Mikrofalowa broń elektromagnetyczna

W drugiej części artykułu przedstawiamy techniczne i taktyczne aspekty ataków z zastosowaniem mikrofalowej broni elektromagnetycznej na cele, którymi są systemy wojskowe wyposażone w złożone urządzenia elektroniczne, np. wozy bojowe. Omawiamy różnego rodzaju środki napadu, oparte na tej broni, będące w wyposażeniu sił zbrojnych Stanów Zjednoczonych, Rosji, Niemiec i innych państw, bądź znajdujące się w ofercie ich przemysłów. Te najnowocześniejsze i zaawansowane technologicznie rodzaje uzbrojenia znajdują coraz szersze zastosowanie w armiach świata, z myślą o ich wykorzystaniu w konfliktach pełnoskalowych i asymetrycznych. Również w Polsce trwają prace zmierzające do opracowania mikrofalowej broni elektromagnetycznej.

W pierwszej części artykułu, opublikowanej w „Wojsku i Technice” 11/2020, przedstawiono zasady działania broni elektromagnetycznej, dokonano klasyfikacji jej rodzajów i omówiono specyficzne mechanizmy jej niszczącego oddziaływania na elementy oraz systemy elektroniczne, które są wbudowane w niemal każdy współczesny sprzęt wojskowy. Opisano podstawowe mechanizmy narażania tych obiektów przy pomocy RF-DEW i podano ich parametry elektryczne. Przedstawiono stan rozwoju tych nowych, ale już zaawansowanych rozwiązań w państwach członkowskich NATO i w Polsce.

Porównanie wielkości filtrów stosowanych w zabezpieczeniu obwodów zasilania 230 V AC przed HEMP i zakłóceniami przemysłowymi.

Sposoby narażania i obrony przed RF-DEW

Atak elektromagnetyczny na wybrane cele bez uprzedniego ich rozpoznania – w tym położenia, konstrukcji i sposobu użytkowania – jest procesem skomplikowanym. Jest wcześniej dogłębnie analizowany i planowany, mimo iż wydaje się być procesem prostym w realizacji. Fale narażające, dostające się do wnętrza celu poprzez umieszczone na zewnątrz kable, czujniki, otwory i szczeliny w obudowie, wywołują w obwodach jego wnętrza rezonanse elektryczne o częstotliwościach mogących nawet znacznie różnić się od podstawowej częstotliwości fali narażającej. W obwodach tych wytwarzają się w ten sposób prądy i napięcia niszczące układy elektroniczne. Każdy cel ma inne własności elektryczne, jeżeli chodzi o podatność na narażenia RF-DEW. Narażenia wąskopasmowe typu HPM przy oddziaływaniu typu „front door” w paśmie pracy urządzeń elektronicznych mają bardzo dużą skuteczność oddziaływania i stąd mogą być emitowane efektywnie z dużej odległości od celu, zwłaszcza gdy nie ma on odpowiednich zabezpieczeń. Tego samego rodzaju oddziaływanie, ale poza pasmem pracy, jest także efektywne, niemniej wymaga większej mocy źródła lub narażania celu z niewielkiej odległości. Narażenia typu UWB, ze względu na swoją szerokopasmowość, skutecznie oddziaływają „od frontu” i „z tyłu”, lecz z mniejszej odległości niż wspomniane narażenia HPM. Nie ma uniwersalnej broni RF-DEW, która skutecznie oddziaływałaby na różne rodzaje narażanych obiektów.

Najłatwiejszą do zastosowania metodą obrony przed oddziaływaniem DEW jest tworzenie stref kontrolowanego dostępu wokół ważnych obiektów i systemów. Szerokość tej strefy ochronnej powinna wynosić od 1000 do 2000 m i zazwyczaj zwiększa skuteczność zabezpieczenia przed atakami DEW dokonywanymi ze źródeł umieszczonych na ziemi lub pojazdach. Strefy kontrolowanego dostępu nie zabezpieczają przed atakami dokonywanymi z powietrza. W odróżnieniu od zabezpieczeń przed zakłóceniami elektromagnetycznymi stosowanymi w urządzeniach przemysłowych, gdzie używa się jeden lub kilka podzespołów w stopniu wystarczającym do zabezpieczenia obwodów, to w urządzeniach wojskowych ochrona przed RF-DEW musi być kompleksowa, obejmująca wszystkie obwody ze względu na wielotorowość penetracji celów przez fale. We wszystkich blokach i instalacjach elektronicznych powinny być wbudowane i działające bez przerwy, nawet w stanie wyłączenia ich z pracy, specjalistyczne zabezpieczające środki elektroniczne oraz zastosowane odpowiednie rozwiązania konstrukcji mechanicznej tych urządzeń. Zabezpieczenie tylko przed RF-DEW w sprzęcie wojskowym nie daje odporności na inne narażenia, takie jak: wyładowania atmosferyczne, iskrzenie czy przepięcia w sieci zasilającej. Stąd budowane systemy zabezpieczeń sprzętu wojskowego muszą być kompleksowe, obejmować zakresem oddziaływania wszystkie ze wspomnianych zagrożeń, co niestety powoduje wzrost komplikacji, masy, rozmiarów i ceny. Nie ma uniwersalnego elementu zabezpieczającego przed wszystkimi rodzajami narażeń. W związku z tym odporność na RF-DEW powinna być zakładana od samego początku prac nad urządzeniem. Przykładowo, na rysunku w pierwszej części artykułu (WiT 11/2020) pokazano przebiegi napięć zakłócających wyindukowanych w jednofazowych przewodach zasilających nałożonych na napięcie zasilające 230 V AC (50 Hz). Amplituda sygnału pochodzącego od narażenia jest kilkakrotnie większa niż napięcia zasilającego i oddziałuje niszcząco na dołączone do nich obwody.
Pokazane na zdjęciu powyżej filtry są na te same napięcia i prądy nominalne oraz przeznaczone do pracy w tego typu obwodach, ale przeciwdziałające różnym rodzajom zakłóceń.
Filtry zabezpieczające przed oddziaływaniem HPEM ważą ponad 5 kg i mają objętość kilku dm³. Wynika to z potrzeby odfiltrowania bardzo silnych sygnałów zakłócających, zwłaszcza oddziałujących w sposób ciągły i ich szerokiego pasma częstotliwości oraz z potrzeby odprowadzenia wydzielanego w nich ciepła. Użycie takich filtrów w standardowych urządzeniach wojskowych jest w większości przypadków niemożliwe.

Metalowe obudowy ekranujące urządzeń i systemów wojskowych muszą być szczelne elektromagnetycznie, tworząc klatkę Faradaya bez szczelin i otworów, przez które do wnętrza mogłyby się dostać fale narażające, wywołując w obwodach elektrycznych szkodliwe napięcia i niszczące fale stojące oraz niekontrolowane drgania rezonansowe w układach. Jednakże zamknięcie urządzeń w klatce Faradaya nie jest praktyczne, gdyż musi zostać zapewnione ich połączenie elektryczne z innymi współpracującymi urządzeniami zewnętrznymi. Stad pojawiają się tam potencjalne drogi penetracji narażeń do środka, co komplikuje zapewnienie ich skutecznej ochrony.

Stosowane do takich połączeń wielowarstwowo ekranowane zewnętrzne kable wchodzące do urządzeń muszą być zabezpieczone za pomocą filtrów redukujących wyindukowane w nich sygnały zakłócające. Filtry jednocześnie muszą być odporne na uszkodzenia spowodowane dużymi napięciami i przenoszonymi mocami w przewodach, wywołanymi przez sygnały narażające i spełniać podstawowe wymagania odnośnie eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych wytwarzanych w czasie normalnej pracy urządzeń.

Złącza w okablowaniu do takich zastosowań mają wbudowane wewnętrzne elementy ograniczające przepięcia i filtry zabezpieczające przed przeniknięciem sygnałów zakłócających.
Do połączeń sygnałowych bardzo korzystne jest stosowanie specjalizowanych kabli światłowodowych niezawierających wewnętrznych nośnych i wzmacniających mechanicznie elementów metalowych, które przewodzą i wprowadzają do urządzeń indukowane przez fale sygnały narażające. Światłowody same nie przewodzą sygnałów elektrycznych.

Do ograniczenia wpływu narażeń RF-DEW stosuje się też absorbery pochłaniające promieniowanie elektromagnetyczne. Absorberami pokrywa się powierzchnie zewnętrzne i ściany wewnętrzne urządzeń w celu wytłumienia powstających w nich rezonansów elektromagnetycznych. Absorbery są wypełnione stratnymi materiałami magnetycznymi i mają postać cienkich arkuszy do wyklejania, materiałów piankowych lub farb do malowania powierzchni urządzeń.

Jedną z głównych metod zabezpieczenia przed oddziaływaniem RF-DEW jest uziemianie sprzętu. Nie jest to wbrew pozorom metoda prosta, ponieważ innego rodzaju uziemienia stosuje się do zabezpieczenia sprzętu przed narażeniami atmosferycznymi czy porażeniem prądem elektrycznym, a inne przed oddziaływaniem narażeń szerokopasmowych typu RF-DEW. Wszystkie elementy zabezpieczające przed HPM, UWB, HIRF mają parametry techniczne znacznie różniące się od elementów przemysłowych i również od tych do zastosowań ogólnowojskowych. Ich dobieranie i stosowanie wymaga doświadczenia oraz dysponowania, opisanymi uprzednio, możliwościami wykonywania badań wysokomocowych częstotliwości mikrofalowych (badane też w ramach prac NATO-RTO). Takie elementy zabezpieczające są bardzo trudno dostępne lub wręcz objęte ograniczeniami eksportowymi, zwłaszcza typu ITAR (International Traffic in Arms Regulations) w Stanach Zjednoczonych.

Generalnie sposób budowy zabezpieczeń jest ściśle chroniony przez producentów i użytkowników sprzętu wojskowego na całym świecie. Widoczna jest m.in. silna konkurencja w tym względnie pomiędzy europejskimi członkami NATO a Stanami Zjednoczonymi. Z drugiej strony działania i osiągnięte rezultaty w sferze zabezpieczeń przed RF-DEW w Rosji są charakterystyczne dla ich specyficznej filozofii i metody budowy sprzętu wojskowego. W dostępnych publikacjach Rosjanie jasno stwierdzają, że zachodnie elementy i urządzenia zabezpieczające mają niezgodne z katalogowymi parametry techniczne, nie cechują się powtarzalnością parametrów nawet w ramach jednej partii dostaw. Wskazują też na niedostępność na rynku podzespołów wojskowych bardziej zaawansowanych elementów do zabezpieczeń. Są to doświadczenia uzyskane przy okazji zakupów tych podzespołów na Zachodzie, niekoniecznie dokonywanych bezpośrednio przez samych Rosjan. Stąd w Rosji powstają specyficzne rozwiązania w tym zakresie, oparte nie na technologiach półprzewodnikowych, ale strukturach z różnego typu materiałów wbudowanych w układy elektroniczne typu pasywnego i wykorzystujących efekty oddziaływania ich sprzężeń oraz pól pochodzących od promieniowania elektromagnetycznego tych struktur. W tych rozwiązaniowych szerokie zastosowanie znajduje wiedza o zjawiskach materiałowych i falowych z zakresu fizyki i elektroniki. Publikowane parametry właściwości zabezpieczających tych rozwiązań są bardzo dobre i ich jakość nigdy nie była podważana.