馮寒亮，毛從光，吳剛，孫蓓云

（西北核技術(shù)研究所，西安 710024）

電磁脈沖（Electromagnetic Pulse，EMP）是一種在瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)海軍艦船平臺(tái)、艦載電子信息系統(tǒng)及武器裝備等造成嚴(yán)重影響，甚至損傷。因此，美國(guó)海軍一直十分重視艦船EMP 生存能力試驗(yàn)與鑒定，并在這一領(lǐng)域開展了深入研究，取得了豐富的成果。其一般測(cè)試方法是對(duì)艦船系統(tǒng)和子系統(tǒng)進(jìn)行有限的測(cè)試，然后利用這些結(jié)果外推EMP 對(duì)整艘艦船的影響。隨著電子器件和信息系統(tǒng)在海軍艦船上的大量應(yīng)用，各類海軍艦船平臺(tái)的電子信息系統(tǒng)、信息化武器裝備對(duì)電磁輻射越來越敏感。與此同時(shí)，其面臨的EMP 環(huán)境威脅也日益凸顯。美國(guó)國(guó)防部作戰(zhàn)試驗(yàn)與鑒定局認(rèn)為，當(dāng)前這種測(cè)試方法無(wú)法提供海上艦船EMP 生存能力評(píng)估所需的全部數(shù)據(jù)，而且現(xiàn)有的EMP 建模與仿真所能提供的有關(guān)艦船生存能力信息非常有限，不確定性非常大，并給出了“美國(guó)海軍目前不具備對(duì)整艘艦船EMP 生存能力進(jìn)行評(píng)估的能力”這一結(jié)論[1-3]。為此，美國(guó)國(guó)防部及海軍相關(guān)機(jī)構(gòu)開展了大量工作，并考慮建造一種全艦船威脅級(jí)電磁脈沖模擬器（Full-ship EMP Threat Level Simulator, EMP TLS）[4]，填補(bǔ)這項(xiàng)能力空白。

1 美國(guó)海軍近十年發(fā)展動(dòng)態(tài)

近十年來，美國(guó)海軍在新一輪EMP 計(jì)劃的支持下，針對(duì)海軍裝備，通過開展一系列試驗(yàn)，研發(fā)替代測(cè)試設(shè)備及方法等，籌劃發(fā)展海軍EMP 評(píng)估能力，特別是全艦船EMP 生存能力的評(píng)估。

2008 年9 月，美國(guó)國(guó)防部通過化學(xué)、生物、放射性、核生存能力（Chemical, Biological, Radiological, Nuclear, CBRN）政策機(jī)制和國(guó)防部指令3150.09，正式建立了一個(gè)高級(jí)別化學(xué)、生物、放射性、核生存能力監(jiān)督小組（CBRN Survivability Oversight Group, CSOG）[5-6]。在這一生存能力政策的扶持及相關(guān)組織的監(jiān)督指導(dǎo)下，美國(guó)海軍從2009 財(cái)年開始，在“海軍空間與電子戰(zhàn)保障”項(xiàng)目的支持下，啟動(dòng)了“EMP 生存能力”子項(xiàng)目[7]。該項(xiàng)目為所有海軍系統(tǒng)、艦船、潛艇和岸上設(shè)施更新和制定了新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)限度和生存能力驗(yàn)證程序，開發(fā)并改進(jìn)了建模能力，旨在評(píng)估所有關(guān)鍵系統(tǒng)的EMP 生存能力，支持EMP 加固保證與維護(hù)任務(wù)。

2010 年3 月，美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部重新成立了新的EMP 評(píng)估小組（該小組曾暫?；顒?dòng)長(zhǎng)達(dá)10年），重啟海軍EMP 計(jì)劃[6]，開始繼續(xù)研究如何應(yīng)對(duì)EMP 威脅。美國(guó)海軍這一新的EMP 計(jì)劃任務(wù)涉及多個(gè)方面：確立與EMP 生存能力有關(guān)的系統(tǒng)采辦標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)助制定測(cè)試與評(píng)估未來系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)與方法，評(píng)估目前任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)在EMP 生存能力方面的態(tài)勢(shì)，并與其他各軍種和機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)共享EMP 資源和信息，最終歸結(jié)為向海軍高層領(lǐng)導(dǎo)提供信息以評(píng)估艦隊(duì)在EMP 方面面臨的態(tài)勢(shì)。

2011 年，美國(guó)海軍開始利用美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)退役快艇“MONHEGAN”號(hào)作為EMP 和電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)平臺(tái)，開展了EMP 輻照試驗(yàn)、脈沖電流注入試驗(yàn)，研制線纜屏蔽接地適配器，研究低幅度連續(xù)波輻照器（ Low-Level Continuous Wave Illuminator, LLCWI）試驗(yàn)方法等[8]。該系列EMP 試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和方法，為制定美軍標(biāo)MIL-STD-4023 提供了重要信息，為未來開展全艦船EMP 試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

2014 年11 月4 日，美國(guó)國(guó)防威脅降低局發(fā)布名為《Electromagnetic Pulse Threat-Level Simulator (EMP TLS) for Ships》的信息征詢通知[4]。該通知中提出了美國(guó)海軍欲建造的全艦船EMP TLS 的主要參數(shù)及相關(guān)要求。這表明相關(guān)部門已開始進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，尋求能夠設(shè)計(jì)、制造、現(xiàn)場(chǎng)演示這種設(shè)備的承包商。

2015 財(cái)年，經(jīng)美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)辦公室對(duì)核能力進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估，CSOG 小組核領(lǐng)域試驗(yàn)與鑒定工作組路線圖將全艦船EMP TLS 確定為他們最為重要的技術(shù)缺口。美國(guó)國(guó)防威脅降低局也已確定：使用全艦船EMP TLS 進(jìn)行的測(cè)試，是演示驗(yàn)證艦船防護(hù)威脅級(jí)高空電磁脈沖（High Altitude Electromagnetic Pulse, HEMP）并保障海軍要求任務(wù)的最佳方法。

另外，在2015 財(cái)年至最新2017 財(cái)年連續(xù)幾年的美國(guó)國(guó)防部作戰(zhàn)試驗(yàn)與鑒定局年度報(bào)告中均指出[1-3]：美軍目前對(duì)艦船系統(tǒng)和子系統(tǒng)進(jìn)行有限的測(cè)試、建模與仿真等方法及能力有限，不足以支撐整艘艦船的EMP 生存能力評(píng)估。特別是，2017 年11 月15 日，美國(guó)陸軍部合同司令部發(fā)布了題為《用于海軍水面艦船HEMP 評(píng)估的試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源需求》的信息征詢書[9]，列出了目前美國(guó)海軍水面艦船EMP 試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源需求涉及的5 個(gè)方面。

綜上所述，經(jīng)過持續(xù)數(shù)年的試驗(yàn)與研究，美國(guó)海軍獲取了大量艦船電磁脈沖試驗(yàn)數(shù)據(jù)和成果，為探索全艦船EMP 試驗(yàn)方法與要求、制定海上HEMP 演示驗(yàn)證計(jì)劃、研制建造全艦船EMP TLS 等奠定了基礎(chǔ)，為后續(xù)開展全艦船EMP 試驗(yàn)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

2 “MONHEGAN”號(hào)電磁脈沖試驗(yàn)

2011—2014 年，美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心達(dá)爾格倫分部與海軍航空系統(tǒng)司令部帕圖克森特河分部合作，將美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)退役的“島嶼”級(jí)快艇“MONHEGAN”號(hào)作為EMP 和電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)平臺(tái)，開展了相關(guān)試驗(yàn)?！癕ONHEGAN”號(hào)長(zhǎng)約37.49 m，舷寬6.4 m，排水量為153 t，航速為54.63 km/h，載員16 人。

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

此項(xiàng)試驗(yàn)的主要目的為：1） 研究（艦船的）HEMP生存能力；2）研究提高軍艦加固的方法；3）支持制定和驗(yàn)證MIL-STD-4023 標(biāo)準(zhǔn)；4）艦船EMP 效應(yīng)研究：5）其他調(diào)查研究。其中關(guān)于艦船EMP 效應(yīng)研究主要包括：射頻屏蔽、接地和連接的改進(jìn)；HEMP 生存能力評(píng)估方法。

2.2 已完成的試驗(yàn)

1）高幅度電流注入試驗(yàn)。研究人員使用E1 低幅度脈沖發(fā)生器（1 kA），在船體上注入寬帶電流脈沖，采用定量注入驅(qū)動(dòng)（空間、幅度、頻率）的方式，測(cè)量了泄漏場(chǎng)/電流。試驗(yàn)獲得約500 A 的峰值電流。試驗(yàn)結(jié)果表明，此模擬試驗(yàn)遠(yuǎn)達(dá)不到威脅級(jí)水平。該試驗(yàn)方法驗(yàn)證了用于加固維護(hù)/監(jiān)測(cè)的潛在技術(shù)，還驗(yàn)證了結(jié)果和建模與仿真結(jié)果的良好相關(guān)性（如圖1 所示）。

圖1 高幅度電流注入試驗(yàn)的建模與仿真Fig.1 Modeling and simulation of high amplitude current injection test

2）LLCWI 試驗(yàn)。研究人員分別利用Ellipticus天線、半對(duì)數(shù)/環(huán)形天線（>2 MHz）產(chǎn)生均勻垂直與 水平極化輻射場(chǎng)輻照船體，模擬試驗(yàn)環(huán)境與威脅級(jí)環(huán)境具有一定相關(guān)性（如圖2 所示）。此外，研究人員還進(jìn)行了桅桿線纜試驗(yàn)，僅利用了垂直極化波，場(chǎng)覆蓋范圍和均勻性有限，但可用于加固維護(hù)/監(jiān)測(cè)。

3）桅桿線纜試驗(yàn)。研究人員利用連接船首、桅桿、船尾的單線輻照器輻照船體，以獲取響應(yīng)數(shù)據(jù)，并與預(yù)先定義的、用甲板以下峰值場(chǎng)表征的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果表明：輻射場(chǎng)的垂直分量大于水平分量；場(chǎng)覆蓋范圍和均勻性有限；環(huán)形區(qū)域場(chǎng)的差異很小。該模擬方法產(chǎn)生的電磁脈沖環(huán)境達(dá)不到威脅級(jí)要求，但可用于加固維護(hù)/監(jiān)測(cè)。由于許多因素的影響，與建模與仿真結(jié)果（如圖3 所示）的對(duì)比沒有給出指向性的結(jié)論。

圖2 低幅度連續(xù)波輻照器試驗(yàn)Fig.2 Low amplitude CW irradiator test

圖3 單線輻照器開展桅桿線纜試驗(yàn)及其建模與仿真Fig.3 Single mast cable test and its modeling and simulation of irradiator

圖4 高頻鞭狀天線試驗(yàn)的建模與仿真Fig.4 Modeling and simulation of high frequency whip antenna test

4）高頻鞭狀天線試驗(yàn)。研究人員利用網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵(lì)快艇自有高頻鞭狀天線（如圖4 所示），產(chǎn)生 大范圍電場(chǎng)，覆蓋頻段受到天線諧振的影響（如天線高度為半波長(zhǎng)奇數(shù)倍的頻點(diǎn)不能有效激勵(lì)）。利用船載發(fā)射器驅(qū)動(dòng)高頻鞭狀天線，產(chǎn)生大范圍電場(chǎng)，測(cè)試頻點(diǎn)受到調(diào)諧器的限制。相關(guān)技術(shù)有望用于加固維護(hù)/加固監(jiān)視，但要同LLCWI 或高場(chǎng)強(qiáng)脈沖輻照試驗(yàn)產(chǎn)生的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較仍存在困難。

5） 脈沖電流注入試驗(yàn)。該項(xiàng)試驗(yàn)主要有兩個(gè)內(nèi)容：1）安裝海軍電纜屏蔽接地適配器，用于長(zhǎng)期試驗(yàn)與評(píng)估；2）脈沖電流注入，訓(xùn)練員工隊(duì)伍，評(píng)估端到端電路和分布式電路，評(píng)估接地效能的潛在替代方法。

2.3 美國(guó)海軍研究人員的認(rèn)識(shí)

根據(jù)此項(xiàng)試驗(yàn)，美國(guó)海軍研究人員得到如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

1）針對(duì)海軍艦船開展均勻輻照試驗(yàn)存在難度。基于美國(guó)海軍現(xiàn)有技術(shù)水平，需要針對(duì)大型海軍艦船的大型天線，從而需要提高試驗(yàn)成本和后勤保障要求。由于大型天線安置距離遠(yuǎn)，使得場(chǎng)強(qiáng)減小，并可能限制低頻頻譜數(shù)據(jù)的有效性。

2）多項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于加固維護(hù)/加固監(jiān)視。針對(duì)屏蔽接地適配器的脈沖電流注入，定性評(píng)估試驗(yàn)在后勤與成本方面有一定優(yōu)勢(shì)。

3）開展計(jì)算電磁學(xué)建模具有一定價(jià)值。結(jié)果表明，甲板以上的計(jì)算電磁學(xué)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性較好，但需考慮物理約束。

4）數(shù)據(jù)采集處理需要更高的準(zhǔn)確性和精確性。從艦船內(nèi)外測(cè)點(diǎn)傳感器獲得的測(cè)量結(jié)果，需經(jīng)電纜回傳至數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，但艦船布線復(fù)雜，且非常耗時(shí)，并受船上正常操作和電磁完整性影響，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)資金成本和時(shí)間增加，因此需要一個(gè)更好的數(shù)據(jù)采集解決方案。

根據(jù)以上披露的信息，美國(guó)海軍認(rèn)為利用退役的“MONHEGAN”號(hào)快艇作為EMP 和電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)平臺(tái)，開展研究、研制、試驗(yàn)和鑒定工作非常具有價(jià)值，但由于艦船尺寸、設(shè)計(jì)、復(fù)雜性等因素使得所需測(cè)試點(diǎn)、測(cè)量、分析等面臨巨大挑戰(zhàn)。

3 MIL-STD-4023 中關(guān)于水面艦船HEMP 防護(hù)及試驗(yàn)要求

美國(guó)在水面艦船EMP 防護(hù)領(lǐng)域開展研究時(shí)間長(zhǎng)，成果多，標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)全面，且為多國(guó)采用，因此具有較強(qiáng)的借鑒和參考價(jià)值。除MIL-STD-464C《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求》和MIL-STD-461F《分系統(tǒng)與設(shè)備的電磁干擾特性控制需求》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外[10-12]，專門涉及水面艦船EMP 防護(hù)及試驗(yàn)要求的美軍標(biāo)當(dāng)屬2016 年1 月最新發(fā)布的MIL-STD-4023《軍用水面艦船的HEMP 防護(hù)》。該標(biāo)準(zhǔn)給出了基于海軍水面艦船性能的EMP 防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

MIL-STD-4023 主要內(nèi)容包括前言、目錄、范圍、應(yīng)用文件、定義、一般要求、具體要求、注釋和附錄等章節(jié)。主要涉及軍用水面艦船HEMP 防護(hù)的技術(shù) 要求、性能標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試程序；HEMP 防護(hù)子系統(tǒng)的一般和具體要求；EMP 耦合和加固分配、分析；設(shè)備抗擾度測(cè)試；防護(hù)元件性能測(cè)試；全艦船驗(yàn)證試驗(yàn)和加固維護(hù)/監(jiān)測(cè)試驗(yàn)[13]。

MIL-STD-4023 的核心要求是：達(dá)到6 dB 或20 dB 的加固裕度；相關(guān)的HEMP 防護(hù)子系統(tǒng)可通過授權(quán)采購(gòu)和生產(chǎn)，但設(shè)計(jì)需求必須符合基于性能的要求和標(biāo)準(zhǔn)；在艦船開發(fā)過程中，要求進(jìn)行HEMP 防護(hù)子系統(tǒng)測(cè)試，并于海上試航期間在作戰(zhàn)任務(wù)條件下通過全艦船威脅的三級(jí)HEMP 驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1 一般要求

MIL-STD-4023 的“一般要求”部分，給出了標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵要素及為演示驗(yàn)證軍用水面艦船在一次HEMP 事件中能夠生存而確定的一般性試驗(yàn)與報(bào)告要求。其中，MIL-STD-4023 關(guān)于一般性試驗(yàn)分類是指：在艦船建造和艦船系統(tǒng)/子系統(tǒng)開發(fā)過程中進(jìn)行有限的一系列測(cè)試，以確保通過全艦船驗(yàn)證測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)最?。ㄈ鐖D5 所示）。

3.2 具體要求

MIL-STD-4023 艦船加固裕度水平和試驗(yàn)分類的詳細(xì)要求見表1。

3.3 艦船HEMP 試驗(yàn)的三個(gè)階段

MIL-STD-4023 規(guī)定艦船HEMP 試驗(yàn)包括以下三個(gè)主要的測(cè)試階段。

1）開發(fā)試驗(yàn)（Developmental Testing）：證明HEMP 防護(hù)子系統(tǒng)組件滿足分配的性能要求。

2）全艦船驗(yàn)證試驗(yàn)（Full-Ship Verification Testing）：艦船在運(yùn)行期間暴露于模擬的HEMP 威脅環(huán)境時(shí)，驗(yàn)證艦船執(zhí)行任務(wù)能力沒有降級(jí)，并滿足加固裕度要求（如圖6 所示）。

3）壽命周期試驗(yàn)（Life Cycle Testing）：在部署壽命周期內(nèi)實(shí)施加固維護(hù)/監(jiān)測(cè)計(jì)劃，以維持HEMP防護(hù)子系統(tǒng)性能，并按照要求重新進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

其中，關(guān)于全艦船驗(yàn)證試驗(yàn)，MIL-STD-4023 指出：需要通過全艦船EMP TLS 測(cè)試來支持水面艦船的生存能力評(píng)估，并列出了全艦船驗(yàn)證試驗(yàn)包括三種類型。

圖5 MIL-STD-4023 中關(guān)于試驗(yàn)的分類Fig.5 The classification of tests in MIL-STD-4023

表1 MIL-STD-4032 艦船加固裕度水平和試驗(yàn)分類的詳細(xì)要求Tab.1 Detail requirements on reinforcement margins and experiment classification of MIL-STD-4032 ships

圖6 全艦船EMP 試驗(yàn)概念圖Fig.6 Concept map of full ship EMP experiment

1）主動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)（Active System Test, AST）：確保沒有關(guān)鍵任務(wù)故障，識(shí)別有缺陷的設(shè)備或錯(cuò)誤的安裝實(shí)施。

2）被動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)（Passive System Test, PST）：表征殘余的內(nèi)部瞬態(tài)應(yīng)力，以外推至威脅級(jí)，并加上裕度，用于脈沖電流注入測(cè)試。

3）直接試驗(yàn)（Direct Drive Test, DDT）：通過脈沖電流注入來演示殘余的內(nèi)部瞬態(tài)電流加上裕度不會(huì)導(dǎo)致任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)的關(guān)鍵故障；通過試驗(yàn)后檢查、性能校驗(yàn)和響應(yīng)數(shù)據(jù)分析來證明防護(hù)裝置不會(huì)因?yàn)橥{相關(guān)（威脅與加固裕度）的瞬變而受損或降級(jí)；為加固維護(hù)/監(jiān)測(cè)計(jì)劃的基線數(shù)據(jù)和艦船的HEMP 加固評(píng)估提供數(shù)據(jù)；根據(jù)需要更新加固指標(biāo)分配報(bào)告。

綜上所述，美國(guó)海軍水面艦船EMP 防護(hù)及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)具有較強(qiáng)的技術(shù)參考價(jià)值，全面地涵蓋了美國(guó)海軍當(dāng)前及未來艦船EMP 生存能力的試驗(yàn)要求。將有效推動(dòng)美國(guó)海軍全艦船EMP 生存能力試驗(yàn)與鑒定的發(fā)展，特別是將推動(dòng)全艦船EMP 試驗(yàn)裝置的研發(fā)。

4 試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源需求

MIL-STD-4023 定義了評(píng)估海軍水面艦船HEMP-E1 生存能力的要求：從施工階段的試驗(yàn)開始，歷經(jīng)主動(dòng)和被動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)，以威脅級(jí)輻照試驗(yàn)結(jié)束，并可能進(jìn)行“高裕度”系統(tǒng)脈沖電流注入試驗(yàn)。目前還沒有按照MIL-STD-4023 標(biāo)準(zhǔn)建造的艦船，特別是還沒有滿足MIL-STD-4023 測(cè)試要求的威脅級(jí)輻照器。這直接導(dǎo)致其未來水面艦船采辦計(jì)劃（如DDG 51）中還沒有進(jìn)行全艦船EMP 試驗(yàn)的安排。另外，現(xiàn)有的美國(guó)海軍水面艦船始建于20 世紀(jì)70 年代，而當(dāng)前艦船的施工技術(shù)已發(fā)生了巨大變化，艦載系統(tǒng)不斷升級(jí)和改進(jìn)，導(dǎo)致現(xiàn)有艦船難以按照MIL-STD-4023 中定義的方法開展HEMP 評(píng)估。在美國(guó)軍方看來，這一現(xiàn)狀主要癥結(jié)在于美國(guó)海軍用于水面艦船EMP 評(píng)估的試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源不足。

4.1 美國(guó)海軍未來全艦船威脅級(jí)電磁脈沖模擬器參數(shù)

美國(guó)國(guó)防部國(guó)防威脅降低局認(rèn)為：使用全艦船EMP TLS 進(jìn)行的測(cè)試，是演示驗(yàn)證艦船防護(hù)威脅級(jí)HEMP 并保障海軍要求任務(wù)的最佳方法。MIL-STD- 4023 和《DDG 51 艦船規(guī)范》中明確了有關(guān)艦船EMP試驗(yàn)的要求，并認(rèn)可了全艦船EMP TLS 是軍艦EMP威脅生存能力保障所必須的。同時(shí)，全艦船EMP TLS的海上測(cè)試也將通過為HEMP 建模提供測(cè)試數(shù)據(jù)和為艦員提供真實(shí)的HEMP 訓(xùn)練場(chǎng)景來支持海軍任務(wù)保障，利用此項(xiàng)能力演示驗(yàn)證全艦船EMP 的生存能力，并保證美國(guó)的核威懾態(tài)勢(shì)。因此，全艦船EMP TLS成為美國(guó)海軍水面艦船EMP 評(píng)估試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源需求的最重要硬件設(shè)備之一。

事實(shí)上，早在20 世紀(jì)80 年代，美國(guó)海軍就建造了艦船電磁脈沖輻射環(huán)境模擬器 EMPRESS II （ Electromagnetic Pulse Radiation Environment Stimulation for Ships），并于20 世紀(jì)90 年代開展過針對(duì)全艦船的大型試驗(yàn)，但在試驗(yàn)后不久被拆除（圖7 中軍艦為基本型IV“宙斯盾”巡洋艦“Anzio”號(hào)，其下方為第二代艦船EMP 輻射環(huán)境模擬器EMPRESS II[14]）。直到2014 年11 月4 日，美國(guó)國(guó)防威脅降低局發(fā)布了用于艦船的EMP TLS 信息征詢通知，透露出未來新的全艦船EMP TLS 參數(shù)信息。該通知內(nèi)容表明，國(guó)防威脅降低局?jǐn)?shù)年前就重新考慮建造用于美國(guó)海軍艦船的EMP TLS，并已有初步規(guī)劃。

美國(guó)國(guó)防威脅降低局提出的該模擬器主要組件包括脈沖源、輻照天線、支持保障設(shè)備（脈沖源診斷、試驗(yàn)空間內(nèi)的自由場(chǎng)診斷等），并特別提出該模擬器能夠利用垂直極化EMP 輻照一艘航空母艦。具體參數(shù)及要求如下。

1）EMP TLS 能夠輻照航空母艦，其產(chǎn)生的輻射場(chǎng)于舷側(cè)入射，并與水線垂直。

2）EMP TLS 波形規(guī)范，與MIL-STD-464C 圖A-3 中給出的脈沖波形相同（如圖8 所示[11]）。

圖8 MIL-STD-464C 中EMP 時(shí)域波形Fig.8 EMP time domain waveform in MIL-STD- 464C

3）EMP TLS 的試驗(yàn)空間定義：EMP 入射到核動(dòng)力航空母艦的舷側(cè)。高度約76.2 m（水線至桅桿頂部），深度約76.81 m，長(zhǎng)度（舷側(cè)）約335.28 m。

4）在EMP TLS 試驗(yàn)空間內(nèi)，所有三個(gè)波形參數(shù)（如峰值電場(chǎng)N1）變化范圍不會(huì)超過2 倍（N1max-N1min<2N1），即每一個(gè)參數(shù)在試驗(yàn)空間內(nèi)的最大變化范圍為2:1。

5）EMP TLS 將被安裝于可在開闊海域行駛的駁船上，具體環(huán)境要求待定。

6）需要用于測(cè)量EMP TLS 性能的儀器。

7）需要能夠測(cè)試航空母艦上100 個(gè)測(cè)試點(diǎn)響應(yīng)的儀器設(shè)備，以及相應(yīng)的具有10 kHz~1 GHz 帶寬的100 個(gè)同步數(shù)字化通道。

由于相關(guān)信息較少，因此關(guān)于該全艦船EMP TLS的具體信息及后續(xù)發(fā)展尚未可知。可以確定的是，建造這樣的模擬器的技術(shù)難度和成本相當(dāng)巨大。美國(guó)國(guó)防威脅降低局與海軍海上系統(tǒng)司令部估算，建造一套具備相應(yīng)能力的全艦船EMP TLS，成本約為4900~ 5400 萬(wàn)美元。一旦開始運(yùn)行，前9 次試驗(yàn)的成本約為1750~1860 萬(wàn)美元。

4.2 其他試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源需求

盡管全艦船EMP 試驗(yàn)如此重要，由于受到目前能力與條件的限制，在全艦船EMP TLS 尚未建成前，美國(guó)海軍需要開發(fā)其他相關(guān)試驗(yàn)方法和技術(shù)來滿足現(xiàn)階段EMP 試驗(yàn)需求。2016 財(cái)年，美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部已指示海軍EMP 計(jì)劃辦公室開發(fā)一種利用一臺(tái)LLCWI 對(duì)待測(cè)艦船進(jìn)行測(cè)試的方法，這將有助于滿足近期試驗(yàn)要求。

在此之后，為進(jìn)一步確定美國(guó)海軍在水面艦船上開展早期高空電磁脈沖（HEMP E1）測(cè)試的試驗(yàn)資源需求，為相關(guān)研究提供信息，2017 年11 月15 日，美國(guó)陸軍部合同司令部發(fā)布了題為《用于海軍水面艦船HEMP 評(píng)估的試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源需求》信息征詢書。該信息征詢書提出的關(guān)于水面艦船EMP 試驗(yàn)的其他基礎(chǔ)設(shè)施資源需求主要涉及以下五個(gè)方面。

1）建造LLCWI 掃頻輻照系統(tǒng)。作為EMP TLS的替代品，LLCWI 應(yīng)覆蓋100 kHz~1 GHz 的頻率范圍，并且輻射場(chǎng)最大范圍可覆蓋152.4~335.28 m，高度從艦船水線以上至最高點(diǎn)達(dá)76.2 m。LLCWI 的垂直和水平極化波需要使用單獨(dú)的天線或單個(gè)多極天線，輸出場(chǎng)強(qiáng)至少為1 V/m，而艦上的變化限于±6 dB。輻照器必須能夠進(jìn)行陸基或?；鶞y(cè)試，待將來的選址決定。該系統(tǒng)應(yīng)包括輻照器電源、輻射場(chǎng)條件控制、精確的頻率參考以及與艦載電流探頭實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)所需的所有電子元件，以實(shí)現(xiàn)較高的信噪比。

2）建設(shè)基于歷史試驗(yàn)記錄的水面艦船HEMP 測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)。軍方已有的HEMP 艦船測(cè)試數(shù)據(jù)與20 世紀(jì)90 年代國(guó)防威脅降低局“AIRBASE”試驗(yàn)數(shù)據(jù)一樣，存儲(chǔ)在多個(gè)不同的位置，且數(shù)據(jù)格式迥異。由于絕大多數(shù)水面艦船HEMP 試驗(yàn)數(shù)據(jù)位于計(jì)算機(jī)外圍存儲(chǔ)設(shè)備上（如磁盤等），導(dǎo)致目前無(wú)法使用。因此，需要將歷史測(cè)試報(bào)告和電子文件轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)（不需要分析軟件），以供將來測(cè)試人員和評(píng)估人員分析HEMP 與艦船和艦船系統(tǒng)的相互作用，并基于這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)建設(shè)新的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）研發(fā)針對(duì)非MIL-STD-4023 要求的水面艦船EMP 評(píng)估方法。當(dāng)前，美國(guó)海軍水面艦船的施工技術(shù)已發(fā)生了巨大變化，艦載系統(tǒng)不斷升級(jí)和改進(jìn)，但美國(guó)海軍艦隊(duì)中還沒有按照美軍標(biāo)MIL-STD-4023 建造的水面艦船。因此，美國(guó)海軍認(rèn)為其需要一種新的方法來支持現(xiàn)有水面艦船的HEMP 評(píng)估。覆蓋現(xiàn)有（按照非 MIL-STD-4023 標(biāo)準(zhǔn)建造的）艦船的新HEMP 評(píng)估方法必須考慮HEMP 與水面艦船相互作用的關(guān)鍵威脅可關(guān)聯(lián)參數(shù)，適用于替代輻照方法（如幅度連續(xù)波、步進(jìn)頻率天線），并定義相關(guān)HEMP數(shù)據(jù)的收集、推斷和分析，以供評(píng)估。新評(píng)估方法必須適用于長(zhǎng)度在152.4~335.28 m 之間，波束覆蓋水線至艦船最高點(diǎn)距離在30.48~76.2 m 之間的大型水面艦船。

4）建設(shè)三維海基輻射場(chǎng)測(cè)繪陣列。精確地測(cè)繪輻射場(chǎng)是HEMP E1 輻照試驗(yàn)的關(guān)鍵。對(duì)于擁有電子設(shè)備且大面積分布的大型系統(tǒng)來說，測(cè)繪精確的輻射場(chǎng)更為重要和困難。水面艦船生存能力的成功評(píng)估要求具備輻射場(chǎng)三維測(cè)繪能力，但美國(guó)海軍目前缺乏這樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因此，美國(guó)海軍提出一種海基可定向控制的輻射場(chǎng)傳感器陣列（電場(chǎng)探頭或磁場(chǎng)探頭），可提供實(shí)時(shí)多維輻射場(chǎng)測(cè)繪，要求必須覆蓋與航空母艦相當(dāng)?shù)挠行Э臻g，并具有足夠的靈敏度和空間分辨率，以支持外推高幅度脈沖或LLCW 電纜耦合測(cè)量。

5）研究LLCW 儀器、數(shù)據(jù)采集和分析。美國(guó)海軍要求在使用上述輻照器或其他新穎方法的情況下，對(duì)儀器設(shè)備、艦船屏蔽效能進(jìn)行測(cè)量，獲取和分析的能力應(yīng)符合MIL-STD-4023 和MIL-STD-188-125-1 標(biāo)準(zhǔn)要求。如整個(gè)船體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)該在 100 kHz~ 1 GHz 的整個(gè)頻譜范圍內(nèi)大于1.0 V/m；傳感系統(tǒng)必須在甲板和甲板下的分散環(huán)境中運(yùn)行，并在有其他人為和艦載電磁噪聲的情況下準(zhǔn)確測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)和電流。

6）其他需求。在傳感器和測(cè)量方面，美國(guó)海軍要求測(cè)量技術(shù)和相關(guān)硬件，能夠測(cè)量電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電纜束上的電流以及甲板和甲板下分散環(huán)境中單根電纜上的電流，并認(rèn)為無(wú)論是時(shí)域還是頻域，標(biāo)量和/或矢量診斷能力，都有助于更好地評(píng)估艦船對(duì)從100 kHz~1 GHz 的HEMP E1 脈沖波形的屏蔽效能。特別關(guān)注在信號(hào)接近環(huán)境噪聲較低頻率（<1 MHz）的更深層甲板下，增強(qiáng)評(píng)估屏蔽效能的硬件或技術(shù)。在物理屬性方面，美國(guó)海軍預(yù)計(jì)，試驗(yàn)中需要跨越幾十個(gè)艙室的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（數(shù)量約為500 至1000）才能配備整艘軍艦。另外，測(cè)試一艘海軍艦船所需的時(shí)間（約2 周）成本相對(duì)昂貴。因此，美國(guó)海軍認(rèn)為其要解決的問題在于：傳感器診斷能力如何能夠支持這種大規(guī)模節(jié)點(diǎn)部署，并且最大限度地減少配置設(shè)備和測(cè)試整個(gè)艦船所需的時(shí)間；如何收集和處理來自所有這些物理分布的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以及如何實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與中央處理終端（如果適用）之間的通信；在低于甲板和通過防水封閉艙壁的情況下，該通信方式如何實(shí)現(xiàn)；減少或避免必須繞過復(fù)雜通道的長(zhǎng)距離光纜布線方法；解決數(shù)據(jù)采集如何正確觸發(fā)/計(jì)時(shí)以及最終如何收集。

5 結(jié)語(yǔ)

盡管美國(guó)軍方在水面艦船的EMP 防護(hù)研究方面已經(jīng)積累了幾十年的經(jīng)驗(yàn)，開展過多次全艦船EMP試驗(yàn)，驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)和方法，但受到現(xiàn)代艦載電子器件和系統(tǒng)的升級(jí)換代、建船技術(shù)工藝改進(jìn)等因素的影響，美國(guó)海軍認(rèn)為無(wú)論是進(jìn)行有限的測(cè)試，外推整艘艦船的EMP 生存能力水平，還是通過建模與仿真提供有關(guān)艦船生存能力信息，其目前都不具備對(duì)整艘艦船EMP 生存能力進(jìn)行評(píng)估的能力。主要原因在于其用于水面艦船電磁脈沖評(píng)估的試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源不足。

全艦船EMP TLS 是其中關(guān)鍵試驗(yàn)資源之一。無(wú)論是美國(guó)化學(xué)、生物、放射性、核生存能力監(jiān)督小組，國(guó)防部國(guó)防威脅降低局，國(guó)防部作戰(zhàn)試驗(yàn)與鑒定局，還是美軍標(biāo)MIL-STD-4023 及新一代艦船的建造規(guī)范《DDG 51 艦船規(guī)范》，都認(rèn)可了全艦船EMP TLS是軍艦EMP 威脅生存能力保障所必須的。美國(guó)國(guó)防部國(guó)防威脅降低局核生存能力部門主任 Michael Rooney 及美國(guó)海軍水面戰(zhàn)中心防護(hù)系統(tǒng)部EMP 部門主管Michael E Jump 對(duì)EMP TLS 的評(píng)價(jià)很明確[15]：使用EMP TLS 是測(cè)試水面艦船以確保其具備HEMP生存能力的最佳方法，沒有其他測(cè)試或理論分析能夠有效地保證艦船能夠在HEMP 發(fā)生期間和之后完成其任務(wù)。

就目前相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀來看，美國(guó)軍方通過制定EMP 防護(hù)軍標(biāo)MIL-STD-4023、開展小型艦船EMP試驗(yàn)、研發(fā)LLCWI 替代試驗(yàn)方法等，籌劃發(fā)展全艦船EMP 生存能力的評(píng)估能力。雖然相關(guān)能力發(fā)展和設(shè)施建造的時(shí)間表尚未可知，但根據(jù)以往獲得的數(shù)據(jù)和結(jié)果，美國(guó)海軍正在按照相關(guān)軍標(biāo)和規(guī)范所要求的，逐漸向開展全艦船EMP 生存能力評(píng)估試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)靠近。