитного экранирования при полном насыщении
материала экрана.
8.6. Многослойные корпуса-экраны
радиоэлектронных средств
Фактически РЭС защищаются многослойными экранами. За внешни
ми корпусами (зданиями, сооружениями, фюзеляжами и кузовами) объек
тов, содержащих и использующих РЭС, располагается электро- и радии
оборудование, помещенное в собственные корпуса, кожухи и контейнеры
Эффективность таких многослойных экранов оказывается выше, чем при
стая сумма ослаблений ЭМП в каждом из экранов. Более высокое экра
нирующее действие многослойных экранов по сравнению с однородными
определяется физическими процессами, происходящими в комбинирован
ных экранах. Во-первых, отражением энергии ЭМП на многочисленны ч
8.7. Экранирование импульсных ЭМП неметаллическими оболочками
311
грпницах раздела сред с различными электрофизическими характсристи-
кими. Во-вторых, благоприятным обратным действием отдельных слоев-
НфОиов друг на друга, обусловленным взаимодействием вихревых токов,
наведенных в них в результате внешнего воздействия ЭМП. В третьих,
Исключением эффекта насыщения ферромагнитных материалов экранов
путем предварительной защиты их металлами с высокой удельной прово-
димостью и малой магнитной проницаемостью, а также и некоторыми
другими эффектами.
Для экранирования высокочастотных и импульсных ЭМП наиболее
’ аущсственно затухание на высоких частотах из-за поглощения энергии в
> ноях комбинированного экрана и ослабление за счет обратного действия
Моев-экранов друг на друга. При низкочастотном поле влияние на повы-
шение эффективности экранирования оказывают магнитные свойства
ферромагнитного материала экрана.
Работа многослойных экранов по защите РЭС от мощных импульсных
исктромагнитных помех имеет свои особенности. В процессе прохож-
дения сквозь металлическую стенку экрана импульс расширяется («затя-
|Ивается») т. е. его частотный спектр сдвигается в область более низких
Чнстот. В результате этого при импульсном излучении на каждый после-
дующий слой многослойного экрана воздействует импульсное поле с более
низкочастотным спектром. Это приведет к тому, что ослабление интен-
i пнносги излучения одними и теми же слоями экрана при синусоидаль-
ном и импульсном воздействиях будут отличаться друг от друга.
8.7. Экранирование импульсных электромагнитных
полей неметаллическими оболочками
В настоящее время в качестве конструкционных материалов широко
распространены пластмассы, керамики и композиты. Корпуса, контейнеры
Н оболочки из этих материалов помимо своих основных функций несу-
щей конструкции и защиты от механических воздействий способны ис-
полнять роль электромагнитных экранов. Сами по себе диэлектрические
корпуса не могут быть использованы как эффективная электромагнитная
шщита от ФП электромагнитными импульсами. Поэтому они чаще всего
встречаются в сочетании либо с проводящими включениями, либо с до-
полнительными металлическими элементами и конструкциями.
Корпуса-экраны РЭС из композиционных материалов представляют
»обой сложные образования, в своей основе содержащие проводящие или
Иодупроводящие включения, в которых связующим звеном выступают
«морфные диэлектрики — полимеры, в совокупности образующие упорядо-
312
Глава 8. Пути проникновения мощного СВЧ-излучения...
ченные цепочечные плоские или объемные структуры. Такие обрашин
ния, как правило, характеризуются относительной диэлектрической при
ницаемостью е' = 2,5...11 и удельной проводимостью о= 1...104 См/м
В отличие от металлических экранов, у которых проводимость д<к in
точно высока, а е -» в экранируемом композиционными оболочками
объеме присутствуют как электрическое, так и магнитное поля, проппкп
ющие через стенку экрана.
Так как композиционные материалы по сравнению с металлами имени
относительно низкую удельную электропроводность, их экранируюнн1||
эффект обуславливается в основном поглощением энергии электром.н
нитных импульсов.
На практике довольно часто для улучшения экранирующих свои- in
диэлектрических и композиционных конструкций без существен!кип
изменения их массы и других конструктивных характеристик примсняии
проводящее покрытие — металлизацию. Толщина таких покрытий <>ч< нь
мала, но, во всяком случае, не меньше глубины проникновения поли и
металл за счет скин-эффекта. Поэтому для металлизированных диэлсм
риков сохраняются условия экранирования, выполняемые для экранов и i
Рис. 8.11. Диэлектричес-
кий экран, армированный
металлической сеткой
чением удельной проводимости
проводящих материалов: низкочасин
ные поля ослабляются в большей с ип-
ни и ЭМИ при прохождении экрана ри
стягиваются.
Для улучшения механических и ш
щитных экранирующих свойств ди >лгь i
рических корпусов-экранов РЭС парил}
с применением металлизации испоив -v
ют армирование материала металлши -
кой сеткой (рис. 8.11).
Если у проволочной сетки ра im-р
ячейки примерно равен диаметру upturn
локи а ~ dc, то сетчатый экран по синим
свойствам близок к однородному мп и и
лическому экрану с толщиной с п и hi
d = dc, но с несколько уменьшенным пн
материала экрана, а именно [64]:
* М
о* = и—-
4а
(8 Hi
где о — удельная проводимость материала сетки, См/м.
8.8. Непрерывность электромагнитного экрана
313
8.8. Непрерывность электромагнитного экрана
Сплошные экраны могут в принципе обеспечить весьма высокие ос
лпбления ЭМИ ФП, вплоть до 100 дБ и выше [129]. Но наличие в стенках
корпусов-экранов РЭС неоднородностей (отверстий, щелей, стыков, кры-
шек и др.) создает по сравнению с однородными экранами дополнительные
кидалы для проникновения ЭМП в экранируемую область. В |64| отме-
Чпстся, что с точки зрения практики собственная эффективность экрани-
рнлания материалами экрана представляет меньший интерес, чем проник-
новение ЭМП через швы, соединения, отверстия.
Наличие в стенках корпусов-экранов разрывов электрической одно-
дности приводит к возникновению в экранированном объеме зон с но-
шенным уровнем напряженности электрических и магнитных полей по
(равнению с общим уровнем ЭМП в защищаемом объеме.
Проникновение через неоднородности корпусов-экранов электричес-
ких и магнитных полей источников ЭМИ ФП зависит от многих факторов
И и основном определяется видами неоднородностей корпусов-экранов
f ЭС. Отверстия являются наиболее широко распространенным видом не-
мдпородностей в экранах, встречающихся на практике. На процесс про-
никновения электрических и магнитных полей через отверстия существен-
нпе влияние оказывают его линейные размеры и форма, а также толщина
। ит1ки экрана. При этом максимальное проникновение магнитного поля
наблюдается в случае, когда вектор напряженности магнитного поля на-
правлен по касательной к плоскости отверстия, а электрического поля —
П перпендикулярном направлении.
В защищаемой экраном области пространства на расстояниях от цен-
l|ui отверстия, значительно превышающих его линейные размеры, поля
определяются как результаты излучения элементарных диполей (электри-
ческого или магнитного — витка с током) в зависимости от вида воздей-
। 1 дующего внешнего поля помехи (рис. 8.12).
Для случаев, когда размеры отверстия много меньше размеров экра-
на и длины падающей волны, справедливы следующие соотношения [64]:
для электрического поля
E3r(rfi)=^^-, (8.32)
ЕГ ЕГ
для магнитного поля
ня[г,9,е)=2>,'ь'?сав. (8.33)
г г
314
Глава 8. Пути проникновения мощного СВЧ-излучения...
Рис. 8.12. Составляющие электрического (а) и магнитного (6) полей
в экранированном объеме при их проникновении через отверстие в экране
где Р и М — соответственно моменты эквивалентных электрического и
магнитного диполей; г — расстояние от центра отверстия до рассматри
ваемой точки пространства экранированной области; <р и 6 — сооттич
ственно азимутальный и полярный углы относительно нормали к шин
кости отверстия.
Моменты эквивалентных электрического диполя Ри витка с током М
зависят от напряженности соответственно электрического и магнитною
полей, которые существовали бы при отсутствии отверстия в месте экрп
на, фактически занятом отверстием, а также от размеров и формы отпер
стия. В табл. 8.2 приведены аналитические выражения, определяют! и
значения Р и М для отверстий круглой и прямоугольной формы.
Таблица 8 J
Форма отверстия Эквивалентный дипольный момент Коэффициеиг ослабления поля <>
р М электриче- ского аЕ мании ноги U,
Круглое, радиусом г0 Зтг Н^р3 Зл 2,4 •о L84 'll
Прямоугольное, шириной b и длиной а (вектор Н| ори- ентирован параллельно малой стороне отверстия) Е|£лЛ2 Н.айЛ Ь 3 —— 1+— 64 ( 4а у п 7
6Хт2 У <"2 1 1 1 Va2 b2
Приведенные выражения (8.32) и (8.33) не учитывают влияния но
гцины стенки экрана на процесс проникновения электрических и мании
ных полей через отверстия в нем. В первом приближении ослабление помп
проникающего через отверстия вследствие конечной толщины стенки >i.p.i
на, можно учесть, рассматривая отверстие как запредельный волновод I <
8.8. Непрерывность электромагнитного экрана
315
** ослабление поля в процессе его проникновения через отверстие стен
Ml экрана толщиной d будет |64]
5£я =exp(-a£>£j), (8.34)
1Дс а£ и зависят от характера поля, формы и величины отверстия.
Значения а£ и для круглого и прямоугольного отверстий приведены в
iiiCiji. 8.2.
Таким образом, чтобы определить уровень проникновения электри
•Некого или магнитного поля через отверстие той или иной формы с учетом
конечной толщины стенки экрана, необходимо соотношения в правой
Чисти (8.32) или (8.33) домножить на коэффициент (8.34), предварительно
нндставив соответствующие значения для а£ или а£.
Непрерывность экранов кроме отверстий нарушается щелями на сты
mix сопрягаемых деталей. Щели в корпусах-экранах РЭС образуются при
ИХ монтаже винтами, заклепками, точечной сваркой или стыками между
। осдиняемыми деталями, образующими изгибы, выступы и прочие неров-
ности. На рис. 8.13 представлен экран с толщиной стенки d и бесконеч-
ной щелью шириной Ь.
Рис. 8.13. К определению защитных свойств экрана со щелью
Степень проникновения внешних электрического и магнитного полей
i ккозь щель, как и для прямоугольного отверстия, у которого а>Ь, зависит
О! толщины стенки экрана, линейных размеров щели, координаты рассмат
рпнаемой точки в пространстве экранированного объема. Если предста-
тггь, что экран обладает хорошими защитными свойствами, то в соответст-
иии с [64] амплитудные значения полей в экранированном объеме будут:
дли электрического поля
Е3г (/-,0) = Г—Е\ cosOexp^—2^,
(8’35)
Езе(г,0) = | — | Е, sinOexpf-2
I яг J \ b J
316 Глава 8. Пути проникновения мощного СВЧ-излучения...
для магнитного поля
гг / ( 2/^^ ТТ * ( Pid
Н3г (/-,0) = — sinOexp-------2 ,
у яг ) \ b J
2 (Я. »•)
Язе(/-,0) = | — | Я] cos0exp|-2
\лг J \ b J
Как видно из (8.35) и (8.36), напряженности электрических и мании
ных полей за щелью в экранированном корпусом объеме в основном in
висят от соотношения линейных размеров щели d/b и расстояния г от menu
в глубь экранированного объема.
На практике подобного рода бесконечные щели не встречаются Ч.пп.
они образуются между сопрягаемыми деталями и бывают ограничены ни
длине, например винтами, заклепками, точечной сваркой, представляя гем
самым своеобразные щелевые антенны. Такая антенна, даже очень узкая,
может создавать значительное излучение в экранируемое пространен^,
если ее длина превышает 0,01Х (X — длина волны внешнего поля). При
этом максимальное излучение в экранируемый объем наблюдается, с< ни
щель имеет длину 0,5Z. Таким образом, наличие в корпусах-экранах !*’•><
различного вида неоднородностей приводит к существенному снижении!
их защитных свойств и повышению эффективности ЭМИ, используемы*
для ФП.
Имея в виду, что отверстия, щели, стыки, трещины и другие нсодио
родности корпусов РЭС снижают их защитные свойства, нужно также учи
тывать, что при интенсивных потоках СВЧ-излучения, используемого дли
ФП, воздух в щелях и отверстиях ионизируется. При ионизации проно
димость его увеличивается и вместе с ней уменьшается эффективность но i
действия ЭМИ.
ЧАСТЬ 2
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПОРАЖЕНИЕ
АКУСТИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
ГЛАВА 9
АКУСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО
ПОРАЖЕНИЯ
9.1. Акустическое оружие
Издавна человечество обращало внимание на возможность воздейс t ни
вать звуком на различные объекты: на людей, животных, на естественны
и искусственные сооружения. Это воздействие может носить как положи
тельный, позитивный, так и негативный характер.
Задолго до наших дней люди сталкивались с разрушительным дейс i ни
ем звука. Только этим можно объяснить сообщение Библии (в книге lie i
хого Завета) об обрушении крепостной стены города Иерихона «до < но
его основания» от громогласных звуков семи труб. В Книге Судей того
исторического документа говорится, что при осаде лагеря мадианитяп I <«
подь «разделил 300 человек и дал им всем трубы, и затрубили все», н рг
зультате враги обратились в бегство. Спустя несколько тысячелетий, в uniii*
время, приходится слышать об активном применении акустических срсш m
как в интересах нападения, так и обороны. Например, по сообщению p.iiinu
Би-би-си, в ноябре 2005 г. у побережья Сомали команда крупною им»
риканского круизного лайнера применила мощные акустические оруннч
против нападавших пиратов. «Моряки оглушили нападавших мощным
ударом и затем оторвались от преследования» (www/bbcrussiannmi
05.11.2005).
Известны и другие примеры применения мощных направленных луп и
акустических волн для использования их в качестве оружия. Появнлш к
сведения об активизации разработок оружия коммерческого и бы пин ни
терроризма, направленного на то, чтобы лишить конкурентов cnocirtiiin
сти принимать разумные решения или принуждать их к «добровольным
действиям в ущерб себе.
В современной военной акустической технике применяются вояиы
очень широкого диапазона: от долей герца до 1О9...1О14 Гц. Условия рн
пространения таких волн и степень их воздействия на живые орг;нш im« ।
и неживые объекты сильно различаются. Поэтому в классической <|>н ш
ке принято подразделять акустические волны на ряд поддиапавни>н .
зависимости от частоты колебаний f (длины волны X). Разбиение и...
диапазоны проводится так, что внутри каждого природные условия pi.
9.1. Акустическое оружие
319
пространения волн и эффекты их взаимодействия с веществом остаются
единообразными. Поэтому для каждого диапазона можно указать на глав-
ные особенности волн и на преобладающие физические факторы.
В настоящее время выделяются три диапазона волн, которые могут
выть использованы для создания акустического оружия. Шкала акусти-
ческих волн приведена на рис. 9.1.
1 Инфразвук Слышимый J Ультразвук
I звук t
_____________I___________________И_____________4%.
О 16Гц 20 кГц 10s...1014
Рис. 9.1. Шкала акустических волн
h
1. Инфразвук — упругие колебания среды, аналогичные иным звуковым
колебаниям, но имеющие частоты ниже, чем у слышимых звуков. Обыч-
но за верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают частоту
/ 16...20 Гц. Нижняя граница инфразвука не определена. Источниками
инфразвука служат взрывы, грозовые разряды, землетрясения и другие
процессы, способные вызывать колебания воздуха. Инфразвуковые сис-
1СМЫ используют некоторые морские животные для защиты от нападения.
Для борьбы с терроризмом разработаны устройства инфразвукового по-
ражения [74].
Для инфразвука характерно малое поглощение, вследствие чего инф-
рвзпуковые волны могут распространяться на очень далекие расстояния
(сверхдальнее распространение). Волны с частотами/~О,1...1О Гц весьма
црсдно влияют на человека.
2. Слышимые звуковые волны имеют частоту от 16 Гц до 20 кГц. Верх-
ний и нижний пороги весьма условны и определяются многими психо-
физиологическими факторами, в частности, зависят от физического со-
стояния человека и от его возраста. Слышимый звук в зависимости от его
интенсивности и спектра может приносить как пользу, так и вред. В век
бурного развития техники звук все больше приносит человеку вред из-за
непрерывно повышающейся «шумности» окружающего мира. Разработчи-
ки оружия внимательно изучают возможности создания звукового оружия.
3. Ультразвук также представляет собой упругие колебания среды.
Чнстотный диапазон ультразвука подразделяется на три поддиапазона:
низкие ультразвуковые волны /= 1,5 1О4...1О5 Гц;
средние частоты /= 1О5...1О7 Гц;
высокие частоты /= 1О7...1О9 Гц.
Отдельно выделяют гиперзвук — упругие волны с частотами/= 109...1014 Гц.
320 Глава 9. Акустические средства функционального поражения
Ультразвуковые волны благодаря малой длине Z, < 1 см распростри.
ются в виде узконаправленных пучков, поперечный размер которых < и
храняется близким к размеру излучателя. В этом смысле они имел и ш
которую схожесть с лазерными лучами. Ультразвуковые устройс!ни i
успехом применяются в радиолокации, вычислительной технике, н и ц
нике физического и химического эксперимента. Высокие энергетиче» i.m
показатели ультразвуковых устройств дают возможность использова н, ut
не только в информационных системах (гидролокаторах, системах подпои
ной связи, медицинской диагностике и др.), но и для целенаправлен ши и
изменения свойств вещества, происходящего при воздействии на ik hi
мощного ультразвукового поля. Например, при ультразвуковой резке н
сварке металлов, приготовлении эмульсий, измельчении материя.). н
также и в системах функционального поражения. В быту такие ст и мы
уже применяются для отпугивания животных (собак, крыс).
Все виды акустических волн подчиняются одинаковым законам Он
нако имеются и отличия, о которых речь пойдет ниже.
Обычно считается, что оружие — это всякое средство, приспособлен
ное для нападения или для защиты. В этом смысле техническое среде i пн
которое использует для нападения или для защиты намеренно ...........
мое акустическое поле, также следует отнести к разряду оружия. П<».и и
массовом количестве, как, например, огнестрельное оружие, излучин ли
акустических волн не применяются для нанесения урона живой силе при
тивника или для разрушения военных объектов, но приведенные ныш
примеры уже свидетельствуют о создании и использовании первых акм
тических установок для борьбы с нападающей военизированной толпой
История имеет массу примеров того, как все новое вначале полним
лось в единичных, уникальных, опытных экземплярах и при этом, кик
правило, отвергалось с позиций консервативного мышления военных И
ученых. Но далеко не все отвергнутое не пробивало себе дорогу в при к tit» у
будущего. Поэтому авторы данной книги с некоторой долей осторож и
определяют акустические средства как оружие, требующее тщэтслыннн
изучения и анализа с разных позиций (физических, физиологических, шх
нических, тактических и, возможно, иных, авторам еще не открывшим ч)
9.2. Акустические волны
Все волновые явления (излучение, дифракция, интерференция и ip ।
подчиняются общим для волновых процессов законам [88, 72]. Сущхч 11>\ ।
аналогия между акустическими (механическими) и ...............юн
системами, поэтому изложение теории этих систем ведется на осноп« л
9.2. Акустические волны
321
|цих математических моделей. Разумеется, имеются и различия в представ
ягпии электромагнитных и акустических процессов, главным из которых
инпяется неприменимость полной системы уравнений Максвелла при
ипнеании поведения акустических волн.
Важнейшими свойствами любого волнового поля является подчине-
ние всех его свойств одной общей закономерности, заключающейся в том,
чго передача взаимодействия материи (например, энергии ЭМ В или зву-
чного давления) происходит не мгновенно, а с некоторой конечной ско-
ростью с. Если в некоторый момент времени /0 произошло изменение поля
и точке Рпо закону /(/), то это изменение будет замечено в точке Q на
расстоянии z и выразится некоторой функцией J 'о — Ь которая устаиа-
\ с)
Вливает связь возмущений при t = t0 и t =tQ —. Если возмущение в точ-
с
hr Р, порождаемое неким физическим процессом, происходит по гармо-
ническому закону, т. е. /(/) = Acosco/, то процесс в точке Q будет описы-
Цнться функцией
coif-—I = ^cos[co/-fc], (9.1)
\ с J]
, <» 2л
I ж к = — =-----волновое число; л — длина волны.
с А
В дальнейшем изучение свойств акустических волн целесообразно на-
чин» с простейшего случая плоских одномерных скалярных волн, распро-
। цмняющихся со скоростью с в однородной и изотропной среде. В линей-
ных средах (где справедлив принцип суперпозиции волн) плоская негар-
моническая волна распространяется без искажения.
Любая сложная волна при определенных ограничениях может быть
на дставлена в виде совокупности плоских волн, бегущих в разных направ-
лрциях и с неодинаковыми скоростями. Поверхности, на которых фаза
Фншой волны имеет одно и то же значение (при «замороженном» в дан-
ный момент времени акустическом поле) называют фронтом волны. Для
сферических волн эти поверхности — сферы. Для плоских — плоскости,
linn волн сложной формы поверхности равных фаз не укладываются в
пинанные элементарные модели. Например, вблизи акустического излу-
Чйгсля рупорного типа, в так называемой неволновой зоне, фронт плое-
ний, а на большом расстоянии, в дальней зоне, он приобретает сферичес-
кую форму (рис. 9.2).
Акустическая плоская квазигармоническая волна состоит из доста-
ni'iiio большого числа парциальных плоских волн. Каждая из которых
и>щнет в среде распространения участки сжатия и разрежения с синусо-
322
Глава 9. Акустические средства функционального поражения
Рис. 9.2. Фронт акустической волны
идальным распределением поля вдоль оси z распространения волн >1И
синусоида представляет собой как бы мгновенный снимок процесса /?(,)
(рис. 9.3).
На рис. 9.3 видно, что перемещение волны в направлении z со скоро
стью с неотличимо от перемещения в направлении 6 со скоростью с/соий
Рис. 9.3. Двумерный профиль давлений р в плоской
акустической синусоидальной волне
Период этой пространственной синусоиды Х = 2п/£ называется дчн
ной волны. Скорость смещения синусоиды по оси z равна с=ы/к, где А
волновое число. Сложная плоская волна, состоящая из нескольких шр
моник с частотами coj, (о2, .... <о„, представляется набором плоских парни
альных волн, представленных на рис. 9.4.
При локальном возмущении среды (например, при взрыве) в пей uu i
никают акустические волны. Вокруг источника формируется волпппнг
9.2. Акустические волны
323
Дальняя зона
Рис. 9.4. Система фронтов бегущего «замороженного»
пакета плоских квазигармонических волн
Акустическое поле. Процесс распространения возмущений в газах, жид-
костях и твердых телах описывается уравнением [25, 88, 72, 155]
или
(9-3)
д2р Э2р д2р 1 д2р
дх2 ду2 dz2 c2dt2’
I де р = р(х, у, z, t) — избыточное давление акустических волн (по отноше-
нию к не входящему явно в уравнения и невозмущенному давлению сре-
ДЫр0);с — скорость продольных волн в среде; Д — оператор Лапласа [112].
Выражение (9.3) является классическим волновым уравнением. Это
уравнение описывает волновые процессы в однородной изотропной не-
подвижной среде при малых возмущениях р, не вызывающих нелинейных
эффектов. При исследованиях волновых процессов в нелинейных анизо-
тропных средах использование уравнения (9.2) неправомерно [72].
Для одномерной акустической волны волновое уравнение (9.2) упро-
щается и приводится к форме
Р dz2 c2dt2'
(9.4)
Общее решение одномерного волнового уравнения (9.4) имеет вид
|72, 88, 155]
p(z,t) = A t-- |+fi|/+- |. (9.5)
< c J \ c J
Решение p(z,t) представляет собой любую функцию
( ( z А ( z
Alt— и Z? t+— от аргумента /±—
V с J \ с J (с
324 Глава 9. Акустические средства функционального поражения
характеризующую бегущую волну: первая (А) — бегущую направо, ши
рая (В) — бегущую налево. Таким образом, решение уравнения (9 4) < ни
дится к сумме двух плоских волн произвольной формы, бегущих наш ц*.
чу друг другу со скоростью с. На практике обычно рассматривают одну и*
составляющих, а именно А Г-— - Функция Л t — — ] характеризуем мп
V с) у с J
ду, под которой здесь понимается простейшее частное решение урашн»
ния (9.4), например одномерная плоская гармоническая волна. В оЬшгм
случае понятие «мода» A (z,t) характеризует как собственные частомы ш
так и пространственную конфигурацию волны.
Каждая парциальная акустическая волна (мода) в отдельности перем*
щается в направлении положительной (или отрицательной) оси z как пир
дая частица со скоростью с. Скорость распространения акустической воины
с является идеализированной («опорной») величиной, характеризуинш м
скорость распространения возмущений. Например, областей сгущении
вещества, из которого состоит среда распространения волны, при м..и
сжатиях. Другими словами, величина с в уравнении (9.4) есть скоро» и,
перемещения продольных волн бесконечно малой амплитуды А//>{1 I
где р0 —давление в невозмущенной среде (рис. 9.5). Для воздуха р0- I Пл
= 1 Н/м2 = 0,102 кг/м2.
Рис. 9.5. Распределение давления р при распространении
акустической волны вдоль оси z
В средах, для которых справедливо уравнение (9.4), плоская волна о»,
бой частоты распространяется без искажения и для волн сложной формн
справедлив принцип суперпозиции.
Скорость звука в газе равна [72]
где у—термодинамическая постоянная (величина табулирована); рп п< |
мальнос давление для невозмущенного газа; р0 — плотность среды, к i
9.2. Акустические волны
325
Скорость распространения акустических колебаний в жидких и твер-
дых средах определяется по формуле [И]
К < = (9.7)
I* Е — модуль Юнга, определяющий степень упругости среды (табули-
|«нм1нная постоянная, Н2/м2).
Пример
1. Скорость звука в воздухе. При нормальных условиях: р0= 1,3 кг/м3;
fit 1,4; р0= 1 Па. По формуле (9.6) можно найти св = 330 м/с.
2. Скорость звука в стекле, для которого Е = 5 1018 Н2/м2; р0 =
Р,5-Ю3 кг/м3, по формуле (9.7) находится св= 5100 м/с.
В табл. 9.1 для справки приведены осредненные значения скорости
фука в некоторых веществах (газах, жидкостях и твердых телах) [25, 147].
Таблица 9.1
Тип вещества Скорость звука, м/с Тип вещества Скорость звука, м/с
Нитдух 331 Железо 5900
Нодород 1284 Стекло 5100...6120
11(.м<а (при 20°С) 1490 Рубин И 240
1 нирт 1180 Алмаз 18 000
l’iyn> 1453 Каучук 54
ItlJIOTO 3200 Кирпич 3600
Скорость звука в основном зависит от характеристик среды (р, Е) и
вмисратуры Т. Диапазон изменения скорости звука весьма широк. Так,
к-пи в воздухе скорость распространения акустических колебаний равна
% « 330 м/с, то в алмазе — св = 18 000 м/с, что значительно превышает
пирую (11 200 м/с) и даже третью (16500 м/с) космические скорости.
Скорость распространения акустических волн определяется соотноше-
пнями (9.7) и (9.6) только в тех условиях, когда справедливы решения урав-
нений (9.4) и (9.3), а именно при соблюдении следующих условий:
• амплитуда колебаний акустического давления мала (отсутствуют не-
линейные явления);
• среда, в которой распространяются продольные (или поперечные)
волны, изотропная и имеет бесконечные размеры.
В реальных средах часто наблюдается зависимость скорости распрост-
риисния гармонических волн от частоты <о0. Это явление называется дис
Персией волн. Поэтому квазимонохроматическая волна, состоящая из
326
Глава 9. Акустические средства функционального поражения
пакета гармонических волн с частотами <оь <о2> ...,<ол, в процессе распро» i
ранения меняет свою форму вследствие изменения соотношений мсжл>
фазами ее парциальных волн (из-за разных скоростей <?ф).
Дисперсия скорости звука может быть обусловлена физическими спой
ствами среды, присутствием в ней посторонних примесей, невыполнением
условия безграничности и большими амплитудами давления. Диспещ пн
волн приводит к изменению фазовой скорости волны сф и, как следствие
к искажению формы первоначальных колебаний.
При рассмотрении особенностей акустического поражения различный
объектов важным видом дисперсии скорости звука является диспср1 пн
нормальных волн, распространяющихся в естественных волноводах. 1hip
мальные волны — гармонические волны, распространяющиеся в вол нова >•
без искажения формы. Волноводы, обычно естественного происхождении,
представляют собой какой-либо однородный слой в слоисто-неодпорпч
ной среде. Примером акустического волновода может служить слой воды
ограниченный поверхностями с резко отличающимися акустическими
свойствами: дном и поверхностью водоема.
В слое воды толщиной h нормальная волна с номером п при значении
волнового числа Л=2л/Х> mt/h распространяется с фазовой скоростью 123|
где с — скорость звука в невозмутимой среде.
Значению п = 1 соответствует простейшая волна, фазовая скор<и и.
которой равна
где Хкр = 2й — критическая длина волны звука, которая еще может рш
пространяться в волноводе;
. _ с 2пс
f W
ПС
— длина первородной волны; <окр =— — критическая круговая ч;н кип
для нормальной волны номера и = 1.
т-г , пи
При к <— волна данного номера п не может распространяться u i»> i
И
новоде: она превращается в синфазное колебание, интенсивность которшн
9.2. Акустические волны
327
Лыстро (по экспоненциальному закону) убывает вдоль слоя. При X < Хкр
(и) > сокр) с повышением частоты to фазовая скорость уменьшается, стре-
мись к скорости звука с в неограниченной среде.
Групповая скорость (скорость огибающей профиля квазигармони-
Чоской волны) характеризует скорость переноса энергии группового па-
кета гармонических волн. Она в отличие от фазовой скорости c,j, может
Нить измерена соответствующими приборами. Групповая скорость вычис-
дистся по формуле
В слоистой среде (в волноводе) групповая и фазовая скорости связа-
ны соотношением
СгрСф=С2.
(911)
Групповая скорость нормальной волны номера и равна нулю на
имей критической частоте
икс
=----
р h
(9.12)
И монотонно растет, стремясь к скорости с при увеличении частоты со
(рис. 9.6, с).
Рис. 9.6. Дисперсионный характер волновода: а — зависимости
фазовой Сф и групповой с^ скоростей от частоты со; б— зависимость
коэффициента затухания Хзат от частоты со
328 Глава 9. Акустические средства функционального поражения
Напротив, фазовая скорость Сф при а> —> сокр и монотонно умен,
шается в соответствии с (9.9), стремясь в пределе к с при увеличении чи
стоты со.
Групповая скорость в волноводе всегда меньше с, поэтому вне lamin
возникающее возмущение (например, сигнал) не может распространи i >.< и
со скоростью, превышающей с. Стоит указать, что фазовая скорое и. (ф
может быть больше с (Сф> с) в той же, но открытой среде. Этот кажущнп i
парадокс связан с определением фазовой скорости как скорости измен»
ния разности фаз между установившимися гармоническими колебании
ми движущейся (колеблющейся) частицы (например, молекулы) в ikuki
жении ?, и другой движущейся (колеблющейся) частицы в положе ..г.
Иначе говоря, фазовая скорость — это скорость, с которой перемеща< к и
некоторая фаза бесконечной синусоидальной волны, частота кок>)н>11
2л
(9-— постоянна (7= const), а длина волны меняется от Xmin до А
(при со=сокр). В реальных ситуациях имеют дело с волнами конечной н|*чн
женности с ограниченным временным и пространственным спектром < н
вокупность таких волн (мод) составляет волновой пакет, распространяю
щийся в среде с измеряемой скоростью с^,.
В идеализированной среде даже при отсутствии поглощения при
(0<С1)Кр, когда нарушаются нормальные условия распространения воли, при
уменьшении частоты ниже критической происходит быстрое монотоиниг
затухание волн по закону
Р = 4Аат> ИН)
где Ац — амплитуда волны (Па) на «входе» среды при <о > <вкр;
Лзат =ехр(-а?)
— коэффициент; а — показатель зазухания
Iff у
f -1-° при ^<Ар; <" ж
к0 — постоянный коэффициент, зависящий от свойств среды.
График зависимости коэффициента затухания /сзат от частоты
при z=Zq представлен на рис. 9.6, б.
Зависимость фазовой скорости Сф от параметров волновода Л и • ।
частоты колебаний со является весьма важной характеристикой при опр»
делении свойств акустических волн, предназначенных для функц1н>на и
9.3. Энергетические характеристики акустических волн
329
1ЮЮ поражения объектов, расположенных в волноводе. Учет зависимое-
•И (9.8) позволяет создавать в волноводе акустические поля с локальны
(ин сгустками энергии, которые принято называть каустиками*. При оп-
всленных условиях использование дисперсионных свойств волноводных
ц»*д позволяет создавать каустики в определенных локальных областях
> роды и управлять местоположением этих каустик. Принципиально такая
КНможность создавать сгустки энергии в области расположения поража-
»Мого объекта реализуема за счет излучения источником пакета волн (мод)
| различной частотой и. В этом случае на некоторых удалениях z от ис-
111чника И в волноводе формируются каустики Qt, Q2> — с высокой до-
ильной интенсивностью волн /, Вт/м2 (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Распространение пучка акустических
волн в естественном волноводе
Для фокусирования энергии акустических волн в локальных областях
MOiyr применяться акустические волноводные линзы, которые использу
*п свойства волновода для фокусирования (синфазного сложения волн)
* шранее заданной локальной области.
9.3. Энергетические характеристики акустических волн
В акустике в качестве меры взаимодействия энергий среды и волны
Ik пользуется величина объемной плотности энергии Э, под которой по-
нимается предел отношения энергии ДЭ, заключенной в элементарном
иЛьсме ДИ, к величине этого объема при стремлении объема к нулю:
Э= Um —.
дк->о ДИ
Плотность акустической энергии Э — это добавочная энергия среды,
вносимая в среду распространяющимися в ней акустическими волнами.
Плпгшость энергии волны Э измеряется в Дж/м3.
(9.15)
каустика — от греч. kaustikds — жгучий, едкий.
330
Глава 9. Акустические средства функционального поражения
Плотность энергии акустической волны представляет собой сумму
плотностей кинетической Экин и потенциальной Эпот энергий
3 = 3КИН+ЭПОТ, (9 10)
где
3™=^; сип
эпот=^-; сия»
р — плотность вещества среды (кг/м3); v — колебательная скорость чш
тиц среды (м/с); р — звуковое давление (Н/м2); р — сжимаемость среды
Для бегущей плоской волны
Э = рг2=Рр2. (9 |<)|
Давление плоской бегущей гармонической волны представляли и в
виде
p = p0cos((dt-kz-<p), (9 •())
где <р — начальная фаза.
Плотность энергии согласно (9.19) и (9.20) равна
3 = PpoCos2(ct)/-fcz-<p) = pv2cos2(cf)/-A:z-(p). (9 Л)
Из (9.21) следует, что плотность энергии в волне осциллирует и ini
правлении распространения волны z с частотой Q=2w и изменяете и и
пределах О...Р/^=рг2 (рис. 9.8).
В бегущей гармонической волне (при усреднении по времени .......
пространственной переменной)
Э=Й <•>>.•»
2
9.3. Энергетические характеристики акустических волн
331
Суммарная плотность энергии двух плоских волн, бегущих под углом 6
пру г к другу, равна
3 = 3, + Э2 + 2^3,32 cos0. (9.23)
Для когерентных волн (со, = <о2) плотности энергии не аддитивны. На
Пример, при синфазном сложении двух волн одинаковой интенсивности
()| Э2 = Эо) плотность энергии учетверяется:
Эког =2Э0+2Э0 =4Э0. (9.24)
К энергетической характеристике относится также интенсивность 1
«Кустической волны (сила звука). Интенсивность бегущих волн определяет-
। И как энергия, переносимая колебаниями среды в единицу времени через
типичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения
i.Miiibi:
(9-25)
1=-^-,
AST
IM Э — средняя по времени энергия (Дж), переносимая в течение време-
ни Т через площадку А5.
Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность выража-
»ки формулой
(9-26)
I=JL
2рс
В сферической бегущей волне интенсивность I обратно пропорнио-
Илльна квадрату расстояния R от источника И с мощностью Ро:
'=А-
4лА2
В стоячей волне энергия не переносится.
В акустике широко применяется сравнительная оценка уровней ин-
1гисивностсй в децибелах
(9-27)
(9.28)
Z = 101g — , .
vo J
г с / — интенсивность исследуемой акустической волны; /0 — эталонная
интенсивность, под которой понимают пороговую чувствительность че-
чинсческого уха,
/о = 1О''2 Вт/м2.
(9.29)
332 Глава 9. Акустические средства функционального поражения
Иногда на практике уровень интенсивности измеряют в децибела*
путем сравнения данной волны с эталонным давлением
ро=2-1О“5 н/м2. (9 ID)
Так как давление волны не является энергетической характеристик HI
то в этом случае уровень интенсивностей определяется формулой
/=20 1g| — 1, (9И)
\Рй)
где — уровень давления на пороге слышимости.
На практике уровень интенсивности оценивают в специфических сди
ницах — фонах. За уровень громкости звука в один фон принимают шу*
на частоте f = 1000 Гц, относительная интенсивность которого ракнц
4>ТН = 1
В акустике исследуются волны с очень большим разбросом ypoiuii ij
интенсивности: от 150 до 1 дБ. Например, шепот, улавливаемый челки*
ком, имеет интенсивность /ш =1 дБ, а уровень интенсивности шума pcui
тивного двигателя 1Я = 120 дБ, что уже создает риск повреждения случи
Для оценки эффективности акустического поражения важной xap.ix
теристикой являются критические значения интенсивности воли, при
которых наступает заданная степень поражения (смерть людей, механн
ческие повреждения строений и др.). Величина /кр зависит от частоты iiouit
характеристик среды и других параметров. Значения /^ для различных
условий акустического поражения будут приведены ниже.
9.4. Ослабление акустических волн
Распространению акустических волн в любой среде непременно <•>
путствует ослабление их интенсивности, которое обусловлено в осноинпм
двумя причинами. Во-первых, затуханием (рассеянием) волн, вызванным
сферическим расхождением волн, т. е. процессом преобразования и <н у
ченной волны в множество плоских волн, распространяющихся по ш <
возможным направлениям. Во-вторых, поглощением волн вследствие inn i
реннего трения частиц (вязких потерь) и теплопроводности среды.
Затухание волн вследствие их пространственного расхождения пр<ч«
ходит по степенному закону. Интенсивность волн / (Вт/м2) уменьпвк и ><
обратно пропорционально квадрату расстояния z от источника Л (*> 1 i
Поглощение волн происходит по экспоненциальному закону на <> ш
наковых отрезках пути распространения волны dz (в однородной < р< и> i
поглощается всегда одна и та же энергия. Поэтому в первом прибл иж< 111< i<
9.4. Ослабление акустических волн
333
Амплитуда давления р уменьшается при прохождении участка пути dz про-
порционально его длине и самой плотности давления р (рис. 9.9, а), т. е.
(9.32)
-dp = ap(z)dz,
|д< а — показатель поглощения (1/м).
Рис. 9.9. Поглощение акустической волны
в однородной (с) и слоистой (б) средах
Интегрирование дифференциального уравнения (9.32)
dp л
— = -adz
Р
I очевидным начальным условием p(z = 0) = р0 дает решение
p(z) = Poe од.
(9.33)
(9.34)
Из (9.34) следует, что коэффициент поглощения энергии акустичсс
kull волны средой распространения составляет
К ~ — = e~az
“погл
Ро
(9-35)
11ри определении ослабления плоской волны, проходящей через раз-
ные слои среды с показателями поглощения аь а2, итоговый коэф-
фициент поглощения определяется в соответствии с рис. 9.9, б’.
г
лпогл
N
= ехр^-^а,А^-
(9.36)
Коэффициент а в показателе степени (9.35) и (9.36) называют про-
। |рицственным показателем поглощения. В однородной среде показатель
334
Глава 9. Акустические средства функционального поражения
поглощения а определяется экспериментально, на основе измерения ту
кового давления в двух точках на трассе распространения волны
1 . Р(ъ)
« = ~— 1П—з
Z2-Z1 P(zt)
С> 'П
Показатель поглощения волны по интенсивности / (мощности) ранги
а/ = 2а, т. к. коэффициент поглощения волны по интенсивности состанпнщ
Kl=^- = (e~az]2 =е~2ск. (9 IH)
7 о
Показатель поглощения акустической волны а пропорционален kii.ui
рату круговой частоты и зависит от физических свойств среды и темнсри
туры. Эта зависимость определяется формулой
2
а = т](о , (<) 19)
где ц — коэффициент, определяемый видом среды и условием расщин i
ранения волны.
Для иллюстрации в табл. 9.2 приведены расстояния, на которых ни
тенсивность звука уменьшается вдвое [26].
Таблица U J
Среда Частота, кГц
10 100 500 1000
Воздух 220 м 220 см 4,8 см 2,2 см
Вода 400 км 4 км 160 м 40 м
Практически для всех сред (газов, жидких и твердых веществ) нм<
ются таблицы, определяющие показатели поглощения с учетом чаек нм
колебаний, образующих волны. Из (9.39) и табл. 9.2 следует, что прост рии
ственный показатель поглощения зависит прежде всего от квадрата 'ни
тоты и (не так сильно) от характеристик среды [72, 88,153]. Значение и
может изменяться на много порядков. Так, в воде а= 4,3 1/м на часки»
звука f~ 1 кГц. В инфразвуковом диапазоне а« 1, поэтому раз во.к
шие инфразвуковые колебания без заметного ослабления могут опош ы
вать земной шар.
Плоская монохроматическая волна с учетом ее затухания в среде мн
жет быть представлена аналитической моделью
Р = Ро exp{-Jwi+Jkz - од},
где р0 — давление в начальной точке z = Zq-
9.5. Когерентность акустических волн
335
Мгновенное значение интенсивности волны в точке z
I(?) = ^и—е~2аг cos(fcz - со/),
4лг
(9.40)
ик РИ — мощность излучателя, находящегося в точке Zq = 0.
На рис. 9.10 представлена качественная зависимость ослабления ин-
щпсивности I акустических волн от расстояния z, учитывающая эффек-
ты затухания и поглощения. Акустическое поражение объекта достигает-
< и при /> /jjp, где 1^ — критическая величина интенсивности, при которой
ступает ФП (для уха, например, /кр = 1...10 Вт/м2). Поэтому зона акус-
|||4сского поражения имеет границу, соответствующую удалению D от ис-
ЮЧПика, равному D = zKp.
Рис. 9.10. Зависимость ослабления интенсивности / акустических волн
от расстояния z до излучателя; / — среднее значение интенсивности
Мгновенное (или среднеквадратическое) значение интенсивности в точ-
М» I определяется также степенью когерентности звукового поля в этой
11>*1кс. Определение степени когерентности поля и влияние когерентнос-
III па интенсивность волн, воспринимаемых распределенными объекта-
ми, рассматривается в следующем параграфе.
9.5. Когерентность акустических волн
1 Характеризуя эффективность устройств акустического поражения,
ПфОбходимо учитывать степень когерентности излучаемых пакетов волн.
От Их взаимной когерентности зависит направленность излучения, т. е.
способность излучающей системы концентрировать энергию волн в узком
Шинном телесном угле. Когерентность — свойство двух (или большего
336 Глава 9. Акустические средства функционального поражения
числа) пространственно-временных процессов р, (^, t],Pz (г, /), вош>щ«
говоря, случайных, характеризующее их способность взаимно усилтын.
или ослаблять суммарную интенсивность в фиксированной точке ; и п
определенный момент времени t.
Если излучения от двух монополей сохраняют постоянное фа innnr
соотношение, можно говорить об их взаимной когерентности. Проном и
ный источник, например рупор или громкоговоритель, является когерет
ным если сохраняется разность фаз колебаний между всеми его точками
Поэтому понятие когерентности соответствует понятиям «согласование!
«корреляция» [6].
Рассмотрим две плоские звуковые волны Pj(z, t),p2(z,/) с одинаков!.)
ми амплитудами и частотами (Oj = <в2 = <о, но разными фазами. Пусть и пр
которой точке z измерена результирующая интенсивность I, усредпеппаи
за время наблюдения Т
1 Т
/=уЛа (гД,Ф1)+Р2и,Лф2)|2Л. с» 11>
1 о
где
Р\ (*Лф) = Ро exp{j(£z - Inft+(pj)}; (Ч ।д
Р2 = Ро exp{j(kz - 2nft + ф2)}. (Ч I1)
В дальнейшем операция усреднения обозначается
I = (гЛФ1)+Р2 (*.'.ф)212У (ч । и
Время усреднения Г» у- определяется приемником — объектом и к у
стического поражения.
Используя (9.42)-(9.44), из (9.41) получим
/ = 2р^[1 +(сО8(ф2-ф]))]. (Ч И)
Если фазы <Р[ и ф2 или хотя бы их разность со временем не меня юн и
т. е. Лф = ф2- ф] = const, то
/ког =2ро (1 + ссвДф). (Ч к>|
Результирующая интенсивность I существенно зависит от разности фи i
Дф и изменяется от /=0 до /тах = 4рд (рис. 9.11).
Соотношение (9.46) описывает случай идеальной (полной) когс|н ш
ности излучения.
9.5. Когерентность акустических волн
337
Рис. 9.11. Интенсивность когерентного и пекогерентного излучений
При полной некогерентности, когда разность фаз Л<р изменяется слу-
•пйным образом и имеет плотность распределения И/(Д<р) = -^-, так что
2я
(ci>sA(p) = 0, из (9.45) следует, что /п]ах =1р^ - const.
Следовательно, интенсивность некогерентного излучения может быть
и 2 раза ниже интенсивности излучения, образованного сложением двух
когерентных колебаний при условии A<p = <p2-<p( = 0 (рис. 9.11).
В общем случае, всегда наблюдаемом на практике, излучения когерент-
ны лишь частично. Поэтому необходимо учитывать уровень акустической
когерентности.
При обработке случайных акустических пространственно-временных
поли необходимо привлекать аппарат вероятностного описания всех про-
Н нюдимых преобразований. Протяженный источник И излучает акусти-
ческую волну, представленную на удалении z=Zq в виде рис. 9.12,
p(x,y,t) = р0 (x,y,t)eJ^x'y’'\
(9.47)
1Л Ро^х,у,() — начальное давление в точке О}; ф(х,у,/) — фаза поля,
i и щаваемого источником И в плоскости хОху.
Рис. 9.12. Формирование поля плоских акустических
волн протяженным источником И
338 Глава 9. Акустические средства функционального поражения
В большинстве практических задач приемлемо допущение о npoc i p.ni
ственной однородности, изотропности и стационарности акустических
полей. Для характеристики таких полей и эффектов, порождаемых пмц
при воздействии на различные объекты, пользуются развитым аппарашч
корреляционного анализа и оперируют со вторым моментом [81]
Г|2 (Х|»Х2»А»^2 ) = ^Р(Х|’А )Р (Х2^2))- (9 IN)
В (9.48) угловые скобки означают усреднение по ансамблю реалиш
ций; х, и х2 — радиусы-векторы точек Ot и 02', * — символ комплекс in и и
сопряжения.
Функция Г|2(х|,х2,Г|,Г2)имеетразмерностьВт/м2иназывается фут
цией пространственно-временной когерентности (ФПВК). При X] - х. »
и tt = Г2 функция Г12(Х|,х2,Г|,Г2) характеризует интенсивность излучг
ния в точке х. Если источник И акустического поля имеет малые ра
ры «^Rq и « yJ'RRo (jRq — расстояние до точки наблюдения), и>
такой источник можно считать точечным. Точечный источник, pacno ui
женный в точке Е,о, генерирует колебание чистого тона (создает спектра in.
но-чистое поле), ФПВК которого представляется в виде
Г|2(х|,х2.А^2) = 8(х|-хо)5(х2-хо)^(бЛЬ
где К( /|, /2) — корреляционная функция излучаемого временного сигни ял
5(х) — дельта-функция Дирака.
В частном случае, когда источник генерирует детерминированное nip
моническое колебание (чистый тон), ФПВК равна
Г|2(х|,х2,т)=/08(х1-х0)5(х2-х0)ехр(;ю0т), С> мп
где /0 — интенсивность акустического поля в точке х0(О(); т = /, /.
Внутренние шумы приемника и естественные помехи обычно с при
емлемой точностью описываются белым пространственно-врсмгнн1.1м
шумом с ФПВК
Г|2(хьх2Л) = /п8(х1 -х2)й(т). с> М)
Знание когерентности имеет большое значение при оценке нор.н ин«
щих свойств излучаемого акустического поля. Степень когерснин» hi
определяется как
Т12(х,,х2,т) =
Г|2(х„х2,т)
Г12(Х| =х2,т = 0)
(Ч 14
Степень пространственной когерентности, которая определи । <
рентностъ отдельных пучков (мод) лучей, измеряется при т = 0 и мгп । <
9.5. Когерентность акустических волн
339
I Пределах 0 <yI2 < 1. При у|2 = О акустическое поле считается некогерснт-
ным, а при у12 < 1 наблюдаются энергетические потери акустических волн.
Коэффициент у12 можно расценивать как своеобразный КПД источников
акустических полей.
Для определения степени когерентности акустического поля в районе
поражаемого объекта производят измерение составляющих акустическо-
II) поля ир(х2) в точках X] и х2 (в данном случае х, и х2 — скаляр
Ито величины), перемножение и усреднение полученного произведения
Пи ансамблю выборочных функций (рис. 9.13).
Рис. 9.13. К определению степени пространственной
когерентности акустической волны
При частично-когерентном акустическом поле зависимость Г|2 от
рпшости координат Дх = х2-х, имеет вид, представленный на рис. 9.14.
Рис. 9.14. Функция пространственной когерентности
акустической волны
Степень когерентности в соответствии с (9.52) определяется как
Т|2 =
^~12 max ^12 min
Г|2тах ^12 min
(9 53)
340 Глава 9. Акустические средства функционального поражения
Для источника гармонических волн r12min = 0, поэтому у12 = 1 Дчи
некогерентных случайных полей (например, для уличного шума)
Г —Г
1 12 min — 1 12 тах>
поэтому у12 = 0. Значение Ах = х2 -хь при котором у12 = 0,5, приняз...
зывать интервалом пространственной акустической когерентности
Для характеристики спектральной чистоты акустических волн, со ши
ваемых точечным источником (монополем), используется нормирован и.т
автокорреляционная функция, которая в соответствии с (9.52) для сгани
онарного эргодического процесса представляется в виде
У (г1г(*1 =*2 = (М ~'г) (у
где т = Z2-
Интервал временной когерентности (время корреляции) т опрсдсш
ется шириной спектра излучаемых акустических волн. Для волпошпи
пакета (цуга), имеющего ширину спектра А/, интервал временной кощи
ляции равен
В предельном (но нереальном) случае полной когерентности, мн ди
А/ = 0, время корреляции т —>
Акустические волны с высокой степенью когерентности, при которой
У12 -> 1, способны наносить наибольший информационный ущерб >ш
связано с возможностью получения акустических полей, обладающий
высокой интенсивностью в заданном телесном угле. Характерным Ьын>
вым примером таких волн является свист, который имеет у(2 ~ 1.
При акустическом поражении объектов необходимо учитывать мп<
временную, так и пространственную когерентность излучаемых пони
Величина пространственной когерентности акустического поля мои i
изменяться в пространстве в интервале 0 <упр < 1. При этом упр заиш in
от типа излучателя, характеристик среды распространения и длины .и \<
тической волны. Так, некогерентный протяженный источник И, прет i
ляющий собой круг радиуса г (рис. 9.12), может создавать волновое .и о
тическое поле со степенью когерентности 0 ^упр^ 1. Для такого дископ.
излучателя [67]
где J,(v) — функция Бесселя первого рода первого порядка;
9.5. Когерентность акустических волн
341
v_ 2кг1х1.
|х|=7*2+Л
(9.57)
(9.58)
На рис. 9.15 изображена зависимость упр от v. Из рисунка видно, что
нмько при малых углах v акустическое поле обладает высокой степенью
миерентности. Так, акустическое поле можно считать пространственно
мисрентным при у = 0,88, что соответствует условию
Рис. 9.15. Степень пространственной когерентности кругового
источника акустического излучения радиусом г
Таким образом, когерентность акустического поля обеспечивается в
пловом секторе
|tgP| = —<0,16, т.е.при |р|<9°.
Л)
(9.60)
Соотношение (9.59) характеризует условие когерентности протяжен-
ию источника И (рис. 9.12). Так, если принять среднюю длину волны
1ЫН1ИМОГО звука 3 см (f~ 10 кГц), то для дискового излучателя ради-
DM г= 30 см поле можно считать когерентным на удалении Ru = 20 м в
VI новых пределах ±9° по р. Этот вывод имеет определенное практическое
шпчеиие, когда человек испытывает дискомфорт от звуков, исходящих из
илпого излучателя. Основываясь на (9.60), можно угверждать, что нско
(рентный шум в метро вряд ли можно уменьшить из-за очень большого
рц 'мера |х|.
342 Глава 9. Акустические средства функционального поражения
9.6. Акустические излучатели
Акустические излучатели предназначены для возбуждения упрушч
волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели создают в окру
жающем их пространстве волновое поле, т. е. пространственно-времешв»
распределение давления р(х, у, z, t). Акустические излучатели аналогичны
передающим антеннам радиосистем. Широкое применение нашли не топь
ко одиночные, но и распределенные в пространстве системы излучателей
9.6.1. Одиночные излучатели
В связи с использованием в акустике волн длиной от десятков тысяч
метров до долей микрона применяются различные типы излучателей
Принципы действия акустических излучателей весьма разнообразны и
основаны на использовании самых различных механизмов превращении
практически всех известных видов энергии в энергию акустических ko.ik
баний (волн). С точки зрения акустического поражения интерес прел
ставляют мощные и сверхмощные излучатели. Наибольшие перспективы
имеют электроакустические, газоструйные и гидродинамические преобра
зователи.
Электроакустические излучатели преобразуют энергию электрических
сигналов в энергию колебаний некоторой механической системы (пл;п
тины, мембраны, цилиндра, диафрагмы и т. д.). Упрощенная структур! ыч
схема электромеханического излучателя представлена на рис. 9.16.
Рис. 9 16. Схема электромеханического излучателя
Генератор электрических сигналов ГЭС формирует сигнал с ы
данным видом спектра Этот сигнал усиливается усилителем У и
подается на электромеханический преобразователь ЭМП, который натру
жен на выходную антенну А (например, громкоговоритель), излучают; и ।
акустические волны в окружающее пространство. Применяются painiri
ные виды ЭМП: пьезоэлектрические, магнитострикционные, элект рон и
намические и другие.
Основными характеристиками излучателей являются: рабочий часки
ный диапазон_/jnill..._4nax; мощность излучения Ри; направленность них
чения; КПД.
9.6. Акустические излучатели 343
Направленность характеризует способность излучателя концентриро-
иигь акустические волны в узком телесном угле (рис. 9.17).
Рис. 9.17. Зона поражения объектов акустическим
устройством многоразового применения
Количественно направленность излучения D(u) определяется отно-
шением давлений волны, создаваемой в волновой зоне (зоне Фраунгофе-
рп) на одном и том же расстоянии г от центра излучателя И в направле-
нии, определяемом единичным вектором нив некотором фиксированном
направлении и0, т. е.
Z)(u) = —-—при г - const. (9.61)
P(uo)
Обычно направление выбирают так, чтобы оно совпадало с направ-
|сиием максимума излучения (рис. 9. 17).
Направленность излучателя — комплексная функция
Z)(u)=/?(u)e"y<p(,1), (9.62)
UW Я(ч) = |jD(u)| — амплитудная характеристика направленности, а <р(и) —
фазовая характеристика.
Амплитудную характеристику направленности 7?(и) в сечении некото-
рой плоскостью, проходящей через направление максимума излучения и0,
представляют в полярной (рис. 9 18, а) или декартовой (рис. 9 18, б) ch-
i' 1смах координат [25]. В этом случае аргументом характеристики обычно
мнияется угол а или р. Эти углы отсчитываются от направления максимума
излучения и0.
Характеристика направленности А(а), как и в электродинамике, часто
называется диаграммой направленности излучателя. Характеристика /?(а)
344
Глава 9. Акустические средства функционального поражения
Рис. 9.18. Типичный вид характеристики направленности
в полярной (о) и декартовой (6) системах координат
в большинстве практических случаев является многолепестковой. Урош iii<
вредных боковых лепестков стремятся минимизировать разными < ни
собами. Важными параметрами 7?(а) являются; ширина главного лспсп i ।
по уровню нуля — Oq, ширина главного лепестка по уровню = 0,70 7
у/2
«0,707’ определяющая уровень половинной интенсивности излучаемы»
волн; чаще всего на практике пользуются энергетической угловой шири
ной /?(а):
/(а)
max а=а0 5
Р(«)
/’max
а-а0.707
Уровень «паразитных» боковых лепестков по отношению к главному
обозначается символом о (для первого бокового лепестка < 1, для линь
них лепестков од « 1).
При энергетических расчетах, связанных с оценкой возможностен ,п \
этического поражения объектов, важным является определение коэффшш
ента концентрации энергии волн К. Мерой коэффициента концентрации
служит отношение интенсивности волн /(а = 0), излучаемых анали иццч
мыми излучателями И в направлении главного максимума и0, к интеш ни
ности гипотетического ненаправленного (изотропного) излучателя (мини
поля) с такой же излучаемой мощностью /и на одном и том же расстоянии
г » Т, т. е.
/0 J/?2(a)Ax’
о
(а) _4л
9.6. Акустические излучатели
345
l/ii П — полный телесный угол, занимаемый главным лепестком диаграм-
мы направленности излучателя (рис. 9.17). Для монополя К= 1.
Величина К — энергетическая характеристика, показывающая отно-
i (цельный выигрыш в интенсивности (мощности) направленного излу-
чателя по сравнению с ненаправленными при сохранении неизменного
i Шпала в точке приема. Направленность К применима не только к излу-
чи гелям, но и к акустическим приемникам. При известных значениях
ширины главного луча в ортогональных плоскостях 5 и Ро,5 направлен-
ность излучателя можно определить по формуле
4л
’ (9-65)
а0,5 Ро, 5
1/1с а = 0,5...0,8 — коэффициент использования апертуры излучателя, за-
висящий от его конструкции.
При размерах излучающей поверхности, больших длины волны X,
коэффициент концентрации поршневых излучателей, заключенных в
•крин (трубу), равен
l/t S— площадь излучающей поверхности (апертура).
В табл. 9.3 приведены характеристики простейших излучателей акус-
шчсских волн. Можно видеть, что уровень первого бокового лепестка —
пирометр О] в табл. 9.3 зависит от формы излучателя [147].
Для работы в газовых средах широко применяются электроакусти-
ческие излучатели рупорного типа, представляющие собой отрезок трубы
t монотонно изменяющимся поперечным сечением 5, как на рис. 9.19.
Вследствие ряда преимуществ на практике применяется так называе-
мый экспоненциальный рупор, в котором сечение изменяется по закону
S(z) = Soeaz, (9.67)
Iд< а — постоянная величина (показатель расширения).
Рис. 9.19. Экспоненциальный рупорный излучатель
346
Глава 9. Акустические средства функционального поражения
p(z,t)=poe °’5a°zcos
(9 (Ж)
к с
где
(9 (.'))
При <о>0,5ас0 волна распространяется вдоль оси Oz со скоростью .
При со < О,5асо рупор не может работать как излучатель. Следовател1.ич
9.6. Акустические излучатели 347
•Ki потенциальный рупор обладает свойством фильтра нижних частот
llmioca пропускания такого своеобразного фильтра определяется нижней
критической частотой (рис. 9.20)
асп
®кР=^ (9.70)
Рис. 9.20 Частотная характеристика экспоненциального
рупорного излучателя
Из (9.70) следует, что частоту излучения можно сделать сколь угодно
Мйлой, уменьшая а. Это особенно важно при необходимости излучения
ШНКИх и инфранизких частот. Однако необходимо отметить, что размер
рупора должен быть большим, что следует из (9.66). Излучатели рупорно-
»•• типа используются для создания акустических полей в жидких средах.
Недостатками излучателей рупорного типа являются небольшая мощ-
ность (десятки ватт) и низкий КПД (порядка 10%).
Газоструйные излучатели используют эффекты преобразования ки-
Ц1 |ической энергии, создаваемой струей газа (или жидкости), в энергию
акустических колебаний. Такое преобразование может происходить либо
При периодическом прерывании струи (излучатели-сирены), либо при вза-
имодействии струи с неподвижными и твердыми препятствиями (излуча-
ггли-свистки).
Сирены позволяют создавать весьма мощные акустические колебания
in счет периодического прерывания весьма интенсивных струй газа, с
Сшп.нюй скоростью вытекающего из специального отверстия. Прерыва-
нн<- струй в сиренах осуществляется вращающимся диском — ротором с
и перстнями или зубцами (рис. 9.21).
Ротор вращается с помощью электромотора или воздушной турбины
ню принципу реактивного двигателя). Свистки формируют весьма узко
полосное направленное излучение. Частота гармонических колебании
348 Глава 9. Акустические средства функционального поражения
определяется числом отверстий N в роторе (или в статоре) и скоро» пап
вращения ротора
v = nN, (9/1)
где п — число оборотов ротора в секунду.
Рис 9.21. Схема осевой сирены: 1 — ротор; 2— статор;
3 — электродвигатель; 4 — рупор; 5 — камера высокого давления
Рабочий диапазон частот сирен лежит в пределах 200 Гц...500 гI и
Акустическая мощность сирен может достигать 100...10000 Вт, а КI Г(
достаточно велик и составляет -(50...89)%.
Свистки — механические устройства, в которых отсутствуют дни *у
щиеся части. Акустические волны в них создаются за счет автоколсС>.1Н|||1
в струе протекающего газа при ее взаимодействии с препятствием и инн»
острой кромки клина или резонирующей полости.
Распространение получили вихревые или резонансные свистки. В ши
ревых свистках газ под большим давлением подается в цилиндричп ни
камеру, где образуется вихревой поток, который потом частично hi.h >p,i
сывается через тонкую трубку в окружающее пространство.
Вихревые свистки маломощны. Излучаемые волны имеют акуспгп ।
кую мощность порядка нескольких ватт, поэтому для целей акустиче» i uni
поражения они непригодны.
Перспективны свистки резонансного типа, способные излучать мош
ные акустические волны за счет использования эффекта усиления ьон
баний, возбуждаемых в специальных резонаторах.
На рис. 9.22 представлена конструкция свистка Левассера [25|, < ош ।
жащая тороидальные резонаторы 2, 3 с продольными прорезями. Воин
подаваемый на вход конусообразного сопла 1, поступает в резона горни
камеры 2 и 3, усиливается и излучается выходными рупорами 4
9.6. Акустические излучатели
349
Рис 9.22. Разрез свистка Левассера: 1 — сопло; 2 — основной
(тороидальный) резонатор; 3 — вторичный (тороидальный)
резонатор; D — средний диаметр тороида
Частота акустических волн, излучаемых свистком, определяется раз-
Мг|х)М резонатора d и средним диаметром тороида D. Кроме того, частота
Поли зависит от перепада давлений газа на входе и выходе свистка
А I /Г
/ = -л1 + —, (9.72)
d V D
I лс А — коэффициент, зависящий от конструкции свистка.
Для свистка Левассера А = 7,03 м/с. Если <7=1 м, то /= 7 Гц. Следова-
triu.no, свистки могут применяться в инфразвуковом диапазоне.
В зависимости от конструкции свистка мощность звука может дости-
[ПП> 500 Вт, а КПД составляет порядка 20%. Свистки эффективны в диа-
н । юне 1...30 кГц. На низких частотах свистки должны иметь значитель-
ные габариты. Так, при/=6 Гц (Х = 50 м) размер всей конструкции свистка
Должен быть очень большим. Коэффициент коцентрации энергии свист-
ка может быть оценен формулой
(9.73)
А
ин1 / —диаметр выходного отверстия.
350 Глава 9. Акустические средства функционального поражения
На низких частотах Х> L свистки как концентраторы акустических тын
малоэффективны. Однако для акустического поражения большим л<н ш
инством излучателей-свистков является узкополосность излучения (по*нн
чистый тон).
Рассмотренные выше одиночные излучатели не всегда могул nimii
чивать высокую степень концентрации энергии волн в направлении 1и
поражаемый объект. В этом отношении, особенно в области ипфранн
ких частот, большие возможности имеют распределенные акустичы нт»
излучатели. Они ниже именуются системами излучателей (или антенными
решетками акустических излучателей).
9.6.2. Системы излучателей
Высокая направленность излучения А1достигается применением гн< и
мы элементарных излучателей, расположенных в определенном 1Н>|>ц>»м
на плоскости или какой-либо поверхности (рис. 9.23).
Рис. 9.23. Амплитудная характеристика направленности Л (и) излучанин
При большом числе когерентных излучателей формируется уткни
рактеристика направленности R(a, fJ) и коэффициент концентрации мн
жет принимать значение К= 1О2...1О .
Для исследования основных свойств системы излучателей в кач> im
элементарного излучателя используют пульсирующую сферу, излуч.новпк
волну строго чистого тона. Такой простейший акустический излуч-н* к
называется монополем. Он создает в среде ненаправленное (изотрони
излучение: его акустическое поле симметрично, т. е. одинаково но i
направлениям. Для создания направленного излучения создают < ш ।
объединяя несколько излучателей, разнесенных на некоторое ..........
друг от друга (рис. 9.24).
9.6. Акустические излучатели
351
Рис. 9.24. Система из п синфазных монополей
Интерференция отдельных парциальных излучений создает в некото-
рых направлениях усиленное поле с высокой интенсивностью. В других
НйПравлениях, вычитаясь, поля отдельных излучателей ослабляют интен-
Миность суммарного поля. В результате получается определенная угло-
AIH направленность А (а, Р) излучаемых волн.
Поскольку направленность Я(ос, Р) результирующего поля создается
* результате интерференции волн, излучаемых отдельными излучателями,
И основе теории направленности систем излучателей лежит задача о со-
вместной работе нескольких монополей (в простейшем случае — двух).
Пусть система состоит из двух синфазных монополей, разнесенных на рас
1-»<»тие L [72]. Поле, создаваемое такой системой в некоторой точке М,
piiNiio, как следует из рис. 9.25,
Рис. 9.25. Поле, создаваемое системой из двух монополей
352
Глава 9. Акустические средства функционального поражения
Постоянный коэффициент А, имеющий размерность Н/м, для д i и
нейшего не существенен.
Из рис. 9.25 следует, что
г.=г + —sin0; г, = г----sin0
1 2 2 2
поэтому (9.74) можно представить в виде
Jk—sinB -Jk—sinB
e 2 e 2
Z 4 Z
1+—sin 6 1------sin0
2r 2r
При условии —«1 (9.76) преобразуется к виду
г
—ejkr
jk—sinf) Г L Л -jzAsinef £
е 2 1-----sin0 1 + с 2 1з--------sin0
\ J V 2г
jk^-sine —yfc—sine I ( Jk^sinf) -Д-sine
e 2 +e 2------------------sin0 e 2 -e 2
2/ . L . ) .( L • л I • f . A . л
=—eJ cos k—sin0 -y —sin0 sin k—sin0
r I 2 J \2r J I 2
(Ч /'•>
Нормированная к единице в максимуме зависимость давления и ив
которой точке пространства М от направления 0 представляет собой лмп
литудно-частотную характеристику направленности двух когерс...........
излучателей. Из (9.77) следует, что эта зависимость
.D(0) = 7?(0)exp[j(p(0)], (Ч /н>
где
i ( L \ (L A2
7?(0) = . cos2 k—sin0 + —sin0 sin2
V I 2 J (2r J
/с—sin0 | = cosf k—sin0
2
(Ч /Ч)
— амплитудная характеристика, a
<p(0) = arctg
—sin0 tg k—sin0
2r J I 2
—sin0 tg k—sin0
2r J I 2
(4 hui
Р =
= —еАг
L
L
2
2
(*> /')
— фазовая характеристика направленности системы двух излучатет и
9.6. Акустические излучатели
353
Как следует из (9.80), фазовая характеристика направленности испыты-
kL . п , л
цист разрыв при —sinO = ±y +лл , т. с именно в тех точках, где обраща-
ги'Я в нуль амплитудная характеристика /?(б). При этом пределы <р(0) при
i |рсмлении 0 к точке разрыва справа и слева различаются на л. Физичес-
ки это означает, что в точку разрыва волны, созданные каждым из двух
монополей, приходят в противофазе и компенсируют друг друга.
Комплексная функция ф(О) = е^г’0^ зависит от двух действительных
И|»|ументов 0 и г. Она позволяет представлять в графической форме (в виде
кривых в полярных координатах) фазовые фронты волн, формируемых как
пгдельным монополем, так и системой монополей. Для одиночного мо-
нополя фазовый фронт описывается уравнением
г* = ф(0) = р^*¥, (9.81)
flic v=v(r, 0) —действительная переменная; р — радиус окружности с цент-
|юм в начале координат.
Уравнение (9.81) задает окружность. Именно такую форму имеет фа
юный фронт волны, создаваемой одиночным изотропным источником.
Для двух синфазных монополей фазовый фронт, определяемый форму-
лой (9.80), уже не будет сферической.
В зоне Фраунгофера (£»/•) расстояние до точки приема М и угол
нпблюдения 0 можно отсчитывать как от первого излучателя, так и от цент-
|)И базы L. Характеристику направленности удобно изображать как изрезан-
ную шаровую поверхность, длина радиуса которой равна значению А(0).
При 0 = 90° направленность R= Ятах= 1, если монополи синфазны. Ха-
рактеристика одиночного монополя Л(а, Р)— сфера единичного радиу-
ui. Для двух синфазных монополей эта характеристика представляет со-
бой поверхность вращения.
В полярных координатах в меридиональном сечении (плоскость zOy
|in рис. 9.26, а) амплитудная характеристика Л(б) имеет многолспсстковую
форму. На рис. 9.26, б представлено поле звукового давления, получен
пос методом визуализации пространственного распределения интснсивно-
г'|И звуковых волн, излучаемых синфазно возбуждаемыми электродина-
мическими излучателями (частота /=9 кГц) |94].
При kL» 1 число лепестков характеристики направленности системы
тух когерентных монополей и диапазоне значений ае |0; п| равно
2kL 4£
« =----= -г-
Л А
(9.82)
354
Глава 9. Акустические средства функционального поражения
Рис. 9.26. Многолепестковая характеристика направленности системы
двух когерентных монополей О, и О2: а — расчетная (£ = 1,5 X); б —
экспериментально полученная методом визуализации поля звукового
давления двух синфазных излучателей
Минимальное расстояние L, при котором имеется еще один цены и
г т-
лепесток, равно L = Единственный лепесток имеет в этом случае пил
тора с нулевым просветом в области оси у, а амплитудная характерно нкп
представляется в виде
(rcsin0>
A(6) = COsl—-—I. (9 .ND
ГТ г
При £<у акустическое поле не исчезает ни в каком направлении и
при kL -> 0 характеристика стремится принять форму сферы. Амщннупи
поля (волны) во всех направлениях делается равной двойной амплии
волны, создаваемой одним источником. Фазовая характеристика о...
вает фронт расходящейся сферической волны.
Фазовая характеристика (9.80) определяет пространственное полоч •
ние фронта акустических волн, излучаемых системой монополей. Задатки ।
9.6. Акустические излучатели
355
Постоянной фазой результирующего поля, с помощью выражения (9.80)
можно установить соотношение между г и 0, представляющее собой урав-
нение фазового фронта
ф(0) = С, (9.84)
|дс С— постоянная величина, которая принимает значение, кратное л.
Фаза ф(0) гармонической акустической волны в пределах одного ле-
цестка амплитудной диаграммы 7?(0) остается постоянной (при условии
Ннентичности монополей).
Однако при переходе от лепестка к лепестку при г = const она изменя-
ется на л. Поэтому для четных и нечетных лепестков уравнение фазового
||||Юнта принимает вид
г —
LsinG
2
= nk, и = 0, 1,2 ... ,
(9.85)
£sin0 2и + 1. л , „
г-----— = —-—X, л = 0, 1, 2.... (9.86)
Уравнения (9.85) и (9.86) с учетом комплексной функции действи
ильного аргумента вида (9.80) позволяют построить изображение фазо-
iiiiix фронтов волн, генерируемых двумя когерентными монополями. На
рис. 9.27 представлены расчетное и полученное экспериментально изоб-
ражения фазовых фронтов рассматриваемой системы монополей [96, 158].
а б
Рис. 9.27. Расчетное (а) и экспериментальное (б) изображения
фазовых фронтов системы двух мононолей
Экспериментальная картина фазового фронта получена путем визуа
лпшции звукового поля в водяной ванне.
356 Глава 9. Акустические средства функционального поражения
с
С учетом того, что , амплитудную характеристику (9.79) м<м пи
представить в виде
Г Lf
A(0) = cos л——sin0 . 0>Н/|
Из (9.87) видно, что форма Д (0) существенно зависит от часто гм / и i
лучаемой волны. Этот факт имеет особое значение в акустике, ибо ч.и и*
та излучаемых колебаний может изменяться в пределах нескольких дскпд
Поэтому при излучении колебаний, имеющих сложный спектр, сис и мы
излучателей вообще могут не иметь определенной характеристики паирпу
ленности. Если представить излучаемый пакет волн разложением и pnii
Фурье по гармоникам частоты f
оо
/’(0zzX/’mcos(/«27t//,-<Pm)> (*» НИ»
m=I
где рт, <рт — соответственно амплитуда и фаза, ат — номер гармонии!
то характеристики направленности Дт(0,/,й) парциальной волны ч;и ш
ты fm будут различаться. При широком спектре частот излучаемых ючв
баний амплитудная характеристика направленности распадается па при
странственно-независимые составляющие. В результате лепестки /6(11)
разрушаются, а поля источников складываются некогерентно. Hi (’» М/|
следует, что для получения более острых лепестков (большей напрапш и
ности К) требуется увеличивать размеры системы L. Отличительно!! <» и
бенностью акустики является возможность получения больших значении
направленности Кв системах монопольных излучателей при большом
числе (и > 2) даже при неизменных размерах L. Например, два близко put
положенных монополя (kL « 1) при синфазной работе излучают не пппнп,
а вчетверо большую мощность, чем каждый излучатель в отдельности Лип
логично п синфазных одинаковых монополей, расположенных в мании ни
сравнению с длиной волны области, излучают волны с энергией нс и и
в п2 большей, чем каждый излучатель в отдельности.
Направленность системы из п синфазно пульсирующих излучи к и< и
равноудаленных друг от друга на расстояние d (рис. 9.24), может • пли
определена на основе следующих соображений.
Давление акустической волны в произвольном направлении, obp.m
ющем угол а с нормалью к линии расположения монополей, равно
P = X^oexP[v('-1)fccfsine]’
/=1
где р0 — амплитуда волны, порождаемой каждым монополем (7=1,?, • ‘
9.6. Акустические излучатели
357
Суммируя (9.89) как геометрическую прогрессию со знаменателем
f-cxp(/fcrfsin0), можно получить
exp(j>;Az/sin0) — 1
Р exp(/XJsin0)-l
(9.90)
После простых преобразований с учетом формулы Эйлера окончатель-
но можно определить абсолютную величину суммарного акустического
фпшения
. (/iXJsinO')
sin -------
I 2 I
Р = Ро> /гл' <991>
. (kdsmQ ]
sm --------
I 2 J
► Амплитудная характеристика направленности равна
. (nXdsinO')
sin —------
R(Q)=-P-=...A 2 (9.92)
npn . fKflsinO]
I 2 )
Коэффициент направленности может быть получен из (9.91) при а=0,
in к ле раскрытия неопределенности типа 0/0:
2
2
= 77 .
Р
Ро
(9.93)
Гак как амплитуда суммарного поля возрастает в п раз, то интенсив-
Hi iv । ь увеличивается в п раз.
Амплитудные характеристики направленности А(0), рассчитанные по
формуле (9.92) для d =— при п = 8 и п= 16, приведены на рис. 9.28 |42|.
Ширина главного луча по уровню нулей (на рис. 9.28 этот угол обо-
iim'icu 2ао) определяется из соотношения
X X
0 nd L
I1.ели угол Oq достаточно мал, то
X X
nd L
Обычно при проведении практических расчетов ширину луча оцепииа-
*11 но уровню половинной мощности, т. е. как а(| 5. Этот уровень соответ-
(9.94)
(9 95)
358
Глава 9. Акустические средства функционального поражения
Рис. 9.28. Амплитудная характеристика направленности
системы когерентных излучателей: а — и = 8; б — п= 16
ствует , где ртах — амплитуда давления, соответствующая наирлпи'
у/2
нию максимума излучения. Можно показать, что
т
ао,5 “ 0,88— - 0,88ао. <ч %i
-L-.
Если приведены характеристики направленности, то отсчет угл«..|(
или а0 производится относительно того направления, по которому
^тах =
Уровень максимума первого бокового лепестка составляет
2
<5!=—.
J7I
Общая формула для относительных уровней максимумов бокоиы н р
пестков представляется в виде [42]
2
CT/ = (2l7ij?
где i — номер бокового лепестка.
Формула для коэффициента направленности (9.93) получена в ир>
ложении об идеальности системы когерентных излучателей, когда у,. I
Реально вследствие конечной ширины спектра излучаемых колебании »
недостатков конструкции системы излучателей степень когерс........
сформированного этой системой поля акустических волн yI2< I И и
9.6. Акустические излучатели
359
uiy-tae коэффициент направленности системы излучателей определяется Ito формуле
Я=и[1-У|2(1-и)]. (9.99)
Для когерентной системы у12 = 1, поэтому ^ког ~ w (9.100)
Для некогерентных излучателей, когда у!2 = 0, ^Чнеког — П’ (9.101)
Реальная система излучателей частично когерентна, поэтому
К к к
Лког '*пеког-
На практике иногда направленность частично когерентных излучате-
<11 определяют по формуле
Х=и“> (9.102)
1лг а= 1,3... 1,4.
Так, акустическая система, предназначенная для борьбы с террорис-
та и и описанная в [74], имеет
Г ^=(«)4/3-
Такое значительное снижение направленности (по сравнению с К=п2)
(Отменяется, по-видимому, широким спектром излучаемых волн и не
гипсом’удачной конструкцией системы излучателей.
ГЛАВА 10
ОСОБЕННОСТИ АКУСТИЧЕСКОГО ПОРАЖЕНИЯ
ОБЪЕКТОВ ВОЛНАМИ РАЗНЫХ ДИАПАЗОНОВ
Ранее, в п. 9.1, указывалось на то, что в зависимости от частоты пну
стических волн выделяются три основных диапазона: инфразву копии,
слышимый и ультразвуковой (рис. 9.1). Для каждого из этих диана юниц
существуют свои особенности ФП разных объектов.
10.1. Инфразвуковые волны
К инфразвуковым относят акустические колебания, не слышимы*
людьми. Отдельные уникальные люди воспринимают звуки с част «нами
менее /тах =15 Гц. Однако тональность этих звуков и их интенсив! и и и
существенно теряются.
В изотропной однородной среде лучи прямолинейны и, выходя и i мп
нополя (по образующим конуса), расходятся по мере удаления от источин
ка излучения. В неоднородной среде расширение лучевых трубок, обра и*
мых криволинейными лучами, определяется не только расстоянием «и in
точника, но изменяется, имея почти синусоидальный характер (рис I» 11
В этой лучевой картине распространения звука в волноводе каждый чу«|
соответствует определенному углу наклона [72].
Рис. 10.1. Лучевая картина, наблюдаемая
при взрыве на малой высоте (Н~ 10 км)
10.1. Инфразвуковые волны
361
В среднем расширение трубок в волноводе происходит медленнее, чем
к однородной безграничной среде (по закону ), поэтому интенсив-
4тщ2
Иметь звука в волноводной среде убывает с расстоянием заметно медлен
нес, чем в среде однородной.
Из рис. 10.1 видно, что вдали от монополя И в каждую точку среды
Приходит сразу несколько лучей волн разной длины. В силу принципа
г упсрпозиции результирующее акустическое поле равно сумме полей,
(Отдаваемых каждым парциальным лучом. Примечательно, что в среде про-
Нгходит изменение направления распространения луча. Это изменение
Ппдчиняется закону Снеллиуса. Закон связывает угол падения 0] с углом
Преломления 62 соотношением
sine, sine2 (101)
q с2
|/ь с, и с2 — скорости звука в соседних слоях среды.
В подводном волноводе при отклонении от осей волновода скорость
фука изменяется, поэтому вследствие рефракции луч изгибается в сторо-
ну Того слоя, скорость звука в котором меньше (вследствие меньшей плот-
ное ги среды). В результате лучи, исходящие из излучателя И под мень-
шими углами наклона к горизонту, распространяются в волноводе без
шрпжения от дна и поверхности воды. Тем самым исключается возмож-
Шх’гь поглощения звука при отражении его от дна и рассеянии на неров-
ностях дна и поверхности воды.
Затухание инфразвуковых волн в самой воде характеризуют коэффи-
циентом поглощения. Выраженный в децибелах на километр, этот коэф-
фициент равен [25]
а = 0,036/3/2, (Ю.2)
/— частота в килогерцах.
Из (10.2) следует, что на частоте/= 50 Гц= 5 10 2 кГц интенсивность
шоковой волны из-за поглощения в воде уменьшается всего в 10 раз на
усилении от источника в?= 25 000 км.
В водяном волноводе вблизи его поверхности скорость звука с = с1Пах.
Поэтому луч, выходящий под малым углом к горизонту, будет изгибаться
ш вверх, то вниз, не удаляясь от оси волновода.
Дисперсия скорости звука в волноводе равна
[ ос(г) = (20,1)2|Т(г0)-Т(4м2/с2, (Ю.З)
HU 7(z) — абсолютная температура слоев воды для средних частот волн в
Интервале волноводного слоя 2Я= 1500...2000 м. Изменение скорости звука
362
Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
на глубине составляет всего несколько процентов от средней скоро* и*
звука. Однако такая неоднородность приводит к весьма неравномерному
распределению звукового поля.
Способность инфразвуковых волн распространяться на большие pm
стояния в воде и в атмосфере, обусловлена наличием в этих средах прнроц
ных волноводов, называемых также звуковыми каналами. Природные mni
новоды возникают вследствие специфической зависимости скорости шум
от высоты. На рис. 10.2 представлена зависимость скорости звуковых iuhiii
от глубины z для умеренных широт в океане [86]. Наиболее благонршп
ные условия распространения складываются при расположении ис гочпп
ка вблизи оси волновода на глубине гь~ 1500 м, совпадающей с уровнем
минимальной скорости звука cmin = 1465 м/с (/=20... 50 Гц).
Рис. 10.2. Изменение скорости звука в подводном волноводе
В связи с изменением скорости звука в атмосфере по вертикали z ihhih
симметрично относительно оси z = ?o в направлении распространении
волны наблюдается рефракция — изменение направления луча. Яит ннг
изменения скорости звука по вертикали обусловлено вертикальным ipn
диентом температуры. График зависимости температуры от высоты, ни
лученный путем обработки большого количества экспериментальных mill
ных [86], приведен на рис. 10.3.
Эмпирическая кривая рис. 10.3 хорошо аппроксимируется завш ими
стью для скорости звука
c(z) = 20,l>/7’(z), у, (И) И
где Т (г) — абсолютная температура воздуха на высоте г.
10.1. Инфразвуковые волны
363
Как видно из рис. 10.3, в атмосфере имеются два минимума темпера-
туры: на высотах Н= 15 км и Н-75 км. На этих же высотах наблюдаются
им минимума скорости звука, обуславливающие наличие двух акустичес-
ких волноводов. Если источник звука (например, взрыв) находится на вы-
шках z < 50 км, то для наблюдателя, расположенного на поверхности зем-
ли (г=0), основную роль будет играть нижний волновод с границами
() С ?< 50 км. Лучевая картина в этом случае будет иметь вид, представлен-
ный на рис. 10.1. Лучи концентрируются в
пределах высоты Н= 3...40 км. Однако лучи,
(«хваченные волноводом, не все доходят до
вмной поверхности. Здесь также можно от-
метить область акустической тени.
Периоды колебаний давления в волнах,
шнбужденных мощными взрывами или из-
вержениями вулканов, на расстояниях в
Несколько тысяч километров оказываются
пшчитсльными (от долей до десятков ми-
цуг), адлины акустических волн составляют
* - 1...50 км. Следовательно, уже на рас-
i питиях, равных одной длине волны, свой-
I «ни атмосферы (прежде всего коэффициент
преломления и = с2/^|) изменяются весьма
I ущественно. Кроме того, на условия рас-
пространения волн влияют перемещения
подушных масс. Все эти факторы сильно
усложняют анализ эффектов, порождаемых
и «рывами при Х> 5 м, так как волновое урав-
нение (9.2) в этом случае становится не-
линейным.
Инфразвук с уровнем относительной
Интенсивности >120 дБ оказывает вредное
« шнние на человеческий организм. Еще
flunce вредными являются импульсные ин-
фразвуковые воздействия с длительностью
акустической пули» т < 10 мс и частотой
Рис. 10.3. Температурная
кривая: зависимость абсо-
лютной температуры Т ат-
мосферы Земли от высоты
> лгдования Fn = 1...100 Гц. При их воздействии могут возникать опасные
р»юпансные явления в отдельных органах и тканях организма.
Части тела, согласно заключению французского исследователя В. Гавро
(он исследовал влияние инфразвуковых колебаний на организм человека),
ишннотся своего рода живыми резонаторами, настроенными на опреде-
364
Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
ленную частоту собственных колебаний. Так, сердце настроено на «шум»
с частотой около 6 Гц, глаз — 40...100 Гц, голова — 20...30 Гц, руки
2...5 Гц, вестибулярный аппарат — 0,5...1,3 Гц и т. д. [4].
Точно так же, как и механический резонатор, орган человека п>п ш.
чувствителен к колебаниям резонансных частот. Инфразвук с часто и ш
попадающей в полосу пропускания того или иного органа человека, н<м
действует на орган таким образом, что амплитуда его собственных мн»
баний резко увеличивается. В результате появляются болевые ощупи пин
и другие негативные последствия. Например, инфразвук может споим
воздействием дезориентировать войска противника, вызывать npnciyiu
рвоты и спазмы желудка. Все указанные проявления сразу же прскр.1111»
ются с выключением источника инфразвука без заметного ущерба ч< ю
веку и без ущерба окружающей среде.
Безотчетное чувство страха и панику в толпе могут вызывать ппф|ц|
звуки с малыми уровнями мощности, если их частоты попадают н n»i|
ветстьующий интервал частот. При больших уровнях мощности па пир.
деленных частотах инфразвук приводит к нарушению психомоторш-и
функций человека или к состоянию, предшествующему эпилептпчч mi
му припадку (судорожному припадку с потерей сознания).
Инфразвук может быть использован как на поле боя, так и для <>< цн
бы с уличными беспорядками. При этом способность инфразвука прнчн
дить сквозь кирпичные, бетонные и металлические преграды по пинии i
воздействовать даже на укрытую живую силу.
Известно, что уже с начала 90-х годов XX века в США предлрннпм|1
лись усилия, подкрепленные соответствующим финансированием, и.nip in
ленные на разработку высокомощного инфразвукового оружия. В ч.и ш>
сти, разрабатывался проект создания остронаправленной акустичс< i <iti
«пули», излучаемой антенной диаметром 1...2 м в виде пачки имиую-тн
акустических волн. Узкая направленность потребовалась для yMcin.un пин
влияния дифракции на распространение акустических волн в при к mii.hi
слое атмосферы. Предполагалось, что при достаточной мощности и > п
чаемых импульсов такая «пуля» будет вызывать временную потерю и • >
пособности личного состава войск противника [26].
Естественными источниками инфразвука являются метеоролш h i
кие, сейсмические и вулканические явления. Генераторами инфра inyi <
волн могут быть резкие перепады атмосферного и океанического д;инк ни
ветер, морские волны, водопады, изгибные колебания поверхности . .i. .
на, растрескивание ледового покрова, землетрясения, обваль....
извержения вулканов, полярные сияния, грозовые разряды, цунами
Человеческая деятельность также сопровождается образовапш м
фразвуковых колебаний и волн. Излучение инфразвука происходи
10.2. Слышимый звук
365
* процессе речеобразования. Всякий очень громкий звук несет с собой
Iih'ith всегда и инфразвуковую энергию. Наиболее сильными источника-
ми инфразвуков являются взрывы, выстрелы орудий, ударные волны при
Переходе звукового барьера самолетами, улары копров, рев реактивных дви
ытслей. Инфразвуки присутствуют в шуме двигателей, винтов кораблей,
жпникают при обтекании ветром крупных сооружений и т. п.
Создание специальных излучателей инфразвуковых волн представляет
। иной очень сложную задачу. Установки получаются громоздкими и мало-
эффективными. При исследованиях прием инфразвуков осуществляют с
помощью микрофонов, гидрофонов и гео(|юнов. Их конструкции модифи-
цированы с учетом необходимости приема колебаний с большими ампли-
•удими и низкими частотами, а усилительные электронные схемы согласо-
минм с большими выходными сопротивлениями приемных элементов.
Могут применяться для приема также и другие устройства, работающие
1Ш других физических принципах. Перспективны генеригоры звука высо
них частот, излучающие, к примеру, на частотах/j = 40 Гц и /2 = 46 Гц. Эти
1ИСТОТЫ образуют биения, которые детектируются определенными функ-
циональными органами и наносят ощутимый функциональный ущерб
(и данном случае — сердцу на частоте биений /], = 6 Гц 11641).
10.2. Слышимый звук
Принято считать, что диапазон слышимых звуков охватывает частоты
* пределах 16 Гц </< 20 кГц. Но при этом диапазон слышимого звука
|1ши111идуален для каждого животного и зависит от его возраста. Звуковой
иннират представителей животного мира чрезвычайно развит. Человек
кичь во многом отстает. Животные, находящиеся на значительно более
щпком уровне развития, имеют значительно более развитый слуховой
инппрат, утраченный человеком в процессе эволюции. Дельфины, летучие
мыши, ночные бабочки, практически не имея зрения, великолепно ориен-
н||>уются в темном мире и обладают высокой степенью помехозащиты от
шественных и организованных помех, создаваемых другими животом
Мн |26, 49].
Орган слуха человека, как объект ФП, имеет свои достоинства и псдос
инки. К недостаткам следует отнести его неспособность эффективно адап-
п|||11наться и извлекать полезную информацию в сложной акустической
пГн шповке. Его чувствительность не хуже чувствительности современно
in радиолокатора, т. к. ухо способно улавливать звук па частоте f 400 Гц
г н'Кнь малой интенсивностью I- 10-12 Вт/м2 и нормально фупкциопиро
инн. в колоссальном динамическом диапазоне интенсивное ген, составим
кинем 120 дБ.
366
Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
Орган слуха снабжен своеобразной системой автоматической pi iy>in
ровки интенсивности восприятия слышимого звука, что позволяет по к.
гих случаях избегать акустических травм, которые могут вызываться uui
действием звуковых волн с большими и резкими перепадами ипптн ни
ности (например, звуки взрыва или выстрела).
Область слышимых звуков характеризуют обобщенные графики, ир<=н
ставленные на рис. 10.4 [151].
Порог слышимости звуков определяется минимальным звуко..... Лии
лением р=2-10-5 н/м2 (Anin = Ю 12 Вт/м2), что соответствует относи и ш
ному уровню 0 дБ. Болевые ощущения наступают при превышении нут
вого порога на уровне 120 дБ.
Действие акустических волн может повлиять на слух тремя cnoc»i><iMn
1) вызвать повреждение слуха или глухоту при относительном yp"inir
интенсивности /отн >120 дБ;
2) при длительном воздействии звука с интенсивностью 80 дБ • /,,П|
<120 дБ резко понизить чувствительность слуха на ограниченное пргмн
(минуты, недели, месяцы), после чего слух может восстанавливай .г и,
3) привести к маскировке звуков определенных тонов и понизит < п<1
собность извлечения полезной звуковой информации при /отн > 611 л Б
Первые две ситуации позволяют говорить о безвозвратном и нон hi
навливаемом ФП органа слуха. В-третьем случае происходит маскнропМ
звукового сообщения, которую называют акустическим подавлением орш
на слуха (в отличие от первых двух ситуаций, которые вызывают фунцнп
овальное поражение органа слуха).
10.2. Слышимый звук
367
Маскировка звукового сообщения происходит вследствие существен-
ного недостатка уха, который заключается в том, что в присутствии чистого
она определенной частоты (например, f= 1000 Гц) орган слуха не вос-
принимает звуки близких частот. Рис. 10.5 иллюстрирует явление мас-
НИровки звуков в диапазоне 1 кГц </^10 кГц чистым тоном частоты
/• 1 кГц с относительной интенсивностью /отн - 80 дБ.
Рис. 10.5. Маскирующее действие чистого тона
Звуковая гармоника частоты f= 1 кГц маскирует звуковые сигналы в
широком диапазоне частот шириной А/ -10 кГц. Тем самым исключает-
я возможность речевого общения между людьми. Это явление, называе-
мое маскировкой, имеет место не только при чистых тонах, но и любых
шукпх. Впрочем, иногда маскировка чрезвычайно удобна: например, в тех
। путях, когда желательно, чтобы какой-то разговор не был слышен по-
i нфонним, часто значительно проще ввести дополнительный звук, чем
цпнизить звуковой уровень речи.
Интенсивность типичных звуков приведена в табл. 10.1.
Из табл. 10.1 видно, что бытовые шумы могут быть опасны для слуха.
I пи и с «вредные» шумы создают, например, поезда метро, выстрелы, взры-
вы или грозовые разряды.
Порог восприятия звука в воздухе совершенно иной, чем в водной
||₽цс. В диапазоне частот 20 Гц...2О кГц наилучшее восприятие звука в
hi ухе происходит на частотах 800...2000 Гц. В воде же во всем слышимом
। инионе восприятие звука резко ослаблено, при этом разница в воспри-
'п минимальна на низких частотах (f<2 кГц) и прогрессивно возраста-
’(> дБ до 70 дБ на частоте/= 80 Гц [51].
368
Глава 10. Особенности акустического поражения объектов .
Taonuif.i til I
Источник звука и расстояние до него Относительный уровень звукового давления, (фон, д|
Порог слышимости 2-10-5н/м2
Шепот; 0,3 м 1
Громкая речь; 1 м 30
Комната в тихой квартире 40
Кабина грузового автомобиля 70
Метро, трактор 90
Фортиссимо оркестра 100
Реактивный двигатель самолета (вблизи) 120
Повреждение органа слуха 135
Примечание: 1 фон = 201g(/>/po) = 101g(///0); р0= 210-5Н/м2; 10= 10 '' Hi •<
Опасным для уха считается предельное давление ртах= Ю4 Н/г? и
частотах/= 30...50 Гц. Особенно опасны для человека звуковые ikhuhi
имеющие импульсный, прерывистый характер. Опасность связана и-м
что орган слуха человека имеет защитную систему, предохраняющую V»»1
от вредных сильных звуков. Эта система, которую можно назвать с шнпП
разной системой регулировки усиления («АРУ»), имеет крупный инки щ
ток, который заключается во временной задержке. При воздействии i п>н
ных звуков с интенсивностью /отн > 90 дБ определенные устройства у*н
автоматически (рефлекторно) начинают снижать чувствительное ! ь ь m 11
действующему звуку. Но слуховой аппарат человека «включает сш нм»
АРУ» с задержкой т3 ~ 10 мс (рис. 10.6).
С учетом этой особенности слухового аппарата мощные и кр.шн
временные импульсные звуки (т<т3) в слуховом канале не ослабли и ш и
и элементы среднего и внутреннего уха подвергаются значительным м
ханическим воздействиям (вибрациям), что может привести к nci>l>|>an>
мым последствиям. Полная утрата слуха происходит мгновенно щ
воздействии коротких акустических импульсов с относительной i 11 > и
ностью /тах > 90 дБ (рис. 10.6, б).
Короткие мощные звуковые удары (т<10 мс) почти не встреч..
природе, они порождаются деятельностью человека. Именно по-и
ходе эволюции природа еще не ликвидировала временную задерж!
стемы АРУ» слухового аппарата. Этот крупный недостаток слуховт.
парата человека исследуется в зарубежных опытных образцах аку и'
кого оружия, излучающего мощные и короткие звуковые сигн.1 >
«акустические пули» [74, 151].
10.2. Слышимый звук
369
Рис. 10.6. Воздействие на орган слуха акустических ноли разной длительно-
сти т: а — длительность входного воздействия т больше времени задержки т3
системы управления чувствительностью уха (т> т,); б — т <т.,; т, » 10 мс;
и — амплитудная характеристика уха; ZH — начало работы «системы ЛРУ»
В повседневной деятельности человек может получить акустическую
|ривму при работе с ударными инструментами, при и дрыне боеприпаса, в
рпультате прохождения ударной волны, порожденной низколстящим
1'Псрхзвуковым самолетом (рис. 10.7).
Рис. 10.7. Воздействие ударной акустической волны, порожденной
движением сверхзвукового самолета, на орган слуха: Vc — скорость
самолета; L — расстояние между ушами; / — интенсивность звука;
т — длительность «хлопка»; с — скорость звука
370 Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
Если положить скорость распространения ударной волны Vc> 4(1(1 м >
то при среднем расстоянии между ушами h = 20 см человек испытас i > ни
нейший импульсный акустический удар в течение времени т< 0,5 м<
такой короткий удар ухо не успеет отреагировать («включить AI’V-i и
человек может получить акустическую травму.
10.3. Ультразвук
Ультразвуковые волны создаются такими упругими колебаниями ।
ды, частота которых превышает 15...20 кГц. Однако в некоторых и< ни
никах под ультразвуком понимают волны с частотой f < 15 кГц, если пи
волны не применяются для передачи звуковой информации слуховой । в
стеме человека. В зависимости от длины волны (или от частоты) упыри
звук обладает специфическими особенностями излучения, pacnpoi i|nui
ния и воздействия на различные объекты. Поэтому ультразвук oomtiii
подразделяют на три поддиапазона:
низкие ультразвуковые частоты /= 1,5.1О4...1О5 Гц;
средние /= 1О5...1О7 Гц;
высокие /= 1О7...Ю9 Гц.
Волны с частотами /= 1О9...1О14 Гц принято называть гиперзвуком
Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от И1н|»|>п
ковых и других акустических волн с частотой f< 20 кГц. В газах и xiiiimi
стях распространяются только неполяризованные волны, а в твердых и
лах продольные и поперечные (сдвиговые).
Для ультразвуковых колебаний характерна малость длины nnuiiu
Х= 10"2... 10~5 см, что объясняет лучевой характер их распространения ) 11 ♦
при относительно небольших размерах источника ультразвука так ниш
х/Хг
ваемый дифракционный параметр Р невелик (Р = —где г — р;и ........
ние до точки наблюдения, D— размер источника). Поэтому вблиш и > <,
чателя ультразвуковые волны распространяются в виде пучков, попер чш п<
размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Так же > •
в радиотехнических антенных устройствах, в ультразвуковом ди;иы >• >•
применяются различные фокусирующие устройства (линзы, 3cpi । >
другие), позволяющие путем сужения луча получать на объектах ны<
интенсивности звука, порядка /= 106 Вт/см2. Мощность излучателя м.
изменяться в пределах 1... 10000 Вт. Объединение отдельных когерпп
излучателей в системы (ФАР) рассматривается как перспективное и.пн
ление создания компактных устройств акустического поражения 11<
10.3. Ультразвук
371
Ультразвуковые волны затухают значительно сильнее ноли более низ-
ких частотных диапазонов. При/>20 кГц показатель поглощении про-
порционален квадрату частоты:
п 0)2
а = Р—у, (10.5)
рс
щс р — плотность среды; с — скорость звука.
Размерный коэффициент р зависит от ня ткости, теплоемкости и тепло-
И|юводности среды. В общем случае коэффициент р зависит и от со, но при
низких частотах эта зависимость весьма слабая. На рис. 10.8 приведена
ншисимость показателя поглощения звука в воздухе от относительной
пппжности при комнатной температуре на различных частотах.
Из графиков рис. 10.8 следует, что в области ...имых частот при
вцажности 50% показатель поглощения составляет а - 10 4 см в то время
кик на частоте ультразвука f= 100 кГц а = 10 2 см ’. Следовательно, с повы-
шением частоты интенсивность волны уменьшается очень сильно. Умень-
шение интенсивности с расстоянием z происходит но экспоненциально-
му закону 1= /oexp(-2az).
Рис. 10.8. Зависимость показателя поглощения
звука в воздухе от относительной влажности
Вели на частоте/=30 кГц принять для воздуха а» 10 1 см ', то на уда-
IHH1 z=50 м от источника, интенсивность звука ослабляется примерно
' ’ П00 раз (на 43 дБ). Такое ослабление интенсивности может быть ском-
ш нровано только увеличением направленности излучения или мощно-
тлучателей.
372 Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
Еще одна важная особенность ультразвука связана с малой дипн<>||
волны (Х= 102... 105 см), что позволяет создавать малогабаритные iu.u »>!
энергетические системы излучателей с очень большой интенсивно» и tn
При малой апертуре в габаритах обычного кейса свободно можно i к
тить п = 10 х 10 излучателей. Коэффициент направленности такой сн< к ш
излучателей оценивается как К= п2. Так, при и = 100 получается, что Л 11 >'
т. е. даже при не очень мощных излучателях открывается возможное ii.ii>
создания остронаправленного акустического излучения с высокой ..н
сивностью 1= 1О2...1О4 Вт/м2.
Высокая степень направленности системы излучателей требует ш поп
зования системы слежения за поражаемым объектом. Однако как нон
жительную характеристику рассматриваемой системы следует отмешп
возможность исключения воздействия собственного мощного акусгн-н>
кого поля на обслуживающий персонал этого типа акустического ору i ич
Для ультразвуковых волн с высокой интенсивностью характерны при
явления законов нелинейной акустики. Дело в том, что распростри ш иш»
акустических волн в реальных средах (особенно в областях их границ) in
может быть адекватно описано приведенными выше линейными шина
выми уравнениями вида (9.2). При распространении интенсивных нош
(/ > 1 Вт/см2) в твердых и жидких веществах (в воде, в крови, в ik.iiuh
живых организмов и т. п.) проявляются нелинейные эффекты, принодинин
к изменению формы волны. Причинами этого являются [72]: изметлни
скорости профиля волны и детектирование акустических колебании
Скорость распространения частиц (точек) волны в областях сл.пич
(гсж) больше, чем в областях разряжения (гразр), т. е. усж> vpa3p. Для п>> ш
большой интенсивности эффект изменения первоначальной плоской > и
нусоидальной волны приводит к преобразованию ее в ударную ночи
пилообразной формы, как на рис. 10.9.
Рис. 10.9. Нелинейное преобразование плоской
синусоидальной волны (а) в почти пилообразную (6)
10.4. Устройства акустического функционального поражения 373
В воде или крови, например, интенсивная синусоидальная волна пре
иПразуется в пилообразную на расстоянии нескольких десятков или даже
шпиц длин волн. При f= 100 кГц эта длина составляет 1...10 см.
Акустическое детектирование, рассмотренное в [72], вызывается вза-
имодействием волн в среде с микронеоднородностями, размер которых
ишзмерим с длиной волны. Акустическое детектирование нарушает прин
инн суперпозиции волн, справедливый для линейного случая и приводит
к искажению спектра. В частности, нелинейное взаимодействие двух гар-
монических волн с частотами со, и to2 вызывает появление в спектре ре-
зультирующего колебания комбинационных частот щ2- со, и со2 + ®,-
Пусть на ухо, которое играет роль квадратичного детектора, поступа-
ют два акустических сигнала (рис. 10.10):
р, = Л cosco,/;
(Ю.6)
р2 = XlCOSCOj/,
1Л< (02 - со, = Q.
Как видно из рис. 10.10, результирующее колебание, сформированное
I ^ммированием двух гармоник (10.6), можно рассматривать как сигнал ча
I нны 0,5(со2 + со,), балансно-модулированпый колебанием
Диод = 2Лсо8(1)модГ = глсоь^^-—У = 2/lcos^yJ (10.7)
Интенсивность колебания, сформированного в результате дстсктиро-
ппння биений, оказывается равным
Mn = 4LW = 2^2[l + cos2(oM,w/|. (Ю.8)
Особенности нелинейных преобразований сильных акуст ических волн
вппюляют создать инфразвуковой излучатель малых размеров.
В результате нелинейного преобразования двух мощных улыразнуко-
«|.|\ волн на частотах^ иразность которых равна/2 • 10 Гц, в веще-
<пс объекта ФП (например, в голове) образуются мощные биения на
• к цгге с высокой интенсивностью инфразвука.
10.4. Устройства акустического функционального поражения
Различают устройства акустического поражения одноразового и мно-
1'1 юного применения. Одноразовые устройства рассчитаны на «одномо-
||| ное» поражение объектов путем применения специфических мощных
"шиков акустических волн, генерирующих кратковременный пакет
। их колебаний весьма высокой интенсивности. Одноразовые источ-
। юставляются в район поражаемого объекта специальными носите-
374
Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
Рис. 10.10. Инфразвуковые биения: а и б — ультразвуковые волны на
частотах СО] и (1)2; в — биения; г — интенсивность инфразвуковых воли
лями (бомбами, ракетами, террористами). Основу устройств мнон>р.<
вого применения составляют мощные одиночные излучатели или сш и
мы излучателей, создающих высокоэнергетическое акустическое нош
заданном телесном угле (см. п. 9.6).
10.4.1. Одноразовые устройства акустического поражения
Этот вид акустического оружия использует внезапное и кратковрсм. ।
ное изменение фазового состояния вещества, превращая, например, 11
дое вещество в газ или жидкость. Происходить такое превращение м< ।
при взрывах, столкновениях тел, искровых разрядах и других физи’нч ।
процессах. В качестве оружия уже давно применяются различные пч
ные устройства (бомбы, мины, снаряды). Взрыв сопровождается о ।
быстрым выделением энергии, которое приводит к разогреву, двил
10.4. Устройства акустического функционального поражения 375
* — - —- — —' -------------------------“-------~--- ----------
или сжатию продуктов взрыва. При взрыве исходна» потенциальная энер-
III» ВВ превращается в кинетическую энергию движения (сжатия) среды.
Чисть энергии переходит в тепловую энергию газов. Друга», ббльшая, часть
превращается в энергию акустического импульса (ударной волны), дей-
ипие которого приводит к механическим разрушениям и ФП различных
•Оъектов. Акустический импульс представляет собой бегущую акустичес-
кую волну малой длительности ти. Спектр такого импульса сплошной с
максимумом в области частот /е [0; 1/ти].
При распространении в среде (в воде, в воздухе) средней значение
тукового давления для любого конечного обьема V равно нулю, так как
каждый такой импульс содержит области повышенного и пониженного
давления, т. е.
= 0’ (10.9)
~*°уг
Следует различать эффекты разрушающего и поражающего действия.
Количественно разрушительный эффект взрыва оценивают площадью раз-
рушения
5 = л/?р2. (10.10)
|дс Лр — радиус разрушения, на котором интенсивность волн достигает
определенного критического значения
/(Я = Яр) = /кр. (10.11)
Согласно [20] радиус разрушения равен
Rp = RVw, (10.12)
щг w — тротиловый эквивалент ВВ, (кг); R- 1...50-U== — приведенное
\КГ
расстояние.
Приведенное расстояние R, зависящее от степени разрушения, типа
...скта и среды, определяется опытным путем.
По тяжести воздействия поражающих факторов взрыва на человека
чадсляют три группы эффектов воздействия (рис. 10.11) |20]:
I) опасные для жизни, способные причинить смерть или необратимые
чжелые последствия при критическом давлении ркр2 100 Н/м2 (относи-
и.ный критический уровень интенсивности волны /Отн.кр“ 160
2) не опасные для жизни, в частности повреждение уха — при дкр =
10 Н/м2 (/отн кр = 120 дБ);
1) обуславливающие обратимые последствия (в частности, незначи-
। пые психические расстройства) — при ркр = 1 Н/м2 (/отн кр ~ 100 дБ
> времени действия около минуты).
376
Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
Рис. 10.11. Диаграммы тяжести воздействия взрывной волны на
человека: I — область незначительного ущерба; II — повреждение
отдельных органов; III — смертельный исход
Приведенные количественные характеристики уровней звука являю» и
усредненными, и их следует воспринимать как ориентировочные.
Взрывы в воде при равных тротиловых эквивалентах более эффскшп
ны по сравнению с взрывами в воздухе. Этот эффект связан с меньшим
затуханием волн в водной среде и меньшими потерями энергии воли при
переходе из водной среды в ткани организма человека (импеданс ткаш и
человека лучше согласован с водной средой, чем с воздушной).
Основные повреждения при взрывах получают внутренние органы
(сердце, легкие, желудок и другие), органы слуха и центральная нсрип.
система.
Эффективность акустического поражения зависит от длителык» m
акустического импульса ти, пикового (максимального) давления в имнуиы >
и от стационарного давления. Для органа слуха наиболее опасны аку‘ «и
ческие импульсы, длительность фронта которых Тф меньше времени ы
держки т3 слуховой «системы АРУ» (системы адаптации слухового ашм
рата к уровню громкости) (Тф < т3).
Установлены экспериментальные зависимости радиуса R разлпчн.-и
степени функционального поражения человека от тротилового эквива и<-1।।
заряда ВВ:
смертельное поражение R\ = 3,17д/й, м;
легкие повреждения R2 = 18,1^/^ м;
отсутствие повреждений R3 =83,2w0,33, м.
Кроме массы заряда w и его удаления от человека большое вл и .
на фактор повреждения имеет частотный спектр акустической и<>
10.4. Устройства акустического функционального поражения 377
Наиболее опасны низкие частоты f < 45 Гц. Так, для оценки поражения
легких выявлена эмпирическая формула «самой вредной» частоты (час-
ч>ты резонанса легких)
€ _ 742 г
/л Чм' ц’
где М — масса тела в граммах.
I ик, при массе тела М = 70 кг получается /Л = 45 Гц. При увеличении глу-
бины взрыва интенсивность акустических волн возрастает.
Сводные данные по радиусам R смертельного, несмертельного и бе-
•опасного воздействия зарядов различной массы и> на человека приведе-
ны в табл. 10.2.
Таблица 10.2
Эмпирическая формула Масса заряда W, кг
0,1 1 10 100
Радиус смертельного воздействия, м
/?i=3,17Vw 1 3,17 10 31,7
Радиус несмертельного воздействия, м
=18,lVw 5,7 18,1 57 181
Радиус безопасного расстояния, м
Л, = 83,2w°’33 38,6 83,2 179 386
В зависимости от массы заряда w можно выделить границы зоны раз
рушения — I, зоны функционального поражения — II и зоны подавле
пип — III, под которой понимается зона,
и которой посторонний источник звука
шненциально может воспрепятствовать
। in маскировать) приему акустического
"общения, например на некоторое вре-
мя исключить возможность работы гид-
рофонов. Эти зоны представлены на
рш 10.12. Вне пределов зоны III акус-
'|Г1еский импульс не наносит никакого
верба.
Мощный акустический импульс в
к ственных условиях возникает при
. ктрическом разряде молнии. Это
м, который происходит при резком
Рис. 10.12. Зоны воздействия
ударной волны
378 Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
расширении воздуха в канале молнии. При громких разрядах moi у • "
никать несколько импульсов грома со средней длительностью т ~ 0 11 •
В ряде случаев такие акустические импульсы могут причинить уш» р"
органам слуха.
10.4.2. Многоразовые устройства акустического поражения
Существенный недостаток акустических средств одноразового при
менения, заключающийся в кратковременности их работы (доли сек у и ••
устраняется при использовании излучающих устройств, создающих и »»
данном телесном угле сильное акустическое поле. Такие устройства м»
гут длительное время генерировать акустические волны с большой iiin< и
сивностью (свыше 140 дБ), достаточной для эффективного пресс к !.
противоправных действий.
К достоинствам генераторных устройств акустического поражении » ••»
дует отнести:
• способность создавать сильные акустические поля в заданном <и р »
ниченном пространстве;
• возможность генерировать акустические волны в течение дли к и
но го времени в достаточно узком диапазоне требуемых части i и
высокой степенью временнбй и пространственной когерентна и»
• способность адаптивным образом изменять форму излучаемых п>
налов, например выбирать длительность и форму акустическою им
пульса в соответствии с критерием эффективного поражения <»ир»
деленных объектов.
В акустических генераторах могут применяться как одиночные и » и
чатели, так и системы излучателей (антенные решетки), рассмотрении
ранее. Применение одиночных излучателей не эффективно в низко-»»
тотной части диапазона акустических волн при /<3000 Гц (Х>1 м) >
обусловлено невозможностью создания узкополосных излучателей и щ»»
емлемых габаритах. Так, при необходимости создания высокоэнср»» »»
ческого акустического поля на частоте/= 5 Гц излучатель должен им
размеры порядка 60 м. В высокочастотной части звукового диап.» » »
(Х< 10 см) возможно создание узконаправленных антенн с высоким
эффициентом концентрации энергии К> 1000. Однако, как указы и.»»
выше, эффективность акустического поражения на частотах/> 1 к! »
кая. Кроме того, затруднительно управлять характеристикой наир
ности А(а).
В устройствах акустического поражения перспективным яп»
применение систем излучателей — акустических ФАР. Известны ;»
бильный и носимый варианты таких устройств [74, 164].
10.4. Устройства акустического функционального поражения 379
В США ведутся испытания устройства акустического поражения на
"снове АФАР [74]. Это устройство излучает акустические импульсы с дли
•сльностью ти= 1...2 мс и длительностью переднего фронта Тф= 10...20 мкс.
1'гзультат воздействия мощных акустических импульсов на человека за-
иисит не только от пикового давления рпик во фронте звуковой волны, но
и от длительности импульсов ти, длительности их передних фронтов Гф,
периода следования Т. Влияние длительности переднего фронта импуль-
<1 на эффективность ФП имеет пороговый эффект — он достигается для
icx импульсов, у которых передний фронт короче, чем время его прохож-
1П1ИЯ через объект (Тф < 100 мкс). Необходимая длительность импульса
вирьируется в пределах ти= 1...10 мс, что отвечает условиям согласования
Акустических волн с воздушной средой.
Акустические волны с частотами f< 2000 Гц энергетически предпоч-
пггсльнее, так как при/> 2000 Гц волны быстро затухают за счет моле-
кулярного рассеяния: коэффициент поглощения а пропорционален со2
110.5). Практически акустический импульс с ти ~ I мс при f> 2000 Гц пред-
ыивляет собой короткую ударную волну, сплошной спектр которой име-
• -I максимум на частоте fmax ~ 1/ти.
В области низкочастотных звуковых воли, особенно в инфразвуковом
диапазоне, система излучателей АФАР представляется набором п моно-
Полей, характеристика направленности которой определяется как
. ( d А
sm пп~о.
/?(а) = ' <1013>
ля—а
X
Коэффициент направленности АФАР, состоящей из п монополей, за-
висит от степени пространственной когерентности у12 формируемого аку-
। шческого поля
X = n[l-YI2(l-«)]. (10.14)
Эквивалентная мощность акустических волн, излучаемых устройством
1 основе АФАР, определяется по формуле
Рл=Р,и[1-Т12 (10.15)
/’i — мощность одного излучателя.
• Шытный образец устройства акустического поражения па основе аку-
неких ФАР состоит из 20...30 излучателей, которые moi уг работать как
штдуально, так и в любой совокупности. Па рис. 10.13 изображена
I’ из четырех импульсных акустических н invnaicicn.
380
Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
Рис. 10.13. Фазированная антенная решетка из четырех
импульсных акустических излучателей
При работе в режиме акустической ФАР мощность излучения им ы
вляет
Ри=Р1„3/4<^„25 (|(|1(||
что объясняется неидеальностью конструкции АФАР, генерирующей ши
с недостаточной пространственно-временной когерентностью у< I
Рассматриваемый генератор формирует акустические импульсы < ।«11 м <
сительной интенсивностью до 145 дБ на расстоянии 100 м (на mcdijih м
расстоянии — 165 дБ), что достаточно для пресечения массовых проиш-
правных действий.
Акустический генератор может быть использован как для недощш
ния противника в запретную зону, так и для воздействия на отлеиыш
малоразмерные цели. Здесь имеется в виду возможность изменении иг
странственной зоны поражения в зависимости от режима работы А<1 • \ I
Генератор достаточно компактен, что позволяет размещать его на .ни.
мобиле. Он обслуживается одним человеком. В качестве первичны'.
точников акустических волн могут использоваться гудки, свистки. < щ
ны, устройства, формирующие электрические разряды.
В инфразвуковом диапазоне волн (<10 Гц) имеются принципнаш ।
трудности создания АФАР с узкой характеристикой направленное i и /
(большим коэффициентом направленности К» 1). Эти трудности си>
прежде всего к следующим:
• громоздкие излучатели, размеры которых обусловлены болы.
ной волны инфразвуковых колебаний;
10.4. Устройства акустического функционального поражения
381
• необходимость придания большой амплитуды вибраций излучающе
му элементу для получения необходимом интенсивности волн, что
требует большой затраты энергии (при малом КПД);
• невозможность получения острой направленности излучения с целью
акустического поражения конкретного объекта и эффективной экра
нировки обслуживающего персонала;
• малая дальность действия.
Эти трудности могут быть преодолены при использовании эффекта
наложения (суперпозиции) двух когерентных ультразвуковых излучений,
чистоты которых f и f2 отличаются друг от друга па небольшую величину
/ /2-/1 = 1-15 Гц.
В п. 10.3 рассмотрен простой пример формнропапия биений с интен-
ции юстью /6(/)на частоте Fb=f2-fi. Процесс формирования биений де-
монстрируется на рис. 10.10. Интенсивность биений, действующих на
ибьскт поражения, может быть определена с помощью соотношения (10.8)
/ =/0(1+cos271jF6/) =/0 (1-I cosU(/), (10.17)
1ЛС /0 — максимальное значение интенсивности акустической волны,
2
пропорциональное р0.
При правильном выборе частот со( и со2 ультратуковых волн может
быть достигнут такой же эффект ФП, как и при прямом поздейстиии ин-
фршвука с разностной частотой Пб = тв2- Го|. Однако н рассматриваемом
i 1учае использование ультразвуковых колебаний с частотой /> 30 кГц дает
•инможность получения остронаправленного луча.
В [164] приводится сообщение о том, что па этом принципе возмож-
но создание боевого малогабаритного излучателя инфразвуковой волны.
Г.| 1мсры такого излучателя позволяют монтировать сто и кейсе, а масса
превышает 5 кг. Предполагается, что устройс тво будет состоять из двух
...облоков ультразвуковых генераторов, формирующих остронанрав-
' иные излучатели волн с частотами, различающимися на 5... 15 Гц. Два
и । гродинамических излучателя, встроенные в кейс, способ!..
и । и. когерентные волны в луч с угловой расходимост ью всею и несколько
i 'ivcob. Применение такого индивидуального оружия буде т пригодно для
инащиты, охраны жилища и других объектов. Подобные устройства
। \ । найти применение в качестве контрмер против бытового акустичес
к рроризма, создавая в нужном объеме аннигилирующее акустическое
ынтизвук), уничтожающее вредное акустическое ноле в результате
ктивной интерференции с ним.
382
Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
10.5. Эффективность акустического поражения
Заданная степень акустического поражения достигается, если и м.
расположения объекта интенсивность акустических волн будет нс м- >
ше некоторого критического значения /кр, т. е.
7>/кв. (Км
Критическое значение интенсивности для каждого объекта он речи >
ется, как правило, экспериментально.
Для взрывных источников волн условие поражения может бы и. ...
сано в виде
~^е =1кр, (ни
где Рв — мощность акустического импульса, порожденного взрывом /
расстояние до объекта поражения; <хпр — пространственный пока ы г •
поглощения, имеющий размерность м“*.
Уравнение (10.19) называется уравнением акустического порала ни
Радиус зоны поражения определяется как корень трансцендеипно
уравнения (10.19). Значение этого радиуса гпор всегда больше радиуса шш
физического разрушения (рис 10.12).
Зона поражения объектов устройствами акустического многорл и яиц-
применения определяется с помощью рис. 9.17. В произвольной nw /'
находящейся на расстоянии г(оскр) от излучателя И, интенсивное и. .и >
стической волны равна
ЛАТ?2 (o') _2а .
г _ И_____\ ) ZOppl
В “ . 2
4лг
где РИ — мощность источника излучения; К— коэффициент наирам । •
ности излучателя; Л(а) — амплитудная характеристика направлена
излучателя; апр — пространственный показатель поглощения.
Уравнение кривой, определяющей границу зоны поражения. пр< <• <
ляется в виде
в 4лг2
В инфразвуковом диапазоне можно положить апр = 0, поэтом»
нение акустического поражения (10.21) упрощается и приводится ।
^rf(a) = /Kp.
10.6. Маскировка звуковых сигналов
383
Из (10.22) определяется гпор:
^пор — ^гпах
(10.23)
uie гЛ1ах = —-— — максимальная дальность поражения, которая дости-
111стся при а = 0.
Из (10.23) следует, что при заданных характеристиках излучателя и по
рижаемого объекта форма зоны поражения определяется только ампли-
|удной характеристикой направленности
Уравнение акустического поражения (10.19) имеет важное практичес-
кое значение. С его помощью определяются требования к энергетичес-
ким характеристикам устройств акустическою поражения, а при задан-
ных устройстве и объекте поражения определяется зона поражения.
10.6. Маскировка звуковых сигналов
Акустические волны используются прежде всего для информацион-
ного обмена между объектами естественного и искусственного происхожде-
ния В животном мире звук самого различного происхождения позволяет
передавать и принимать смысловую информацию и сигналы опасности,
определять направление на источник волн и решать другие задачи. Тех-
нические устройства применяются для обработки акустических сигналов,
уцрнвления или воздействия на вещество.
Большая группа акустических методов, применяемых для получения
ini ыичной информации, основана на использовании эффектов отражения
в рассеяния волн на границах раздела сред с различными характсристи-
н(ми. Подобные методы применяются в гидролокации, в медицине и
4>vi их приложениях [25, 148, 153]. Эхолоты, гидролокаторы, гидрофон
(" lc системы используют в навигации, в военно-морском деле, в рыбном
||»>мысле. Гидролокаторы могут работать в активном режиме, излучая зон
прующий акустический сигнал, или в пассивном, только принимая аку-
||'1сские сигналы, создаваемые независимыми внешними источниками
«к следуемых средах.
/(ля маскировки акустических сигналов могут применяться специаль-
II генераторы, создающие в окрестности расположения приемных уст
in hi (органов слуха, гидрофонов и других приемников звуковых сигна-
•"> акустическое поле с такой интенсивностью, которая позволяет нано-
|| информационный ущерб за счет создания помех приему полезного
|ццения. Величина критического значения интенсивности маскирую-
лкустического поля помехи в этом случае может иметь значительно
384 Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
меньшее значение /п, чем в случае ФП (/п < 1^). Поэтому при информя
ционном подавлении мощность излучающих систем на несколько п>>|>>1 i
ков ниже той, которая требуется для ФП.
Для определения зоны подавления информационных акустшп । >
систем необходимо пользоваться уравнением акустического подавцпич
В общем случае акустического подавления приемника сигнала С и< >
ник полезного сообщения И не совмещен с источником маскиру..........
помехи П (рис. 10.14).
Рис. 10.14. Зоны акустического подавления
информационного канала
В точке приема С акустическое поле, создаваемое излучателем 11 мини
польного типа, имеет интенсивность
где Рк — мощность излучателя полезного сигнала; гс — расстояние м, * ।
излучателем И и приемником С (рис. 10.14).
Интенсивность помехового сигнала
/пЛ/;2(а)е^, (11)
4лгп‘
где Рп — мощность источника помех; Кп, Д,(а) — коэффицисп..
ленности и амплитудная характеристика излучателя П; гп — pan h»ihi>
до источника помех.
10.6. Маскировка звуковых ен.-иалои
385
Акустический информационный канал будет подавлен при условии
f = k-.w (10.26)
*с
|дс Лап — коэффициент акустического подавления, равный отношению
интенсивностей помехового и полезного сигналов (полей) в точке при
сма С, при котором нарушается извлечение полезной информации (при
использовании в качестве маскирующей помехи звука чистого тона /=
2000 Гц коэффициент kw~ 1...3).
С помощью (10.24)-(10.26) можно получить уравнение акустического
подавления
r‘>=kail. (10.27)
Л. Гп
При подавлении акустических информационных каналов, работающих
и инфразвуковом диапазоне, можно положить А'и = (а) = 1
При этих условиях уравнение (10.27) упрощается:
= КС,
и алр = 0.
(10.28)
k Р
.. i' _ anJ и
!ДС Ас=—-----.
‘п
Iпк как
гс2 =х2 + у2; г2 =х2 + (у- А.)‘, (10.29)
|о с помощью (10.28) можно получить уравнение для определения грани
Ны зоны подавления
г-
KCL f
Ас-1 J
kj?
(Ke-if
(10.30)
О
+ X
Полезно рассмотреть три случая, соответствующие значениям Кс< I,
А, > 1 и Кс= 1.
При Ас < 1 анализ (10.30) показывает, ч то граница юны подавления
представляет собой окружность с радиусом
А,=
\-кс
(10.31)
Смещение центра окружности относительно начала координат
K<L
<IO32>
1 — А,.
386 Глава 10. Особенности акустического поражения объектов...
Зона акустического подавления при Кс< 1 представляет собой ...
кость хОу за исключением части плоскости 50, заключенной внутри <
ружности радиуса (рис. 10.14).
При Кс > 1 зона подавления — круг радиуса
Центр круга смещен вправо на расстояние
При Кс= 1 окружность вырождается в прямую, проходящую через m ini
базы L. Зона подавления находится справа.
На рис. 10.14 показана причина образования зоны подавления u р ill
оне источника помех П и излучателя полезного сигнала И. Кри....з /,.
характеризуют зависимость интенсивности помехи на подавляемом п(п
екте С от дальности гс, а кривые /с — зависимость интенсивности акуз i и
ческого поля полезного сигнала на входе того же приемника С от дши
ности гс. Сплошные кривые соответствуют Кс< 1 (при k^ = 1), а пупкnip
ные — Кс > 1.
Анализ (10.30) и рис. 10.14 позволяет сделать следующие выводы
• при малой мощности генератора помех П, когда Кс > 1, зона полни
ления располагается вокруг П (эта зона на рис. 10.14 заштрихов inul
поэтому прикрытие своих объектов возможно только при их раз пн
ложении внутри области П;
• при большой мощности источника помех П, когда Кс < 1, прпкрн
тие возможно во всем прилегающем пространстве, за исключеппм
зоны неподавления 50 (не заштрихована), находящейся вбли in in
точника полезного сигнала И.
ЧАСТЬ 3
ПОРАЖЕНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
РАКЕТАМИ, САМОНАВОДЯЩИМИСЯ
НА ИСТОЧНИК РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ
ГЛАВА 11
ВЫСОКОТОЧНОЕ ОРУЖИЕ ПРОТИВ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
Работа радиоэлектронных систем и средств сопровождается излук ни
ем ЭМП. Причем эти поля создают не только передающие антенны II»
преднамеренно излучают передающие устройства, элементы фидерны*
трактов, гетеродины приемников, вычислительные и многие друнк v< 1
ройства. И работе передающих антенн сопутствуют побочные излук иич
в направлениях, отличных от направления главного лепестка диаграммы
направленности. Все эти излучения, как основные, так и побочные и
непреднамеренные, могут использоваться для огневого поражения I' и
противника оружием, прежде всего — ракетным. Такие ракеты напоив и ц
на электромагнитное излучение, и поражение радиоэлектронных 061.1 »
тов происходит теми огневыми комплексами (системами), в которых л ш
наведения и самонаведения используются бортовые радиоэлектротпл
средства. В контурах управления высокоточными ракетами, наводящими! ч
на источники радиоизлучения, используются специальные системы пи
ределения координат, именуемые головками самонаведения.
Исторически первыми объектами, против которых были прим< п< им
самонаводящиеся ракеты с пассивными радиоголовками самонавед< пп»
были РЛС в составе зенитно-ракетных комплексов (ЗРК) [116]. Видимн
поэтому за таким оружием закрепилось название «противорадиоло! ши
онные ракеты» (ПРР). Но нет сомнения, что отработанные конструкт и..
и схемотехнические решения, методы наведения ПРР инвариантны <.....
сительно функционального назначения объектов поражения. Лишь (>ы > iи
объекты излучали в радиодиапазоне, а приемники головок самонаисдгиин
обладали достаточной чувствительностью для приема этого излучении
Основной поражающий фактор ПРР — ударная волна и оск<чн и
которые выводят из строя прежде всего антенное и кабельное xoiuib нт
РЭС. Именно эти устройства в составе РЭС наиболее уязвимы, и inn пин
их труднее всего защитить от поражения: антенны нельзя помет....... н
подземные укрытия или закрыть бронеколпаками, а кабели выиужл* пин
имеют немалую протяженность. Рис. 11.1 иллюстрирует результат прнм«
нения ПРР [116].
Глава 11. Высокоточное opvmiif против РЭС
389
Рис. 11.1. Антенная кабина РЛС: а — до ракетной атаки;
б — после применения протинорадиолокационной ракеты
Первое известное из публикаций применение ПРР относится к 1966 г.,
когда США воевали во Вьетнаме и совершали воздушные налеты на ДРВ.
После ощутимых потерь, которые понесли ВВС США от ЗРК С-75 Север
ного Вьетнама, на вооружение американской авиации поступили ПРР
AGM-45 «Shrike». Крестокрылая ракета, имеющая массу 177 кг, выполне-
IHI по аэродинамической схеме «поворотное крыло». Общий вид ракеты
AGM-45 «Shrike» иллюстрируется рис. 11.2, а представление о ее компо-
новке дает рис. 11.3.
Рис. 11.2. Тактическая противорадиолокациоишы
ракета AGM-45 «Shrike»
3005
Рис. 11.3. Габариты ракеты AGM-45 «Shrike»
390
Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
Ракета оснащалась твердотопливным двигателем весом около 75 и
В состав топлива входил перхлорат аммония и полибутадиен. Суммарный
импульс около 10000 кг/с. В блоке системы управления, находящсм< и и
центральной части ракеты «Shrike», расположены пороховой генери пр
приводы рулей и термобатареи.
Тактика борьбы с зенитными ракетными батареями С-75 с помощью
ракеты «Shrike» сводилась к следующему. Ударная группа в составе от дну»
до четырех двухместных самолетов, обычно F-105 «Thunderchief» или I Н
«Phantom», имела на борту каждого самолета оператора РЭБ. Задачей <>н
ратора было обнаружение и определение местоположения батарей (’ 7<
С помощью бортовой системы предупреждения о радиолокационном <>л
лучении он пеленговал РЛС и наводил летчика до момента входа в ют
пуска «Shrike». Начиная с этого момента РЛС ЗРК могли быть поражены
с весьма значительной вероятностью.
Эта тактика была названа «Wild Weasel». Она принесла значительны»
изменения в противоборстве американских ВВС и ПВО Вьетнама При
поддержке самолетов «Wild Weasel» ВВС США получили возможность а пн
организации бомбардировок объектов в Северном Вьетнаме. Но всм*р>
против тактики «Wild Weasel» и применения «Shrike» были найдены <i|i
фективные меры противодействия. Меры пассивной защиты сводили» ь и
тому, что при обнаружении пусков «Shrike» операторы РЛС ЗРК выкиш
чали излучение. В результате пропадал сигнал на входе приемника радии
головки самонаведения, контур управления движением ракеты размыкан» и
и ракетная атака на РЛС срывалась. Активные методы противодейс ншн
предусматривали использование очень простой, но эффективной элск циш
ной «ловушки» для бомбардировщиков В-52. Эти самолеты базированш г
на острове Гуам, посередине Тихого океана, т. е. практически на мам и
мальном радиусе действия. Поэтому они имели мало шансов менять марш
рут при налетах на Ханой и Хайфон. Зная этот маршрут, северовьетпамны
расположили вдоль него простые передатчики для имитации излучении
РЛС ЗРК С-75. Передатчики включались при подлете американских пом
бардировщиков, вынуждая их эскорт запускать ПРР. Такой способ де ши
формации оказался весьма эффективным: американцы расходовали принт
ложных целей весь свой запас ПРР, что делало бомбардировщики уязвимы
ми для атак зенитными ракетами комплекса С-75 над целью и на маршру и
возвращения на базу.
Вторая боевая операция с применением ПРР была проведена 15 1(> ни
реля 1986 года, когда США нанесли серию воздушных ударов по назем 111 im
целям в Ливии. Операция получила наименование «Эльдорадо Каньон
Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
391
Ударным самолетам ВВС США были назначены пять целей в Ливии:
казармы Азизьях, военные объекты в международном аэропорту Триполи,
база Сайд Билал, казармы Джамахирии в Бенгази, также идентифициро-
ванные как штаб управления террористами; авиабаза Бенина к востоку
от Бенгази. Все цели прикрывались с авиабазы Бенина, поэтому по Бе-
нину был нанесен удар для нейтрализации истребителей ливийской ПВО.
Авиационному удару предшествовала атака позиций РЛС ЗРК систе-
мы ПВО на северном побережье Ливии. При осуществлении этой атаки
самолеты А-7Е и F/A-18 над Средиземным морем с дистанции порядка
75...80 км, превосходящей дальность полета зенитных ракет, произвели
Пуск 48 ПРР «Shrike» и HARM (High speed Anti-Radiation Missile).
В 1983 году на вооружение авиации ВВС и ВМС США была принята
новая противорадиолокационная ракета HARM. В отличие от ракет «Shri-
ke» и «Standard-ARM», кроме наземных и корабельных РЛС систем уп-
равления зенитным оружием, она способна поражать РЛС раннего обнару-
жения в комплексах наведения истребителей.
По американским данным, ракета способна поражать РЛС как с непре-
рывным, так и с импульсным излучением, а также РЛС, работающие в
режимах с перестройкой частоты.
Ракета AGM-88 HARM имеет аэродинамическую схему «с поворотным
крылом». Крестообразное крыло, имеющее четыре консоли, расположено
И центральной, а четырехперый стабилизатор — в хвостовой части ракеты
(рис. 11.4 и рис. 11.5). Масса ракеты 354 кг.
Ракета оснащена твердотопливным двигателем «Thiokol-780», работа
ющим в двух режимах — стартовом и маршевом. Двигатель массой 127 кг
снаряжается топливом со сниженной дымностью для снижения вероят-
ности обнаружения ракеты оптическими системами. С таким двигателем
рикста способна развивать скорость 2280 км/час. Дальность полета 50 км.
Рис. 11.4. Высокоскоростная противорадиолокационная
ракета AGM-88 HARM
392
Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
4200
Рис. 11.5. Габариты ракеты AGM-88 HARM
Осколочно-фугасная боевая часть массой 70 кг имеет неконтакпи.|||
лазерный взрыватель.
ГСН ракеты наводится на источники радиоизлучения в диапа кипи
волн 3; 5; 10 и 25 см. В памяти бортового компьютера ГСН хранятся сш ни
туры радиолокационных сигналов — данные, необходимые для распо ши
вания РЛС по структуре и параметрам их сигналов.
Принятый сигнал сравнивается с сигнатурой, это позволяет 6i>u tpo
идентифицировать цель. В одном блоке с ГСН размещается также бесил.и
форменная инерциальная система, обеспечивающая достаточно высокую
точность наведения ракеты в случае пропадания сигнала (например, при
выключении РЛС цели).
Предусматривается несколько способов применения ракет НАЙМ
Если заранее известны тип РЛС и район расположения ее позиции, mi
чик с помощью бортовой станции радиотехнической разведки прон ню
дит поиск и обнаружение цели. После захвата цели ГСН осуществят-н и
пуск ракеты. Кроме того, возможна стрельба по РЛС, позиция коюрпП
заранее не разведана и обнаруживается в процессе полета. Соверикчиын
инерциальная система наведения и большая дальность стрельбы раючы
HARM позволяют использовать ее и по предварительно разведанной не и к
без захвата ГСН до пуска ракеты.
В этом случае цель захватывается головкой в процессе полета, npil
достижении такой дальности, при которой уровень сигнала становииц
достаточным для обнаружения и захвата. Если же цель не обнаружит
происходит самоликвидация ракеты.
Под защитой радиопомех истребители-бомбардировщики и палубпы*
штурмовики нанесли удары управляемыми и неуправляемыми авиаГюм
бами. Вследствие нейтрализации системы ПВО из тридцати самплеит
ударной группы американцы потеряли только один.
ПРР применялись во время операции НАТО в Югославии. И мчц
некоторые из ракет HARM, выпущенных по позициям РЛС в Сербин
упали в Болгарии и в Македонии, в целом они показали вполне прием иг
мую эффективность.
11.1. ПРР как объект управления 393
11.1. Противорадиолокационная ракета как объект управления
Любая ракета, не исключая ПРР, является сложным телом, объедини
кипим взаимно перемещающиеся массы и различные вращающиеся час-
III При больших скоростях полета ракета подвергается воздействию зна-
чительных сил и моментов, способных вызывать вибрации и деформацию
N корпуса. За счет выгорания топлива масса ракеты непрерывно изменя-
йся. Поэтому полное сколько-нибудь подробное математическое описа-
ние ракеты крайне сложно, и при составлении уравнений ее движения
иОмчно прибегают к целому ряду допущений, упрощений и ограничений.
При исследовании систем радиоуправления ракету обычно считают
цбсолютно твердым телом постоянной массы, а се сложное движение пред-
I швляют совокупностью поступательного движения центра масс и враща-
льного движения вокруг центра масс.
Кривая, описываемая центром масс ракеты (траектория), определяется
уравнением
= = F, (11.1)
dt p
flic m — масса ракеты; vp и Wp — векторы скорости и полного абсолютного
УОКорения ракеты; F — главный вектор внешних сил, приведенный к цент-
ру масс.
Вращательное движение ракеты совершается под действием момен-
liiii. Моменты создаются силами, векторы которых нс проходят через центр
Мисс. Моменты изменяют ориентацию ракеты, которая (ориентация) опре-
деляется уравнением моментов
|дс К — момент количества движения ракеты относительно центра масс;
М — главный момент всех внешних сил.
Уравнения (11.1) и (11.2) определяют движение ракеты в опорной (ос-
Понной) системе координат. Выбор в качестве опорной той или иной си-
i щмы определяется назначением, классом и областью применения ракеты,
И гвкже удобством математического описания ее движения. При исслсдо-
кмпии управляемых ракет ближнего действия в качестве опорной обычно
кмбирают земную систему координат с началом на поверхности Земли.
Одна из осей системы обычно совпадает с местной вертикалью.
Рассматривая динамику полета управляемой ракеты, действующие на
Hi* силы и моменты удобно задавать в системах координат, связанных с
(мхетой. Наиболее употребительными из них являются: поточная (скорост-
394
Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
ная) система {Oxnynzn}, связанная (с корпусом ракеты), система {Ox,,!',,., I
и исполнительная система {ОхИуИгИ} координат (рис. 11.6). Начало
систем координат расположено в центре масс О. Ось ОхП поточной ни
темы совпадает с вектором скорости vp, а ось ozn лежит в вертикал..
плоскости и направлена вверх. Ось Охр связанной системы совпадав ।
продольной строительной осью ракеты и направлена в сторону ее пиит
ной части. Ось Ozp лежит в плоскости аэродинамической симметрии ри
кеты, определяемой расположением рулевых органов, и направлена niicp»
В плоскости ОхрУр происходит управление движением такой осесимки ।
ричной крестокрылой ракеты по курсу, а в плоскости Охр<р — по таит
жу. Положение связанной системы {OXpypzp} относительно поточннП
{Oxnynzn} определяется углами атаки аа и скольжения ас (рис. 11.6)
Рис. 11.6. Координатные системы для описания движения ракеты
Для удобства подвески ракеты под плоскостями самолета-ношн спи
плоскости управления иногда располагают под углами в 45° к плоское him
курса и тангажа, как на рис. 11.7. На этом рисунке показано сечение рп
кеты с Х-образным расположением рулей, нормальное к продольной <u и
и проходящее через рули ракеты. Но такой фиксированный разворот и и in
костей управления не существенен для дальнейшего рассмотрения.
Управление полетом ракеты сводится к изменению направлении гс
движения и осуществляется посредством изменения вектора скорое i и *р
Как видно из (11.1), необходимое для изменения скорости ускорение Wp
образуется вследствие приложения к ракете силы F. Ускорение Wp и ни
точной системе координат можно представить векторной суммой
Wp = W,+Wn,
<11 I)
где W, — тангенциальное (касательное к траектории) ускорение, cobihui i
ющее по направлению с вектором vp; W„ — поперечное ускорение, рн
положенное в плоскости управления Охпуп, нормальной к vp.
11.1. ПРР как объект управления
395
Изменение траектории ракеты вызы-
вается только действием поперечного ус-
корения W„, поэтому в дальнейшем под
ускорением ракеты понимается именно
со поперечное ускорение. Оно создается
рулевыми органами ракеты.
Ориентация ракеты в пространстве
(положение связанной системы относи-
тельно опорной) определяется тремя уг-
лами: у, О и у. Угол у образуется при по-
воротах ракеты вокруг оси Ozp. Эго угол
рыскания. Угол й возникает при пово-
ротах ракеты вокруг оси Оур и называет-
ся углом тангажа. Угол у обусловлен вра-
щением ракеты вокруг продольной оси
0хр и называется креном. Скорости изме-
Рис. 11.7. Х-образное распо-
ложение рулей и плоскостей
управления ракетой
Нения этих углов — это проекции вектора угловой скорости вращения
ракеты вокруг центра масс на соответствующие координатные оси: ю =
Положение поточной системы относительно опорной определяется
углами Y, в и Г. Из этих углов 4* называется углом поворота траектории,
II — углом наклона траектории (к горизонту), а Г — углом скручивания
поточной системы координат.
На ракету, движущуюся в атмосфере, действует сила тяжести G, реак-
тивная сила тяги двигателя Т и полная аэродинамическая сила R, воз-
никающая при взаимодействии ракеты с набегающим потоком воздуха
(рис. 11.8).
Рис. 11.8. Силы, действующие на ракету при движении в атмосфере
396 Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
Сила тяжести G приложена к центру масс ракеты и направлена в цс п 111
Земли. Силу тяги Т и полную аэродинамическую силу R можно мспчи
как по величине, так и по направлению, поэтому они применяются i hi
управления движением ракеты.
Рассматривая динамику ракеты, векторное уравнение движения hi ih|m
масс (11.1) удобно представить в проекциях на оси поточной системы я
уравнение моментов (11.2) — в проекциях на оси связанной системы
Полагая, что движение ракеты происходит в неподвижной среде, мн и i
отсутствует ветер, можно составить систему уравнений пространствен пн
го движения:
гп~^- = гп^хп=Тхп + R^+Gxn (11 «I
— движение ракеты в направлении вектора скорости;
«Жгп = mvpmxn=Tzn + Rzn +Gzn, (ИМ
—(Am — ^zn)®xn®zn ~ ya + ^zn> (11 <i|
^zn®zn —— Arii)®yn®.xn ~' ^za '•'•^zn ( H )
— движение ракеты в вертикальной плоскости;
/и — т ГрС0гп — + Ryn + , (II
— движение ракеты в горизонтальной плоскости;
^хп Фхп ~ (^zn ~ -^уп ) ®zn ®уп ~ Мza + Муп (| | Ч |
— движение ракеты вокруг продольной оси (по крену).
В уравнениях (11.4)-(11.9) Тт, Т^, — проекции силы тяги о< пни
ного двигателя на оси поточной системы; 1^, — моменты ши |
ции относительно тех же осей.
Уравнения (11.4)-(11.9) справедливы для любых летательных uiiii.ipu
тов, движущихся как в пределах атмосферы, так и вне ее. При полги н
пределах атмосферы в качестве управляющих можно применять как pi ж
тивные, так и аэродинамические силы, однако предпочтение обычно nt ни
ется аэродинамическим. Все ракеты, описанные в следующем разделе. ш
пользуют именно этот принцип управления. Для таких ракет в уранпсинми
движения (11.4)-(11.9) реактивные моменты = Мур = М& - 0.
За пределами атмосферы на летательный аппарат аэродинамики in
силы не действуют. В этом случае для его управления можно ш п<> и
зовать лишь реактивные силы, и поэтому в уравнениях движения in чП
ходимо положить равными нулю аэродинамические силы и момент
11.1. ПРР как объект управления
397
= Ryn = R№ = 0, Л/jo = Му^ = A/ja = 0. Поэтому для последующего анализа
уравнений движения необходимо конкретизировать способы создания уп-
ринляющих сил и моментов.
11.1.1. Управление с помощью аэродинамических сил
Полная аэродинамическая сила R приложена к ракете в точке, назы-
мпемой центром давления (или точкой фокуса). Эта точка в общем случае
1|г совпадает с центром масс. Поэтому помимо силы R, которую всегда
Можно привести к центру масс, на ракету действует еще и аэродинами-
ческий момент М, стремящийся повернуть ее вокруг центра масс.
Аэродинамическую силу R выражают соотношением
R = cP5, (Н.Ю)
Iде с — векторный коэффициент полной аэродинамической силы;
(11.11)
2
скоростной напор, зависящий от плотности воздуха р и скорости раке-
tu vp; S — характерная площадь поперечного сечения ракеты.
Проектируя силу R (рис. 11.8) на оси поточной системы, с учетом
(11.10) можно получить
Rxp=X=cxPS
Ryp = Y=cyPS
Rw=Z = czPS
(1112)
IЛс cx, cy, cz — аэродинамические коэффициенты лобовою сопротивле
Ния, боковой и подъемной сил соответственно.
Сила лобового сопротивления X направлена противоположно некто
ру скорости vp и не может создавать поперечные ускорения. Подъемная
/ и боковая Y силы взаимно ортогональны, лежат в плоскости, нормаль-
ной к вектору vp, и могут быть использованы как управляющие.
В первом, линейном, приближении аэродинамические коэффицисн-
Ш силы лобового сопротивления, боковой и подъемной сил можно пред-
ГГпвить следующими зависимостями:
сх = ех(Л/,аа,ас)
су = cy(M,otc)
сг=сг(Л/,аа)
(11.13)
V
1Л М =—------число Маха; v3 — скорость звука.
398
Глава 11. Высокоточное оружие претив РЭС
При М> 2 и небольших углах атаки аа можно полагать
Аналогичное соотношение имеет место и для коэффициента бокоппй
СИЛЫ Су.
су=Суси.с. (II П)
Поэтому для подъемной и боковой сил можно записать
Z = с“аPSaa, Y = CycPSac. (II I г. I
Отсюда следует, что управляющие силы (и пропорциональные нм пн
перечные ускорения Wp) можно создавать посредством изменения у ниш
атаки и скольжения ракеты. Основная доля подъемной и боковин i ич
образуется несущими плоскостями ракеты — крыльями. Поэтому упрни
лять ракетой можно двумя способами: поворачивая относительно mibriti
ющего потока всю ракету или поворачивая только крылья.
По способу создания поперечного ускорения различают декарклю. и
полярное рулевые управления. При декартовом управлении поперечный
ускорения Wz и Wy создают рулевые органы ракеты. Для этого рнм'1«
снабжается двумя парами крыльев и рулей (рис. 11.6). Ускорение И, и<
здается при отклонении на угол 5В рулей высоты (тангажа), а ускорен»
Wy — при отклонении на угол 8Н рулей направления (курса). Упрашппп
щий момент крена возникает при повороте элеронов в противоположны-
стороны на угол ±8Э.
В случае декартового управления маневр ракеты в любом напрашш
нии осуществляется без крена |у=0| сообщением ей соответствующим
образом подобранных ускорений И<,и Wy. В аэродинамических осесиммм
ричных ракетах при у= 0 управление по курсу и тангажу осуществи нс в
независимо действующими системами, одна из которых приводит и ди||
жение рули курса, а другая — рули тангажа. При этом третий канал упри»
ления обеспечивает стабилизацию ракеты по крену. При наличии кр< пн
(у* 0) независимость работы каналов по курсу, тангажу и крену нарушае и ч
Поэтому декартовое управление предполагает наличие на ракете cneiiiiiiui.
ной системы, которая либо обеспечивает ее стабилизацию по крепу, чпПн
измеряет крен и вводит необходимые поправки при формировании комнцд
по курсу и тангажу. Ракеты с декартовым управлением имеют осевую и >ри
динамическую симметрию и применяются в тех случаях, когда нсоЬчплн
мые максимальные поперечные ускорения И^тах и И^,тах приблизни-чиш
11.1. ПРР как объект управления
399
рцвны. Сюда, например, относятся ракеты класса «воздух — поверхность»
И «воздух — воздух». Ракеты с полярным управлением имеют плоскую
гэродинамическую симметрию (самолетная схема) и почти не применяют-
ся в качестве ПРР.
Главный момент аэродинамических сил относительно центра масс
составляет
Ма=шР5/, (11.17)
где ш — векторный коэффициент главного момента аэродинамических сил;
/ характерный размер ракеты (расстояние между центром масс и центром
приложения равнодействующей аэродинамических сил).
Проектируя момент Ма на оси связанной системы, можно получить:
Мхр =mxPSlx к
Myp=myPSIy". (11.18)
Л/гр=«гР^6
Здесь тх, ту, т7 — аэродинамические коэффициенты моментов вра-
щения ракеты по крену (у), тангажу (О) и рысканию (у) cooiuctciпенно.
При малых углах атаки и скольжения (11.18) аэродинамические момен-
ты можно представить следующими линеаризованными соотношениями:
^=1^3-^)^
^гр =
т5н5 -т^—ш
aiypU3 ГПур Wyp
p
p
8 —т
"‘гР иэ .
-w^ac PSI.
'У
(11.19)
Мур ~
'zp тегрСаа ^^г
l ле nfy, — коэффициенты аэродинамических моментов, харак-
(гризующие эффективность действия рулей; коэффи-
циенты аэродинамических моментов, характеризующие демпфирование
ракеты при ее поворотах относительно центра масс; /я£р, mz‘ — коэф-
фициенты аэродинамических моментов, определяющие путевую и про-
лильную устойчивость ракеты при закрепленных в нейтральном положе-
нии рулях.
Статический момент обусловлен действием подъемной и боковой
ill|| и характеризует устойчивость ракеты относительно углов атаки и
। кольжения.
400 Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
11.1.2 . Управление с помощью реактивных сил и моментов
Управление ракетами с помощью газодинамических сил ocymcc nniti
ется посредством: газовых рулей и (или) изменения вектора тяги за i ч< i
поворотов основного реактивного двигателя относительно корпуса р.п и
ты (или поворотов только сопла двигателя), а также специально устапин
ленных на ракете небольших реактивных двигателей.
Газовые рули изготавливаются из жаропрочных материалов и pa im«
щаются в струе выходящих из сопла газов (рис. 11.9). В результате nui₽
кания руля возникает газодинамическая подъемная сила Zp, создающий
момент, поворачивающий ракету, а также сила Хр лобового сопротншк
ния руля, вызывающего потерю тяги. При повороте ракеты изменяет!
направление силы тяги Т, что и ведет к изменению траектории центра мт i
При управлении ракетой посредством поворотов реактивного лиши
теля образуется боковая сила Ту= 7sin8p, поворачивающая ракету псп щ|
центра масс (рис. 11.10). Действие этой силы аналогично случаю унрнп
ления с помощью газовых рулей.
Рис. 11.10. Поворотное сопло для управления вектором тяги
Для создания управляющих сил и моментов применяются также । in
циальные реактивные двигатели, размещенные на ракете соответстнуютнм
образом. Вспомогательные двигатели способны обеспечить управленш |ш
кетой и в том случае, когда основной двигатель уже не работает.
11.2. Оптимизация алгоритма управления движением ПРР
401
11.2. Оптимизация алгоритма управления
движением противорадиолокационной ракеты
Оптимальный алгоритм управления движением по траектории должен
удовлетворять целому ряду противоречивых требований. Но прежде всего
оптимальный алгоритм управления должен минимизировать промах ПРР.
Требование минимума промаха совершенно естественно для оружия вооб-
ще и для ВТО в особенности. Но конкретное значение промаха обуслав-
ливается множеством не поддающихся учету факторов. Поэтому он должен
считаться случайным, а в силу центральной предельной теоремы — нор-
мальным. При таких условиях достаточно минимизировать среднсквадра-
1ическое значение промаха Gh (/к) в момент времени tK окончания само-
наведения.
Другим существенно важным требованием к наилучшему алгоритму
управления движением по траектории служит условие минимума интег-
рала от квадрата нормального ускорения на всем участке самонаведения.
В содержательных терминах минимизация J означает минимизацию
6>
пират энергии на управление движением ракеты по траектории. Энер-
гетические затраты на управление компенсирую гея в конечном счете за
Счет мощности маршевого двигателя ракеты. Поэтому минимизация рас-
хода энергии означает увеличение длительности э тана самонаведения, т. е.
увеличение дальности ПРР. Это очень важно, поскольку ПРР должны
Применяться с максимально больших дальностей, превосходящих радиус
юны ответственности системы ПВО, в составе которой используются
радиолокаторы — цели ПРР.
Таким образом, оптимизация алгоритма траекторного управления при
наведении ПРР должна исходить из условия минимума функционала
<*а('к) + №<Jt
'n
(11.20)
Промах самонаводящейся ракеты вычисляется с учетом допущения о
Том, что в течение некоторого сравнительно короткого времени, когда рас-
стояние между целью и ракетой равно гк, управление невозможно. 11апри-
мгр, за счет наличия мертвой зоны у ГСН. При этом скорость полета
рпкеты остается неизменной по величине и по направлению, а цель не
успевает выполнить какой-либо маневр. Чаще всего предполагается, что
при г< гк, т. е. после момента t=tK рули ракеты остаются в нейтральном
положении и ее нормальное и боковое ускорения равны нулю.
402
Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
Для нахождения промаха, соответствующего минимальному расе гои
нию, на котором ракета пролетает мимо цели, рассматривается текущий
промах. Текущий промах это минимальное расстояние между ракеток и
целью в плоскости рассеивания, которое имело бы место при условии, чш
начиная с момента времени /к процесс самонаведения прекращается. Пл< и
кость рассеивания проходит через центр масс цели и располагается ш р
пендикулярно к вектору относительной скорости движения ракеты и цени
Обозначая А(/) и текущий и конечный промахи ракеты в одной
из плоскостей управления, следует считать, что
^k) = ^)|/=Zk,
(11 ?|)
где tK — момент времени окончания самонаведения, когда г = гк.
На рис. 11.11 точками Р и Ц определяются положения ракеты и цели и
подвижной земной системы координат для текущего момента времени /
Скорости ракеты и цели на рис. 11.11 обозначены векторами vp к vu
Если принять, что начиная с момента времени t цель и ракета движуи и
равномерно и прямолинейно, то ракета в относительном движении будг i
перемещаться по направлению вектора v0 = vp-vuH пройдет на ......
мальном расстоянии от цели. Из рис. 11.11 следует, что
Рис. 11.11. Геометрические соотношения при
взаимном движении ПРР и цели
Но угловая скорость вращения линии визирования цели из гочм»
мгновенного расположения цели равна
(11 И)
11.2. Оптимизация алгоритма управления движением ПРР
403
Поэтому мгновенный промах на момент t равен
*(') =
vo
(П-24)
Пассивная радиоголовка самонаведения по принципу действия лишена
возможности сколько-нибудь точно измерять дальность до цели |г| и отно-
сительную скорость сближения v0. Поэтому для минимизации промаха
нужно уменьшать (стремить к нулю) угловую скорость вращения линии
визирования сов = ё. А для минимизации среднего квадрата случайного
мгновенного промаха система управления движением ракеты должна ми-
нимизировать среднеквадратическое значение оценки угловой скорости
вращения линии визирования цели, поскольку, как следует из (11.24),
2
<О"
(11.25)
Взаимное движение ракеты и цели в системе координат, изображенной
На рис. 11.11, определяется системой кинематических уравнений
r = vucos(£-^)-VpCos(e-i%);
гё = -гц sin(e - Фц) + vp siii(e - Фр).
Первое уравнение системы (11.26) определяет скорость сближения ра-
кеты с целью, а второе связывает с параметрами движения ракеты и цели
угловую скорость (ов = ё вращения линии визирования.
Кинематические уравнения (11.26) нелинейные. Но при малых зна-
чениях угловых рассогласований (е-Фр) и (е-Ф1(), когда соь(е-Фр) =
cos(e-) = 1, a sin^E - Фр) = (е - Фр) и sin (е - Фц ) = (е - Фц ), из
(11.26) следует, что
гё + г£=гцФи-ГрФр. (11.27)
Продифференцировав (11.27) по времени и учитывая, что нормальные
ускорения ракеты lVtlp = vp^p и цели ^нц =vn'^u в скоростной системе
координат, которые в сделанных предположениях о малости величин
(г - Фр) и (е - Фц) практически совпадают с трансверсальными ускорени-
ями, можно получить
ГЕ + 2гё + ГЕ = - И'р + гиФц - Гр Фр, (11.28)
откуда для постоянных скоростей движения цели и ракеты с учетом при
пятого выше обозначения ®в = ё следует дифференциальное уравнение
для угловой скорости линии визирования
404 Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
Если ракета считается материальной точкой, перемещающейся । и
скоростью vp = const, а цель движется равномерно и прямолинейно (и
стности, может быть и неподвижной в инерциальной системе коордпн и
как наземный радиолокатор), то из (11.29) получается, что
2г fF
С0„---С0в=----. (II 1(1)
г г
Учитывая зависимость промаха ракеты от скорости вращения ..к
визирования (11.25) и связь этой скорости с нормальным ускорением II'
создаваемым в процессе управления движением ракеты по траектории
(11.30), можно найти зависимость W^popt = РЕ(<ов), доставляющую нею
мый минимум функционалу (11.20).
В [100| показано, что оптимальное в смысле минимума (11.20) ynp.ui
ление ракетой обеспечивается при
^нР=Згсов. (|| ||)
Иначе говоря, оптимальный способ управления ракетой прсдусм i
тривает создание нормальных ускорений, пропорциональных с коэффп
циентом пропорциональности Зг угловой скорости вращения л......
визирования цели ГСН ракеты. Это способ пропорционального наш и
ния (пропорциональной навигации) [3, 100, 125]. При этом сущестнсинп
что ни строительная ось ракеты, ни направление ее полета (ориентация
вектора скорости) не совпадают с направлением на цель, а система сами
наведения должна использовать для создания управляющего воздсйс i пик
информацию о скорости вращения линии визирования цели. Это зпачт
что ГСН ПРР должна иметь платформу, подвижную относительно строп
тельных осей ракеты и обеспечивающую сопровождение цели по углопым
координатам, а также систему для определения угловой скорости иергмт
щепия этой платформы в процессе автосопровождения цели.
Если цель маневрирует (И^ц^О), требуемое значение нормалыпхи
ускорения, минимизирующее сумму мгновенного промаха и эперипо
расходуемую на управление движением по траектории [100],
^нР=Згшв+За(/к-/)РКН11 (II i'i
должно линейно зависеть от нормального ускорения цели. Это случаи при
порционального наведения со смещением. Но и в этом случае ГС11 до> •
на измерять скорость вращения линии визирования цели.
11.3. Структура и состав аппаратуры головки самонаведения ПРР 405
11.3. Структура и состав аппаратуры головки
самонаведения противорадиолокационной ракеты
В радиотехнических системах самонаведения могут применяться раз-
личные способы измерения составляющих угловой скорости линии визиро
пания в плоскостях управления. Наиболее типичные способы основыва
ются на применении стабилизированной антенны, антенной системы со
следящим гироприводом, автоследящей антенны, установленной на кор-
пусе ракеты, и гироскопических датчиков угловых скоростей.
11.3.1. Функциональная схема системы самонаведения
со стабилизированной антенной
Функциональная схема ПРР со стабилизированной антенной изобра-
жена на рис. 11.12.
Антенная система радиокоординатора установлена на стабилизирован-
ной платформе таким образом, что ось х., ран||оснгналы1ой зоны антен
ной системы может поворачиваться относительно этой платформы посред-
ством моторов начальной установки М. На рис. 11.12 и далее для большей
наглядности равносигнальная зона изображается с помощью двух лепест-
ков А, и А2 диаграмм направленности антенной системы А.
Рис. 11.12. Функциональная схема ПРР со стабилизированной антенной
Перед началом самонаведения переключатели П, и 112 находятся в
Положениях 1 и на моторы М поступают команды начальной установки,
обеспечивающие установку оси ха равносигнальной зоны в направлении
ни цель Ц, т. е. равенство нулю угла тЭ.
406
Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
Антенная система, являющаяся неотъемлемой частью всякого ради"
координатора (пеленгатора), изображена на рис. 11.12 и на некоторых
других рисунках в виде отдельного блока лишь для большей наглядное! в
После окончания процесса начальной установки переключатель II
переводится в положение 2 и на моторы М подается управляющее нанр»
жение с выхода координатора.
При малых значениях угла О эти напряжения ивых являются доста в >ч
но точным приборным аналогом этого угла, т. е.
«вых = К1&, (И ")
где К — коэффициент пропорциональности.
Так как отклонение О имеет две составляющие, формируемые при
пеленгации цели в двух ортогональных плоскостях, то и напряжение и111(,
имеет две составляющие: w„.,v v и и... т. е.
ЬшЛ Л выл у1
«выхх = «выху = КуЬу- (II И'
Физически напряжения «выхх(/) и пвых>(/) образуются на выходах
двух каналов пеленгатора, предназначенных соответственно для измерен и»
двух составляющих Охи О пространственного углового отклонения цели
Под действием управляющих напряжений моторы М поворачипаип
ось ха равносигнальной зоны до тех пор, пока не выполнятся условия
мвыхх(') = 0’ «выхх(0 = ° (II XI
и ось равносигнальной зоны будет направлена на цель.
После окончания начальной установки П, перебрасывается в подож!
ние 2. Так как переключатель П2 остается в положении 2, то моторы М
оказываются обесточенными и в дальнейшем антенная система ока п.нш
ется жестко связанной со стабилизированной платформой. Очевидно, к м
самым оказывается стабилизированной в пространстве и система коордн
нат, осью ха которой является равносигнальная зона пеленгатора. Строн)
говоря, для стабилизации этой системы координат не всегда требуется i in
билизировать всю механическую конструкцию антенно-фидерной ст п
мы, но в дальнейшем для краткости слова «стабилизация системы копр
динат, связанной с равносигнальной зоной антенной системы» замени юн и
словами «стабилизация антенны».
Итак, после перехода переключателя П2 в положение 2 и в далии II
шем антенна пеленгатора оказывается стабилизированной, а его пымш
подключенным к автопилоту. С этого момента ракета начинает управля i ы и
сигналами, поступающими с выхода антенной системы, т. е. начинаем и
процесс самонаведения.
11.3. Структура и состав аппаратуры головки самонаведения ПРР 407
В процессе самонаведения линия визирования цели г поворачивает-
ся (если ракета летит не точно в упрежденную точку) и, следовательно.
Появляются некоторые составляющие (/) и f>v (/) пеленга цели. При
»том на выходе пеленгатора появляются соответствующие управляющие
напряжения, определяемые соотношениями (11.34).
Дифференцирование этих напряжений позволяет получить сигналы
пропорциональные угловым скоростям и го,, вращения линии визиро
Вания цели г в стабилизированной системе координат и, следовательно,
Пригодные для образования команд на рулевые органы ракеты. Так как
при дифференцировании подчеркиваются высокие частоты, то во избе-
жание резкого ухудшения помехоустойчивости необходимо на выходе диф-
ференцирующего звена ставить фильтр нижних частот с возможно более
узкой полосой пропускания. Предел сужению полосы этого фильтра ста-
вится допустимым значением инерционности управления.
Таким образом, система управления, функциональная схема которой
Изображена на рис. 11.12, действительно позволяет осуществить самонаве-
дение по методу пропорционального наведения.
Основных недостатков у такой системы два. Во первых, конструктив-
ная сложность создания антенной системы (или ее части), установленной
на стабилизированной платформе и допускающей возможность новоро-
гов относительно этой платформы (при начальной установке). Во вторых,
Необходимость сравнительно широкого угла зрения бортового радиокоор-
динатора ПРР. Проявление второго недостатка иллюстрируется рис. 11.13.
На этом рисунке изображен плоский случай. Принято, что цель дви-
жется прямолинейно. Скорости v|( и vp постоянны. В момент начала само
наведения (/= 0) цель находится в точке Цо, а ракета — в точке Ро. В этот
момент вектор скорости ракеты направлен не точно в упрежденную точ-
ку А, а с некоторой начальной ошибкой упреждения
ДО = АО0. (11.37)
При этом линия цели г в процессе полета ракеты поворачивается с
угловой скоростью
— (11-38)
dt г
408
Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
ИС=—Е-ДО. (И’’»»
г
Вследствие этого ракета движется по кривой с некоторым радпу<им
кривизны
г2
Р = —•
(II Hi)
При этом, как видно из рис. 11.13, ошибка упреждения ДП непрерьш
но уменьшается, а следовательно, в соответствии с (11.39) уменьшаем и
ускорение Ир и увеличивается радиус кривизны траектории ракеты. II ш
11.3. Структура и состав аппаратуры головки самонаведения ПРР 409
которой точке Р4, соответствующей моменту времени /4, ошибка упреж-
дения делается равной нулю, ускорение IPj, также становится равным нулю,
и в дальнейшем ракета летит прямолинейно вплоть до встречи с целью в
точке А'.
Так как в течение интервала времени [0; /] ошибка упреждения умень-
шается от ДтЭ до нуля, угловая скорость о)и линии г уменьшается от вели-
чины (11.38) до нуля, как на рис. 11.13. Такому изменению производной
*/<р </(АО)
•—- = ——— соответствует изменение угла <р ориентации оси диаграммы
направленности антенны пеленгатора в связанной системе координат до
некоторого максимального значения <ртах (рис. 11.14).
Рис. 11.14. Изменение скорости вращения линии визирования и угла
ориентации оси антенны пеленгатора в процессе наведения ПРР
Таким образом, в рассмотренном случае угол О между стабилизиро-
ванной осью ха антенной системы и направлением на цель изменяется в
Процессе самонаведения от нуля до некоторого установившегося значе-
ния i3ycT = ®max- Для того чтобы при этом бортовой радиокоордипатор не
потерял цель, необходимо, чтобы его угол зрения удовлетворял условию
С < 0тах. Здесь и далее под углом зрения понимается такой угол ориента-
ции оси диаграммы направленности антенной системы, в пределах кото-
рого сохраняется достаточно надежное измерение угловых отклонений О
ОТ оси равносигнальной зоны ха.
410
Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
Как показано в [126], величина tfmax может определяться как (в и»
ших обозначениях)
(П Н)
4го
где г0 — расстояние от ракеты до цели в момент начала самонаведении
го кр — критическое, т. е, минимальное, значение этого расстояния, при
котором ракета успевает до встречи с целью уменьшить ошибку до пуп и
Величина г0 кр примерно равна
г01ф=2р0ДД (И..и,
где
Ро=77^- (1141)
"рм
Соотношение справедливо при г0> 2гОкр. Поэтому из (11.41) получи
ется, что
(1141)
Отсюда следует, что величина Отах может достигать нескольких ipn
дусов и не может считаться пренебрежимо малой. Кроме того, нужно им( <
в виду, что соотношение (11.41) получено без учета возможных маневров
цели, непостоянства отношения скоростей vu/vp, инерционности упри и
ления и других факторов. При учете всех этих факторов величина 1)(1111,
может достигать в неблагоприятных случаях (5... 10)° и даже более. При
этом потребуется слишком широкий угол зрения бортового радиокоордп
натора. Расширение же угла зрения приводит к целому ряду отриц.т1С1ш
ных последствий:
• к увеличению ширины диаграммы направленности антенной пи
темы и соответствующему уменьшению усиления антенны, а ши
чит, и к уменьшению дальности действия системы самонаведении
• к уменьшению точности пеленгования цели;
• к ухудшению пространственной избирательности, а следователы1п.
и ухудшению разрешающей способности и помехоустойчивой и
системы самонаведения.
Наиболее радикальным путем, позволяющим преодолеть эту трудно! и,
и применить достаточно узкий угол зрения £> радиокоординатора, явив
ется отказ от применения стабилизированной антенны и переход к при
менению автоследящей антенны, т. е. антенны, ось равносигнальной юны
которой в процессе самонаведения следит за целью.
11.3. Структура и состав аппаратуры головки самонаведения ПРР 411
11.3.2. Функциональная схема системы самонаведения
со следящим гироприводом
Функциональная схема системы самонаведения со следящим гироп-
риводом изображена на рис. 11.15.
Рис. 11.15. Функциональная схема системы самонаведения
со следящим гироприподом
Антенная система ГСН со следящим гироприводом устанавливается
Жестко на стабилизированной платформе. Повороты антеннм, необходи-
мые для направления оси х, ее равносигнальной зоны на цель, осуществ-
ляются путем поворотов стабилизированной платформы, а для поворотов
платформы используется явление прецессии гироскопов. Упрощенная
Схема, поясняющая принцип действия рассматриваемой системы, изоб-
ражена на рис. 11.16.
Если приложить момент Мг к внешней рамке 1 гироскопа (рис. 11.16),
то внутренняя рамка 2, а следовательно, и ось хг начнет поворачиваться
вокруг оси CD с угловой скоростью 6^, пропорциональной приложен-
ному моменту
0az=«zM,. (11.45)
Аналогично если приложить момент Му к внутренней рамке 2, то ось хг
гироскопа начнет прецессировать в плоскости, перпендикулярной оси АВ
С угловой скоростью
ёа>,=^Мг (11.46)
412
Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
Рис. 11.16. Стабилизация антенны позиционным гироскопом
Антенная система А жестко связана с внутренней рамкой гироскоп.),
и ось ха ее равносигнальной зоны все время совпадает с осью хг гироскп
па. Поэтому моменты Мг и М^, вызывают повороты оси хг= ха в плоско
стях, перпендикулярных соответственно осям CD и АВ с угловыми скоро
стями ё^иё^.
В соответствии с изложенным принципом моментные моторы (ни
нее, устройства создания момента — датчики моментов) М (рис. 11.1 > I
создающие моменты Мг и М^, вокруг двух ортогональных осей, заставии
ют стабилизированную платформу с антенной системой прецессироп.1и>
также вокруг двух перпендикулярных осей с угловыми скоростями б|1; и
6а>,, пропорциональными приложенным моментам.
Перед началом самонаведения переключатель П2 разомкнут, all,
находится в положении 1. При этом команды целеуказаний поступаю ) па
моментные моторы и заставляют платформу прецессировать до тех пор.
пока ось ?а антенной системы совпадет с направлением на цель. 11<к m
этого переключатель П, переходит в положение 2 и устанавливается при
цесс автослежения радиокоординатора за целью. Затем замыкается перс
ключатель П2 и начинается процесс самонаведения ракеты.
Следящая система, состоящая из стабилизированной платформы,
моментных моторов и усилителя, называется гироприводом: проииюдп
мые ею повороты антенной системы происходят за счет прецессии про
скопов.
Для малых отклонений углового положения равносигнального iianp.ii)
ления ха от направления линии визирования систему самонаведении *
следящим гироприводом можно приближенно считать линейной, дейс n>v
ющей в соответствии со структурной схемой рис. 11.17.
11.3. Структура и состав аппаратуры головки самонаведения ПРР 413
Рис. 11.17. Структурная схема системы самонаведения
со следящим гиронриподом
Систему, изображенную на рис. 11.17, можно характеризовать опера-
торными коэффициентами передачи A'llJI(p) и ^.„(р) соответственно,
Т. с. полагать, что
(П.47)
и
^аМ = ~^п1(р>иь1х(г), (11.48)
р
где tfra(p)=aKM(p)Ky(p); Р = ~^ КЛр) и Л'у(р) —коэффициенты пе-
редачи моментного мотора и усилителя соответственно.
Из рис. 11.17 следует, что
АО = О-0а. (11.49)
С учетом этого соотношения в соответствии со структурной схемой
рис. 11.17, а также соотношений (11.47) и (11.48) можно установить, что
(11ЭД
Если измеряемая угловая скорость постоянна, т. е.
fl(/) = £20> (11.51)
где По = const, то значения «вых(0 и $(t) в установившемся режиме (при
/-+«) могут быть найдены из (11.50), если в них положить fl (г) = £20 ир = 0.
Поэтому установившиеся значения равны
Qo
(11.52)
_________
^-^(0)^(0)’
(11.53)
414
Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
где АП1(0) и AW|(O) — значения коэффициентов передачи Кт(р)»
А'Ш) (р) при р = 0, т. е. при нулевой частоте.
Из (11.52) следует, что в установившемся режиме напряжение на ны
ходе радиокоординатора ГСН оказывается пропорциональным угловой см>
роста £20 вращения линии визирования цели г в инерциальной систем*
координат. Поэтому оно может быть использовано для образования ко
манд, управляющих рулями ракеты.
Если из-за движения ракеты и под действием различных дестабнпи
db
зирующих факторов измеряемая угловая скорость — изменяется во п|»
мени, выходное напряжение «вых (/) будет отличаться от этой угловой с ко
роста на величину динамической ошибки. Но динамические ошибки
возникают и при других способах измерения угловой скорости. Поэтому
наличие этой ошибки нельзя считать специфическим недостатком сиси
мы со следящим гироприводом.
Из формулы (11.53) следует, что ось равносигнальной зоны ха наораи
лена на цель не точно, а с ошибкой, установившееся значение которой
тем больше, чем больше измеряемая угловая скорость £20 и чем mciii.iiii
произведение коэффициентов передачи А'гп(р)А'пл(р). Для того ч гойы
иметь возможность осуществлять надежное сопровождение цели по yi но
вым координатам при достаточно малом угле зрения радиокоордина гори
необходимо, чтобы ошибка <р и, в частности, ее установившееся значгиш
<ру были малы. Для этого, как следует из (11.50), нужно правильно m.iini
рать произведение А'п1 (р)АГО1 (д) передаточных функций пеленгатора н
гиропривода и, в частности, обеспечить достаточно большое значение »ин<1
произведения при р = 0, т. е. при нулевой частоте.
11.3.3. Функциональная схема системы самонаведения
с автоследящей антенной и скоростной коррекцией
Функциональная схема системы самонаведения с автоследящей ап ген
ной и скоростной коррекцией изображена на рис. 11.18.
Антенна устанавливается на корпусе ракеты таким образом, чтобы <>< i
ха ее равносигнальной зоны могла поворачиваться в пространстве следи
щими моторами М.
Перед началом процесса самонаведения переключатель П| находи и и
в положении 1, а ключи П2 и П3 разомкнуты. При этом команды цги<
указаний устанавливают ось ха в направлении на цель, т. е. o6ecnc<niii.inii
грубое выполнение условия 0 = 0. После этого переключатель П, пс[К ни
дится в положение 2 и устанавливается режим автослежения пелснык1|ш
за угловыми координатами цели. Затем замыкаются контакты П2 и 111 и
11.3. Структура и состав аппаратуры головки самонаведения ПРР 415
Рис. 11.18. Функциональная схема системы самонаведения
со скоростной коррекцией
начинается самонаведение ракеты. При этом на вход автопилота посту-
пают напряжения ивых1 и нвых2 от гироскопического датчика угловых ско-
1юстей (скоростного гироскопа) и от пеленгатора соответственно.
Датчиками угловых скоростей служат прецессионные (скоростные)
Гироскопы, жестко связанные с антенной А (рис. 11.19).
Рис. 11.19. Скоростной гироскоп — датчик угловой скорости 0
При вращении рамки гироскопа вокруг оси у возникает момент, враща-
ющий рамку вокруг оси z так, чтобы кратчайшим путем установить ось
ротора х параллельно оси у и чтобы скорости и и й складывались. Вели
•шиа этого момента пропорциональна угловой скорости
Л/г=/0 (11.54)
inc I— момент инерции гироскопа относительно оси Z-
416
Глава 11. Высокоточное оружие против РЭС
Если уравновесить момент моментом пары сил упругости пружин
прикрепленных к рамке, то по величине упругой деформации этих пру
жин можно судить об угловой скорости вращения рамки.
При поворотах антенны они выдают напряжения
мвых1 ~ , (II 5 У)
где —------как и прежде, угловые скорости вращения антенны в ин< р
dt
циальной (гироскопической) системе координат; KR — константа.
Напряжение пвых2 при точной работе пеленгатора пропорционалмп»
ошибке сопровождения цели, т. е.
^вых2 ^пл^‘ (। 1 ’*'1
Из рис. 11.18 следует, что Ф = <ра +1^ и Ф = Фа +^- Поэтому для полук
d'Q
ния напряжения, пропорционального угловой скорости — в авто и...
dt
те производится дифференцирование напряжения нвь[х2 и последуншн•<
суммирование с напряжением ивых1, т. е. образуется сигнал
и ^вых! +
^вых2
dt
(II '/)
Если выполняется условие А'ПЛ = ХЦ, то из (11.55), (11.56) и (11.57) пн
думается
d®
« = лп .
д dt
(И '«к»
т. е. полученное в автопилоте результирующее напряжение и действитапаш
d-&
оказывается пропорциональным угловой скорости линии визиропи
ния цели в инерциальной системе координат, несмотря на наличие опппа» и
автослежения <р.
Преимуществом системы со скоростной коррекцией по сравнении»» <
всеми рассмотренными ранее является установка антенны на корну» о
ракеты, а не на стабилизированной платформе. Благодаря этому кип» i
рукция системы значительно упрощается. Однако при установке ап п и
ны на корпусе возникает весьма существенный недостаток вслед» пни
появления паразитной обратной связи через корпус ракеты.
Если под действием рулей или по каким-либо иным причинам при
изошел поворот корпуса ракеты, то в силу инерционности следящих мн
торов М произойдет поворот корпуса антенны, а значит, и оси х;| па нс
11.3. Структура и состав аппаратуры головки самонаведения ПРР 417
который угол Д. При этом, как следует из рис. 11.18, углы <ра и & получа-
ют приращения, равные по величине и обратные по знаку, т. е. примут
значения
Фа=Фа-д ифа=оа+д. (11.59)
Поэтому напряжения пвьк1 и ывых2 будут
^вых! —^д(РФа РД) И Ц|ых2 ~ Д)> (11.60)
а результирующее напряжение и окажется ранным
м = (^дРФа +рА’„1е)+(Л'лрД,1 -р^Л). (Ц.61)
Если условие Km = KR (условие компенсации ошибки автослежения <р
выполняется точно), то слагаемое за вторыми скобками в (11.61) равно
нулю, т. е. появление отклонения Д не сказывается на величине результи-
рующего выходного сигнала и и, следовательно, не вызывает никакого до-
полнительного отклонения рулей ракеты. Однако в действительности это
условие идеально точно выполняться не будет и отклонение Д вызовет из-
менение напряжения и, образуемого в автопилоте, а следовательно, и не-
которое отклонение рулей. Но отклонение рулей вызовет новый поворот
корпуса ракеты, т. е. цепь обратной связи замкнется.
Следовательно, в системе имеется паразитная обратная связь, замы-
кающаяся через корпус ракеты. Это затрудняет обеспечение устойчивос-
ти управления ракетой и понижает точность управления.
В описанных выше системах самонаведения связь чере1корпус ракеты
практически отсутствует вследствие того, что корпус ракеты развязан от-
носительно корпуса антенны стабилизированной плазформой В системе,
показанной на рис. 11.18, такая развязка может быть практически достиг-
нута лишь при достаточно точном выполнении условия компенсации
^пл = Кр-
Из приведенного ранее описания трех способов измерения угловой
скорости вращения линии визирования следует, что каждый из этих спо-
собов имеет как достоинства, так и недостатки. При небольших габари-
тах стабилизируемой части антенно-фидерной системы предпочтение
отдается антенне со следящим гироприводом, а при больших габаритах
может оказаться целесообразным применение автоследящей антенны,
установленной на корпусе ракеты.
ГЛАВА 12
РАДИОКООРДИНАТОРЫ
ПРОТИВОРАДИОЛОКАЦИОННЫХ РАКЕТ
12.1. Построение пеленгаторов пассивных
радиоголовок самонаведения
Компоновочная схема, дающая представление об общем виде и сое и
ве бортовых агрегатов современной ракеты класса «воздух — поверх
ность», специально предназначенной для поражения РЭС, представлен,!
на рис. 12.1.
Электромеханический
Антенный Аккумуляторная Неконтактный
блок ГСН батарея радиооптический
взрыватель
Боевая часть
фугасного типа
Твердотопливный
двигатель
Рис. 12.1. Компоновка противорадиолокационной ракеты
Датчики угловых координат и угловых скоростей целей, входящие и
состав радиокоординаторов головок самонаведения, реализуют равносш
нальные методы пеленгации. Вообще говоря, радиопеленгаторы Moiyr бы (<
построены на принципах последовательного и одновременного (мононм
пульсного) сравнения принимаемых сигналов.
Все современные радиотехнические ГСН используют пеленгаторы <
мгновенным равносигнальным направлением (моноимпульсные пелен
гаторы). Они по принципу действия весьма устойчивы к помехам, и злу
чаемым из точки расположения цели (пространственно совмещенной ।
целью). А пространственно разнесенные помехи такими пеленгаторами
селектируются за счет соответствующего выбора характеристик навран
ленности антенных подсистем. Поэтому именно моноимпульсные пелен
гаторы используются во всех современных ГСН ПРР. Принцип hcih>di.
зования моноимпульсных радиопеленгаторов ракетами с ГСН иллюс1рн
руется рис. 12.2.
12.1. Построение пеленгаторов пассивных радиоголовок самонаведения 419
Рис. 12.2. Радиоголовка самонаведения с моноимпульсным пеленгатором
Обобщенная структурная схема такого пеленгатора при амплитудном
и фазовом методах пеленгации представлена на рис. 12.3. Антенная под-
система пеленгатора состоит из четырех элементов — AI, АН, А1П, AIV,
взаимное расположение которых условно показано на рис. 12.3, а ориен-
тация ДНА иллюстрируется рис. 12.4, а для моноимпульсных пеленгато-
ров с амплитудной обработкой и рис. 12.4, б для фазовой обработки при
нимаемого сигнала.
Рис. 12.3. Схема моноимпульсного пеленгатора
420
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
В зависимости от положения парциальных диаграмм направленно» in
в такой схеме может быть реализована либо амплитудная, либо фазонл»
пеленгация цели. При амплитудной пеленгации фазовые центры own.
ных элементов антенны располагаются достаточно близко друг от друы.
а максимумы диаграмм их направленности смещаются относительно о» и
антенной системы (равносигнального направления) на некоторый угол н|(
(рис. 12.4, а).
Рис. 12.4. Ориентация парциальных диаграмм направленности антенн
моноимпульсного пеленгатора
При фазовой пеленгации фазовые центры отдельных элементов ан
тенной системы разнесены на расстояние d, а максимумы их диаграмм
направленности ориентированы вдоль оси антенны (рис. 12.4 б). Крохн
того, опорное напряжение, подаваемое на фазовые детекторы с выхоли
суммарного канала, отличается на л/2 от опорного напряжения в амплв
тудном пеленгаторе.
В состав антенной системы моноимпульсного пеленгатора кроме с»и>
ственно антенн AI-A1V входят четыре высокочастотные суммарно-ра ию
стные схемы. В современных антенных системах суммарно-разное пп.п
схемы образуют с антеннами единую компактную конструкцию.
На выходе суммарно-разностных устройств формируются три ВЧ сш
нала: два разностных, несущих информацию об угловом отклонении цели
от равносигнального направления РСН в плоскостях курса (иДк) и тати
жа (иДт), и суммарный (опорный) сигнал в у.
Тремя идентичными смесителями, работающими с общим гетер» щи
ном, переносятся эти сигналы на промежуточную частоту, усиливавши
соответствующими УПЧ и подаются на фазовые детекторы каналов кур» и
и тангажа. На выходах фазовых детекторов при работе пеленгатора с и»
прерывным сигналом формируются постоянные или медленно меняюнш»
ся с изменением пеленга напряжения. При импульсном сигнале на вмщг
12.1. Построение пеленгаторов пассивных радиоголовок самонаведения 421
пеленгатора фазовые детекторы будут формировать последовательности
видеоимпульсов, огибающая которых содержит всю ту же информацию
об угловых ошибках слежения за целью, что и постоянное напряжение
при непрерывном входном сигнале. Уровни напряжений на выходах фа-
зовых детекторов характеризуют угловые отклонения цели от равносиг-
нального направления в соответствующих плоскостях, а полярность оп-
ределяется направлением отклонения.
Если повернуть антенную систему пеленгатора так, чтобы напряже-
ния на выходах ФДк и ФДт были бы равны нулю, то ось антенной систе-
мы укажет направление на цель. Таким способом осуществляется опреде-
ление угловых координат цели в угломерах с механическим смещением
равносигнального направления антенны.
Нормировка выходного напряжения, т. с. устранение влияния измене-
ний интенсивности принимаемого сигнала па крутизну пеленгационной
характеристики, в схеме рис. 12.3 осуществляется с помощью АРУ при-
емника. Наряду с этим в амплитудных пеленгаторах применяется норми-
ровка с помощью логарифмических УПЧ, а в фазовых — путем использо-
вания схем ограничения уровня сигнала. При любом варианте выполнения
нормировки ее применение позволяет получит!, на выходах ФДк и ФДт
напряжения, пропорциональные отношениям и разностных и
суммарного сигналов.
В идеальном пеленгаторе, при полной идентичности амплитудно- и
фазочастотных характеристик каналов,
«A.=^£/[/’(e-e0)cos((o/+<p)-F(e+e())cos((o/-<p)],
= X7/[/’(0-0o)cos((D/ + <p) + 7:’(0 + 0())cos((r>/ ср)],
где U— амплитуда сигнала в антеннах (одинаковая для всех четырех ан-
тенн); К— коэффициент усиления, одинаковый (в идеальных условиях)
для всех каналов схемы рис. 12.3; F(0) — нормированная диаграмма направ-
ленности антенн; 60 — угловое смещение максимумов диаграммы направ-
ленности относительно равносигнального направления; со — частота
Wsin0
принимаемого сигнала; <р = -— — фазовый сдвиг сигнала в антеннах,
обусловленный смещением цели на угол 0 относительно равносигнального
, 2л
направления; к = — — модуль волнового вектора принимаемою сигнала
X
(пространственная частота); d — расстояние между фазовыми центрами
Антенн (рис. 12.4, б); ид. — может быть напряжением в любом разностном
канале — и курса, и тангажа.
422
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
При фазовой обработке направления максимумов ДНА совпадают с
равносигнальным направлением, т. е. 6 = 0, а в суммарном канале присут
ствует фазовращатель на у = л/2.
Фазовые детекторы перемножают сигналы, поданные на их входы. По
этому
«фд. = = A't/2f’(0)[cos(w/ + <р) - cos(ro/ - (р)] х
x[sin(co/ + <р) + sin (св/ - <р)2 = 4KU 2F(0)sin<pcos<pcos2 и/.
С точностью до усредняемого фильтром после фазового детектор.1
(12.2) определяет пеленгационную характеристику ГСН
иФ (6) = (мФд. )ф = [^F(0)J2 sin24> = Za sin (Ysin (12 J)
В окрестности равносигнального направления, где 0 = 0,
। ।
Me)S*aSin —0 (12.4)
\ Л J
а ее крутизна равна
</Пф(б) nd
~ZaV <I2S’
dQ е=о Z
Нетрудно показать, что малые изменения коэффициентов усилении
и фазовых набегов в суммарном и разностных каналах, как и амплитуд
ные флуктуации сигнала от цели не влияют на положение нуля пелен hi
ционной характеристики. Эти дестабилизирующие факторы способны
лишь изменять коэффициент ха в (12.4) и (12.5).
При амплитудной обработке сигнала в моноимпульсном пеленга торг
выходной сигнал каждого из угломерных каналов определяется как
, . F(e-eo)-F(6 + 0o)
«а 6) = 7--Ч---7----Ч ( 12 '>
aV ’ JF(e-eo)+F(0+eo)
Или, представляя усеченным рядом в окрестности равносигнаhi.
ного направления F(0±0O) = F(0O) + /,'(0О)0 и учитывая четность фу и*
ции F(0),
ч,(0)=*-=^0=ха0 (12/.
При этом крутизна пелегационной характеристики при сопровожу
нии цели
12.2. Антенны головок самонаведения ПРР
423
^а(б) _
dQ в=о f(0o)
(12.8)
будет зависеть от крутизны ДНА в окрестности равносигнального на-
правления.
Предельная точность оптимального пеленгатора характеризуется дис-
персией Og ошибки измерения углового рассогласования 6, которая вы-
ражается через крутизну пеленгационной характеристики и связана с ши-
риной диаграммы направленности антенны, а также с соотношением сиг-
нал/шум е в полосе приемника ГСН.
На основании (12.7) и (12.8) можно получить линеаризованные моде-
ли пеленгаторов для анализа динамических свойств контура самонаведе-
ния. Кроме того, соотношения (12.7) и (12.8) позволяют оценивать шу-
мовые ошибки пеленгования.
12.2. Антенны головок самонаведения
□ротиворадиолокационных ракет
Для универсальности ГСН антенные системы ПРР должны иметь весь-
ма высокую широкополосность, принимать сигналы любых поляризаций
и обеспечивать работу моноимпульсного пеленгатора, определяющего
угловые координаты цели и обеспечивающего сопровождение излучаю-
щей цели по направлению. Диапазон рабочих частот РЭС вообще и РЛС
В частности имеет тенденцию к расширению в сторону все большего зна-
чения несущих и все более широкой полосы сигнала. Поэтому конструкция
антенны должна обеспечивать постоянство (точнее, сохранение в допусти-
мых пределах) электрических свойств в максимально широком диапазо-
не частот.
При проектировании антенн приходится делать различие между поло-
сой частот и частотным диапазоном. Под полосой частот понимается ча-
стотный интервал, который используется РЭС и в котором сосредоточена
основная мощность излучаемого РЭС сигнала. Частотный диапазон — это
множество всех частот, на которых могут работать РЭС, назначаемые це-
лями ПРР.
В диапазоне СВЧ электрические свойства антенн даже и в широкой
полосе нетрудно поддерживать в известной мере постоянными. Иное де-
ло — обеспечивать работу в расширенном диапазоне частот. При этом
иногда требуется получить отношение граничных частот диапазона от 1:10
и вплоть до 1:20. В пределах этого диапазона электрические свойства ан-
тенны, т. е. характеристики направленности, усиление и согласование
424 Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
с линией отвода сигнала, должны или оставаться постоянными, или и <
меняться в допустимых пределах.
Последующее изложение относится к антеннам, по принципу св<>< и
конструкции имеющим возможность работать в широком диапазоне час
тот. При этом важную роль играют те формы антенн, которые могут 6i.hi.
получены из идеальных частотно-независимых структур и у которых ы <
электрические свойства в рабочем диапазоне приблизительно постоянны
В случае направленных антенн СВЧ, например зеркальных, сущесгш
ют две основные возможности для обеспечения широкополосности. Мол
но потребовать, во-первых, постоянства характеристики направленное!и
и усиления антенны в рассматриваемом частотном диапазоне и, во и к.
рых, постоянства действующей поверхности антенны, т. е. усиления, in»«
растающего с частотой по квадратичному закону. Для зеркальной антепнм
второе требование хорошо выполняется и эффективная поверхносн. •>
примерно равна геометрической. Но при этом для коэффициента напраь
ленного действия антенны справедливо соотношение
Иначе говоря, требования постоянства усиления и постоянства харлк
теристики направленности зеркальной антенны не могут быть выполи!
ны независимо. Для выполнения этих требований освещаемая облас i 1.
зеркала должна быть пропорциональна квадрату длины волны при coxp.i
нении амплитудно-фазового распределения поля на поверхности ан ген
ны. Это условие приближенно выполняется, если первичный излучатель
удовлетворяет первому названному требованию, т. е. если его эффсктни
ная поверхность постоянна, так как в этом случае поперечное сенсинг
основного лепестка первичного излучения пропорционально квадрату
длины волны. При реализации широкополосных антенн должны бын
выполнены, кроме того, другие требования, в частности относительно
уровня боковых лепестков излучения.
12.2.1. Принципы конструирования широкополосных антенн
Теоретически можно найти и указать антенные структуры, электрн
ческие свойства которых не зависят от частоты. Эти структуры могут бы 11
сконструированы на основе следующих простых рассуждений.
Если металлическая конструкция, состоящая из двух отдельных ч.и
тей, используется в качестве антенны, то характеристика направленно! ш
такой конструкции и согласования с линией отвода сигнала завися! «н
геометрической формы конструкции и от отношения ее линейных pa imi
12.2. Антенны головок самонаведения ПРР 425
ров к длине волны. Если размеры антенны увеличиваются или уменьша-
ются пропорционально длине волны, то ее электрические свойства не
меняются. Если же абсолютные размеры антенны несравнимы с длиной
волны, то очевидно, что ее свойства не будут зависеть от частоты — ан-
тенна станет частотно-независимой.
Подобная конструкция, осуществимая, строго говоря, лишь теорети-
чески, должна обладать следующими свойствами:
1) конструкция должна иметь бесконечные размеры, в противном
случае она будет обладать резонансными свойствами и эти свойства опре-
делятся максимальным размером;
2) точки, от которых отводится энергия, должны бесконечно близко
прилегать одна к другой; в противном случае появился бы минимальный
размер, который опять определил бы резонансные свойства всей системы;
3) конструкция должна определяться только заданием углов; уместно
отметить, что это свойство включает в себя оба предыдущих.
Можно указать довольно много структур, удовлетворяющих сформу-
лированным требованиям. Но для практической реализации особенно
важны поверхностные и прежде всего плоские антенные системы.
Применительно к плоским антеннам класс кривых, ограничивающих
бесконечные структуры и определяемых только угловыми размерами,
может быть выделен следующим образом. Введя полярную систему коор-
динат р, <р, а также потребовав, чтобы ограничивающая форму плоской
антенны кривая р(ф) переходила бы сама в себя при изменении масшта-
ба по р и отличалась от первоначальной лишь поворотом на некоторый
угол Ф = у, можно получить уравнение кривой в виде (42]
£р(<р) = р(<р+у), (12.10)
где к— коэффициент изменения масштаба; у— угол поворота всей перво-
начальной кривой, соответствующий такому изменению масштаба. Понят-
но, что угол у должен зависеть от к, однако ни к, ни у не должны зависеть
от р и ф. Это приводит к следующим условиям:
( )ДДМФУ);
^'dy dy
/с^р(ф) /р(ф + у)
<7<р dtp
причем, кроме того, должно выполняться равенство
</р(ф+у) </р(<р+у) Ф(ф+у)
dy J(<p + y) dtp
(12.11)
426 Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
Из (12.11) с учетом (12.12) следует дифференциальное уравнение дли
функции р(ф)
, ,dk , <7р(ф) Ф(ф)
р(ф)~ = к V 7 или = ар, (12.1 Н
dy dtp dtp
1 dk
где а =----является некоторой новой постоянной.
к dy
Решение уравнения (12.13) представляет собой логарифмическую
спираль
р(ф) = Яехр{д(ф + ф0)}. (12.14)
В (12.14) А и ф0 — постоянные величины, определяющие масштаб по
координате р и первоначальный угол поворота витка. Параметр а ранец
котангенсу угла 0 между радиусом р и касательной к спирали.
Таким образом, форма плоских частотно-независимых бесконечных
антенн должна быть ограничена логарифмическими спиралями, имеющн
ми одинаковую величину параметра а. Последнее необходимо для отсуз
ствия перекрытия отдельных частей антенны в начале координат, где
должен осуществляться отвод энергии. Пример бесконечной эквиуглоиоП
структуры, образованной парой спиральных плеч, показан на рис. 12.5
Рис. 12.5. Принцип построения равноугольной
широкополосной спиральной антенны
Максимумы диаграммы направленности таких антенн ориентиронн
ны перпендикулярно к плоскости спиралей в обоих направлениях и при
идеальных условиях ДНА обладают круговой поляризацией. На рис. 1) G
показаны типичные ДНА в главных плоскостях [42].
Спиральная антенна считается частотно-независимой в том смысле,
что от частоты принимаемого сигнала не зависит форма, но не ширипи
12.2. Антенны головок самонаведения ПРР
427
Рис. 12.6. Типичные диаграммы направленности
логарифмической спиральной антенны
диаграммы ее направленности. Так, расчеты показывают, что при изме-
нении частоты принимаемого сигнала от 1 до 12 ГГц ширина диаграммы
направленности изменяется с 110° до 60°. При изменении частоты проис-
ходит также поворот диаграммы направленности вокруг оси антенной
системы.
Аналогичный анализ по выделению класса частотно-независимых
бесконечных структур может быть проведен и в трехмерном пространстве
в сферических координатах R, 6, <р, исходя из условия
¥(<М) = Ж,<р'), (12-15)
где /($, <р) —первоначальная форма антенны; /($', <р') соответствует та-
кому повороту антенны в пространстве, который эквивалентен измене-
нию размеров в к раз. Условию удовлетворяет решение вида
R($, <р) = ехр{д((р + <р0)}/:'(^)1 (12.16)
где представляет собой любую функцию, а ось изменения масштаба
совпадает с осью R сферической системы координат.
Уравнение (12.16) выделяет целый класс пространственных эквиуг-
ловых спиралей, которые могут ограничивать форму частотно-независи-
мых антенн.
На рис. 12.7 приведен пример пространственной системы. Эта ко-
ническая структура обладает хорошими электрическими и конструктивны-
ми свойствами. Если плоскую систему спроектировать на конус, то по-
лучится аналогичная конструкция с симметричным питанием. Как пра-
вило, коаксиальный кабель подводится к точке питания в вершине конуса
вдоль ветви, а для сохранения симметрии соответствующий кабель про-
кладывается и по другой ветви. Питание осуществляется так же, как и в
случае плоской системы. Максимум приема ориентирован в направле-
нии вершины конуса. Такая антенна, так же как и плоская, обладает
круговой поляризацией.
428
Глава ]2. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
Направление излучения
Рис. 12.7. Пространст-
венная логарифмичес-
кая спиральная антенна
Частотно-независимые свойства спиральных
антенн можно качественно объяснить, если пре и
положить, что при средней длине спирали, ран
ной приблизительно длине волны, появлясп н
резонансный эффект, который обуславливает иы
сокий уровень принимаемого сигнала. Опыт по
казал, что в случае наиболее употребительных
форм антенн диаграмма направленности в этом
смысле практически определяется лишь приемом
сигнала в области первого резонанса. С помощьи >
системы, состоящей более чем из двух ветвен ।
соответствующим питанием, можно получить ко
нический лепесток диаграммы направленное! и,
причем прием в осевом направлении будет отсу i
ствовать.
Кроме логарифмической спиральной анте и
ны, исследовались другие типы спиральных ап
тени, которые обладают подобными же свойс 111.1
ми. Например, антенна в виде спирали Архимеда, границы которой дин
плоского случая определяются уравнениями вида
r = aq + b. (12.17)
Несмотря на то что при конечных размерах такой антенны не можс i
быть и речи о частотно-независимой структуре в прямом смысле эпи о
слова, на практике она обладает довольно хорошими широкополосными
свойствами, которые сравнимы со свойствами логарифмической спирал),
ной антенны. В частности, при правильном выборе размеров внешний
диаметр в этом случае также приблизительно равен половине максимал).
ной длины волны рабочего диапазона.
Замечательной особенностью как плоских, так и пространственных
эквиугловых спиральных структур является своеобразная автоматически)
«отсечка» излучающих токов. Это явление состоит в том, что амплитуды
токов, возникающих в плечах спирали и создающих колебание в цент)»*
структуры, резко уменьшаются (в 100 раз и более) после прохождения пи в
витка спирали, периметр которого примерно равен длине волны. Остию
щаяся невозбужденной внешняя часть структуры может быть обрезана, и
это почти не сказывается на характеристике диаграммы направленное i и
и входном импедансе остающейся части. Явление отсечки токов вперт.)!*
было обнаружено экспериментально и впоследствии подтверждено с но
мощью электродинамических расчетов.
12.2. Антенны головок самонаведения ПРР 429
Благодаря отсечке токов в формировании ДНА эквиугловой спираль-
ной структуры конечных размеров участвует только центральная часть с
диаметром, примерно равным одной трети длины волны (так называемая
активная область). При изменении частоты электрические размеры актив-
ной области остаются постоянными, и в результате возможно создание
антенн с достаточно постоянным входным импедансом и почти неизмен
ной характеристикой направленности в двадцатикратном и даже большем
диапазоне частот. Нижняя граница рабочего диапазона определяется из
условия равенства длины волны периметру последнего витка структуры.
Верхняя граница рабочего диапазона определяется соизмеримостью с дли-
ной волны области возбуждения антенны, где геометрия спиральных линий
оказывается нарушенной из-за наличия соединения с фидерной линией.
При создании плоских спиральных эквиугловых структур, а также в
ряде других случаев определенное значение имеет также еще одно обстоя-
тельство, связанное с принципом двойственности. Дело в том, что плоская
Структура, определяемая угловыми размерами, может одновременно трак-
товаться и как электрическая (вибраторная), и как магнитная (щелевая)
излучающая система. Обозначив абсолютный входной импеданс структу-
ры через Z], можно отметить, что согласно принципу двойственности при
взаимной замене металлической и щелевой частей структуры ее импеданс
изменяется и принимает величину Z2, определяемую, согласно [101], со-
отношением
Ж2 (60л)2
Z2=^=4t- (1218)
При совпадении форм электрической и дополни тельной магнитной
частей структуры имеет место равенство Z, = Z2 и входной импеданс струк-
туры оказывается равным
Z1=Z2=60nOM (12.19)
на любой частоте.
Таким образом, в случае реальных антенн с повышенной полосой про-
пускания добавляются другие факторы, которые при известных обстоятель-
ствах могут иметь большее значение, чем основные теоретические принци-
пы. Можно было бы думать, что отклонения от положенных в основу
идеальных принципов, неизбежные при реализации, влекут за собой такие
радикальные изменения в частотной характеристике, которые исключают
возможность получения полосы пропускания, превышающей полосу про-
пускания обычных антенн. Но это не совсем так. Тем не менее оказалось,
ЧТО во многих случаях практически можно лучше достигнуть цели, если
С самого начала учесть эффекты, обусловленные конечными размерами.
430
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
12.2.2 . Антенные системы противорадиолокационных ракет
Антенные системы ПРР должны обеспечивать работу моноимпульс
ного пеленгатора. Поэтому антенный блок должен состоять как минимум
из четырех антенн. Кроме того, антенная система должна работать в дну*
режимах. В режиме поиска и обнаружения для антенной системы пред
почтительна широкая диаграмма направленности, перекрывающая нс к >
область неопределенности углового положения излучающей цели. В пре
деле — область, совпадающую со всей передней полусферой ПРР. В ре-
жиме сопровождения по углам диаграмма направленности бортовой ;ш
тенны ПРР должна быть узкой. Чем уже, тем точнее пеленг. Но сужение
диаграммы направленности сужает и область слежения за целью. Кроме
того, на выбор ширины и формы диаграммы направленности оказываю!
влияние чисто технические ограничения: размеры антенн, лимитируемые
размерами корпуса ракеты, а также длина волны, которая выбирается не
произвольно, а определяется рабочим диапазоном радиоэлектронного с|м-д
ства (РЛС), являющегося целью ПРР. Отсюда очевидно наличие некоею
оптимума ширины диаграммы направленности.
Специфика применения антенн в комплексе управления наведением
ПРР требует также, чтобы антенный блок был подвижным, следящим еее
меняющимся в процессе полета направлением на цель и позволяющим
Равносигнальное
направление
Рис. 12.8. Антенная система
ПРР на основе плоских
логарифмических спиралей
определять угловую скорость вращения линии
визирования. Знание угловой скорости п<
ремещения линии визирования необходимо
для реализации метода параллельного сбив
жения ракеты (или метода пропорциональной
навигации, что практически более актуально»
Большинство решений в технике антенн
современных ПРР имеют в своей основе л<и я
рифмические спиральные конструкции, и но
ские и пространственные. Примерный и и л
антенного блока на основе плоских широг о
полосных спиральных антенн приведен нп
рис. 12.8.
Спиральные антенны на верхнем оспин»
нии усеченного конуса используются в ре ж и
ме слежения за целью. На работу с антеппи
ми, расположенными по боковым поигри
ностям, головка переключается при по к-pt
сигнала от цели и переходе в режим пош хи
12.3. Обтекатели антенн радиоголовок самонаведения
431
Конструкция антенного блока ПРР на основе объемных логарифми-
ческих спиралей иллюстрируется чертежом рис. 12.9.
12.3. Обтекатели антенн радиоголовок самонаведения
Равносигн альное
направление
Г иростабилизированная
платформа
12.3.1. Условия работы антенных обтекателей
противорадиолокационных ракет
Назначение обтекателей — защита антенн радиоГСН от воздействий
внешней среды. К радиопрозрачным обтекателям предъявляется очень
сложный комплекс противоречивых требований — электродинамических,
аэродинамических, конструктивных и тех-
нологических [42, 77]. Сверхзвуковые ско-
рости полета современных ПРР определя-
ют многие особенности работы обтекателей
и диктуют требования к их свойствам.
1. Аэродинамический нагрев внешней
поверхности стенок обтекателя предопре-
деляет применение термостойких конст-
рукционных материалов и требует исполь-
зования только гладких внешних поверхно-
стей. С увеличением скорости температура
растет: на вершине носового обтекателя со-
временного самолета температура может
достигать 1400...1500°С. При резком изме-
нении температуры пограничного слоя бо-
льшой градиент температуры внутри стен-
ки может привести к разрушению обтека-
теля. Поэтому для обтекателей приходится
Применять жаростойкие материалы с элект-
рическими параметрами, стабильными в
широком температурном диапазоне.
2. При больших скоростях полета сквозь
полосу осадков за счет ударов капель дож-
дя, частиц снега и града происходит эрозия
Поверхности обтекателя. Поэтому материал обтекателя должен обладать
высокой износоустойчивостью. Поскольку ПРР обычно подвешиваются
под крыльями, они подвержены воздействию пыли и ударам мелких кам-
ней при взлете самолета-носителя. Поэтому обтекатели должны иметь вы-
сокую ударопрочность. Вершина обтекателя значительно больше подверже-
Рис. 12.9. Моноимпулъсный
пеленгатор с коническими
спиральными антеннами
432 Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
на эрозии, чем боковые поверхности, и поэтому должна защищаться в пер
вую очередь специальным покрытием, металлическим наконечником п
п. Но такая конструкция приводит к неоднородности электрических
свойств конструкции обтекателя.
3. Поверхность обтекателя даже при сравнительно небольших скоро
стях полета электризуется вследствие трения, и этот эффект может при
вести к импульсным разрядам и образованию короны. Для отвода заряди
от диэлектрика на металлический корпус необходимо использовать специ
альные меры и конструктивные приемы, которые тем не менее не должны
заметно ухудшать радиопрозрачность обтекателей.
4. Для реализации методов параллельного сближения или пропор
циональной навигации антенны ПРР должны иметь управляемые (скани
рующие) диаграммы направленности. Угол падения ЭМВ на стенку об и
кателя в процессе работы антенны изменяется. И это не должно приводи и
к изменению формы диаграммы. Кроме амплитудных и фазовых искажс
ний падающей волны при прохождении ее через стенки обтекателя ши
никают искажения диаграмм направленности за счет возбуждения вторпч
ных волн на участках с резким нарушением регулярности его поверхности
Более того, искажения фронта волны, проходящей через обтекатель, с in
новятся причиной появления угловых Ошибок в определении пеленга цели
Ошибки пеленга — угловые ошибки Дф появляются вследствие смепь
ния равносигнального направления (все современные радиоголовки само
наведения используют моноимпульсные методы пеленгования источником
излучения) и отрицательно сказываются на характеристиках всего коп гура
самонаведения. Величина угловой ошибки зависит от формы и материала
обтекателя, а также, что еще более существенно, от частоты принимаемо
го сигнала и от самого пеленга ф. Поэтому при использовании обтскан
лей в ГСН важно учитывать градиент угловой ошибки — скорое ii.
dtp
изменения Дф при изменении положения антенны под обтекателем.
5. Антенны современных ПРР, закрытые обтекателями, должны рп
ботать в широкой полосе частот или на нескольких разнесенных чагш
тах. Поэтому обтекатели должны обеспечивать в широком рабочем дп i
пазоне частот хорошее согласование внутреннего и внешнего пространс i пи
(уменьшение искажения амплитудного и фазового распределения ikhiii)
при прохождении электромагнитной энергии через его стенку под рачлнч
ными углами падения.
Форма обтекателя ЛА определяется почти исключительно требопапн
ями минимального аэродинамического сопротивления.
12.3. Обтекатели антенн радиоголовок самонаведения
433
Скорости, с которыми движутся современные противорадиолокацион-
ные ракеты, заставляют использовать обтекатели соответствующих аэро-
динамических форм. Но хорошие с точки зрения аэродинамики формы
обтекателей обуславливают, как правило, невыгодные условия для рас-
пространения сквозь них ЭМП, создаваемых источниками радиоизлуче-
ния. Возникающие при этом искажения волнового фронта и, следователь-
но, диаграммы направленности — причина появления угловых ошибок.
Характер и степень этих искажений определяются формой обтекателя, ра-
диотехническими параметрами его стенок, характером ДНА, конструктив-
ными особенностями устройства антенны и ее размещением относительно
радиопрозрачной части обтекателя.
При моноимпульсной пеленгации искажения характеристик угловых
ошибок происходят главным образом за счет изменения пространствен-
ной ориентации и уровня одного из лепестков сканирующей диаграммы
по сравнению с другим лепестком или же за счет искажения формы этих
лепестков, образующих мгновенное равносигналыюс направление.
В основном для ПРР используются обтекатели оживальной формы
(рис. 12.10).
Рис. 12.10. Оживальная форма носовой части ракеты
(радиопрозрачного обтекателя)
Такая форма обтекателя может быть представлена телом вращения
кривой степенной функции
у = кхп (12.20)
вокруг строительной оси ракеты х. При п = 0,5 — это параболоид, при
п = 1 — конус. Величина п = 0,6...0,75 соответствует формам с наименьшим
аэродинамическим сопротивлением на сверхзвуковых скоростях.
Но оживальные формы оказываются не самыми лучшими с точки зре-
ния ошибок пеленга, вносимых обтекателем. Так, крутизна угловой ошиб-
434
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
ки (ее градиент) при оживальной форме обтекателя зависит от его удлинг
ния и от длины волны. На рис. 12.11 приведена зависимость крутизны утло
вой ошибки от удлинения обтекателя оживальной формы [77] (рис. 12. К>>
Рис. 12.11. Зависимость крутизны угловой
ошибки от формы обтекателя
При удлинении соответствующем полусферической форме об
текателя, крутизна угловой ошибки равна нулю. С увеличением удлине-
ния крутизна ошибок растет. Приведенная кривая соответствует ожидае-
мой крутизне угловых ошибок на одной частоте. При работе в полосе чаш i > i
крутизна зависимости рис. 12.11 меняется, монотонно возрастая с увели
¥
чением относительной широкополосное™ -у-.
Материал обтекателя должен удовлетворять сложному комплексу пе-
речисленных выше требований. В наибольшей степени им отвечают сте
клокристаллические материалы. Они весьма однородны и дают меньший
разброс параметров. Керамические материалы (ситаллы) использую к и
для малогабаритных обтекателей ЛА. Диэлектрическая постоянная л и ч
материалов — гг= 5,5... 9,3, а активные потери весьма малы — tg8 < 10 1
Обтекатели из ситалла и подобной керамики могут успешно примени и.
ся при сверхвысоких скоростях и работать в условиях жесткого термоуда
ра (с темпом нагрева до 250...300 °C в секунду). Эти свойства позволяю!
делать достаточно прочные обтекатели с тонкими стенками. Из-за малой
толщины стенок они мало искажают характеристики антенны.
Стенки обтекателей имеют довольно сложный профиль, который он
ределяется главным образом исходя из требований к радиокоординатору
ГСН. Выбором соответствующей конструкции и материала стенок осунь-
ствляется достижение необходимой радиопрозрачности, а также допусти
мого градиента угловой ошибки обтекателя в заданном диапазоне волн и
секторе углов возможной ориентации антенн.
12.3. Обтекатели антенн радиоголовок самонаведения 435
Влияние обтекателя на диаграмму направленности антенны характе-
ризуется коэффициентом прохождения Т(в) ЭМВ через стенки.
Коэффициент прохождения является функцией угла падения волны
на поверхность обтекателя и может быть выражен через коэффициент
отражения Г(б). Если пренебречь потерями в стенках,
|г(е)|2 = 1-|г(е)|2.
В общем случае при наличии в обтекателях участков с малыми ради-
усами кривизны (соизмеримыми с длиной волны) определение комплек-
сных коэффициентов /’(б) и Г(в) оказывается весьма сложной задачей.
Один из наиболее распространенных методов ее решения сводится к пред-
ставлению стенки обтекателя в виде эквивалентной ступенчатой линии,
состоящей из отрезков с разными волновыми сопротивлениями и геомет-
рическими длинами. Геометрическая длина каждой ступени равна толщине
одного слоя при многослойном профиле стенки обтекателя, а волновое
сопротивление эквивалентного отрезка линии равно волновому сопротив-
лению соответствующей среды и, как известно, зависит от поляризации
падающей волны и угла ее падения.
На практике допустимое значение коэффициента прохождения должно
приблизительно удовлетворять условию |'Г(0)| >0,75.
Зная коэффициент прохождения ЭМВ через стенки обтекателя, сече-
ние диаграммы направленности антенны в окрестности максимума с уче-
том влияния обтекателя можно определить в соответствии с соотношени-
ем [42] (
/(0)= j Ei|7’(e,r)|exp{/Aysin6}exp{/4/(0,j’)}jy, (12.21)
-1
где Es — амплитудное распределение поля на раскрыве антенны без обте-
кателя; T(Q, _у) — коэффициент прохождения, зависящий от угла 0 и те-
кущей координаты у раскрыва антенны, отсчитываемой от его середины;
v(e, j) — набег фазы волны, прошедшей через обтекатель, зависящий
от тех же переменных.
При отсутствии отклонения луча антенны (0 = 0) смещения максиму-
ма диаграммы направленности не наблюдается.
Большой практический интерес представляет расчет конструкции сте-
нок и выбор материала по заданным амплитудно-фазовым характеристи-
кам обтекателей, т. е. решение задачи синтеза обтекателя. Следует разли-
чать параметрический и структурный синтез.
Параметрический синтез предполагает определение параметров каж-
дого слоя многослойной конструкции обтекателя, если предварительно
436
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
выбрана структура стенки. Структурный синтез решает более общую зада
чу — построение оптимального обтекателя с расчетом конструкции стг
нок и их параметров. Благодаря электродинамической эквивалентное t и
диэлектрических слоистых стенок со ступенчатыми линиями передачи при
решении задач их синтеза пригодны хорошо разработанные методы спи
теза СВЧ-ступенчатых переходов и фильтров.
По аналогии с фильтрами можно рассчитывать стенки с функциями
рабочего затухания чебышевского или максимально плоского типа в ра
бочей полосе частот. Функция рабочего затухания, введенная по анало! пи
с фильтрами, равна обратной величине квадрата модуля коэффициент
1 .. г -
прохождения-----. В методе синтеза обтекателей, заимствованном из гео
И
рии фильтров, в качестве критерия оптимизации используется минимп
зация модуля коэффициента отражения в рабочей полосе частот с уче том
различных углов падения волны на стенки обтекателя.
В качестве критериев оптимизации могут выбираться минимум иски
жений амплитудно-фазового распределения проходящей волны в рабочей
полосе частот и требуемом секторе сканирования, минимальные откло
нения равносигнальной
угловой ошибки
Э(Д<р)
Этр
зоны, минимальное значение модуля градиент
ЭМП — векторное, и поэтому радиотехнические параметры обтеки
телей существенно зависят от поляризационных характеристик ангепп и
падающей волны. Для одних и тех же обтекателей и антенн характеристик и
угловой ошибки Дф = fy (tp) и коэффициента прохождения |Т|2 = («р)
при перпендикулярной и параллельной ориентации вектора поляризации
(вектора Е) относительно плоскости пеленга цели различны. Эти ха рак
теристики изменяются также и при переходе к круговой или наклонно!)
поляризации относительно плоскости пеленга. Поэтому при проект!ipn
вании и оценке качества обтекателей принимается во внимание харакп р
поляризационных характеристик антенны и поля.
При создании остроконечных обтекателей с малыми угловыми onnii»
ками их коэффициент прохождения в большинстве случаев не являек я
определяющим параметром и им в разумных пределах можно пожертно
вать за счет улучшения характеристик угловых ошибок. Вероятно, предел!,
ным значением коэффициента прохождения для современных обтекав
лей с удлинением 2,5...3,0, с которым еще можно мириться, являен и
0,7...0,8 [77]. При этом удается получить возможно более равномерную
зависимость коэффициента прохождения обтекателей от угла пелены
12.3. Обтекатели антенн радиоголовок самонаведения 437
Действительно, изменение коэффициента прохождения через обтека-
тель в зависимости от углов отклонения оси антенны ха от направления
строительной оси ракеты х- (рис. 11.15 и рис. 11.18) приводит к искажени-
ям основного лепестка ДНА, что, в свою очередь, является причиной
смещения ее максимума и (или) равносигнального направления. Прибли-
женная зависимость между крутизной характеристики коэффициента
R Э1Л2
прохождения обтекателя 1 1 , пространственным смещением лучей диа-
Эф
граммы 2у при моноимпульсном пеленговании с амплитудной обработ-
кой и величиной соответствующей угловой ошибки Д<р определяется со-
отношением [77]
Э|712
Дф^2у—L-L, град. (12.22)
Эф
э|т|2
Например, при крутизне характеристики - — = 0,02 градус-1 и 2у=4°
Эф
величина угловой ошибки Д<р составляет примерно 5 угловых минут, что
для большинства используемых систем является существенной величиной,
которую необходимо учитывать. Приведенный пример, соответствующий
реальной ситуации, подтверждает необходимость тщательного радиотех-
нического расчета при проектировании обтекателей с уменьшенными
угловыми ошибками [77].
Получение угловых ошибок, соответствующих идеальным обтекателям
и определяемых зависимостью, показанной на рис. 12.11, еще не означает
удовлетворение требованиям к эффективности антенной системы ПРР.
В большинстве случаев для получения допустимого уровня угловых оши-
бок и их градиента необходимы специальные меры.
Для достижения минимально возможных угловых ошибок обтекатели
должны иметь радиопрозрачные диэлектрические стенки с минимальны-
ми фазовыми искажениями фронта проходящей волны в широком секто-
ре углов падения и обладать вместе с тем высоким коэффициентом про-
хождения (т. е. полуволновые стенки и стенки с реактивными решетками).
При этом для полуволновых конструкций стенок важно правильно вы-
брать величину диэлектрической проницаемости материала е, позволяю-
щую получить оптимальные фазовые и амплитудные характеристики про-
шедшей ЭМВ в заданном секторе углов падения. Зависимости фтах- Vmin~
к/(е) для углов падения (0...85)0 при двух видах поляризации падающей
волны (параллельной и перпендикулярной относительно плоскости паде-
ния) приведены на рис. 12.12. Эти зависимости показывают, что макси-
438 Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
мальные фазовые искажения имеют место при е = 1,4—1,8. При увеличе-
нии е эти искажения уменьшаются.
Рис. 12.12. Фазовые искажения за счет полуволновой диэлектрической стенки
в зависимости от диэлектрической проницаемости материала:----
перпендикулярная поляризация; —-----параллельная поляризация
Таким образом, лучшие результаты получаются при использова!....
материалов с достаточно большими значениями е. Однако чрезмерное
увеличение диэлектрической проницаемости нецелесообразно, так как
такие обтекатели оказываются слишком чувствительными к производствен
ным допускам и небольшое отклонение толщины их стенок от заданной
резко меняет радиотехнические параметры. Наиболее желательным явли
ется е порядка 8... 10.
При выборе типа материала для обтекателей с малыми угловыми
ошибками отдают предпочтение однородным материалам, которые обив
дают малой дисперсией диэлектрической проницаемости и позволяю!
производить точную обработку готовых изделий. Такими материалами
являются керамика и стеклокристаллические материалы.
Необходимо отметить, что векторный характер электромагнит! ин о
поля обусловливает появление еще одного вида угловых отклонений дп
аграммы направленности (угловых ошибок), а именно угловых отклоне-
ний в плоскости, перпендикулярной плоскости пеленга, даже при полной
геометрической симметрии системы антенна — обтекатель в этой пл<><
кости. Эти ошибки, получившие название «кросс-ошибки», являются след
ствием различных поляризационных искажений фронта прошедшей вон
ны в областях пространства, лежащих снизу и сверху плоскости пелен in,
и возникающих в связи с этим фазовых искажений.
Анализ показывает [77], что величина кросс-ошибок для остроконсч
ных обтекателей оказывается иногда соизмеримой с угловыми ошибками
в плоскости пеленга, доходя до 0,1...0,3 их величины. Поэтому для умеш.
12.3. Обтекатели антенн радиоголовок самонаведения
439
шения величины кросс-ошибок (уменьшения поляризационных искаже-
ний) необходимо выбирать такие толщины и профили радиопрозрачных
стенок обтекателей, которые обеспечивают близкие по модулю и фазе
коэффициенты прохождения для обеих составляющих падающего поля
(поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения) в
каждой точке поверхности обтекателя. Величина кросс-ошибок зависит
от качества изготовления обтекателей (от допусков), от величины диэлек-
трической проницаемости материала, т. е. от всех тех факторов, которые
влияют также и на угловые ошибки в плоскости пеленга. Поэтому умень-
шение угловых ошибок пеленга сопровождается уменьшением кросс-оши-
бок. Справедлива и обратная закономерность: уменьшение поляризаци-
онных искажений прошедшего поля, т. е. уменьшение кросс-ошибок,
приводит к уменьшению угловых ошибок пеленга.
12.3.2. Оптимизация остроконечных обтекателей
противорадиолокационных ракет по
коэффициенту прохождения
Получение максимального коэффициента прохождения обтекателя, не
зависящего от углов поворота антенны, при наименьших угловых ошиб-
ках — задача весьма сложная. Для выбранных конструкций радиопрозрач-
ных стенок, отвечающих требованиям минимальных фазовых искажений,
коэффициент прохождения обтекателей при заданной их форме всегда
может быть оптимизирован за счет специального профилирования стенок
(для остроконечных обтекателей — вдоль образующей рис. 12.13) [77].
Рис. 12.13. К определению оптимального (по коэффициенту
прохождения) профиля сечения стенок обтекателя
Наибольший коэффициент прохождения обтекатель будет иметь в том
случае, когда для каждой точки его профиля при каждом положении антен-
ны будет реализован максимальный коэффициент прохождения стенок.
440 Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
Но тогда профиль сечения радиопрозрачных стенок такого обтекателя
должен быть переменным.
Применяя лучевую аппроксимацию ЭМВ, принимаемой антенной, для
заданной формы обтекателя рис. 12.13, можно найти профиль перемен
кого по толщине сечения стенок, удовлетворяющий условию максимум.!
коэффициента прохождения и минимуму угловой ошибки. Результат тако
го подхода к оптимизации параметров обтекателя иллюстрируется графи
ками рис. 12.14 [77].
Рис. 12.14. Радиотехнические параметры полуволнового обтекателя с
равномерной и профилированной по толщине стенками: а — угловые
ошибки; б—коэффициент прохождения;---------равномерная стенка;
—-------профилированная стенка
Рассмотренный путь дает возможность определять требуемый проф uni.
стенок обтекателей не только в какой-либо плоскости его сечения, по и
по всей поверхности.
12.3.3. Компенсация угловых ошибок
Угловые ошибки являются следствием деформации обтекателем фрои
та проходящей через него волны. Уменьшают угловые ошибки с noMOnu.ui
профилирования стенок, а также специальных элементов, помещаемы*
внутри обтекателя, непосредственно перед антенной.
Полагая, что угловые ошибки связаны только с нечетными искажепп
ями фронта прошедшей волны, по имеющемуся закону распределения пт
ошибок в зависимости от угла сканирования антенны можно построшь
приближенный профиль эквивалентной линзы, а затем профиль комш п
сирующего элемента, сводящего угловую ошибку к минимуму (рис. 12.1М
Скомпенсировать угловые ошибки можно, применив специальную
диэлектрическую вставку, как на рис. 12.16.
Другой путь связан с использованием поляризованных компенсацпоп
ных устройств, в которых в качестве основного элемента приме)пион и
12.3. Обтекатели антенн радиоголовок самонаведения
441
одномерные реактивные решетки индуктивного или емкостного типов.
В первом случае решетка должна состоять из параллельных проволок, во
втором — из параллельных рядов проволочных вибраторов. При располо-
жении элементов решеток (проволок или вибраторов), например, вдоль
образующих остроконечного обтекателя дополнительный сдвиг фаз приоб-
ретает составляющая поля, поляризованная параллельно плоскости пеленга
цели; при расположении их по кольцам, параллельным основанию, — со-
ставляющая, поляризованная перпендикулярно плоскости пеленга. Раз-
мещение одновременно двух поляризованных решеток позволяет менять
фазовые характеристики прошедшей волны в двух взаимно перпендику-
лярных плоскостях одновременно.
Рис. 12.15. Компенсация угловых ошибок специальным профилированием
сечения стенок; а — компенсирующий профиль; б — скомпенсированные
угловые ошибки
Рис. 12.16. Компенсация угловых ошибок применением диэлектричес-
кой вставки: а — до компенсации; б — после компенсации
Элементы компенсации с поляризованными решетками могут быть
выполнены в виде колец (или части колец), дисков, диафрагм и т. п. эле-
ментов. Решетки могут также наноситься непосредственно на поверхность
стенок обтекателей.
442
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
12.3.4. Обтекатели на совмещенные волны инфракрасного
и радиодиапазонов
Один из самых старых и традиционных способов защиты от ПРР, не
потерявших актуальность и поныне, — выключение СВЧ-излучения при
обнаружении ракетной атаки. Именно так защищали от ПРР «Shrike»
стрельбовые локаторы ЗРК С-75 во Вьетнаме. Но если атакуется РЛС,
имеющая АФАР, против способа защиты, основанного на прерывании
сеанса работы с излучением, существует очевидная контрмера. Дело в том,
что КПД модулей, составляющих АФАР, невелик и не превосходит нс
скольких процентов. Остальная мощность уносится системой охлаждения
И если даже выключить радиоизлучение, тепловое излучение все равно
мгновенно прекратить нельзя. Поэтому ФАР и после прекращения работы
на излучение в течение длительного времени будет иметь весьма значн
тельный тепловой контраст с окружающей средой. Настолько значится i.
ный, что на АФАР можно наводить головку с инфракрасным коорди
натором.
ГСН, в которой комплексированы ИК- и радиотехнический коорди
натор, должна захватить цель по ее радиоизлучению, а сопровождать,
объединяя информацию от обоих датчиков.
Антенные обтекатели для двухдиапазонных инфракрасных и радио
локационных координаторов должны обладать достаточно хорошей про
зрачностью для ИК-, так для радиочастотного излучения и не должны
вносить существенных искажений в диаграммы направленности антенн
радиодиапазона и в изображение цели — на инфракрасных волнах. Ос
новные трудности создания таких обтекателей заключаются в том, что
большинство существующих материалов, в конструктивном отношении
пригодных для обтекателей рассматриваемого типа (например, специаль
ные стекла), обладают в диапазоне ИК-волн (от 0,5 до 6—7 мкм) сущсо
венными потерями. Потери приводят к резкому снижению прозрачности
при толщинах стенок более 3,0...4,0 мм. Ограничение толщины, в спою
очередь, во-первых, сужает круг пригодных к использованию материалов
из-за недостаточной их механической прочности и, во-вторых, не позпо
ляет применять полуволновые (т. е. оптимальные по толщине) стенки,
удовлетворительные с точки зрения прозрачности на волнах радиодиапа
зона. Даже для волн сантиметрового диапазона эта толщина должна бы i i.
~(4,0...4,5) мм.
Требования к качеству изображения цели на волнах ИК-диапазонп
являются определяющими при выборе формы обтекателя. Поэтому Morvi
использоваться только сферические или пирамидальные обтекатели, так
как при всех положениях сканирующей антенны лишь для них изображу
12.3. Обтекатели антенн радиоголовок самонаведения
443
ние цели (т. е. тепловое пятно на поверхности ИК-приемника) остается
неискаженным. Все другие формы (в том числе и коническая) приводят
к недопустимо большим искажениям теплового пятна. Для скоростных объ-
ектов предпочтительными являются пирамидальные обтекатели с 8...10 гра-
нями и углом при вершине не более 40°. При этом допускаются дополни-
тельные изломы по образующей, дающие возможность аппроксимировать
обводы оживальной формой. Для предотвращения искажений изображе-
ния цели грани обтекателей должны быть плоскопараллельными и иметь
поверхности, обработанные с оптической чистотой и точностью [77].
При разработке обтекателей на совмещенные ИК- и радиоволны перед
конструктором встают две достаточно обособленные группы вопросов:
1. Выбор (или разработка) технологичного, механически прочного и
термоустойчивого материала, прозрачного для волн ИК-диапазона и име-
ющего относительно малые активные потери на радиочастотах; разработ-
ка технологии изготовления обтекателя из этого материала.
2. «Просветление» обтекателя на требуемых волнах радиодиапазона,
так как оптимальная толщина стенок обтекателей для ПК-волн, как пра-
вило, далека от оптимальной для рабочих волн радиодиапазона.
Первая группа вопросов относится к компетенции технологов, хими-
ков и оптиков. В настоящее время известно достаточное количество раз-
личных материалов, пригодных для работы в ПК-диапазоне (фтористый
литий, сапфир, кварц, материалы типа иртран и т. п.). В последнее время
находят широкое применение специальные маски стекол, прозрачных на
ПК-волнах в достаточно широком диапазоне. Вероятно, эти материалы
можно признать наиболее перспективными, так как на их основе можно
конструировать достаточно большие по габаритам обтекатели.
Имеющиеся в литературе данные показывают, что толщина стенок
пирамидального обтекателя среднего размера (в диаметре у основания
200...300 мм), выполненного из наиболее приемлемого стекловидного ма-
териала, должна быть не менее 2 мм (из условия удовлетворения требова-
ниям механической прочности) и не более 3,0...3,5 мм (из условия полу-
чения заданной прозрачности в ПК-диапазоне). Однако такие толщины
стенок обтекателя не обеспечивают нужного уровня прозрачности в ра-
диодиапазоне и их необходимо «просветлить». Для этих целей целесооб-
разно использовать реактивные решетки, наносимые на поверхность сте-
нок обтекателя с двух сторон.
Так как решетка из тонких металлических проволок представляет для
проходящей ЭМВ индуктивное сопротивление, диэлектрический слой с
нанесенными на его поверхности решетками может рассматриваться как
трехслойная стенка с реактивными оболочками. Индуктивные решетки
444 Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
позволяют получить хорошее согласование на радиодиапазоне при посто
янной прозрачности обтекателя на ИК-волнах, так как шаг решеток зни
чительно больше длины ИК-волн.
Нанесение решеток на поверхности может осуществляться гальвани
ческим способом, вакуумным распылением, фотолитографией, методом
вжигания и т. п.
Эффект просветления пирамидального обтекателя из ИК-прозрачно
го материала в радиодиапазоне (обтекатель с 10 гранями, утлом при верши
не -40°) иллюстрируется рис. 12.17 [77].
Рис. 12.17. Эффект просветления пирамидального обтекателя
12.4. Приемники радиоголовок противорадиолокационных ракет
В ГСН ПРР могут использоваться узкополосные и широкополосные
приемники. Ракеты с узкополосными приемниками, например «Shrike»,
применяются для поражения РЛС, работающих на постоянной и извссi
ной несущей частоте излучения. В этом случае приемник перед полетом
или перед пуском ПРР настраивается на фиксированную частоту. Узко
полосные приемники обладают более высокими избирательностью и чув
ствительностью. Однако они имеют и существенный недостаток — необ
ходимо точно знать частоту излучения РЛС-цели, на разведку которой
должны выделяться соответствующие силы и средства. Обычно перед
вылетом летчику ставится задача поражения определенных РЛС, сообща
ются их характеристики и координаты.
Противорадиолокационная ракета с широкополосным приемником,
например HARM, «Alarm», используется для поражения РЛС, значение
частоты которых априори неизвестно или известно весьма неточно. Чуи
ствительность и избирательность такого приемника ниже. Поэтому такие
приемники наделяют характеристиками, свойствами и возможностями
12.4. Приемники радиоголовок ПРР
445
средств радиотехнической разведки (РТР) и используют для определения
параметров и координат РЛС, а также для идентификации излучающих в
радиодиапазоне средств.
Для иллюстрации принципов построения и основных технических
решений при построении приемных устройств ГСН ПРР на рис. 12.18
приведена упрощенная структурная схема приемника для ГСН современ-
ной ПРР типа HARM с высоким значением промежуточной частоты
/пр~1,6...2 ГГц [90].
Использование двойного (и даже тройного) преобразования частоты
позволяет обеспечить требуемую высокую чувствительность и избиратель-
ность приема по соседнему и зеркальному каналам, а также по промежу-
точной частоте.
В таком приемнике при обработке сигналов от РЛС с модулирован-
ным по частоте излучением используется сжатие сигналов с помощью со-
гласованного фильтра на дисперсионной линии задержки. В приемнике
имеется перестраиваемый гетеродин, а вместо перестраиваемого преселек-
тора используется набор коммутируемых фильтров до преобразователя
частоты. Такая схема приемника ГСН позволяет обеспечить беспоиско-
вую настройку на частоту одной из априорно известных подавляемых РЛС.
Для получения нормированного значения полосы частот, свободной
от паразитных комбинационных составляющих, ее выбирают примерно
равной 10% от средней частоты принимаемых сигналов. Именно таким
требованиям отвечают приемники с двойным или тройным преобразова-
нием частоты ПРР «Shrike» и HARM, разработанных фирмой «Texas
Instruments».
Известно использование менее сложных приемников в ГСН с низким
значением промежуточной частоты (100...300 МГц) и с однократным пре-
образованием частоты. Такие приемники не используют предварительного
широкополосного УРЧ (рис. 12.19), фильтров предварительной селекции
и второго преобразователя частоты.
Возможно также использование (для обработки сигналов РЛС с не-
прерывным излучением) гетеродина с быстрой линейной частотной моду-
ляцией и узкополосного фильтра. Такой приемник с однократным преобра-
зованием частоты проще и дешевле, и при его изготовлении используется
не самая современная элементная база.
Приемник применим в условиях, где не требуются высокая избира-
тельность и подавление сигналов в побочных и зеркальных каналах, т. е.
при относительно небольшом числе подавляемых РЛС (например, при
боевых действиях на море [121]).
446
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
Широкополосный
смеситель
12.4. Приемники радиоголовок ПРР
447
Рис. 12.19. Узкополосный приемник ПРР
Весьма широкий диапазон частот, в которых работают РЛС-цели,
порождает проблему создания широкополосных ГСН, обладающих при том
достаточными точностными характеристиками по угловым координатам
при наведении ПРР. Одним из возможных путей решения этой проблемы
является использование нелинейного эффекта [ 109]. Так как из-за нелиней-
ности характеристик элементов подавляемых РЛС в спектре их излучения
помимо основных частот fG будут и гармоники 2f0, 3f0 и т. д. Основным
объектом для подавления ПРР являются РЛС сопровождения и подсвета
целей, работающие на более высоких частотах, чем обзорные РЛС, кото-
448
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
рые являются второстепенным объектом для ПРР. Разработчики ПРР, как
показал опыт боевых действий, стремятся обеспечить наведение ПРР на
РЛС сопровождения и обзора.
Таким образом, если обзорная РЛС работает в диапазоне частот
300 ..600 МГц, то второй и третьей гармоникам будут соответствовать
частоты 2/, = 600... 1200 МГц и 3f0 =900... 1800 МГц. Наведение ПРР на РЛС-
цель, работающую на частотах 2/0 и 3fn, позволит уменьшить ширину
диапазона частот для ГСН и применять ее против как РЛС сопровождения,
так и обзора. Таким образом, используя излучения гармоник, можно в
принципе расширить возможности ПРР. Одна и та же ГСН может быть
использована в относительно широком диапазоне частот; при больших
мощностях подавляемых РЛС использование колебаний высших гармо-
ник достаточно для высокочувствительных ГСН ПРР, и это позволяет
уменьшить ширину ДНА системы РТР или ГСН ПРР, т. е. улучшить раз-
решающую способность последних.
Существенно, что при наведении на наземные РЛС приемники ГСН
ПРР вынуждены работать в условиях многолучевого распространения
сигналов, обусловленного отражениями от земной поверхности и местных
предметов, окружающих РЛС-цель. В этих условиях для выделения зон-
дирующего импульсного сигнала РЛС, пришедшего по прямой траекто-
рии, используется селекция по длительности и по времени прихода. Счи
тается, что импульс сигнала, прошедшего по прямой траектории, имеет
самую короткую длительность, и для его выделения используется контур
слежения за фронтом импульса.
Удовлетворительное качество работы моноимпульсных пеленгаторов,
построенных по трехканальной схеме (рис. 12.3), достигается лишь при
высокой степени идентичности амплитудных и фазовых характеристик
каналов приемника. Неидентичность этих характеристик до суммарно
разностных преобразований приводит к смещению нуля пеленгациоп
ной характеристики, а после этих преобразований — к уменьшению ее
крутизны. Сравнительно нетрудно обеспечить идентичность каналов до
суммарно-разностных схем, так как эти схемы часто входят в конструк
цию облучателя антенны. Существенно сложнее добиться идентичности
каналов УГГЧ, особенно при действии на угломерное устройство таких
дестабилизирующих факторов, как перепады температуры и влажности,
наличие вибраций, и т. д. Поэтому схема рис. 12.3 является, скорее, тео
ретической идеализацией моноимпульсного пеленгатора, которую чрез
вычайно трудно реализовать на практике.
Практически для устранения неблагоприятных последствий, вызван
ных неидентичностью каналов приема, используют различные техничсс
12.4. Приемники радиоголовок ПРР
449
кие решения: периодическое переключение каналов, выравнивание харак-
теристик по эталонному сигналу, применение схем частотного и временно!
го уплотнения каналов и т. д.
Для угломеров, работающих с непрерывным и квазинепрерывным
сигналами, типовой является схема пеленгатора с фазовым или частотным
уплотнением каналов (рис. 12.20) [100|.
В схему на рис. 12.20 включены элементы системы селекции сигналов
цели по доплеровской частоте. Антенна и суммарно-разностные преобра-
зователи формируют два разностных радиосигнала — иДк, и иДт, а также
один суммарный радиосигнал. В смесителях СмК|, СмЕ1 и Смт1 они пре-
образуются в напряжения первой промежуточной частоты, которые уси-
ливаются в предварительных УПЧ (ПУПЧДк, ПУПЧДт, ПУПЧХ). Смеси-
тели Смк2, Сма и Смт2 выделяют доплеровские частоты. На вторые входы
этих смесителей подается сигнал когерентного гетеродина или сигнал с
приемника канала синхронизации РГС. Фильтры доплеровских частот
УПЧДк, УПЧДт, УПЧХ, настроенных па вторую промежуточную частоту,
производят селекцию сигналов. На выходах УПЧ устанавливается схема
частотного уплотнения. Эта схема содержит балансные модуляторы БМк,
БМт, низкочастотный генератор ГНЧ и сумматор X. Низкочастотный ге-
нератор вырабатывает модулирующие напряжения wMl и дм2, либо одной
частоты Гм, либо двух разных частот FMl и Гм2. В первом случае для обес-
печения ортогональности колебаний wM) и дм2 их фазы различаются на 90°.
В балансных модуляторах производится амплитудная модуляция разност-
ных сигналов с подавлением несущих частот. В сумматоре напряжение сум-
марного канала и сигналы с выходов балансных модуляторов складыва-
ются. В результате сложения этих сигналов при использовании одной
модулирующей частоты FM на выходе сумматора образуется амплитудно-
модулированное колебание. Глубина модуляции определяется величиной
утла отклонения цели от равносигнгтльного направления, а фаза огибаю-
щей, отсчитываемая от фазы сигнала ГНЧ, указывает на сторону отклоне-
ния цели. Модулированное напряжение поступает на основной усилитель
пеленгатора. Этот усилитель настроен на вторую промежуточную частоту.
В нем осуществляется основное усиление принимаемого сигнала. Полоса
пропускания усилителя выбирается так, чтобы обеспечить неискаженную
передачу боковых частот амплитудно-модулированного сигнала. При двух
частотах модуляции FM1 и Гм2 это условие относится к большей частоте.
Для нормировки выходного сигнала пеленгатора применяется система
АРУ. Выходной сигнал основного усилителя детектируется в амплитудном
детекторе АД и после прохождения через разделительные фильтры Ф1 и
Ф2, настроенные соответственно на частоты модуляции АМ1 и Гм2, посту-
450
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
Рис. 12.20. Приемник пеленгатора с уплотнением каналов
12.4. Приемники радиоголовок ПРР
451
паст на фазовые детекторы ФДк, ФДт. Если применяется одна модулиру-
ющая частота то оба фильтра настраиваются на эту частоту. Тогда разде-
ление сигналов осуществляется в фазовых детекторах, так как сигналы дм1
и имг находятся в квадратуре. В качестве опорных сигналов для фазовых
детекторов используются напряжения им( и нм2 генератора низкой частоты.
Структура пеленгатора, изображенного на рис. 12.20, такова, что в его
многоканальной части усиление принимаемых сигналов сравнительно
невелико, и обеспечить идентичность характеристик каналов приема не
сложно. Особенностью рассмотренной схемы является многократное пре-
образование частоты, в результате которого последовательно снижается
частота усиливаемого сигнала с уровня радиочастоты до первой промежу-
точной /пр], а затем до второй промежуточной/пр2. Соответственно сокра-
щаются полосы пропускания усилительных трактов. Обычно выполняется
условие /||р2« ./npt! поэтому несложно обеспечить узкополосную фильт-
рацию (частотную селекцию) принимаемых сигналов в УПЧ даже при
невысокой добротности избирательных контуров в каскадах этого усили-
теля. К недостаткам такой схемы следует отнести большое число элемен-
тов, связанных с многократным преобразованием частоты, а также появ-
ление дополнительных шумовых составляющих в выходном сигнале за счет
неизбежных нелинейностей в преобразователях, предшествующих узко-
полосной фильтрации. Последнее явление сказывается особенно замет
но при действии помеховых сигналов, отраженных от подстилающей по-
верхности, уровень которых может быть значительным.
Частичное устранение отмеченных недостатков достигается в пелен-
гационных устройствах, реализующих принцип инверсного или обращен
ного приема сигнала [100]. Суть этого принципа состоит в том, что цепи
узкополосной частотной селекции выносятся по возможности ближе ко
входу приемного устройства. Реализация указанного принципа стала воз-
можной благодаря разработке новых комплектующих элементов, таких как
стабильные твердотельные гетеродины и высокодобротные кварцевые
фильтры сосредоточенной селекции. Дальнейшее развитие идеи инверс
ного приема приводит к установке высоко добротных фильтров в цепях
радиочастоты. Такие фильтры наряду с селекцией сигнала на фоне помех
являются эффективным средством борьбы с приемом помехи по зеркаль-
ному каналу. Реализуются эти высокочастотные фильтры (ВЧФ) в виде
объемных перестраиваемых резонаторов, выполненных на основе железо-
иттриевого граната. Для импульсных радиолокационных угломеров с низ-
кой частотой повторения импульсов характерным является применение
пеленгаторов с временным уплотнением каналов или широко известных
схем с коммутацией каналов и логарифмической нормировкой.
452
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
Вне зависимости от вида применяемых схем радиовизир как элемеш
системы автоматического измерения угловых координат при пеленгации
цели характеризуется коэффициентом передачи к^, связывающим выход
ное напряжение ипу с углом Д6 отклонения цели от РСН. Таким образом,
уравнение пеленгационного устройства, используемое при составлении
динамических структурных схем угломеров, имеет вид
мпу=/спуА6. (12.23)
Коэффициент кпу определяет крутизну пеленгационной характерис
тики в ее линейной части, которая обычно составляет ±(0,2...0,3) от ши
рины диаграммы направленности антенны. При эффективно действую
щей системе нормировки кпу практически не зависит от интенсивности
принимаемого сигнала.
12.5. Пролонгаторы пассивных радиоголовок самонаведения
Один из самых распространенных и едва ли не самый эффективный
способ защиты от ПРР — прекращение работы на излучение при обнару
жении ракетной атаки РЛС. Кроме того, временное прекращение приема
сигнала возможно и вследствие других причин. Например — при атаке
РЛС, работающих в режиме обзора и очень малым уровнем паразитною
и непреднамеренного излучения, когда чувствительности приемника РГ(
не хватает для надежного обнаружения сигнала и формирования команд
управления движением по необходимой траектории. В этих условиях РГ('
противорадиолокационной ракеты должна экстраполировать положение
ракеты на время отсутствия сигнала и формировать необходимые комап
ды управления, такие, чтобы попадание в прогнозируемую точку гаран
тировало поражение РЛС-цели.
Устройства экстраполяции угловых координат, входящие в состап
комплексов бортовой аппаратуры головок самонаведения ПРР, традицн
онно называются пролонгаторами.
Прежде всего пролонгатор обеспечивает перемещение оси антенны для
удержания цели в пределах диаграммы направленности в тех случаях, когда
в РГС происходит срыв слежения за сигналами цели. Благодаря этому
осуществляется автономный полет ракеты по траектории, близкой к in-
прерывной, которую имела бы ракета при непрерывном сопровождении
сигналов цели РГС.
Принципы формирования команд в двух ортогональных плоское! я.\
управления движением ракеты совершенно аналогичны. Поэтому ни кс
рассматривается работа пролонгатора по экстраполяции закона движения
12.5. Пролонгаторы пассивных РГС 453
ракеты в вертикальной плоскости. Именно в плоскости тангажа наибо-
лее интенсивно изменяется угол визирования цели радиоголовкой само-
наведения.
В пролонгаторах используется априорное знание закона изменения
угла визирования 0Т (t) во времени. Для ракет класса «воздух — поверх-
ность», наводящихся на неподвижные или малоподвижные цели, обычно
используют полиномиальную модель изменения угловой координаты и ог-
раничиваются первым порядком этого полинома
е(/) = е0+ё/. (12.24)
Совместная работа следящей системы пеленгатора РГС и пролонга-
тора сводится к тому, что в процессе аптосопровождения цели головка
оценивает параметры закона изменения угла 0Г (/), /< /0, т. е. коэффици-
енты полинома (12.24). При пропадании сигналов от цели в момент време-
ни /=/0 на их основе формируется экстраполированное значение угла 0(1)
для 1 > t0 вплоть до появления сообщения об обнаружении сигнала от ав-
томата захвата. Основными показателями качества работы угломера с про-
лонгатором являются точность прогнозирования (ошибки определения ко-
эффициентов полинома (12.24)) и время памяти.
Структурная схема угломера пассивной РГС с пролонгатором [3] пред-
ставлена на рис. 12.21. В состав комплекса входят следящий угломер,
Рис. 12.21. РГС с пролонгатором
454
Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
устройство с позиционной коррекцией и силовой стабилизацией, ги
роскоп, измеряющий угол тангажа б(/), и пролонгатор, содержащий
два интегратора и форсирующее звено в качестве корректирующей цепи.
Угломер работает в двух сменяющих друг друга режимах — сопровож
дения и памяти (пролонгации).
В режиме сопровождения сигналов, поступающих от радиоизлучающей
цели, ключи Кл1 и КлЗ замкнуты, а ключ Кл2 разомкнут. При отклоне
нии цели от равносигнального направления (которое при точном слеже-
нии должно совпадать с осью ДНА) пеленгатор вырабатывает управляю
щие напряжения, под действием которых ось антенны совмещается с
линией визирования. Для этого выходные сигналы пеленгатора усилива
ются в усилителе мощности УМ и далее подаются на датчики моментов
(моментные двигатели) М гиростабилизированной платформы. В устано
вившемся режиме сигнал, управляющий положением гиростабилизиро
ванной антенны иупр, пропорционален угловой скорости перемещения
линии визирования. Угловое положение гиростабилизатора характеризу
ется углом 6а, в идеальном случае совпадающим с углом визирования 0Ц.
Выходные сигналы датчиков положения антенны и усилителя мощности
поступают в автопилот, где используются для выработки сигналов траек
торного управления ракетой в соответствии с избранным кинематическим
методом наведения.
При суммировании измеренных значений углов пеленга 0у (/) и тан
гажа 0Т (t), снимаемых соответственно с датчиков положения антенны и
гироскопа, образуется измеренное значение угла визирования 0в(г), сов
падающее с точностью до ошибок измерения углов пеленга и тангажа
с истинным значением угловой координаты цели 0ц(/). С сумматора зна
чение приборного аналога утла визирования поступает на вход пролои
гатора, представляющего собой следящую систему с астатизмом второго
порядка. В качестве устройства стабилизации, обеспечивающего структур
ную устойчивость пролонгатора, используется форсирующее корректиру
ющее звено.
На выходе пролонгатора, отрабатывающего входное воздействие 0Ц(/),
формируется выходной сигнал, пропорциональный 0П (г). Пролонгатор
имеет астатизм второго порядка, поэтому выходной сигнал определяется
как значением входной переменной в момент t = t0, так и ее первой про
изводной.
Если входное воздействие изменяется с постоянной скоростью О
(12.24), то в установившемся режиме динамическая ошибка равна нулю и
выходной сигнал 0П(/) равен входному 0Ц(/). Если 0Ц(/) изменяется
12.5. Пролонгаторы пассивных РГС
455
с постоянной второй производной, то в установившемся режиме будет
иметь место динамическая ошибка по ускорению
*п 1
(12-25)
ла at
где Ка — коэффициент передачи пролонгатора по ускорению, равный
произведению коэффициентов передачи первого и второго интеграторов
и корректирующего звена.
В случае потери сигналов цели в РГС угломер переходит в режим
управления на основе экстраполяции. При этом ключи Кл1 и КлЗ размы-
каются, ключ Кл2 замыкается и вход первого интегратора обнуляется.
Пролонгатор, запоминая входную величину и се первую производную в
момент прекращения автосопровождения сигнала цели, будет продолжать
формировать выходной сигнал по закону
М0=М'о)+М'о)('-'о)’ (12-26>
где, как и прежде, /0 — момент пропадания сигналов цели.
В режиме памяти внешним воздействием для угломера является угол
0П (/), значение которого должно теперь отслеживаться антенной. На дви-
гатели, управляющие положением гиростабилизированной платформы,
поступает сигнал, равный разности между углом 6П (/), выдаваемым про-
лонгатором, и углом 0В(1), поступающим с сумматора. В результате дви-
гатели поворачивают антенну таким образом, чтобы разность углов
Оп(/)-0в(/) стремилась к нулю. При этом ось антенны продолжает со-
провождать прогнозируемую точку расположения излучающей цели, ис-
пользуя экстраполируемые значения линии визирования ракета — цель.
В результате ось антенны совпадает с прогнозируемым положением ли-
нии визирования, которое в значительной степени адаптировано к конк-
ретным условиям пуска и полета ракеты. С датчика положения антенны
сигналы поступают в автопилот для управления ракетой. Входной сигнал
этих датчиков в установившемся режиме пропорционален прогнозируе-
мому значению угловой скорости линии визирования.
Характерной особенностью схемы на рис. 12.21 в режиме памяти яв-
ляется компенсация ошибок гироскопа в случае, если они постоянны или
меняются по линейному закону. Это утверждение может иллюстрироваться
структурной схемой пеленгатора в режиме памяти при совместной работе
гиростабилизатора положения антенны и пролонгатора (рис. 12.22). Для
простоты в качестве модели гиростабилизатора на рис. 12.22 используется
интегрирующее звено с коэффициентом передачи Кгс.
456 Глава 12. Радиокоординаторы противорадиолокационных ракет
Рис. 12.22. Структурная схема пеленгатора РГС в режиме памяти
Если ошибку Л0(/) гироскопа можно аппроксимировать полиномом
первой степени от 1, пролонгатор в режиме сопровождения отрабатывает
ее без искажений. Следовательно, выходной сигнал пролонгатора в уста-
новившемся режиме можно представить в виде
еп(') = епо(') + де(') (12-27)
где 6п0 (/) — выходной сигнал пролонгатора при пренебрежении ошибка-
ми измерения угла тангажа.
При переходе РГС из режима сопровождения в режим памяти про
лонгатор формирует сигнал 0П (/), равный сумме экстраполированного
значения 0пО (/) угла ориентации линии визирования и оценки А0(1)
ошибки ее прогнозируемого положения. На основании анализа струк
турной схемы рис. 12.21 можно заключить, что в режиме памяти при фор
мировании сигнала управления положением гиростабилизированной
платформы 0П (1)- 6В (1) ошибка гироскопа вычитается из отслеженной
пролонгатором ошибки гироскопа. Отсюда следует, что ошибка гироскопа
не влияет на значения пеленга и угловой скорости линии визирования,
поступающих из угломера в режиме памяти в автопилот ракеты.
Действительно, так как следящая система линейная и, следовательно,
справедлив принцип суперпозиции, то на основании рис. 12.22 можно
записать выражение для измеренного значения пеленга в режиме памяти
<Рв-Тр+1ев-7р+1ец_Тр+1е’ (12-28)
где р — оператор дифференцирования; Т — постоянная времени следя
щей системы угломера в режиме памяти.
В (12.28) первое слагаемое обусловлено выходным сигналом пролон
гатора, второе — сигналом с гироскопа, а третье — углом тангажа. Под
ставляя в (12.28) значения угла (12.27) и измеренное значение угла танга
жа, можно получить
’’ = 7?Л(е"о+Де)"7^йе“"^е' (12.24)
12.5. Пролонгаторы пассивных РГС
457
Таким образом, если в режиме сопровождения постоянная или нараста-
ющая по линейному закону ошибка гироскопа отслеживалась пролонгато-
ром без ошибок, то в режиме памяти ошибка гироскопа компенсируется.
Аналогичные соотношения можно получить и для угловой скорости
линии визирования.
С появлением сигналов цели угломер переходит в режим сопровож-
дения.
Разумеется, угол визирования цели может в процессе полета изменять-
ся по закону, отличающемуся от линейного (12.24). Например, по закону,
для описания которого больше подходит полином второй степени от /.
В этом случае в режиме сопровождения будет иметь место динамическая
ошибка при формировании пролонгатором угла 0П(/). Отсутствие в си-
стеме пролонгатора с двумя интеграторами памяти по ускорению приве-
дет к тому, что в режиме памяти разность между экстраполируемым значе-
нием угла пеленга и его истинным значением будет нарастать. В результате
цель может выйти из основного лепестка ДНА РГС.
Возможны различные варианты устранения этого недостатка. В част-
ности, в режиме памяти целесообразно на вход первого интегратора про-
лонгатора подавать сигнал программного изменения углового ускорения,
зависящего от дальности до цели, высоты полета и других факторов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В книге рассмотрены два основных новых вида противодействия ин-
формационным системам. Первый вид основан на использовании пере-
хода вещества из «полезного» фазового состояния, способствующего эф-
фективному извлечению информации, в такое фазовое состояние, которое
не отвечает или препятствует нормальной работе приемных устройств
(рецепторов, чувствительных к воздействию, стимулирующему переход
между состояниями). Необходимая степень нарушения фазового состояния
достигается за счет воздействия на объекты сильных электромагнитных или
акустических полей, не приводящих, однако, к физическому разрушению.
Такой своеобразный выход из строя информационных систем принято
называть функциональным поражением.
Электромагнитные и акустические средства функционального пора-
жения весьма разнообразны. При их разработке должны учитываться
многочисленные условия, главными из которых являются структура и важ-
ность объекта поражения, тип применяемых для поражения физических
полей (электромагнитных или акустических) и свойства среды функцио-
нирования информационной системы.
Основу второго вида противодействия, рассмотренного в третьей ча
сти, составляет традиционное оружие — ракеты, самонаводящиеся на
излучатели электромагнитных полей. Особенностью таких устройств (ору
жия) является возможность физического разрушения только излучающих
информационных систем (объектов). При пространственном разнесении
излучателей и приемников приемники не поражаются. В этом крупный
недостаток подобного самонаводящегося оружия. Информационные уст
ройства и системы, извлекающие информацию «пассивным» путем (стан
ции РТР, пассивные РЛС, прицельные инфракрасные системы и многие
другие), не могут быть поражены этим видом оружия.
Средства ФП следует отнести к совершенно новому поколению ору
жия. По сути дела, это оружие-невидимка. Механизм воздействия этого
оружия отличается как от механизма воздействия оружия традиционных
видов, вызывающего разрушение, так и от механизма воздействия аддп
тивных и мультипликативных радиопомех САП. Это объективно требуст
изменения тактических приемов ведения боя, что еще предстоит сделан,
Существенным пробелом в теории РЭБ является неизученностъ взан
модействия сильных электромагнитных и акустических полей, которое про
исходит в процессе и в результате функционального поражения. После
дования в этой области могут привести к новым неожиданным результа ым
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрикосов А.А., Шарвин Ю.В. Сверхпроводимость // Физический энциклопе-
дический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1965. Т. 4. С. 475-482.
2. Авиационные лазерные и оптико электронные устройства / Под ред. В.М. Си-
дорина. — М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2003.
3. Авиационные системы радиоуправления. Т. 2 / Под ред. А.И. Канащенкова
и В.И. Меркулова. — М.: Радиотехника, 2003.
4. Авиационные системы // Научно-техническая информация. № 10-12. — М.:
ГосНИИАС, 1995.
5. Азаркевич Е.И., Диденко А.Н., Долгополов П.В. и др. Генерирование импульс-
ного СВЧ-излучения с помощью энергии химических взрывных веществ //
Доклады АН СССР. Т. 319. № 2. 1991.
6. Айзенберг Г.З. Антенны и распространение радиоволн. — М.: Госиздат, 1957.
7. Александров А.Ф., Богданкевич Л. С., Рухадзе А.А. Колебания и волны в плаз-
менных средах. — М.: Изд-во МГУ, 1980
8. Альперт Я.Л., Гинзбург В.Л., Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн. — М.:
Наука, 1954.
9. Альтшулер А. Управляемая термоядерная реакция // Взрывомагнитные гене-
раторы. — УФИ, 1999. Т. 85. Ч. 1.
10. Анашкин Г.А. О применимости диффузионной теории СВЧ пробоя газов для
воздуха // Радиотехника и электроника. № 12. 1987.
11. Андреев Н.Н. Акустика // Физический энциклопедический словарь. — М.:
Советская энциклопедия, 1960. Т. 1. С. 34-35.
12. Антипин В.В., Годовицин А.А., Чернов Д В. и др Влияние мощных импульсных
микроволновых помех на полупроводниковые приборы и интегральные мик-
росхемы // Зарубежная радиоэлектроника. 1995. № 1.
13. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокацион-
ных измерений. — М.: Радио и связь, 1989.
14. Афинов В. Направления совершенствования средств РЭП индивидуальной за-
щиты самолетов // Зарубежное военное обозрение. 1998. № 7, 9.
15. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд. — М : МФТИ, 1997.
16. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. — М.: Физмат-
гиз, 2001.
17. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям. — М.:
Сов. радио, 1976.
18. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн. — М.: Высшая
школа, 1992.
19. Батанов Г.М., Грицинин С.И. и др. СВЧ-разряды высокого давления // Труды
ФИЛИ. — М.: Наука, 1985.
20. Беляев А.Ф. Взрывы // Физический энциклопедический словарь. — М.: Со-
ветская энциклопедия, 1960. Т. 1. С. 258-259.
21. Бердышев А.В., Ивойлов В.Ф., Исайкин А. В. и др. Экспериментальные исследо-
вания воздействия СВЧ-импульсов на содержащие микросхемы радиоэлект-
ронные устройства // Радиотехника. 2000. № 8.
460
Список литературы
22. Борин В.П., Наумов А. И. О некоторых особенностях радиоизлучения атмос-
феры вблизи резонансов поглощения Н2О на волне 1 = 1,35 см // Радиотех-
ника и электроника. 1979. Т. 24. № 1.
23. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1973.
24. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. — М.: Госатом-
издат, 1961.
25. Бреховских Л. Распространение звуковых и инфразвуковых волн на большие
расстояния // УФН. 1960. Т. LXX. Вып. 2. Февраль. С. 351-360.
26. Бронер Н. и др. Низкочастотный шум и испытания его влияния на человека.
Перевод NBC-279 ЦНИИ информации 1970 г. Из источника Vibration And
Noise Engineering. — Sydney, 1976. October. P. 11-12. C. 56-60.
27. Бугаев С.П., Канавец В.И., Кошелев В.И., Черепенин В.А. Релятивистские мно-
говолновые СВЧ-генераторы. — Новосибирск: Наука, 1991.
28. Вакин С.А., Шустов А.Н. Основы радиоэлектронной борьбы. — М.: ВВИА им.
Н.Е. Жуковского, 1998. Ч. 1.
29. Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической
разведки. — М.: Сов. радио, 1968.
30. Ванюков А.В. Медь // Физический энциклопедический словарь. — М.: Совет
ская энциклопедия, 1965. Т. 3. С. 166.
31. Велихов Е.П. Наноэлектронные приборы и технологические процессы // Вест-
ник РАН. 2003. Т. 73. № 5.
32. Верещагин И. К., Кокин С.М., Никитенко В.А. и др. Физика твердого тела / Под
ред. И.К. Верещагина. — М.: Высшая школа, 2001.
33. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока / Под ред.
В.Е. Фортова. — М.: Наука, 2002.
34. Викулов О.В., Добыкин В.Д., Меркулов В.И. и др. Современное состояние и пер
спективы развития авиационных средств радиоэлектронной борьбы // Зару
бежная радиоэлектроника. 1998. № 12.
35. Виноградов А.А., Рогашкова А.И. Исследование нелинейного искажения мощ
ного СВЧ-импульса при распространении в слабоионизованной газовой сре
де // Физика плазмы. 1993. Т. 19. № 10. С. 1220-1228.
36. Виноградов В.С. Оптические явления в полупроводниках // Физический энцик
лопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1963. Т. 3. С. 523-526.
37. Владов Е., Хромов И. Мир и безопасность в России до 2010 г. // Мир и безо
пасность. 2001. № 3.
38. Военная энциклопедия. — М.: Воениздат, 2004. Т. 8.
39. Володин В. Поле боя — эфир // Красная звезда. 2000. 15 апреля.
40. Вольман В.И. Техническая электродинамика. — М.: Связь, 1971.
41. Воробьев Н.В., Грязнов В.А. и др. Принцип пространственно-временного пре
образования многочастотного сигнала для формирования мощных сверхши
рокополосных радиоимпульсов // Радиотехника. 1998. № 2.
42. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М. и др. Антенны и устрой
ства СВЧ / Под ред. Д.И. Воскресенского. — М.: Изд-во МАИ, 1999.
43. Вул Б.М., Чесноков В.А. Полупроводники // Физический энциклопедический
словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1965. Т. 4. С. 407-412.
44. Выборнов С., Горев В. Создание специальных средств для борьбы с тсррорп i
мом в США // Зарубежное военное обозрение. 2003. Nb 8. С. 16-19.
Список литературы
461
45. Ганнота А. Объект поражения — электроника // Независимое военное обо-
зрение. 2001. № 13.
46. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. — М.; Нау-
ка, 1967.
47. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. — М.: Энергия, 1968.
48. Голант В.Е., Жалинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. — М.:
Атомиздат, 1977.
49. Голубков А.Г. Радиолокатор дельфина. — Л.: Судостроение, 1977.
50. Гельфанд Ю. О работах по фундаментальным проблемам физики //www.
philosophy/nsc/ru.
51. Гофман Ю.В. Законы, формулы, задачи физики. — Киев: Наукова Думка, 1977.
52. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. — М.: Высшая школа, 1990.
53. Гуревич А.В., Шварцбург А.Б. Нелинейная теория распространения радиоволн
в ионосфере. — М.: Наука, 1973.
54. Гуткин Л. С. Оптимизация радиоэлектронных устройств по совокупности по-
казателей качества. — М.: Сов. радио, 1975.
55. Диденко А.Н. СВЧ-энергетика. Теория и практика — М.: Наука. 2003.
56. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электромагнитные пучки и
их применение. — М.: Атомиздат. 1977.
57. Диденко А.И., Зверев Б.В. СВЧ-энергетика. — М.: Наука, 2000.
58. Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длитель-
ности — М.: Атомиздат, 1984.
59. Добыкин В.Д. Исследование теплового механизма поражения полупроводни-
ковых структур мощным сверхвысокочастотпым излучением // Радиотехни-
ка и электроника. 2000. Т. 45. № 11.
60. Добыкин В.Д. Объективные предпосылки разработки СВЧ-оружия функцио-
нального поражения // Тр. юбил. науч. техн, конф., поев. 30-летию образова-
ния ЦНИИ радиоэлектронных систем. Ч. 1. 2001.
61. Добыкин В.Д. Основные недостатки традиционных средств создания активных
помех и возможности их устранения при использовании СВЧ-оружия функ-
ционального поражения // Тр. юбил. пауч. техн, конф., поев. 30-летию обра-
зования ЦНИИ радиоэлектронных систем. Ч. 1. 2001.
62. Добыкин В.Д. Решение уравнения теплопроводности в задачах функциональ-
ного поражения полупроводниковых элементов входных цепей радиоприем-
ных устройств И Радиотехника и электроника. 2000. Т. 45. № 3.
63. Добыкин В.Д, Харченко В.В. О двух механизмах поражения элементов радио-
электронной аппаратуры мощным сверхвысокочастотным излучением // Сб.
тр. IV науч. конф. «Информационные технологии управления предупрежде-
нием и ликвидацией чрезвычайных ситуаций». — М.: Академия гражданской
защиты МЧС РФ, 2001.
64. Дональд Р.Ж. Уайт. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных сред-
ств. Вып. 1. Общие вопросы ЭМС. — М.: Сов. радио, 1977.
65. Доставка СВЧ-энергии к удаленным объектам в условиях влияния ионосфе-
ры // Вопросы специальной радиотехники. Серия «Общие вопросы радио-
электроники». Вып. 4. — М.: Изд-во Московского радиотехнического ин-та
РАН, 1992.
462
Список литературы
66. Драбкин А.П., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. — М.:
Радио и связь, 1974.
67. Дьяков В.А., Тарасов В.Л. Оптическое когерентное излучение. — М.: Сов. ра-
дио, 1974.
68. Жеванин С.А., Троицкий В. С. Поглощение сантиметровых волн в слоистой ат-
мосфере // Радиотехника и электроника. 1959- Т. 4. № 1.
69. Завадский Э.А. Сильные магнитные поля // Физический энциклопедический
словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1965. Т. 4. С. 530-532.
70. Зарин А. С., Кузовников А.А., Шибкое В.М. Свободно локализованный СВЧ-раз-
ряд в воздухе. — М.: Нефть и газ, 1996.
71. Звелто О. Принципы лазеров. — М.: Мир, 1990.
72. Исакович М.А. Общая акустика. — М.: Наука, 1973.
73. Ицхоки Я.С. Импульсные устройства — М.: Сов. радио, 1959.
74. Кайно Г. Акустические системы — М.: Мир, 1990.
75. Калашников А.М., Степук А.В. Основы радиотехники и радиолокации. — М.:
Воениздат, 1956.
76. Калинушкин В.П., Рухадзе А.А., Кузелев М.В., Минаев И.М. Мощные плазмен-
ные СВЧ-источники. Перспективы их применения // Прикладная физика,
1997. Вып. 1.
77. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчет и проектиро
вание). — М.: Сов. радио, 1974.
78. Карслоу Х.С., Егер Д.К. Теплопроводность твердых тел. — М.: Наука, 1964.
79. Клеммоу Ф., Доуэрти Дж. Электродинамика частиц плазмы. — М.: Мир, 1996.
80. Колосов А.А. Атмосферные помехи радиоприему // Физический энциклопе
дический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1965. Т. 1. С. 105-106.
81. Кондратенков Г. С., Обработка информации когерентными оптическими сис-
темами. — М.: Советское радио, 1972.
82. Конорова Е.А. Проблемы диэлектриков // Физический энциклопедический ело
варь. — М.: Советская энциклопедия, 1965. Т. 4. С. 205-207.
83. Космическое оружие: дилемма безопасности / Под ред. Е.П. Велихова, Р.З. Саг
деева, А.А. Кокошина. — М.: Мир, 1986.
84. Кравченко В.И. Грозозащита радиоэлектронных средств. — М.: Радио и связь,
1991.
85. Кравченко В.И., Болотов Е.А., Летунова Н.И. Радиоэлектронные средства и
мощные электромагнитные помехи. — М.: Радио и связь, 1987.
86. Кранов А. Исследования поражающих свойств подводного взрыва в США и
Великобритании // Зарубежное военное обозрение. 2003. № 6. С. 50-55.
87. Краснушкин П.Е. Атмосферики // Физический энциклопедический словарь
— М.: Советская энциклопедия, 1960. Т. 1. С. 100-103.
88. Кроуфорд Ф. Волны. — М.: Наука, 1974.
89. Кузелев М.В., Рухадзе А.А., Стрелков П.С. Плазменная релятивистская СВЧ
электроника. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.
90. Куприянов А.И., Сахаров А.В. Радиоэлектронные системы в информационном
конфликте. — М.: Вузовская книга, 2003.
91. Кухаркин Е.С. Электрофизика информационных систем. — М.: Высшая шко
ла, 2001.
92. Лазарев Л.П. Инфракрасные и световые приборы самонаведения и наведении
летательных аппаратов. — М.: Машиностроение. 1976.
Список литературы
463
93. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. — М.: Наука,
1982.
94. Лапшин А.Д. Рупор / Физический энциклопедический словарь. — М.: Совет-
ская энциклопедия, 1961. Т. 4. С. 267 268.
95. Ледягин Ю. Электронная смерть цивилизованных народов, www/supergun.ru.
96. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. — М.: Сов. ра-
дио, 1970.
97. Леонтович А.М. Оптический генератор / Физический энциклопедический сло-
варь. — М.: Советская энциклопедия, 1963. Т. 3. С. 526-530.
98. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованных газах — М.: Мир,
1976.
99. Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах. — М.: Мир, 1969.
100. Максимов М.В., Горгонов Г.И. Радиоэлектронные системы самонаведения. —
М.: Радио и связь, 1982.
101. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. — М.: Энергия, 1975.
102. Мартинсон Л.К., Малов Ю.И. Дифференциальные уравнения математической
физики / Под ред. В.С. Зарубина, А.П. Крищенко. — М.: Изд-во МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 1996.
103. Маршалл Т. Лазер на свободных электронах. — М.: Мир. 1987.
104. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. — М.: Сов.
радио, 1973.
105. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. — М.: Наука, 2004.
106. Михненко П.А. Управляемые авиационные ракеты. — М.: ВВИА им. Н.Е. Жу-
ковского, 2003.
107. Мырова Л.О., Попов В.Д., Верхотуров В.И. Анализ стойкости систем связи к
воздействию излучений. — М.: Радио и связь, 1993.
108. Мырова Л.О., Чепыженко А.З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к
ионизирующим и электромагнитным излучениям. — М.: Радио и связь, 1998.
109. Небабин В.Г, Кузнецов И.Б. Защита РЛС от противорадиолокационных ракет
// Зарубежная радиоэлектроника. 1990. № 5.
110. Небабин В. Г., Кузнецов И.Б. Радиоэлектронные средства противорадиолока-
ционных ракет // Зарубежная радиоэлектроника. 1990. № 7.
111. Независимое военное обозрение. 2002 № 17.
112. Никольский В.В., Никольская Т.Н. Электродинамика и распространение радио-
волн. — М.: Наука, 1989.
113. Облака и облачная атмосфера. Справочник / Под ред. И.П. Мазина и А.Х. Хрша-
на. —Л.: Гидрометеоиздат, 1989.
114. Ольгин С. Бортовая авиационная система оптоэлектронного противодействия
«Немезис» // Зарубежное военное обозрение. 2003. № 5.
115. Отчет Центра программных исследований РАН. 1993.
116. Палий А.И., Куприянов А.И. Очерки истории радиоэлектронной борьбы. — М.:
Вузовская книга, 2006.
117. Панов В.В., Саркисян А.П. Некоторые аспекты проблемы создания СВЧ-средств
функционального поражения // Зарубежная радиоэлектроника. 1993. № 10-12.
118. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. — СПб.: Лань, 2003.
119. Перунов Ю.М., Фомичев К.И., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление ин-
формационных каналов систем управления оружием / Под. ред. Ю.М. Перу-
нова — М.: Радиотехника, 2003.