無人空中系統（UAS）以一種不太友好的方式成為當今的一個大話題。2022年10 月，俄羅斯開始使用致命無人機和巡飛彈對烏克蘭各地的能源和電力基礎設施發動大規模攻擊。盡管俄羅斯的許多導彈和巡飛彈（包括伊朗提供的 Shahed-136 和 -131）都很簡陋，但它已經發射了數百枚，有時一次發射多達十幾枚或更多，目的是摧毀烏克蘭的防空系統。

烏克蘭聲稱在這些襲擊中擊落了至少四分之三的無人機和巡飛彈，幾乎完全依賴其有限的射頻和紅外制導地對空導彈。雖然 75% 的殺傷率對烏克蘭有利，但俄羅斯對烏克蘭能源基礎設施 25% 的成功攻擊給烏克蘭帶來了嚴重的問題。俄羅斯不太可能在短期內放棄對烏克蘭發電廠的無人機襲擊。

從長遠來看，用 20萬美元的地對空導彈攔截價值 2萬美元的無人機，從成本上看烏克蘭也處于劣勢。但你必須用你所擁有的武器去戰斗，直到你能得到更好的東西。 俄羅斯無人機和巡飛彈對烏克蘭基礎設施的襲擊引起了全世界的關注，但這并非個例。

在未來的沖突中，許多國家也同樣面臨對手武器化無人機攻擊的局面。正如烏克蘭戰爭所表明的那樣，地對空導彈和雷達制導防空高炮(AAA)并不能完全解決這個問題。雖然它們對空中目標提供更遠的射程和精度，但它們主要用于攻擊戰斗機和轟炸機以及巡航導彈，而不是大量相對廉價的無人機。

對于這類目標需要的是能夠以低成本（非動能）快速多次發射（深彈匣）并且最好以光速運行的系統。換言之，防空部隊需要定向能武器(DEWs)來對付無人機和巡飛彈的攻擊。 在過去十年中，美國、以色列和一些歐洲國家在發展 DEWs 方面取得了重大進展，主要是高能激光 (HEL) 系統和高功率微波 (HPM) 系統。

在本文中，我們將研究 HPM 技術、它的歷史和當前的計劃。

與其他類型的動能和非動能武器相比，HPM 武器具有若干優勢。HPM 系統通常可以在不到一秒的時間內發射，并且最新一代的系統提供了深彈匣（即能夠在短時間內發射多次）。HPM 武器可以對目標產生一系列影響，從摧毀或損壞敏感電子元件到降低其性能或迫使重啟。

HPM 系統通過目標的射頻和微波天線將射頻和微波能量注入到目標的處理器和其他邏輯組件中，或者注入到基本上充當孔徑的非屏蔽布線和電路中。此外，由于 HPM 系統從天線發射，它的波束可以被整形以聚焦在寬區域或窄波束。根據孔徑的類型的不同，使用寬天線波束使 HPM 系統能夠同時攻擊多個目標，而窄天線波束可以將能量集中在一個目標上。

此外，配備有源電子掃描陣列的 HPM 系統可以根據需要非常快速地改變波束形狀。

從火花隙發射機到相控陣

HPM 武器有著迷人的技術歷史，它始于 1962 年美國在太平洋上空 250 英里處引爆核武器。正如斯圖爾特·莫蘭 (Stuart Moran) 在2012 年的文章“達爾格倫定向能工作的歷史概述”中所描述的那樣，科學家們指出，“爆炸導致高層大氣中的電子嚴重失衡，這些電子與地球磁場相互作用，在太平洋的大片區域產生振蕩電場。

這些電場強大到足以破壞一千英里外夏威夷的電子設備，并清楚地展示了電磁脈沖 (EMP) 的影響。” 這一發現引起了五角大樓的關注，因為如果它能以某種方式被利用，其結果將是國防部武器庫中非常有效的非動能工具。問題是如何實現這樣一種武器，這需要一種方法來產生每米數十萬伏（甚至更高）的場強。

在探索接下來的事情之前，需要考慮兩個事實。

首先，60 多年前，國防部的意圖是消滅目標，而不僅僅是使它們失效。其次，目標中的幾乎所有組件都是模擬的而不是數字的，它們（現在仍然）比微型半導體器件更能抵擋高強度電磁能的破壞。因此，對大量射頻能量的需求被認為是必不可少的。

盡管今天在某些情況下仍然如此，但在使用 HPM 武器對抗對手系統時，大量的能量并不總是必要的，甚至不是需要的。 正如創造“電子炸彈”一詞的澳大利亞空軍智庫聯合創始人卡洛·科普博士，他在 2012 年的一篇文章中指出：“將任何單片半導體器件暴露在超過幾伏規格限制的電壓下，無論是瞬時電壓還是射頻電壓，通常都會發生不好的事情。

如果將主電源或電池電源連接到器件上，引發災難性電氣故障所需的能量很少，因為電源是造成致命一擊的原因。” 回到20世紀60年代，莫蘭的文章解釋了達爾格倫海軍武器實驗室特殊應用分部的研究人員（今天是弗吉尼亞州達爾格倫的海軍水面作戰中心達爾格倫分部 (NSWCDD)）是如何在太平洋爆炸后開始工作的，他們的工作重點放在高功率的火花隙發射機上，就像早期的無線電廣播那樣。

射頻發生器是赫茲振蕩器，其中“電容器被充電至高壓，開關閉合，電流在電路中流動，導致儲存的能量在電容器的電場和電感器的磁場之間振蕩。”直到達到火花隙之間空氣的擊穿電壓。在擊穿時，火花完成 LC 電路，并以其諧振頻率振蕩。

赫茲型設備通常連接到一個簡單的天線，并以 100 MHz 或以下的低頻振蕩。由于地面效應的影響，測量這些設備的輸出場很困難，因此在場地中鋪設了一個 100 米長的焊線接地平面，兩端各有半地下拖車，用于安裝高壓發電機和診斷設備，這形成了一個基本測量系統。這些源通常在目標位置產生超過十億瓦特的峰值功率和每米幾千伏的場強。

莫蘭描述了20世紀70年代在達爾格倫設計、建造和測試的許多類型的赫茲裝置。例如，腔振蕩器“使用四分之一波長的同軸管，在一端切換以產生振蕩波形。” 另一種類型，即所謂的“凍結波”發生器，使用“四分之一波段的電纜充電，產生兩個周期的波形‘凍結’在電纜”，并在兆赫頻率范圍內，產生數千瓦射頻脈沖，重復頻率為幾十千赫茲的。達爾格倫使用赫茲振蕩器創建的幾乎所有解決方案都可以產生至少 500 kV 的電壓，并在距離天線數百米的地方產生強電場。 其他類型的設備包括“使用螺旋纏繞電容板產生電壓的矢量反轉發生器”，這是一項重大改進。

安裝在拋物面天線焦點區域的稱為蘭德克環的裝置，“使用槳輪布置的電容器和電感器，并聯充電并串聯放電。” 圓形布置使系統能夠像偶極子一樣輻射，有效地形成天線。 或者考慮產生低頻寬帶效應的通量壓縮發生器 (FCG)。科普博士在一篇關于“電子炸彈”的文章中解釋道，在初始電啟動電流的作用下，“高速炸藥用來機械壓縮磁場，將能量從炸藥轉移到磁場中”。“雖然 FCG 在運行過程中解體，但它會產生強大的電流脈沖。” 當級聯在一起時，三個 FCG 可以將功率放大一百倍，提供數十吉瓦的峰值功率輸出。

還有虛擬陰極振蕩器 (Vircator)，它在可調諧窄帶頻率下以高功率水平產生短脈沖。正如科普博士的“電子炸彈”文章所解釋的那樣，Vircator 允許 FCG 產生的能量精確地集中在數百米外的目標區域，盡管最嚴重的損壞發生在幾十米內。 1973 年，達爾格倫開始了特殊戰斗部 (SEW) 計劃，以探索使用單發、峰值功率極高的電磁脈沖“‘摧毀’敵方雷達和導彈系統”的可行性。

其中一個目標是確定是否可以制造一種電磁彈頭，可以使 1 英里外的電子設備失效。那個實驗室一定既非常有趣又非常危險。正如莫蘭的文章所解釋的那樣，“高壓場和火花導致工人們為其中一棟建筑做了一個標志：‘科幻部’。” 當時對國外或美國電子設備和系統的脆弱性知之甚少，用于測試的發射器無法產生足夠高的場來測試大型目標，例如耐克大力神雷達系統。

為了解決這個問題，莫蘭解釋說，構建了一個基于拖車的 RF 脈沖系統。它采用了“以 200 萬伏特充電的馬克思發生器驅動的 LC 振蕩器”。被稱為可運輸振蕩脈沖系統（TOPS），“它連接到一個大的束縛波上，該結構在一個大到足以放置整個雷達或導彈的區域產生均勻的場。” 莫蘭繼續寫道，“系統發出的電場是如此之高，以至于空氣會產生電弧，除非使用特殊的絕緣氣體袋(六氟化硫) ，直到輻射結構變得足夠大，可以過渡到正常的大氣層。”

加大功率

在達爾格倫，莫蘭解釋說，“這些系統的尺寸、重量和成本顯然是由驅動系統所需的脈沖直流技術決定的，而不是由射頻源本身決定的。因此，更多的努力開始投入到許多武器概念所需的功率發射技術上。”脈沖功率組件使能量能夠在數秒內存儲，用 DE 術語來說是很長的時間，并且可以在納秒內釋放，“以獲得十億倍的峰值功率增加。”達爾格倫官員說服海軍領導人在 1978 年啟動脈沖功率技術計劃，“以開發未來武器所需的動力源、儲能系統、大功率開關和動力調節系統”。

莫蘭繼續解釋說：“為了提供大量的電能，研究了新型旋轉電機，包括飛輪、傳統交流發電機、單極發電機、旋轉磁通壓縮機和補償脈沖交流發電機。這些機器試圖使用特殊材料產生快速、高功率的脈沖，以減少損耗、渦流和機械應力。” 在 20世紀70年代的晚些時候到20世紀80 年代，主動力源和射頻電源技術繼續得到改善，因為大學和其他幾個國防部部門(包括空軍研究實驗室)加入了達爾格倫的 HPM 這些努力。

然而，冷戰的結束削弱了人們對定向能武器的興趣。脈沖功率技術計劃和海軍的帶電粒子束計劃被取消，盡管達爾格倫設法籌集資金以維持可在以后使用核心技術的能力。達爾格倫現在是美國兩個設有 HPM 技術開發部門的地方之一，另一個是位于新墨西哥州科特蘭空軍基地的空軍研究實驗室的定向能理事會。

HPM 重現

到 2000 年代中期，世界早已開始從模擬技術向數字技術轉變，曾經幾乎完全模擬的產品也完全數字化。這些電子系統中，很少有針對 HPM 攻擊的脆弱性進行過測試。蘇聯解體后，大規模電磁脈沖云的產生似乎變得不那么重要，因此保護電子設備免受射頻能量的破壞也變得不那么重要了。

然而，這種自負情緒并沒有持續多久。隨著數字電子技術在美國軍事系統和民用基礎設施（如發電廠、通信系統、應急和工業系統）中的應用越來越廣泛，對手使用 HPM 武器攻擊這些系統的可能性越來越受到關注。如今，十多個國家（其中大多數是美國的盟友，但也包括俄羅斯和中國）正在開發 HPM 武器技術，其中一些國家擁有數十年的經驗。

因此，防御 HPM 攻擊近年來引起了五角大樓領導人的更多關注。位于達爾格倫的特殊技術對抗聯合項目辦公室(JPO/STC)對數字系統在射頻攻擊下的脆弱性進行了深入的研究。正如莫蘭的文章所描述的那樣，該項目還建立了一個國防部范圍內的“漏洞數據、源設計和 RF 效應信息”數據庫，并將其與多年來儲存的具有相當前瞻性的信息相結合。“在20世紀90年代末和21世紀初，達爾格倫發起了關于使用非動力干擾的射頻攻擊潛力的項目”，并且還“為無人機開發了 RF 有效載荷并在現場測試中證明了它們的有效性。” 這是國防部首次展示這種 HPM 技術。

為了測試它們，兩座多層建筑被重新部署，以驗證不同類型的建筑結構和電磁屏蔽效果，其中有“電子、計算機網絡、服務器系統、電話系統、安全系統以及各種類型的數字工業控制系統的大型綜合體，這些系統可以組裝、裝備和暴露于攻擊之下。” 這個被稱為馬其諾露天試驗場 (MOATS) 的綜合設施旨在測試電子設備對潛在 HPM 武器的 RF 敏感性，并繼續用于測試目標系統，以及內部和外部及國際組織開發的各種射頻武器技術。

此刻，我們身處何處?

傳統上，HPM 系統專注于摧毀武器系統中易受攻擊的電子元件。但對于無人機、無人集群或其他目標，所需要的只是迷惑電子設備或使它們無法操作。用高功率超寬帶脈沖摧毀它們是不必要的，這意味著 HPM 系統不一定需要發射千兆瓦的功率來摧毀一個目標，就像它摧毀其他設備一樣，而只需要使傳感器無法工作或影響武器系統導航或飛行控制所需的功率。

自雷神公司于 2006 年開發其 “雄鷹”系統以及后來的 BAE 系統公司的 Bofors HPM Blackout 以來，這種能力已經以這種或那種形式得到了證明，時間已經超過15年。 在過去的幾年里，AFRL 一直在開發和評估至少四個 HPM 演示系統。這包括雷神公司的相位炮(PHASER)系統，該系統將高水平的 RF 能量匯聚到一個反射天線上，并可以同時摧毀多個目標。

波束的圓錐形意味著單個脈沖可以同時攻擊空中的多架無人機，使得相位炮對付無人集群非常有用。 AFRL 的戰術高功率操作響應器 (THOR) HPM 系統由 Leidos、BAE系統公司和 Verus 研究公司開發，已展示能夠同時使100多架無人機失效的能力。AFRL 還在開發更先進的 THOR ，以使威脅軍事基地的無人集群失效。下一代平臺被命名為 Mj?lnir，以向神話中的雷神之錘致敬。AFRL已授予 Leidos 一份價值 2600 萬美元的合同，用于開發 Mj?lnir 原型并于 2024 年初交付。

最后，AFRL 正與雷神公司合作開發反電子高功率微波增程空軍基地防御系統 (CHIMERA)。與針對近距離目標的 Phaser 和 THOR 系統不同，CHIMERA（顧名思義）旨在攻擊更遠距離的空中目標。 值得注意的是，許多此類系統（包括 THOR 和 Phaser）都使用真空管技術來產生所需的輻射功率。它們中的大多數也相對較大，最適合固定站點應用，例如防御軍事基地免受無人機和火箭襲擊。 AFRL 和 NRL 一直在開發另一類 HPM 武器，這種武器體積更小，專為導彈和無人機平臺而設計。

波音公司和 AFRL 于 2012 年展示的反電子高功率微波先進導彈項目 (CHAMP) 使用 AGM-86 常規空射巡航導彈 (CALCM) 的彈體來攜帶雷聲公司開發的 HPM 有效載荷，該有效載荷可多次發射HPM“炮彈”。被稱為 HiJENKS 的高功率聯合電磁非動能打擊武器也使用微波技術來使對手的電子系統失效。

HiJENKS 是 CHAMP 的繼承者，它使用更小、更堅固的 HPM 技術，可以集成到更廣泛的平臺系統中。在空軍研究實驗室和海軍研究辦公室的共同資助下，為期五年的HiJENKS項目于去年夏天在中國湖海軍航空站完成了“頂點”測試。

由 GAN 驅動

HPM 技術的最新發展是使用有源相控陣和基于固態（氮化鎵 - GaN）的射頻功率放大器，而不是真空管來產生所需的射頻功率。一個名為 Leonidas 的系統是由一家名為 Epirus 的新公司獨立開發的。從 2018 年開始，Epirus 在洛杉磯和弗吉尼亞州麥克萊恩設有工廠，正在利用一套精選的核心技術，用于國防和商業應用。

Leonidas 是該公司的可擴展 HPM 產品。最初以拖車配置開發，該公司還測試了用于無人機的機載吊艙，并在 10 月披露了集成到 Stryker 車輛上的移動版本。與 AESA 系統一樣，Leonidas使用波束控制將能量集中在一個或多個目標上，同時定義禁飛區以允許友軍繼續作戰。

Leonidas可以安裝在相對較小的地面車輛上，每秒可以發射數千發“子彈”。Leonidas 擁有開放的系統架構，并依賴于基于 GaN 的線路可更換放大器模塊，并迅速發射一連串獨特的波形，以利用使 UAS 目標易受影響的頻率。 該公司強調，與其通過中斷衛星導航信號的通信來混淆無人機的數字電子設備，不如將 Leonidas 描述為一種電磁脈沖發生器，它用電磁能量包圍目標，電磁能量覆蓋非常低到非常高的頻率，如EMP通常所描述的“直流到日光”。Epirus 首席產品官

安德魯·洛厄里說：“我們不關心無人機的工作頻率。我們是一個 EMP 系統，所以頻率并不重要。嘗試使數據鏈路或 GPS 失效相對簡單，很多公司都可以做到。相反，我們可以從遠距離、遠超動態范圍甚至超視距的地方覆蓋目標。” 盡管該公司僅將 Leonidas 的射程定義為“與戰術相關”的距離，但這通常意味著大約 10 公里。

“我們的波束實際上不是很窄；它的 3 dB 波束寬度約為 6 度，”他繼續說道。“如果我想干掉一隊無人機，我們會以每秒一千次的速度掃過天空，這樣任何進入其中的無人機都會在我們波束劃過天空，遇到一堵能量墻。

“我們只是想在那里放置一個巨大的電場，由于空腔和其他入口點在某些頻率下比其他頻率更容易受到攻擊，因此我們創建能量護盾而不是發射能量子彈。任何飛入盾牌的東西都會被破壞。即使有很小的間隙和各種其他入口點，如果您在開關上施加 10 或 20 伏電壓，它也會擾亂電子設備，足以將其關閉。這就是 EMP 的威力。它會影響計算機、相機、引擎控制或任何其他電路。” Leonidas 使用該公司專有的 SmartPower 電源管理技術，該技術優化 RF 性能，以生成高功率脈沖，同時確保系統不會過熱。

SmartPower技術平臺是硬件、軟件和機器智能算法的專有組合，采用實時人工智能和機器學習，最高可降低70%的功耗，從而降低系統功率需求，對大功率電源的需求，并且比基于真空管的系統需要更少的冷卻。 數字技術監督能量的轉換，例如從交流電到直流電。“通過數字架構增強了功率，因為目標中的所有非線性電路都被一個無源網絡包圍，將其置于正確的偏置條件下，”Lowery 說。“它優化了非線性電路的性能，我們有一系列的動態控制，所以我們超越了被動靜態系統的能力。

也就是說，我們使用機器學習通過調制漏極、柵極和輸入信號來管理電路，以優化每個轉換指標。 “我們還在脈沖應用、上升和下降時間等門上執行包絡跟蹤、預失真和算法，”Lowery 解釋說。“這消除了傳統上非線性轉換產生的大量浪費，它提高了效率并減少了熱量，因此所需的冷卻要少得多。我們盡一切努力使目標的 EIRP 最大化，因為每個通道都沒有單通道方法所需的 EIRP，例如 THOR。” 由于該系統是軟件定義的，因此可以實時修改帶寬和其他特性，以便在擁擠的電磁環境中定位特定目標。

這意味著Leonidas可以在友方附近對付敵方無人機。人工智能和機器學習也使 Leonidas 系統能夠隨著時間的推移進行學習，因為它會接觸到新的目標數據。軟件更新可以通過空中傳輸來優化，從而對新目標產生積極影響。

現實世界的問題

HPM 技術正在迅速成熟，與上世紀70年代和80年代一樣，需求正在增加，這一次是防空應用和機載武器，這些武器可以攻擊敵方傳感器到射手網絡中的許多非動能偌大的（即非屏蔽布線和無保護的數字組件）。 烏克蘭武裝部隊現在肯定可以從這些 HPM 系統中受益，但這似乎不太可能，即使俄羅斯的無人機和巡飛彈對他們來說是絕佳的實地測試。

據報道，作為評估的一部分，THOR 和 PHASER已經被部署到美國以外的地區，而 Leonidas 則沒有。Epirus 的 Lowery 表示，該公司已經研制了四個加固的 Leonidas原型機，它們“可以”為 LRIP 做好準備，并可在2023年部署并送往烏克蘭。

隨著對烏克蘭的無人機和導彈襲擊預計將在未來幾個月內增加，然而，隨著對烏克蘭的無人機和導彈襲擊預計在未來幾個月會增加，烏克蘭對HPM武器的需求肯定也會增加，它們可以成為多層防空解決方案的一部分。





審核編輯：劉清