Broń elektromagnetyczna – istota działania i znaczenie broni przyszłości

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.