高功率微波定向能車輛阻停系統(tǒng)研究進展

高功率微波定向能車輛阻停系統(tǒng)研究進展

高增益天線后定向“彈射”的目近年來，美國、德國等國家通過大量的聯(lián)合調(diào)查和成功開發(fā)，配備了公共安全官員和部隊，特別是“反車輛”的高效微波網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它利用超寬帶微波源產(chǎn)生的強輻射場,或高功率微波源產(chǎn)生的窄帶微波脈沖,通過高增益天線后定向“射擊”運動中的機動車輛,以“非致命”手段“削弱”或“破壞”車輛的點火裝置或發(fā)動機電子控制裝置,從而使車輛突然減速或停止,達到禁止其進入特定區(qū)域或保護重要目標(biāo)不受車輛沖擊的目的。這種系統(tǒng)是把戰(zhàn)爭期間使用的高技術(shù)系統(tǒng)成功轉(zhuǎn)化為了和平利用的裝備,專門針對公共區(qū)域恐怖犯罪和駕車自殺式襲擊等場合,用于保護重要的目標(biāo),如軍事戰(zhàn)略目標(biāo)(如作戰(zhàn)司令部、導(dǎo)彈發(fā)射架、機場、軍港等)、政治目標(biāo)(行政大樓、國家形象標(biāo)志等)、經(jīng)濟戰(zhàn)略目標(biāo)(如核發(fā)電站、工廠、水庫等)、以及公共場合和交通設(shè)施中人民群眾生命等免受車輛的自殺式襲擊。此外,這種系統(tǒng)還可用于犯罪分子駕車逃逸時的追捕、高速交通控制等多種場合。1車載與直升機聯(lián)通停車系統(tǒng)的研制到目前為止,高功率微波定向能車輛阻停系統(tǒng)的發(fā)展主要采用兩種技術(shù)方案。一種是基于超短和超高電壓發(fā)生和成形技術(shù)以及皮秒(ps)級超快開關(guān)技術(shù)的超寬帶高功率微波系統(tǒng)(UltraWideBandHighPowerMicrowave,WBHPM),主要以美國尤若卡太空研究署(EurekaAerospace)為美國公安武警研制的車載與直升機搭載的停車系統(tǒng)(CarStoppingSystem),以及德國戴爾軍工裝備集團公司(DieHL)研制的便攜式路邊安置型與車載的停車系統(tǒng)最具有代表性。另一種是基于小型化緊湊型脈沖功率技術(shù)與虛陰極后加速管(Reltron)技術(shù)的窄帶高功率微波定向能車輛阻停系統(tǒng)(DirectedEnergyVehicleStopperSystem),主要以美國陸軍研究實驗室(ARL)研制和發(fā)展并安裝于巡警車上的車輛阻停系統(tǒng)為代表。1.1微波定向能停車系統(tǒng)美國尤若卡航空署專門為美國公安武警研制和裝備的超寬帶高功率微波系統(tǒng),分別裝備于直升機和豐田皇冠勝利者號公安武警巡邏車上,并于2005年在洛杉磯公開演示,所產(chǎn)生的350MHz-1.35GHz的超寬帶高功率微波輻射,可以在50m的距離內(nèi),100%摧毀汽車電子控制系統(tǒng),強迫其停車,這種系統(tǒng)如圖1(a)和(b)所示。其物理設(shè)計原理如下:來自汽車發(fā)電機的12V、2kW電能,首先利用逆變技術(shù)將12V電壓轉(zhuǎn)換為270V,并對10μF的儲能電容充電;然后,利用脈沖變壓器將270V、10μF的放電脈沖,轉(zhuǎn)換為40kV的高電壓,對馬克斯發(fā)生器(MarxGenerator)沖擊電容進行并聯(lián)充電;隨后,利用觸發(fā)器使馬克斯發(fā)生器串聯(lián)放電,產(chǎn)生640kV的輸出電壓,對脈沖形成線充電;最后,利用先進的高氣壓、多通道、無分布電感、無分布電容的皮秒開關(guān)技術(shù),將脈沖的前沿壓縮到100ps水平,并產(chǎn)生脈沖寬度為ns數(shù)量級的電壓脈沖。伴隨著皮秒開關(guān)的導(dǎo)通,變阻抗線型振蕩器可產(chǎn)生350MHz-1.35GHz的超寬帶高功率微波,輻射峰值功率應(yīng)該在10GW水平。為了減小天線重量和尺寸,減小裝載汽車行駛時的阻力,該停車系統(tǒng)使用了三角形板狀輻射或拋物面天線,可以兼顧摧毀目標(biāo)區(qū)的面積和距離。圖1(c)和(d)給出這種系統(tǒng)的物理設(shè)計框圖及其微波輻射測試結(jié)果。德國戴爾軍工裝備集團公司研制的便攜式路邊安置型與車載型的超寬帶高功率微波發(fā)射系統(tǒng),可以在6-15m的范圍內(nèi),100%地摧毀行駛車輛的電子控制系統(tǒng),迫使其停車,其原理見圖2(a)。由于德國軍方研究工作的保密性,當(dāng)前沒有找到公開發(fā)表的研究成果報道。但是通過美國對德國產(chǎn)品的介紹,可以了解到他們研制的系統(tǒng)型號分為三個級別:DS11系列、DS110系列、DS350系列。最具代表性的是DS11,圖2(b)給出了其正在進行摧毀坦克電子控制系統(tǒng)的測試現(xiàn)場,圖2(c)和(d)給出了DS11的結(jié)構(gòu)照片和微波輻射測試結(jié)果。DS11的物理設(shè)計指標(biāo)為,馬克斯發(fā)生器的放電電壓為VMG=300kV,為6級電容串聯(lián)方式,放電脈沖上升前沿和放電脈沖寬度不詳。不過從微波輻射脈沖寬度和上升前沿測量波形,可以估計放電脈沖的前沿、脈沖寬度分別在1ns和10-20ns左右,輻射頻率中心頻率可以在350MHz左右,停車作用距離在1m左右。其后,研制的升級性的DS110系統(tǒng)在距離輻射源2m處,輻射電場強度為ERF=35kV/m,儲能為EMG=200J,當(dāng)前馬克斯發(fā)生器的最高輸出電壓可達800kV,可以提高輻射場強,作用距離達到6-15m左右。作為技術(shù)儲備、效應(yīng)研究和未來裝備正在研制的DS350超寬帶高功率微波輻射系統(tǒng),馬克斯發(fā)生器的輸出電壓已經(jīng)達到1000kV,利用偶極輻射天線開展實驗室輻射參數(shù)和效應(yīng)研究,研究結(jié)果尚未公開。作為比較和設(shè)計借鑒,表1列出了美國尤若卡航空署和德國戴爾軍事裝備集團公司研制的微波定向能停車系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)?？梢钥闯?當(dāng)前在超寬帶高功率微波系統(tǒng)研究領(lǐng)域,已經(jīng)達到的技術(shù)指標(biāo)為:馬克斯發(fā)生器的輸出電壓VMG=100-1000kV,輸出能量EMG=0.1-200J;脈沖成形線的輸出電壓VPFL=100-500kV;輸出電壓脈沖的上升前沿τr=100-250ps,脈沖寬度在τ=20-300ns;超寬帶微波輻射頻率分布fRF=35MHz-10GHz;微波輻射強度R=1m處達到ERF=300kV/m,在R=50m處ERF=20kV/m。一般來說,在1-50m的范圍內(nèi),能夠100%地摧毀行駛車輛的電子控制系統(tǒng)迫使其停車。1.2車輛阻停系統(tǒng)效能在窄帶高功率微波定向能車輛阻停技術(shù)方面,美國陸軍研究實驗室(ARL)從上世紀(jì)80年代就開始進行利用高功率微波使車輛減速直至完全停止的研究,其應(yīng)用目標(biāo)是通過非致命手段禁止車輛進入特定區(qū)域,或提供一種在危險的高速追逐場合阻停車輛的手段。圖3(a)給出了ARL研制的窄帶定向能車輛阻停系統(tǒng)工作示意圖。90年代,ARL利用研制成功的定向能車輛阻停系統(tǒng),分別利用奔馳、雪佛蘭、豐田、道奇、福特、大眾等車型車輛進行了阻停作用效能研究,結(jié)果非常理想,如圖3(b)所示。他們研制成功的系統(tǒng)采用峰值功率為50MW的虛陰極后加速管Reltron,如圖3(c),脈沖寬度0.5-1μs,重復(fù)頻率1-300Hz,波導(dǎo)縫隙陣列天線增益為30dB,對車輛阻停的作用距離約為200m左右,作用處的微波功率密度約10W/cm2。同時,車輛阻停系統(tǒng)可以通過Reltron及其頻帶調(diào)諧技術(shù),以滿足對不同車輛的阻停作用效能的需求。近幾年,ARL研制成功的用于公路執(zhí)法的車輛阻停系統(tǒng)體積非常之小,完全安裝在執(zhí)法車上機動使用,可采用2MW的微波功率源,天線增益13dB,作用距離較短。此外,俄羅斯高功率微波系統(tǒng)的研制起步很早,據(jù)報導(dǎo)20世紀(jì)90年代,俄羅斯研制出了高功率微波系統(tǒng)試驗樣機,還進行了外場試驗,該系統(tǒng)能殺傷10km以外的空中目標(biāo)。但由于俄羅斯有關(guān)高功率微波系統(tǒng)的發(fā)展極其保密,有關(guān)資料也是少之又少,因此目前是否已經(jīng)研制成功并裝備定向能微波系統(tǒng)尚不得而知。此外,國際上英、法、日等世界軍事大國也在積極研制高功率微波定向能系統(tǒng)。近幾年,我國在脈沖功率和高功率微波技術(shù)方面得到了長足的發(fā)展,但作為高功率微波的重要應(yīng)用方向,在車輛阻停系統(tǒng)方面的相關(guān)研究工作尚未開展。同時,目前國際上有關(guān)車輛阻停系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)對我國都是禁運的。2應(yīng)用發(fā)展趨勢把軍事上超寬帶高功率微波系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可以裝備公安武警巡邏車和直升飛機的高技術(shù)系統(tǒng)裝備時,由于裝備的平臺和打擊的對象發(fā)生了質(zhì)的變化,所以其技術(shù)路線和設(shè)計指標(biāo)都發(fā)生了變化。從表1中總結(jié)歸納的美國和德國發(fā)展的超寬帶高功率微波系統(tǒng),以及窄帶高功率微波車輛阻停系統(tǒng)的基本物理指標(biāo)可以看出,當(dāng)前公安警用車輛阻停系統(tǒng)研究工作正在朝著小型化緊湊型、更高電壓、更高能量、更高功率、更快脈沖前沿以及長脈寬等方向發(fā)展,以便在更大范圍、更遠距離、產(chǎn)生更大能量和功率、更寬輻射頻率、更好的車輛阻停效果和殺傷力。具體發(fā)展趨勢如下:(1)首先是系統(tǒng)要小、結(jié)構(gòu)緊湊,以便安裝在公安巡邏車和直升飛機上。(2)為了在有限尺度的空間范圍內(nèi),所裝備的停車系統(tǒng)可以產(chǎn)生極高場強和超寬帶高功率微波輻射,需要不斷提高系統(tǒng)馬克斯發(fā)生器的輸出電壓。同時,以平方關(guān)系提升車輛阻停系統(tǒng)的輻射功率和輻射能量。所以,馬克斯發(fā)生器的輸出電壓具有多重關(guān)鍵的作用,從而給物理設(shè)計和工程設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。(3)在車輛阻停系統(tǒng)一定工作電壓和特定裝備條件下,為了進一步提升超寬帶高功率微波輻射源的輻射能量,增大作用范圍和距離,需要不斷增大馬克斯發(fā)生器的儲能能量,也就是說,要盡可能增加無電感電容器的容量,同時增大了微波輻射功率。(4)在一定工作電壓、一定能量、一定脈沖寬度和一定的空間條件下,要盡最大可能的將放電脈沖(振蕩器電壓脈沖)的前沿壓縮到最大極限,提升輻射微波的頻率上限、擴充輻射微波的頻率帶寬,使對所打擊的目標(biāo)不需要很高的選擇性,以便把超寬帶微波停車系統(tǒng)的特長發(fā)揮到極致。(5)由于傳統(tǒng)的天線色散特性不能夠用在超寬帶高功率微波輻射發(fā)生器中,因此需要研制性能更優(yōu)異和高功率的天線和發(fā)射技術(shù),以實現(xiàn)近距離大范圍和遠距離的兼容性。(6)超寬帶微波定向能車輛阻停系統(tǒng)技術(shù)方案,著重于對近中距離(100m以內(nèi))目標(biāo)作用的應(yīng)用。而基于Reltron高功率微波源的窄帶定向能車輛阻停系統(tǒng)技術(shù)方案,則著重于中遠距離(100m至上千米)目標(biāo)作用的應(yīng)用,該方案將是下一代公安警用裝備重要的發(fā)展方向。3為車輛鋪平壓力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)3.1壓縮單炮脈沖的力度100-300ps的脈沖前沿是產(chǎn)生超寬帶高功率微波輻射的高頻成份主要貢獻者,而500ps-5ns的脈沖寬度是產(chǎn)生超寬帶高功率微波輻射中頻和低頻成份的主要貢獻者。如何將500kV放電脈沖的上升前沿壓縮到100-300ps的范圍內(nèi)是至關(guān)重要的,以便覆蓋超寬帶的高頻微波。通過放電能量為200J的馬克斯發(fā)生器既要產(chǎn)生500kV數(shù)量級的高放電脈沖,還要將脈沖寬度壓縮到100-300ps數(shù)量級范圍內(nèi),技術(shù)難度較大。所以,如何采用“無分布電感、無分布電容”的先進設(shè)計理念,以及多通道、短間隙、高氣壓開關(guān)技術(shù),是超寬帶車輛阻停系統(tǒng)研制面臨的技術(shù)難點。3.2傳統(tǒng)脈沖成形線的性能與消極影響超快脈沖成形線技術(shù)是進一步壓縮放電脈沖前沿和放電脈沖寬度的承擔(dān)者,這就要求它們具有極小的分布電感和自身電感,以及分布電容和自身電容等極端苛刻的要求。傳統(tǒng)的脈沖成形線在500ps-5ns的時間范圍內(nèi)是沒有辦法實現(xiàn)500kV的充電電壓、200J的儲存能量。同時,傳統(tǒng)的脈沖成形線是鋼件結(jié)構(gòu),在小空間不易安裝,防機械振動損壞性能差。所以,必須采用非鋼性材料和阻抗轉(zhuǎn)換技術(shù),同時實現(xiàn)500kV的高電壓放電、200J的高儲存能量和500ps-5ns的超短脈沖寬度。3.3功率微波發(fā)射超寬帶微波振蕩器和天線是超寬帶高功率微波的直接產(chǎn)生者,也是超寬帶高功率微波的發(fā)射者。其工作電壓高達500kV。這對公安武警應(yīng)用要求的結(jié)構(gòu)極端緊湊的車載系統(tǒng)來說,在如此小的空間范圍內(nèi),如何防止高電壓擊穿、電介質(zhì)材料擊穿、振蕩器表面電弧放電損傷等都是非常重要的技術(shù)。3.4電子束調(diào)制腔和后加速腔的設(shè)計Reltron是束流后加速器件,是遠距離工作的窄帶定向能車輛阻停系統(tǒng)最核心的器件及關(guān)鍵技術(shù)。首先,電子束發(fā)射源采用冷陰極材料,既要產(chǎn)生大電流密度調(diào)制電流,又要使其長壽命,因此研制出具有產(chǎn)生大電流密度和長壽命的陰極材料非常重要。其次,如何設(shè)計電子束調(diào)制腔、后加速腔以及高功率微波輸出腔,使其能量轉(zhuǎn)換高達40%-50%左右也是一項非常關(guān)鍵的技術(shù)。此外,由于調(diào)制電子束的電壓和后加速電壓來自同一個馬克斯發(fā)生器,劃分比例大約為1:4。這對于輸出電壓為500kV的馬克斯發(fā)生器來說,這個分壓器的耐壓能力非常關(guān)鍵。3.5輻射源和振幅窄帶定向能車輛阻停系統(tǒng)采用波導(dǎo)縫隙陣列天線,通過其陣列源和波導(dǎo)喇叭口將波束輻射給目標(biāo)。波導(dǎo)縫隙陣列天線的關(guān)鍵技術(shù)是電磁特性設(shè)計與工程實現(xiàn),以及天線系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)性能研究等。3.6ron源及后加速調(diào)制器、控制及顯示系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及兩個方面:第一,將超高電壓脈沖發(fā)射器、超快開關(guān)技術(shù)、Reltron源、后加速調(diào)制器、微波發(fā)射天線等分機的控制、監(jiān)測、保護以及數(shù)據(jù)處理功能集成于系統(tǒng)平臺,以實現(xiàn)系統(tǒng)中各分機實時統(tǒng)一控制和有效協(xié)同工作;第二,在高壓與高功率微波源同時工作的復(fù)雜電磁環(huán)境下,通過仿真計算和試驗,確定并實施保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的電磁兼容解決方案。4公安警力系統(tǒng)由于微波定向能車輛阻停系統(tǒng)的作用距離遠,機動性能好,可以裝備到地基、車載、艦艇和飛機等作戰(zhàn)平臺供公安武警部隊使用,從而使其具有了在陸、海、空、天戰(zhàn)場全方位、普遍化部署的態(tài)勢。同時,由于對車輛的阻停作用在殺傷性、經(jīng)濟性、易部署、易操作和受法規(guī)制約弱等潛在優(yōu)勢,使得該系統(tǒng)的應(yīng)用需求可以擴展到了公共安全諸多領(lǐng)域。綜合而言,我國對于微波定向能車輛阻停系統(tǒng)的應(yīng)用需求主要表現(xiàn)在:5微波定向能車輛阻停系統(tǒng)微波定向能車輛阻停系統(tǒng)是近年來美國、德國等國家投入巨資研發(fā)成功并裝備公安武警和部隊,專門應(yīng)用于“反車輛”的一種高功率微波定向能電子系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是把戰(zhàn)爭期間使用的高技術(shù)微波系統(tǒng)成功轉(zhuǎn)化為了和平時期的裝備,專門針對公共區(qū)域恐怖犯罪和駕車自殺式襲擊等場合。在超寬帶微波定向能車輛阻停系統(tǒng)方面,美國研制成功的系統(tǒng)已經(jīng)裝備于直升機和公安武警巡邏車上,作用距離50m左右,德國研制成功的小型化便攜式系統(tǒng)可以安裝在路邊和車輛尾部,作用距離6-15m左右;美國ARL研制成功的基于虛陰極后加速管的窄帶高功率微波定向能車輛阻停系統(tǒng),利用微波源產(chǎn)生50MW輸出功率,通過高增益天線可以在數(shù)百米距離內(nèi)達實現(xiàn)高速運動車輛的阻停。目前,這兩種形式的車輛阻停系統(tǒng)或者作為成熟產(chǎn)品已經(jīng)裝備和應(yīng)用于公安武警系統(tǒng),或作為實驗室演示樣機正在進行研制和實驗。目前,我國在脈沖功率技術(shù)和高功率微波源方面已經(jīng)具有了相當(dāng)?shù)难芯磕芰?。因?應(yīng)該借鑒美國和德國的已有技術(shù)和研究成果,以及在相關(guān)方面積累的研究工作基礎(chǔ)和經(jīng)驗,盡