Broń elektromagnetyczna – istota działania i znaczenie broni przyszłości

W artykule opisano funkcjonowanie broni elektromagnetycznej, polegające na wygenerowaniu bardzo krótkiego impulsu promieniowania elektromagnetycznego o wielkiej mocy. Impuls ten określa się skrótem HPEM (ang. High Power Electromagnetics). Wymieniono metody obrony przed działaniem broni elektromagnetycznej.

 Coraz więcej obszarów działalności człowieka uzależnionych jest od nowoczesnych technologii. Zjawisko to dotyczy również wojskowości. Działania zbrojne prowadzone współcześnie opierają się w mniejszym lub większym stopniu na walce informacyjnej2). Przeprowadzone dotychczas badania i testy, a także prognozy specjalistów skłaniają do wykorzystania możliwości, jakie niesie ze sobą era informacyjna poprzez poszukiwanie nowych metod efektywnego oddziaływania na infrastrukturę informatyczną przeciwnika na polu walki. Jedną z tych metod jest wykorzystanie silnego pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez tzw. broń elektromagnetyczną. Jest to ogólne określenie szeregu rozwiązań technologicznych służących do wygenerowania pola elektromagnetycznego o bardzo dużym natężeniu, powodującego nieodwracalne uszkodzenia bądź zniszczenia sprzętu elektronicznego. Wytworzone w ten sposób pole elektromagnetyczne jest nieszkodliwe dla ludzi i innych organizmów, dlatego broń elektromagnetyczna jest określana mianem „broni humanitarnej”.

Istota działania broni elektromagnetycznej

Funkcjonowanie broni elektromagnetycznej (bomby elektromagnetycznej, bomby E) polega na wygenerowaniu bardzo krótkiego impulsu promieniowania elektromagnetycznego o wielkiej mocy. Ogólnie taki rodzaj impulsu określa się skrótem HPEM (ang. High Power Electromagnetics). Pojęcie to zostało zdefiniowane w celu opisania pola elektromagnetycznego o dużym natężeniu i skutków jego oddziaływania na systemy. Obejmuje ono następującą klasyfikację [5]:

• pola elektromagnetyczne pochodzące od wyładowań atmosferycznych – LEMP (ang. Lightning Electromagnetic Pulse);
• pola powstające w pobliżu wyładowań elektrostatycznych – ESD (ang. Electrostatic Discharge);
• pola wytwarzane przez radary - HIRF (ang. High Intensity Radiated Field);
• impulsy elektromagnetyczne o dużej mocy – HEMP (ang. High altitude Electromagnetic Pulse);
• pola wytwarzane przez impulsy HPM (ang. High Power Microwave) i UWB (ang. Ultra-Wideband) wykorzystywane jako broń elektromagnetyczna przeciwko systemom informatycznym, określane ogólnie jako IEMI (ang. Intentional Electromagnetic Interference).

Ze względu na zastosowanie militarne, największe znaczenie ma ostatni z przedstawionych rodzajów wytwarzanego pola elektromagnetycznego, czyli IEMI. Definicja takiego promieniowania została po raz pierwszy podana podczas Sympozjum EMC w Zurychu w lutym 1999 roku; znajduje się również w standardzie IEC (ang. International Electrotechnical Commission) 61000-2-13:2005.

Oryginalna wersja definicji IEMI w języku angielskim brzmi następująco: Intentional malicious generation of electromagneticenergy introducing noise or signals into electric and electronic systems, thus disrupting, confusing or damaging these systems for terrorist or criminal purposes, co na język polski można przetłumaczyć jako: zamierzone złośliwe wytworzenie energii elektromagnetycznej wprowadzającej zakłócenia lub sygnały do systemów elektrycznych bądź elektronicznych, a tym samym powodujące przerwanie pracy, uszkodzenie lub zniszczenie tych systemów dla celów terrorystycznych lub przestępczych.

Z punktu widzenia przedstawionej definicji działanie IEMI może stanowić zagrożenie przede wszystkim dla [5]:

• transportu drogowego, kolejowego, lotniczego;
• systemu energetycznego;
• systemu telekomunikacyjnego..

Mimo iż powyższa definicja nie uwzględnia zastosowania militarnego, działanie IEMI może być skutecznie wykorzystane jako broń elektromagnetyczna. Pod tym względem największe znaczenie ma generacja impulsu HPM [1].

Są to impulsy z zakresu mikrofalowego, czyli powyżej 300 MHz o bardzo krótkim czasie trwania, rzędu pojedynczych nanosekund. Energia takiego impulsu rozpraszana jest w bardzo szerokim zakresie częstotliwości, przez co może skutecznie oddziaływać z wieloma systemami. Impulsy takie charakteryzują się również bardzo wysoką mocą, rzędu kilkudziesięciu gigawatów. Na rysunkach 1 i 2 przestawiono przykładowy impuls HPM oraz jego reprezentację widmową [5].

Generacja impulsu HPEM

Impulsy HPEM zostały odkryte jako źródło uboczne podczas pierwszych wybuchów jądrowych, jednakże
dopiero znacznie później pojawił się pomysł włączenia ich do arsenału wyposażenia armii. Uświadomiono sobie, że eksplozja bomby atomowej na znacznej wysokości nad terytorium wroga skutecznie unieszkodliwia jego systemy łączności, systemy radarowe, systemy zarządzania, energetykę oraz inne. Detonacja bomby jądrowej w celu wytworzenia impulsu jest jednak ostatecznością, w związku z tym zaczęto poszukiwania elektronicznych metod generacji impulsów HPEM. W wyniku badań i testów wyłoniły się dwie kluczowe technologie wykorzystywane w konstrukcji broni elektromagnetycznej: generatory z kompresją strumieniową – FCG (ang. Flux Compression Generator) oraz generatory mikrofalowe z wirtualną katodą, tzw. virkatory (ang. Virtual Cathode Oscillator (Vircator)) [6].

Generator z kompresją strumieniową – FCG

Wyzwalany materiałem wybuchowym generator z kompresją strumieniową jest najbardziej rozwiniętą techniką wykorzystywaną do budowy bomby elektromagnetycznej. Konstrukcja taka została po raz pierwszy przedstawiona w Stanach Zjednoczonych pod koniec lat pięćdziesiątych ubiegłego stulecia; od tamtej pory wiele konfiguracji generatora FCG zostało opracowanych i przetestowanych.

Generator z kompresją strumieniową jest w stanie wytworzyć energię elektryczną o wartości dziesiątek megadżuli w czasie dziesiątek mikrosekund przy stosunkowo niedużym rozmiarze całego urządzenia. Moc zgromadzona w impulsie osiąga poziom kilkudziesięciu terawatów, a sam generator FCG może być użyty bezpośrednio do wytworzenia impulsu lub jako urządzenie inicjujące inne generatory mikrofalowe.

Główna zasada działania generatora FCG polega na wykorzystaniu materiału wybuchowego do szybkiej kompresji pola magnetycznego i przeniesieniu energii z eksplozji do tego pola. Do rozpoczęcia pracy generatora konieczne jest początkowe pole magnetyczne wytwarzane przez impuls prądowy o dużym natężeniu. Inicjujący impuls prądowy jest dostarczany z zewnętrznego źródła, takiego jak specjalny układ kondensatorów (zwany generatorem Marksa), mniejszy generator FCG, a także innego, będącego w stanie wytworzyć impuls prądowy o natężeniu dochodzącym do pojedynczych megaamperów. Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono ogólną konstrukcję generatora i kolejne etapy kompresji strumienia magnetycznego [6].

Rys. 3. Ogólna konstrukcja generatora z kompresją strumieniową [6]

Impuls prądowy ze źródła inicjującego uruchamia zapalnik znajdujący się na końcu urządzenia powodując wybuch i wydzielenie się dużej ilości gazów. Wydzielające się gazy wypełniają rurę, w której znajdował się materiał wybuchowy, powodując jej rozepchnięcie aż do całkowitego wypełnienia uzwojenia, które ją otaczało. Przed wybuchem przestrzeń między rurą a uzwojeniem wypełniona jest polem magnetycznym o stałej wartości strumienia magnetycznego. Rura zmieniając swoje wymiary powoduje wypchnięcie strumienia na zewnątrz w kierunku uzwojenia. Pole magnetyczne przenikające uzwojenie staje się coraz silniejsze i powoduje indukowanie się w nim dodatkowego
prądu elektrycznego wzmacniającego początkowy impuls prądowy ze źródła inicjującego. Energia impulsu prądowego przenoszona jest na impuls elektromagnetyczny wypromieniowany
na zewnątrz i stanowiący siłę rażenia broni elektromagnetycznej, wykorzystującej kompresję strumieniową pola magnetycznego. Wartość natężenia końcowego impulsu prądowego (o czasie trwania setek mikrosekund) dochodzi do dziesiątek megaamperów, a jego energia wynosi dziesiątki megadżuli [6].

Generator mikrofalowy z wirtualną katodą – wirkator

Mimo iż konstrukcja generatora z kompresją strumieniową umożliwia wytworzenie impulsu elektromagnetycznego o dużej mocy, szerokość jego pasma jest poniżej 1MHz. Wiele obiektów jest więc poza zasięgiem rażenia tej broni, nawet przy dużej mocy impulsu; dodatkowym problemem jest także odpowiednie skierowanie wygenerowanego promieniowania elektromagnetycznego [6].

Wszystkich tych mankamentów pozbawiony jest generator z wirtualną katodą, który stanowi obecnie obiekt największych zainteresowań pod kątem rozwoju broni elektromagnetycznej. W trakcie jednego cyklu działania wirkator jest w stanie wygenerować impuls elektromagnetyczny o dużej mocy, obejmujący relatywnie szeroki zakres częstotliwości, a przy tym jest mechanicznie prosty i niewielkich rozmiarów. Budowę generatora mikrofalowego z wirtualną katodą przedstawiono na rysunku 5 [3].

Konstrukcja zewnętrzna wirkatora to metalowa tuba, wewnątrz której znajduje się walec pełniącyfunkcję katody, oddzielony od tuby izolatorem. W centralnej części tuby znajduje się połączona z nią anoda wykonana z siatki, a całość zamyka okno z dielektryka. Obie elektrody podłączone są do biegunów generatora z kompresją strumieniową.
Po rozpoczęciu pracy generatora katoda emituje chmurę elektronów, która jest przyspieszana w kierunku anody, tworząc za
nią tzw. wirtualną katodę w postaci chmury ładunków ujemnych. Taki rozkład ładunków wewnątrz tuby powoduje wzbudzenie w niej drgań elektrycznych o wysokiej częstotliwości, których energia wypromieniowywana jest jako krótkie impulsy promieniowania mikrofalowego o dużej mocy [3]. W urządzeniach tego typu istnieje możliwość regulacji częstotliwości wytwarzanego promieniowania impulsowego w szerokim pasmie od 0,5 GHz do 30 GHz, a dodatkowo promieniowanie może być ukształtowane w postaci wąskiej wiązki [1].

Na podstawie konstrukcji przedstawionych generatorów zostało opracowanych i przetestowanych szereg urządzeń o podobnym działaniu. W publikacjach tematycznych znaleźć można również wiele innych rozwiązań technicznych o różnych parametrach, mogących służyć jako broń elektromagnetyczna.

Metody obrony przed działaniem broni elektromagnetycznej

Najbardziej skutecznym sposobem obrony przed działaniem bomby elektromagnetycznej jest zniszczenie środka transportu, którym jest przenoszona na teren walki. Jednakże takie działanie nie zawsze jest skuteczne, a wiele systemów narażonych na działanie broni elektromagnetycznych musi być zabezpieczonych w inny dodatkowy sposób [6]. Pod tym względem najlepszą ochroną jest ekranowanie urządzeń, czyli umieszczenie ich w tzw. klatce Faradaya, zapobiegającej przenikaniu pola elektromagnetycznego do urządzenia. Ekrany wykonywane są materiałów o dużej przewodności właściwej i przenikalności magnetycznej.

Niestety większość urządzeń musi być podłączonych do zasilania oraz do zewnętrznej sieci informatycznej. Przewody doprowadzające umożliwiają więc przedostanie się zewnętrznego promieniowania elektromagnetycznego do ekranowanego urządzenia i jego uszkodzenie. Mimo iż do transferu danych wykorzystywane są światłowody, zasilanie dostarczane jest nadal poprzez przewody miedziane [3].

W takim przypadku linie transmisyjne doprowadzane poprzez ekran do osłanianego urządzenia wyposażane są w dodatkowe elementy, filtrujące sygnały niepożądane. W tym celu wykorzystywane są elementy liniowe i nieliniowe o odpowiednich właściwościach filtrujących. Rysunki 6 i 7 ilustrują opisany sposób zabezpieczania linii doprowadzających [4].

Jako liniowe elementy filtrujące wykorzystywane są [4]:

• dolno-, górno- i pasmowoprzepustowe filtry z elementami dyskretnymi,
• filtry z powierzchniową falą akustyczną,
• filtry dielektryczne,
• filtry mikropaskowe,
• inne.

Z kolei do wykorzystywanych elementów nieliniowych należą [4]:

• iskierniki,
• ochronniki przepięciowe wypełnione gazem,
• warystory,
• diody Zenera,
• inne.

W przypadku sieci telekomunikacyjnych transmitujących dane, głos lub dostarczających usługi skuteczną ochroną przed atakiem elektromagnetycznym jest zastosowanie topologii o dużej nadmiarowości oraz mechanizmów niezawodnościowych. Uniemożliwi to atakującemu uszkodzenie całej sieci lub nawet jej części poprzez zniszczenie jednego lub więcej kluczowych węzłów bądź gałęzi za pośrednictwem małej liczby ataków [6].

Podsumowanie

Przeprowadzone dotychczas badania i testy pozwoliły na uzyskanie wielu skutecznych konstrukcji broni elektromagnetycznej, z których najskuteczniejsze są nadal rozwijane i znajdują praktyczne zastosowanie w siłach zbrojnych.

Jednocześnie z rozwojem broni elektromagnetycznej prowadzone są badania nad metodami zabezpieczania przed jej działaniem. Niestety, nie ma jednego skutecznego sposobu obrony przed impulsem elektromagnetycznym o dużej mocy. Wymagane jest więc stosowanie jednocześnie wielu zabezpieczeń, które zminimalizują prawdopodobieństwo całkowitego zniszczenia atakowanego urządzenia bądź systemu.

AUTOR

Kamil Bechta
Opiekun naukowy: prof. dr hab. inż. Marian Wnuk
Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Instytut Telekomunikacji

Literatura

[1] Kubacki R., Wnuk M.: Broń elektromagnetyczna – broń przyszłego pola walki [w:] Ochrona przed skutkami nadzwyczajnych zagrożeń. Tom 1. Red. Z. Mierczyk. WAT, Warszawa 2010, s. 461-470
[2] Pawłowski J.: Słownik terminów z zakresu bezpieczeństwa narodowego, AON, Warszawa 2002
[3] Szubrycht T., Szymański T.: Broń elektromagnetyczna jako nowy środek walki w erze informacyjnej, Zeszyty Naukowe AMW 2005, rok XLVI, nr 3 (162), Gdynia 2005
[4] Brauer F., Haseborg J.: Protection Against Short Pulse High Power IEMI Threats- Protection Challenges, Possible Concepts and Measurements, EMC Symposium, Austin-Texas 2009
[5] Radasky W.: Overview of Intentional Electromagnetic Interference (IEMI) Threats, EMC Symposium, Austin-Texas 2009
[6] Kopp C.: A weapon of electronic mass destruction, Melbourne, Australia
[7] http://www.abovetopsecret.com/forum/thread59555/pg1