电磁脉冲武器对车辆装备的损伤效应研究

李慧梅，唐彦峰，刘祥凯，邢文华

（军事交通学院 汽车工程系，天津 300161）

电磁脉冲武器已应用于实战，我国周边的大国已拥有或者正在研制电磁脉冲武器。电磁脉冲武器是一种非传统杀伤性武器，它具有瞬时巨大能量（0.001 s的能量可达1×104～1×105V/m2）、大杀伤范围以及多投送方式（导弹、战机、炮弹和人工设置）等优势，是毁伤各类电子信息系统和供电系统的武器。

随着科学技术的迅猛发展，车辆装备电器电子设备呈现技术含量高、结构复杂及逐渐增多的趋势，发挥着越来越重要的作用。在未来战争中，电磁脉冲武器将对车辆装备上电子设备运行的可靠性和稳定性构成严重的威胁。因此，采用理论分析和试验研究相结合的方法，研究电磁脉冲武器对车辆装备的威胁，为有针对性地提出有效的车辆装备防护方法提供参考。

1 电磁脉冲武器的损伤机理及特点

1.1 损伤机理

电磁脉冲武器按产生电磁脉冲的方式可分为3类[1]：1）利用低当量（约1 000 t级TNT当量）核弹在高空引爆产生电磁脉冲的“弱核爆电磁脉冲弹”；2）利用高爆炸药及相关装置（磁通压缩发生器或磁流体动力学产生器）的“非核爆电磁脉冲弹”；3）利用高功率微波器件（磁控管、虚阴极振荡器等）的高功率微波武器。后面两类统称为“非核爆电磁武器”。

电磁脉冲武器产生的电磁脉冲（电磁能量）通过“前门”、“后门”耦合等耦合途径进入电子敏感设备，对电子系统产生破坏。其作用方式如图1所示。其损伤机理主要是高压击穿、器件烧毁、微波加热、电涌冲击、瞬间干扰。

图1 电磁脉冲武器作用方式Fig.1 Effect mode of electromagnetic pulse weapon

1.2 特点

电磁脉冲武器作为一种新概念武器，与传统武器相比，在基本原理、杀伤破坏力和作战方式等方面都显著不同。其独特之处在于：

1）频谱覆盖范围大。电磁脉冲的频率覆盖范围从几Hz 到数十GHz，基本上涵盖了目前战略、战术通信使用的所有频段。

2）脉冲持续时间短。电磁脉冲武器产生的电磁脉冲，其持续时间都非常短，一般在数十纳秒至数十微秒之间。在能量相同的情况下，脉冲持续时间越短，电磁脉冲的瞬时功率越大，这对在一定距离内的电子设备的打击无疑是毁灭性的。

3）耦合途径多。电磁能量对打击目标的耦合效率是评价电磁脉冲武器杀伤力的一个重要指标。根据目标系统的2种基本分类——电子设备本身以及连结电子设备之间的导线，耦合也可以分成2 种模式：前门耦合模式和后门耦合模式。这使得对电磁脉冲攻击的防御非常困难。

4）杀伤目标多元。电磁脉冲武器堪称“全能杀手”，半径数十千米内的飞机、雷达、计算机、电话和手机等几乎所有的电子设备都“在劫难逃”。辐射出的强电磁脉冲还可以通过暴露在地面上的天线产生感应电流，进入地下破坏各种隐蔽在地下设施中的电子设备。

式中，⊗为一种模糊关系运算方式，一般有3种运算形式，本文采用加权平均法进行对应的模糊运算； fi为驾驶员对象相对于驾驶行为评价集指标的隶属度.

5）费效比高。电磁脉冲炸弹成本低廉，制造一枚普通的小型炸弹只需几百美元，远低于常规炸弹。用巡航导弹携载一枚电磁脉冲炸弹，只需出动一个架次，就可以同时打击多个目标。

6）具有软、硬杀伤能力。既可对敌方的指挥控制系统、雷达系统、通讯设备实施电子干扰，令其探测、控制和通信设备致盲、致聋、致哑，也可以定时、定点地给敌方的雷达系统、通信设备等以致命的破坏。

2 电磁脉冲武器对车辆装备的损伤效应

2.1 电磁脉冲进入车辆装备的途径

电磁脉冲主要通过以下耦合途径进入车辆装备。

1）车身、屏蔽体或机壳的耦合。对于车辆而言，车身均为金属制作，电磁能量首先辐射到车身外表面，产生趋肤电流和电荷的聚集。这些电流和电荷就像天线或开口一样，引起电磁场穿透，于是电磁能量就耦合到车辆内部。内部的能量可以耦合到电缆或管脚等物体上，进一步被引入到电磁敏感的元器件上。

屏蔽是一种有效的电磁防护措施，按照屏蔽对象的不同，车辆装备电磁屏蔽分为：车体屏蔽、线束屏蔽和电控单元屏蔽。这些屏蔽体也为电磁脉冲提供了耦合途径，比如当屏蔽电缆接收电磁波后，会在屏蔽层表面产生电流，虽有趋肤效应，但强度大，通过阻抗耦合，在芯线中也会有很强的电流流动。

2）“天线”耦合。对于车辆而言，“天线”主要包括电缆敷设的路线、导管、导管系统和金属小管管线等。电磁辐射可以在这些“天线”上感应出电流和电压，并向远方传播，引入到与之相连的设备。据报道[2]，距离高功率电磁波l km处，其场强仍能达到2～30 kV/m2，会在电缆上产生很高的感应电压。

3）缝隙和孔洞的耦合。当电磁能量入射到壳体的孔洞上时，孔洞就如同一个辐射源被激励，并在壳体内产生电磁场。车辆装备上总是存在着缝、孔、窗等缝隙，构成电磁能量耦合的后门。对于车辆装备而言，常见的屏蔽不连续形式包括：两个紧密接触的不同金属接缝（如衔接、焊接），加有金属衬垫的金属表面间接缝或孔隙通风孔或导线、电缆、水管、表头面板以及照明灯的入口。例如：车窗、发动机舱与驾驶室结合部位等。车身内各种电控单元（ECU）的屏蔽壳体大部分是用金属板材加工而成的，在接缝处难免存在缝隙，这些孔洞和缝隙的存在使得壳体的屏蔽效能大大降低。

2.2 车辆装备电磁敏感对象

图2 车辆装备上应用的电控技术Fig.2 Electronic control technology for vehicle

车辆装备电子控制装置主要由传感器、以单片机为核心的控制器及执行器3个部分组成。传感器的主要功能是检测车辆的运行参数或状态。它将非电量的有关参数或状态转化成电信号，然后提供给控制器。控制装置能否可靠稳定地运行，在很大程度上取决于控制器。它是一个典型的数字式控制器，由单片微型计算机、接口电路等硬件和软件组成。信息的采集、处理、传输和时间程序控制是控制器的主要功能。执行器由驱动部分、执行电器和机械执行机构等构成，它对车辆装备电控系统实现最终调控，按照控制器的“意图”工作。控制器输出的控制决策信号一般很小，不能直接驱动执行电器，需要专门设计驱动电路。

2.3 电磁脉冲对车辆装备的损伤效应

2.3.1 工作失灵

在受到敌方电磁干扰以及与己方其他电子设备之间的因电磁兼容问题而不能正常工作的情况常称为工作失灵。工作失灵有两种情况。一种是指电磁脉冲冲击造成的瞬时干扰出现在电路的某一输入点，其它输入点仍固定在原来的逻辑电平上，而输出暂时改变。在这种情况下，电磁瞬变过程产生的干扰信号进入放大电路，并当作控制信号，使系统失灵。另一种情况是受电磁脉冲冲击后，电路中的半导体器件闭锁。

对于车辆装备而言，主要是第1种情况。对于瞬态干扰来说，数字电路的输入线是最敏感的部位，其次是直流电源线和搭铁线。车辆装备电控系统的输入线、直流电源线及搭铁线通常都是不加屏蔽的普通导线，同时现代车辆上所采用的大量电控装置，基本上都是靠弱电信号作为控制依据的，如氧传感器、防爆震传感器、ABS的轮速传感器等，其信号电压大多小于1.0 V，工作灵敏度极高，不允许有过大的外来干扰，这样使得电控系统很容易受到这种瞬态干扰而使系统工作失灵。日本曾对车用微机进行过电磁波照射试验、脉冲噪声试验，在试验时选用了不同频率的电磁波，结果发现微机发出的误动作较多[4]。

2.3.2 功能损坏

功能损坏是指通过各种耦合途径进入车辆电子设备系统的电磁脉冲能量在设备元器件上或组件输入端建立的电流、电压一旦超过某一阈值，造成元器件或组件的永久性失效，最典型的是半导体器件的烧毁。当感应电压足够高时，晶体管发生严重的二次击穿，使其损坏；CMOS电路的氧化层介质击穿，产生短路故障；感应电流足够大以至于使集成电路内部引线过热融化，产生断路故障；有些电阻器也非常敏感，例如CMOS数字电路LC4023，最易受损的部件就是电阻（输入端多晶硅电阻）和导线（输出端铝条）；电容器在脉冲过电应力作用下，无论是充电电压，还是充放电电流，当超过电容器所能承受的容限，将发生电压击穿、热击穿或烧毁等损伤。

车辆装备遭受电磁脉冲攻击时最易受损的是电子控制系统，电控系统中最薄弱的环节是电控单元（ECU），其次是传感器。目前，车辆装备电子控制系统越来越多地采用大规模集成电路。一般情况是电子元器件的集成度越高，工作功率越小，其受损或破坏的阈值就越低。试验表明，电控单元各部件的毁坏电压比较低，如微处理器的毁坏电压约为5 V，高密随机存储器的毁坏电压为7 V，CMOS 的毁坏电压为7～15 V，高达上百千伏的电磁脉冲将很容易造成电控单元硬件的损坏。

3 模拟电磁脉冲炸弹辐射场辐射试验研究

3.1 试验方法

选取车辆装备典型系统——发动机电控系统进行试验。试验参考GJB 151A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》和GJB 152A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》中的瞬变电磁场敏感度试验（RS105）以及GJB 1389A-2005《系统电磁兼容性要求》中的有关要求和程序实施。试验电磁场波形为：脉冲峰值E0大于50 kV/m，脉冲前沿小于10 ns，后沿大于75 ns，如图3 所示。试验环境强度见表1。

图3 试验用电磁脉冲波形Fig.3 Electromagnetic pulse waveform of test

表1 辐射试验环境强度Table 1 Strength of radiation test environment

3.2 试验结果

试验结果见表2。

表2 辐射试验试验现象及数据Table 2 Phenomena and data of radiation test

由表2 可以看出：当脉冲触发时间在点火信号处于高电平时，电控系统的点火信号受到干扰但不会错乱，转速信号基本正常，喷油信号出现意外触发现象；当脉冲触发时间在点火信号处于低电平时，喷油信号出现多次意外触发现象，电控系统的点火信号受到干扰发生错乱并持续一段时间，外加电压到达一定程度时，转速信号也随之发生错乱并持续一段时间。干扰后发动机电控系统都能恢复正常工作，没有造成硬损伤。

4 结论

1）针对电磁干扰作用三要素，分析了电磁脉冲武器的特点、车辆装备电磁能量耦合途径和车辆装备上的电磁敏感对象。结果表明：车辆装备电磁能量耦合途径多、电磁敏感对象多，这大大增强了车辆装备对电磁脉冲武器的易感性。在未来战场上，要加强对车辆装备的电磁防护。车辆装备的电磁防护可以从减少耦合途径、加强敏感对象防护入手。

2）电磁脉冲武器对车辆装备的损伤效应主要是工作失灵和功能损坏。车辆装备遭受电磁脉冲攻击时最易受损的是电子控制系统，电控系统中最薄弱的环节是电控单元（ECU），其次是传感器。

3）电磁脉冲炸弹的电磁脉冲辐射峰值场强≯105 kV/m 时，会造成发动机电控系统短暂的可恢复性信号消失，但不会造成硬损伤。随着峰值场强的增加，电控系统遭到的破坏渐趋严重。在何种情况下会出现功能损坏，损坏现象如何，需要进一步补充试验进行研究。

[1]徐惕.电磁脉冲武器发展新动向[J].通信导航与指挥自动化，2007，6（5）：70—74.

[2]王远，郭宜忠，宫迅勋，等.电磁脉冲武器对雷达的损伤效应及防护措施[J].航天电子对抗，2006，22（6）：17—19.

[3]杨生辉，唐彦峰，刘祥凯，等.复杂电磁环境下车辆装备保障措施研究[J].军事交通学院学报，2009，9（4）：32—34.

[4]刘军民，王鹏飞.现代车用微机抗电磁干扰技术分析[J].交通标准化，2005，33（1）：66—68.