定向能非致命武器

2011-06-18吕春花杨俊强

中国电子科学研究院学报 2011年6期

毛征，远菲，吕春花，杨俊强

(北京工业大学，北京 100022)

0 引言

定向能非致命武器(也成为软杀伤武器)的定义:指武器所发出的能量是沿着一定方向传播，并且在一定距离范围内该武器可以使对方人员暂时失去作战能力，或者对方武器系统结构、材料及某些电子设备等有杀伤破坏作用，以致暂时不能正常工作。但它不会对人员造成致命性杀伤，也不会留下永久性伤残，同时也不会对电子设备、材料、环境等造成大规模严重破坏的一类武器统称[1]。

定向能非致命武器，从使用效果上可分为两大类:对付人的定向能非致命武器和对付武器的定向能非致命武器。

对付人的定向能非致命武器一般通过照射单兵或人群的眼睛，使其视网膜暂时失去作用，产生暂时迷失方向、精神错乱、晕眩、行动困难等现象，使人暂时性致盲，但在一段时间后视觉重新得到完全恢复。

对付武器的定向能非致命武器从能量级别上分高能定向能非致命武器和中低能定向能非致命武器两类。高能定向能非致命性武器，是一种大型的或高效率的激光装置，能发射极高的激光能量，主要用于摧毁敌方的导弹、无人机等威力较大的军事目标或大型的武器装置，或使基础设施无法使用;中低能定向能非致命武器，主要能使敌方光电传感器破坏、光电探测器损坏，电子设备失灵，阻止车辆行驶或飞机起飞，破坏计算机操作系统，使金属材料、复合材料变质退化，使燃料呈胶状失去流动性、干扰侦察通信系统等。

同时有的定向能非致命武器既可攻击人，又可攻击武器装备[2]。

由于激光、微波技术在非致命性武器中得到广泛应用，且技术较为成熟，下面主要对激光、微波定向能非致命武器的破坏机理、基本原理、现状及发展趋势给予一定的论述。

1 定向能非致命武器破坏机理

目前，发展中的定向能非致命武器主要包括激光武器、微波武器和粒子束武器等。下面主要讨论激光武器和微波武器的破坏机理。

1.1 激光武器的破坏机理[3～5]

激光对光电传感器损伤机理主要有热损伤机制、缺陷型损伤机制、电子雪崩型损伤机制、自聚焦型损伤机制、多光子电离型损伤机制和强光饱和型失效机制等形式。

损伤机制，是指在激光照射加热下会使半导体光电器件的工作波长向长波移动，也就是说发生红移现象，从而使该器件原工作波长光谱响应下降，其工作性能遭到破坏。另外材料加热也会引起材料介电常数发生变化，改变半导体材料光学特性。

缺陷型损伤机制，是指激光强度足够大时，将使光电器件发生熔融而造成局部缺陷损伤;或使热应力集中部位形成裂纹，甚至发生局部破裂而造成局部缺陷损伤;或使半导体材料表面气化而造成缺陷损伤。

电子雪崩型损伤机制，是指激光强度达到一定程度时，将使光电器件造成雪崩击穿，从而使器件彻底破坏。

自聚焦型损伤机制，是指由于激光在光学材料传播的自聚焦现象，当激光强度达到一定程度时，将产生光学器件的破坏效应。

多光子电离型损伤机制，是指当激光照射半导体材料时，将产生场致电离，或称之为多光子电离，这将使该材料的介电常数发生变化。

强光饱和型失效机制，是指当照射激光超过器件的最大负载值时，将发生强光饱和现象;对于光电制导武器来说，当光电导引头的传感器达到饱和深度而有几秒失效时，就已使精确制导武器失去制导能力，偏离打击目标。

作战时，激光武器是利用激光束的能量，在瞬间杀伤目标或使其丧失作战效能的定向能武器。它利用强激光束照射目标，在目标表面上产生极高的功率密度，使其受热、燃烧、熔融、雾化或汽化，并产生GPa(吉帕斯卡)以上压力的超高压冲击波，从而毁坏目标。激光武器的出现和在未来的使用，被科学家们认为“具有使传统的武器系统发生革命性变化的潜力，并可能改变战争的概念和战术”[3]。

人的眼睛是一个精密的光学系统，激光按其波长的不同可以损伤人眼的角膜或视网膜。从人眼系统角度看，影响激光与人眼的几个参数是:系统光学增益、波长透过率以及视网膜有效吸收系数等。

就对视网膜的损伤而言，由于眼底前各介质对入射光的聚焦作用，使视网膜处入射光的能密度比角膜入射量高105倍，所以较低的角膜入射剂量可引起眼的严重损伤，比如视网膜凝固，脉络膜血管破裂、出血乃至视网膜爆裂。

当激光武器照射到敌方作战人员时，由于眼睛的自动调焦作用，激光进入眼球后必然损伤其中心视力区，造成敌人中心视力的严重破坏。对于作战人员来说，眼睛是最重要的。如果使敌方人员的视觉功能暂时性丧失，这就是对敌方有生战斗力的强大杀伤，可以使我方掌握战斗的主动权。

1.2 微波武器的破坏机理[6]

微波武器对电子系统的影响，主要是通过微波与目标之间的能量传导耦合、辐射耦合、电效应等物理特性来发挥作用的。其作用模式分别为:热效应、射频干扰和“浪涌”效应、强电场效应及磁效应。

作战时，微波武器使用电能产生微波，用强烈的定向微波照射目标(波段频率为4 GHz～20 GHz)，从而产生快速、密集的能量波束，这种波束作用在电子系统上会产生热效应，伴随着电磁辐射会引起射频干扰和“浪涌”效应，同时强电磁波会形成强电场，从而引起强电流，并伴随形成强磁场。这一系列的效应不仅可以穿透电子系统中包含的微电子器件、电磁敏感电路，还可以渗透到屏蔽较差的武器系统里，使电路器件或电路的性能参数劣化，甚至使其功能完全失效，或者在电路器件或电路中埋下潜在的危害，使器件或电路的可靠性降低，缩短器件或电路的使用寿命。

杀伤机理分为“非热效应”和“热效应”。非热效应指当微波照射强度低时，使导弹和雷达的操纵人员、飞机驾驶员及炮手、坦克手等的生理功能紊乱(如烦躁、头痛、记忆力减退、神经错乱及心脏功能衰竭等)。微波的功率密度达到13 mW/cm2时，武器操纵人员的工作状态会发生变化，导致武器系统失灵。热效应指在高频率微波照射下，人的皮肤灼热，眼白内障，皮肤内部组织严重烧伤和致死等。当微波的功率密度为0.5 W/cm2、单个脉冲释放的能量达到20 J/cm2时，会造成人体皮肤轻度烧伤;当功率密度为20 W/cm2时照射2 s，可造成三度烧伤;当功率密度为80 W/cm2时，仅1 s就可致人于死。

微波武器对各种电子设备造成不同程度的破坏，使其丧失作战效能。当微波的功率密度为0.01 ～1 μ W/cm2时，可以干扰相应频段的雷达、通信、导航设备的正常工作;0.01～1 W/cm2时，可使探测系统、C4ISR系统和武器系统设备中的电子元器件失效或烧毁;10～100 W/cm2时，高频率微波辐射形成的瞬变电磁场可使金属表面产生感应电流，通过天线、导线、电缆和各种开口或缝隙耦合到卫星、导弹、飞机、舰艇、坦克和装甲车辆等内部，破坏各种敏感元件，如，传感器和电子元器件，使元器件产生状态反转、击穿，出现误码、记忆信息抹掉等。强大的电磁辐射会使整个通信网络失控，这是因为大脉冲功率超过敏感元器件的额定值，设备会因过载而造成永久性毁伤。如果辐射的微波功率足够强，则装备外壳开口与缝隙处可以被电离，从而变成良导体;103～104 W/cm2时，会在很短的时间内使目标受高热而破坏，甚至能够提前引爆导弹中的战斗部或炸药。

2 定向能非致命武器的现状及发展趋势[7，8]

2.1 国外发展现状

2.1.1 激光武器

2005年11月美国向外界公布，空军研究实验室研究成功一款实用型单兵携带的非致命激光枪，发射波长为650 nm。这种激光步枪可以利用它的能量来驱散人群和阻止敌人攻击，并可自动感知与目标的距离，因而避免了对眼睛的永久性伤害或失明。这种武器称为“阻止人员和刺激响应”激光步枪。它的尺寸和重量与全负荷的M16步枪相似，但射出的子弹是低功率的激光束，使受光者瞬间就象直视太阳，强烈的眩光使其迷失方向。美国海军研究了舰船自卫用的激光弹药，采用127 mm火炮发射，利用炸药爆炸的能量产生激光束，致盲反舰导弹的敏感光学系统。以色列国防军也即将开始部署这种高能激光武器。英国国防部研制了一种名为复仇女神的定向红外干扰系统，用于干扰敌方的远程红外制导导弹，并为自己的飞机提供主动防御。有资料介绍，俄罗斯基洛夫级核动力巡洋舰上已装有防御导弹的氟化氚红外激光定向能武器，其有效作用距离达10 km。美国最新研制的PHASR非致命激光步枪，如图1所示。

图1 美国最新研制的PHASR非致命激光枪

2.1.2 微波武器

自从1973年第1台高功率微波源问世后，经过30多年的发展，高功率微波技术已逐渐走向成熟。微波功率从最初的几百MW发展到目前的15 GW，频率从1 GHz发展到140 GHz以上。高功率微波武器将搭载于巡航导弹、防区外导弹及其他空地导弹，用于压制敌方防空系统和信息进攻武器。美国在“沙漠风暴”行动中已采用了微波弹。由雷神公司联合研制一种被称为主动驱散系统(ADS)的武器，如图2所示。南非丹尼尔公司开发研制的微波武器，如图3所示。它们可以通过微波将人体皮肤内的水分子加热到沸腾状态，由此产生的剧痛足以让任何试图接近的敌人迅速逃离。而当你脱离微波束的作用半径后，一切便会恢复正常，不会有任何残留的疼痛感。

图2 安置在“悍马”吉普车上的定向能武器

图3 南非丹尼尔公司微波武器

2.2 国内发展现状

我国在定向能非致命性武器的研究方面，与国外发达国家相比起步相对较晚，技术水平与理论水平有一定差距，但是也取得了很大进展。1990年开始我国加大激光武器的研制力度，在激光器方面陆续进行了CO2激光器(电激励、气动激励)、化学激光器和自由电子激光器等探索工作。1996年，我国新一代飞秒超强激光装置研制成功。上海光机所强光光学开放研究实验室成功建立了当前我国最为先进的5.4 GW级小型化超强超短脉冲激光装置。同时单兵种非致命激光武器(激光枪)，已经应用于特种部队。国内开发研制的激光眩目武器，如图4所示。

图4 国内开发的激光眩目武器

我国也进行了大量高功率微波的研究工作。电子科技大学、西北核技术研究和中物院应用电子学研究所等一些科研单位也进行了大量的研究工作。成功研制了一套新体制HPM短脉冲雷达及一系列高功率微波源(如，S波段相对论磁控管、X波段相对论返波管、8 mm绕射辐射振荡器和EPA-90脉冲线加速器)等。

2.3 发展趋势

经研究分析可以发现，目前世界各国普遍重视的定向能非致命武器有以下几个发展趋势。

(1)创新性:与传统武器相比，定向能非致命武器采用现代高新技术和全新概念的设计思想、加工材料和结构原理等，因此武器的性能与传统武器相比，有很大的突破和提高，具有很高的作战效能。定向能非致命武器在各方面都具有显著的突破与创新，它是创新思维和高新技术相结合的产物。

(2)高效精确性:定向能非致命武器是靠能量来杀伤破坏目标，只要作战前将能量储备好，作战时就能实施连续攻击，不受“弹药”基数的限制。大多数定向能非致命武器属于无惯性武器，射击时无后坐力，操作使用灵便，可快速变换射向，一个武器可同时攻击多个目标。定向能非致命武器攻击运动目标时，无需提前量，只要瞄准目标发射即可，命中精度极高。

(3)时代探索性:随着时代发展和科技进步，某一时代的新武器将日趋成熟并得到广泛应用，继而也就转化为传统武器。但探索性定向能非致命武器的高科技含量远比传统武器多、探索性强、技术难度大、资金投入大，其发展在技术、经济、需求及时间等方面具有诸多不确定因素，因此也具有较高的风险。

(4)非致命性:定向能非致命武器的非致命性是新概念武器的又一个重要特点，随着人类社会的进步，其“非致命性”迎合了人类生存与和平发展的需要，在道义上易于被爱好和平的人们接受。

(5)一体化，配套化发展:能够将一个单兵所需的各种武器及弹药，集中有序的放置在一个体积不大的战术箱内，当遇到战斗时，单兵只需携带一个战术箱，就能满足战斗需要。这既节省时间，又不容易出差错。因此武器一体化，配套化是未来定向能非致命性武器的发展趋势。

3 定向能非致命武器的应用范围[9～13]

冷战结束后，世界军事格局发生了变化，战略重点也发生了转变。大规模消灭敌人有生力量，大量占领敌军领土，不再是未来军事活动的最终目标，因此强杀伤性武器，如，飞机、坦克、大炮、机枪等往往派不上用场，而定向能非致命武器在镇压暴动、解救人质、反恐与维和，以及防止武装冲突升级等方面却大有用武之地。下面主要介绍几个定向能非致命武器的应用实例。

(1)低能激光枪:低能耗的激光武器于20世纪90年代初就已研制成功，可用来打击武器光电系统、光电通讯设备，也可以使敌方作战人员暂短致盲，失去战斗力。

(2)超高频辐射武器:能够让无线电侦察、通讯、定位和控制设备瘫痪，超高频武器则可以破坏人的大脑及中枢神经系统的工作，使人出现耳鸣，听到并不存在的噪声，甚至能损伤人的内脏器官，且可能致命。超高频发生器可借助普通炸弹投放到敌人的领土。

(3)微波枪:美国空军研究实验室研制的“痛击波”(Pain Ray)武器，它能够发射出高能能源束，这种高能光束的温度并不会烧伤人的皮肤，但会使人瞬间产生一种难以忍受的巨大灼热感，导致神经失控，浑身焦热难耐。

(4)绿色激光器:美国研制的PDLP(个人防护激光指示器)。它是利用人的眼睛对绿色比较敏感这一特点制造出来的，PDLP在照射到攻击者的眼睛后，可以使人头晕目眩，产生令人迷惑，迷失方向的效果，并且如果长时间的照射人眼会导致数小时的失明。个人型的PDLP是一种方便实用的个人防身工具。

(5)射频车辆拒止装置:美国开发的射频车辆拒止装置采用高功率射频能量让车辆发动机传感器和电路失能使发动机停转。其目标是所开发的系统只要射频束照射到被瞄准的车辆上，效应就持续，一旦停止照射，发动机就能重新发动。这种装置主要用来完成支援检查站和入口管制站的任务。

4 定向能非致命武器的原理结构和设计要求

4.1 定向能非致命武器的原理结构

定向能非致命武器系统主要由电源、定向能产生器、能量控制单元、测距/能量分析单元、跟踪瞄准器和发射/接收装置等组成。系统结构图，如图5所示。

电源的主要作用是供电。

定向能产生器主要作用是连续产生定向能束。

发射装置主要作用是根据跟踪瞄准器提供的目标的位置、距离和方向，将定向能束准确地发射到目标上，并力求达到百发百中。

图5 系统结构图

跟踪瞄准器的主要作用是可以精确地跟踪、瞄准被打击的目标，并且能够快速导引激光束对准目标，进行射击，并能够判定杀伤破坏的效果。

接收装置可接收目标反射的能量。

测距/能量分析单元根据可根据所接收的反射能量进行分析，并对目标测距。

能量控制单元对“测距/能量分析单元”所提供信息，即目标距离与环境情况，控制“定向能产生器”所产生的能量，对目标进行有效的打击，但又不造成致命伤害。

工作时，“定向能产生器”产生弱的连续定向能，对目标与环境进行测量。根据反射的回波，确定目标方位、距离和环境因素，控制“定向能产生器”产生必要的能量，由装置定向发出能束。当定向能束照射到目标时，会对目标产生一定的破坏或暂时性损伤的效果。在此过程中，跟踪瞄准器将连续对目标进行跟踪，并且对目标被杀伤破坏的效果给出判断。

4.2 定向能非致命武器的设计要求[14，15]

20世纪90年代以后，随着国际恐怖活动中越来越多地使用高新科技手段，定向能非致命武器也广泛应用于自卫、防爆等活动中。下面就定向能非致命武器中一些关键技术做一些简单介绍。

(1)操作简单，便携

由于定向能非致命武器主要用于大规模人群或者用于干扰和破环敌方光电传感器、侦察通信系统等设施。因此装置要求小巧便携，操作简单显得尤为重要。

(2)电池寿命及低耗能技术

由于定向能非致命武器主要是由电源供电从而产生连续定向能束，用于对目标的照射，从而进行破坏或暂时性损伤。因此电池所能作用的最大时间和电池的寿命将成为武器能否顺利、长期使用的关键因素。同时，在电池能量一定情况下，使用低耗能技术，也有助于提供系统的工作时间。所以，要求电池具有能量密度大、体积小、重量轻、维护简便、使用寿命长等特点。

(3)关键器件

激光与微波定向能武器中关键器件是能量转换器件，将电能高效地转换为大功率的激光能或微波能，可以在很大程度上节省电池能源延长器件寿命。因此要求有转换效率高、功耗低、寿命长、散热好等。

(4)合理应用于反人员

在使用定向能非致命武器对付人员时，要首先考虑人所能承受的最大生理和心理能力。使用非致命武器的目的是制服人员而不是消灭人员，因此就要保证在不对人员致命、致残或者产生永久性伤害的前提下，使用最小作用强度使人暂时失去抵抗能力。

(5)充分考虑环境因素影响

参战武器装备及操作人员可能到不同的作战环境去作战，因此在设计武器时，要充分考虑环境因素对武器的影响，尽量减少由于环境影响而给武器带来的不必要损耗。

5 结语

定向能非致命武器利用激光或微波的特性，可以使人暂时失明、行动受阻，或者使电子设备产生暂时失灵，甚至完全失效的作用。随着全球镇压暴动、解救人质、反恐与维和活动的频繁发生，定向能非致命武器越来越多的用于对付暴乱人群和一些电子设备，如，激光枪、射频车辆拒止装置等。这些武器只是使人或者电子设备暂时性失去作用，在一段时间后会重新得到完全恢复，不会对产生损伤，甚至致命性伤害。因此，这种武器在世界各国得以快速发展。目前定向能非致命武器正朝着集成化、高科技方向发展。

一些科学家认为有关定向能武器对人体影响的研究结论至今未有定论，这引起了一些组织和人士的不安，定向能武器可能会造成某些未知的并且无法医治的损伤。

激光、微波武器的出现，将会改变未来战场的战术形态。有矛就有盾，如何防护与反激光与微波束武器，也为各国武器专家提出新的课题，由于能量束武器是通过能量传递达到杀伤目的，不像弹丸靠动能进行杀伤。因此能量束武器无需靠坚厚的铠甲来抵御，很薄的材料即能够反射绝大部分能量，从而达到有效的防护目的。

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