電磁脈衝武器與其防禦 Invisible Soft Kill-Electro Magnetic Pulse Weapon

作者:應天行(原載本刊第二百一十八期)

今年九月上旬美國《新聞週刊》在其預言式的「2012年世局評估」特別號中預測:中共可能以「電磁脈衝武器」對台灣發動攻擊,癱瘓台灣股市、金融與通訊體系,台灣駭客亦隨即反擊,重挫北京中關村資訊中心,兩岸資訊戰全面開打。一時「電磁脈衝武器」突然成為國內的熱門話題,在此茲就「電磁脈衝武器」的類型、作用原理、損害能力、防禦方法,以及最近發展趨勢等作一扼要說明。
核爆電磁脈衝武器的類型
「電磁脈衝武器」可概分為「弱核爆電磁脈衝飛彈」與「非核爆電磁脈衝飛彈/炸彈(或砲彈)」兩類,前者是利用彈道飛彈投送「低核當量核子彈頭」在目標區的適當高空爆炸、而對廣大的地面目標區產生強大的電磁脈衝(Electro Magnetic Pulse,簡稱EMP)損毀效果,後者則是巡弋飛彈、炸彈(或砲彈)在目標區附近引爆「炸藥式爆炸電磁脈衝彈頭」、而對有限的局部目標區產生電磁脈衝損毀效果。
「核爆電磁脈衝飛彈」可追溯至1958年美國在太平洋上空進行的氫彈實驗。那次核爆炸產生的伽馬射線,刺激大氣中的空氣而產生大量電子流的電磁脈衝,如海嘯般地掃過半徑數百公里的區域,致使夏威夷群島的街燈全部熄滅,無線電導航系統中斷了18個小時,甚至於澳大利亞也遭到一定破壞。由此引發美國開始研製可抵抗電磁脈衝的電子設備和研發「弱核爆電磁脈衝彈頭」。
「弱核爆電磁脈衝彈頭」通常係核當量約為1KT(即相當於1,000噸黃色炸藥)、或更低的「內爆式」核子彈頭,以彈道飛彈發射至目標區上空距地面約40公里的平流層頂引爆,瞬間釋出約900億焦耳能量的伽馬射線,與大氣層空氣作用而衍生大量電子(約為每立方公尺100兆個電子),這些加速奔向地面的電子流,雖然其壽期只有「毫秒」級,但卻在目標區地球表面300公里範圍內產生強大的電磁脈衝衝擊波(600公里外因地球曲度而無電磁脈衝),衍生的電場強度可高達每公尺1,000-34,000伏特!使得電子裝備內部的電晶體、二極體、放大器、積體電路、邏輯電路、微處理器等元件、組件,皆因瞬間超載短路,造成無法修復的永久損壞(雖然這些電子裝備的外部仍完好無恙)。同時,電磁脈衝衝擊波涵蓋範圍內的無線電通訊,均因大氣層荷電密度的劇變,對頻率在超高頻以次的波段,會產生長達一小時以上的干擾(大於300MHz的超高頻通訊可避開干擾)。
就整體而論,在核電磁脈衝衝擊下,國家的指管通情偵監電腦(C4ISR)系統全面毀壞,軍方與民間資訊系統一概癱瘓,整體戰力與運作機制立即破壞。核當量約為1KT的核彈頭、在40公里的平流層頂引爆,其核爆所產生的高溫火球,高壓震波皆無法達到地表;微量的輻射落塵被阻滯在平流層內,也不會立即飄降下來,因此是「乾淨核爆」。(但炸高控制極為重要,炸得過低核爆的火球與高壓震波會傷及目標區內人員,炸得過高電磁脈衝會損毀目標區外的電子裝備)。換言之,「弱核爆電磁脈衝彈頭」攻擊後,被攻擊地區的軍民人員皆毫髮未傷,但國家的整體戰力與運作機制卻被立即癱瘓。
美國與前蘇聯早在1980年代,已先後研發完成低當量「內爆式」核子彈頭,又分別擁有各型彈著精準的彈道飛彈,因此早已具有以彈道飛彈發射「弱核爆電磁脈衝彈頭」的能力。中共於1996年的一次核試爆,核當量首度低於1KT,至於弱爆電磁脈衝彈頭所必需的「內爆式引爆技術」則可能自行研發突破、或聘請俄籍科技專家而予以克服(美國則指責得自「李文和間諜案」),且中共擁有東風21型、東風15型、東風11型等中程、短程彈道飛彈,因此中共可能正在積極研發或已具有發射「弱核爆電磁脈衝彈頭」的能力。
「非核爆電磁脈衝彈藥」通常係以巡弋飛彈、炸彈或砲彈的形式,利用飛機投放或火砲發射的彈藥。它的基本原理是利用「非核爆電磁脈衝彈頭」內火炸藥的「爆炸」,壓縮彈頭內「磁通壓縮發生器」或「磁流體動力學發生器」而產生瞬間大功率電磁脈衝。目前,「磁流體動力學發生器」的技術尚未成熟,仍在研發中;「磁通壓縮發生器」則已應用於美軍的MK-84炸彈與AGM-86巡弋飛彈,以及俄國的「阿特洛普斯」電磁脈衝砲彈。
「爆炸激勵磁通壓縮發生器」的基本概念是利用其高爆炸藥的爆轟壓力迅速地壓縮其「定子」產生的磁場,將大部份的炸藥能量轉換為電磁能,它能夠在數十至數百微秒時間內產生數億至數十億焦耳的電能,比典型「雷閃」放電的電流還高出多倍。
「磁通壓縮發生器」有螺線型與錐形兩種,「非核爆電磁脈衝彈頭」通常多採用前者,因為其構造甚為緊湊與易於製造。螺線型磁通壓縮發生器的外形為圓柱形,「磁通壓縮發生器」主體係被用為「電樞」的一段圓柱形銅管。該銅管內裝有高爆速炸藥——如B炸藥、C炸藥或PBX-9501炸藥,管外的周圍是銅導線做成的螺線型線圈,它們構成「磁通壓縮發生器」的「定子」。該「定子」繞組分為幾段,並作一些特殊設計,以使「電樞」線圈的電磁感應達到最佳。為了增強所產生的電磁脈衝能量,彈藥內多採用二級或三級「磁通壓縮發生器」,例如美軍的MK-84炸彈就採用二級式。非核爆電磁脈衝彈藥內除了「磁通壓縮發生器」,還有引爆裝置、電池、電源電容組、供電控制器、炸藥透鏡平面波發生器、同軸負荷線圈、平衡環等。
非核爆電磁脈衝彈藥作用時,起動電源的電容組(或一個較小的磁通壓縮發生器)先行放電,定子因而產生一個逐漸增強的磁場,當起動電流達到顛峰時(可高達10萬安培以上),由「炸藥透鏡平面波發生器」起爆炸藥,該發生器在炸藥中產生的均勻平面爆轟波陣面,在電樞中穿過炸藥進行傳播。當電樞在爆轟的作用下被擴張成與定子口徑相當時,磁場受到快速壓縮而產生強烈的電磁脈衝。其電磁脈衝的有效範圍當然不能與弱核爆電磁脈衝彈相比,有效範圍只有幾公尺至幾百公尺,但已足以損壞爆炸點附近飛機、艦船、飛彈、雷達、通訊系統與武器系統中的電子元件與主件,而使它們失去功能。綜合而言,「弱核爆電磁脈衝飛彈」用以攻擊大面積的目標,執行戰略性攻擊;「非核爆電磁脈衝彈藥」用以攻擊小面積目標與活動目標,執行戰術性攻擊。
前面已提到,在「非核爆電磁脈衝彈藥」方面,目前美軍已有MK-84炸彈與AGM-86巡航飛彈,資料顯示:美軍在波斯灣戰爭期間,曾向伊拉克發射1枚具非核電磁脈衝彈頭的戰斧巡弋飛彈,攻擊伊軍指揮中心的電子系統;1999年3月24日北約對南聯盟的轟炸中,美國使用非核爆電磁脈衝彈藥,使得南聯盟部分地區的各種通信設施癱瘓了3個多小時。俄國的「阿特洛普斯」電磁脈衝砲彈,已出現於俄軍的武器運用手冊中。至於中共的非核爆電磁脈衝彈藥,可能尚在研發中。
<副標題2>損毀機制與防範
電磁脈衝的物理特性與其他任何電磁波相似,其主要區別是電磁脈衝有較大的強度與較寬的頻譜,而大多數電磁波的頻譜很窄或是不連續的。電磁脈衝比閃電快50倍,用正常防護閃電的方法無法防護電磁脈衝。電磁脈衝對人與生物沒有殺害作用,只對電子裝備等產生損毀作用。
暴露在電磁場中的導體能搜集電磁能量,它所吸收的總能量取決於它的嚮應特性與相對極化的位置。物體愈大,所截取的能量也越大。由於導體在電磁脈衝中所搜集到的是電能,它能通過不同的方式,將大量能量聚集在敏感的電子元件、主件與裝備上,進而產生噪音、錯亂、失效或永久性損壞。
電磁脈衝彈藥的主要關鍵是「耦合」,只有耦合到目標上的能量才能產生有效的破壞。
電磁脈衝能量耦合到目標上的方式有下列兩種:
前門耦合——通常發生在當電磁脈衝彈藥的電磁波能量被耦合到與雷達或通訊裝備相連接的天線上時,天線分系統可將電磁波能量耦入與耦出這些雷達或通訊裝備,提供通道讓能量流入裝備並造成破壞。
後門耦合——通常透過導線、電源線、屏障不良的機架、具有孔洞的機殼等進入裝備。電磁脈衝彈藥爆炸後產生的電磁場先形成強大的瞬間電流,繼而電磁場在與裝備相連的電線或電纜線上形成電駐波。瞬間電流或電駐波攻擊與暴露的電線或電纜線相連的裝備,將破壞毫無防護的電力供應裝備與通信聯絡系統。如果瞬間侵入到裝備內部,還可以造成對其他內部裝置的毀損。
電磁脈衝的防護在理論上很簡單,但實現上卻很困難,對防護裝置的維護保養則更加重要。專家曾提出兩種防護電磁脈衝的主要方法:第一種方法是利用屏蔽裝置阻止電磁脈衝的穿入,同時在所有穿過屏蔽的導線、電纜與水管上施加防護措施,這樣電磁脈衝將不能達到設備內部的的敏感元件、主件。但僅對設備本身加以屏蔽是不夠的,必須對所有的對外通道都加以屏蔽,這樣整體屏蔽性能才不致降低。第二種方法是設計、製造特殊的線路與元件使其能承受電磁脈衝,或者當它們感受到電磁脈衝時,能自動切斷設備的措施來阻止電磁脈衝的穿入。原則上大多數裝備都採用上述兩種方法複合防護。
特別值得注意的是防護措施中即使有一點不大的失誤,就能使價值上千萬美元的防護裝置失效,因此檢驗與維護是必不可少的。為了確保防護系統的可靠性,唯一的辦法就是進行測試,而此項測試既複雜又昂貴。此外,經常維護也是需要的,因為防護裝置的性能會隨裝設時間增加而逐漸降低.......(詳本刊第二百一十八期全文)