Elektromagnetiska vapen och verkansdelar

”Framtiden är här” hör man ibland i vissa sammanhang. Bortser man ifrån den uppenbara motstridighet som är inbyggd i detta uttryck så är detta nog ett sant påstående vad gäller elektromagnetiska vapen och verkansdelar. Under många år har man spekulerat och diskuterat när dessa system skall realiseras och visa sig i operativ verksamhet. Nu finns det mycket som tyder på att denna tid är här. Från en taktisk synvinkel efterfrågas verkansformen i fler och fler sammanhang och ur ett tekniskt perspektiv har man nu uppnått en tillräckligt hög mognadsgrad för att dessa system skall kunna lämna forsknings- och utvecklingslabben. ”Framtiden är här”.

Vad är då ett elektromagnetiskt vapen? I ordets sanna definition är det ett vapensystem vars verkansprincip är att sända ut elektromagnetisk strålning i någon form. För att begränsa omfånget av denna artikel behandlas dock bara det delområde som rör radio- och mikrovågsfrekvenser. Områden som inte behandlas är därmed det infraröda (IR) området, synligt ljus och det ultravioletta (UV) området. I dessa frekvensområden arbetar i allmänhet laservapen och då detta i sig är ett mycket stort område exkluderas denna vapenfamilj i denna artikel. Elektromagnetiska vapen i radio- och mikrovågsområdet delas i sin tur oftast in i två underklasser. Den första av dessa klasser benämns HPM (High Power Microwave) och definieras av att det är en relativt smalbandig strålkälla som genererar enstaka pulser, alternativt pulsskurar, och där den utsända effekten är mycket

Magnus Karlsson är en av landets experter inom området Elektromagnetiska vapen och arbetar idag med dessa frågor inom Bae Systems Bofors i Karlskoga.

HPM Långa pulser (~µs) med väl definierad frekvens och måttlig prf(10-100 Hz) samt hög pulseffekt.

Enstaka pulser med mycket hög effekt och relativt kort varaktighet (ofta brett frekvensinnehåll).

Pulser med lägre effekt, kort varaktighet (brett frekvensinnehåll) och hög pulsrepetitionsfrekvens (prf).

Primär energikälla Högspännings generator Pulsformande nät Mikrovågskälla Antenn

Lågfrekventa pulsvapen: INEMP

Primär energikälla Pulsformande nät Antenn

Lågfrekventa pulsvapen: UWB

Primär energikälla Pulsformande nät Antenn

hög. I de flesta tillämpningar är denna effekt av storleksordningen 1 GW och detta motsvarar i runda tal en miljon mikrovågsugnar! Att frekvensinnehållet är smalbandigt innebär att den

Figur 1 - översikt över elektromagnetiska vapen.

Ett elektromagnetisskt vapen erbjuder en hel del nya möjligheter och fördelar mot mer konventionella verkansformer. Vapnet slår primärt mot elektronikberoende system och inte mot människor. genererade uteffekten är samlad inom ett smalt frekvensområde, i analogi med de flesta radarsystem och magnetronen i mikrovågsugnen. Typisk huvudfrekvens för denna vapentyp är några GHz. Den andra klassen är lite mer svårdefinierad men benämns i detta sammanhang som lågfrekventa pulsvapen. Dessa definieras av att de är relativt bredbandiga och att större delen av den utsända energin är fokuserad i radioområdet snarare än mikrovågsområdet. Den utsända effekten kan även för denna klass vara mycket hög men i allmänhet är den betydligt lägre än för HPM-källorna.

Lågt energiinnehåll

För de flesta systemlösningar inom denna klass är energiinnehållet per puls relativt låg. Detta kan man dock med vissa lösningar kompensera genom att generera ett stort antal pulser. Man brukar även prata om två undergrupper till denna klass och de benämns INEMP (Icke-Nukleär ElektroMagnetisk Puls) och UWB (Ultra WideBand). Sammanfattningsvis kan man göra följande grova indelning av elektromagnetiska vapen inom radio- och mikrovågsområdet:

Vad är syftet med ett elektromagnetiskt vapen? Ett välkänt fenomen för de flesta är att elektromagnetiska fält kan orsaka störningar i olika typer av elektroniksystem. Det ”klassiska” fallet är då en moped (eller snarare dess tändstift) passerar och tillfälligt stör ut radiomottagningen men det finns självklart en uppsjö av andra exempel. Huvudsyftet med ett elektromagnetiskt vapen är att störa eller förstöra funktionen hos elektronikberoende system.

Om man studerar sin omgivning idag finner man att elektronikberoende system i princip finns överallt. Inte nog med det faktum att elektronik finns överallt, den blir dessutom i många sammanhang känsligare och mer mottaglig för störningar p.g.a. att den blir snabbare, arbetar med lägre spänningsnivåer o.s.v. Detta i kombination med trenden att man frångår principen med god skärmverkan (t.ex. plasthölje istället för metalliskt skal) är viktiga orsaker till att elektromagnetiska vapen idag utgör ett realistiskt hot mot civila och militära system.

Lämpad för graderad verkan

Ett elektromagnetiskt vapen erbjuder en hel del nya möjligheter och fördelar mot mer konventionella verkansformer. Det kanske mest självklara är att man primärt slår emot elektronikberoende system och inte mot människa. Som en sekundär effekt kan självklart även människor drabbas men uppsåtet borde i de flesta fall vara att använda denna verkansform som ett icke-dödligt vapen. I verkansformens natur finns även inbyggt att det är en verkansprincip lämpad för graderad verkan. Man har stora möjligheter att styra uteffekt och riktver-

kan mellan varje skott alternativt pulsskur. På detta vis kan man bestämma om man endast vill uppnå en kortvarig störning hos systemen man angriper eller om man vill permanent förstöra utrustningen genom att bränna sönder elektroniken.

En elektromagnetisk verkansform är volymsverkande. Man kan tänka sig att en kon spänns ut med spetsen placerad vid vapensystemets antenn. All elektronik i denna kon kommer på något vis att påverkas av strålningen. I närområdet av spetsen (vapnet) är fältstyrkorna högst och risken till förstörande verkan som störst. Ju längre ut i konen man kommer desto lägre blir fältstyrkan och olika typer av störningsprocesser blir mer dominanta som huvudverkan. Då skyddet mot denna verkansform är annorlunda än t.ex. den från splitterverkan kan det vara svårt att i denna kon ”gömma sig” bakom ett traditionellt fysiskt skydd. Det går att skärma sin utrustning men detta är då ofta på bekostnad av funktionalitet, t.ex. sensorer som måste fällas in eller liknande. Andra stora fördelar med denna verkansform är: • Strålningen når målet med ljusets hastighet. • De frekvenser som i allmänhet används påverkas inte nämnvärt av väderförhållanden (det kan däremot vapensystemets sensorer och plattform göra). • Systemen använder sig i allmänhet inte av några energetiska material (tändämne, sprängämne, pyrotekniska satser o.s.v.).

Detta förenklar logistiken samt minskar riskerna vid hantering av de ingående delsystemen. Ett område som man idag arbetar mycket aktivt inom är det att använda sig av den elektromagnetiska verkansformen mot IEDer (Improvised Explosive Devices). Detta är ett exempel på ”nya” hotbilder där denna verkansform i en närstående framtid snabbt kan komma att appliceras.

Finns det då inga nackdelar med dessa nya system jämfört med mer konventionella? Jo, självklart finns det nackdelar. Man vinner troligtvis inga krig med att enbart använda sig av denna verkansprincip. Verkansformen skall i första hand ses som ett komplement till mer traditionella verkansformer. En nackdel är att det kan vara svårt att utvärdera skadeeffekterna från denna verkansprincip då det sällan uppstår några fysiskt påtagliga effekter hos målet. Detta sistnämnda kan dock även vara en fördel i vissa sammanhang.

Demonstratorprojekt

På BAE Systems Bofors har man under en längre tid arbetat med elektrotermisk-kemiska (ETK) kanoner. Inom detta arbete har man byggt upp en hög och bred kompetens inom bl.a. teknikområdet pulsad kraft. Detta område, tillsammans med mikrovågsteknik, är kritiska teknologier då det gäller utvecklingsarbete av elektromagnetiska vapen. Med detta som grund tog arbetet med elektromagnetiska vapen på allvar fart 2002 och under de senaste åren har det pågått ett demonstratorprojekt inom områdets gränser. Huvudmålet med detta projekt är att påvisa förstörande verkan på utvalda typmål som placerats på visst avstånd från va-

penplattformen. Den huvudklass man arbetat med är HPM och strålkällan som används är vakuumbaserad. En principskiss över systemet visas i figuren nedan.

Som primär energikälla använder man sig i ursprungsutförandet av batterier. Har man möjlighet att från vapenplattformen förse systemet med energi i form av elkraft med måttlig eller hög effekt är detta dock en stor fördel. Genom detta förfarande skulle man då kunna minska tiden mellan varje utsänd puls alternativt pulsskur. Man transformerar upp den elektriska spänningen (från tiotalet volt till några tiotals tusen volt) i ett par steg och laddar upp en pulsgenerator. Denna komprimerar därefter den elektriska energin i tiden och matar mikrovågskällan med en elektrisk drivpuls på runt 10 GW. Detta kan i effekt jämställas med elproduktionen från tio stora svenska kärnreaktorer! Skillnaden mellan dessa båda fall är dock att man i pulsgeneratorn endast genererar denna storleksordning av effekt under hundratalet nanosekunder (en nanosekund är en miljarddel av en sekund) medan kärnreaktorerna förväntas kontinuerligt i tid generera dessa effekter. Inne i strålkällan skapas en relativistisk elektronstråle som genom vissa speciella arrangemang bromsas upp och avsätter delar av sin rörelseenergi till mikrovågsstrålning. Mikrovågsstrålningen leds via en vågledare till en antennstruktur som riktar och sänder ut mikrovågorna.

Svår ekvation

Förutom problemet att generera tillräckligt hög mikrovågseffekt så är den stora utmaningen att bygga ett vapensystem som detta kompakt. Höga spänningar och korta sträckor är i allmänhet en ekvation som är svår att få ihop. Med dagens teknologi har det dock visat sig vara möjligt att skapa ett system som kan rymmas i en cylinder med en längd av meterstorlek och en diameter runt halvmetern.

Vid sidan av demonstratorprojektet bedrivs på BAE Systems Bofors utvecklingsarbete inom området lågfrekventa pulsvapen. Fördelen med lågfrekventa pulsvapen jämfört med HPM-källor är främst den större enkelheten hos dessa system. Flera olika studier på lågfrekventa pulsvapen har genomförts vars syfte varit att bedöma deras lämplighet att implementeras på olika typer av mindre plattformar. De senaste

åren har fokus varit på att skapa en elektromagnetisk verkansdel för en 155 mm granat. Med den vikt och volym som finns tillgänglig i en 155 mm granat, samt de accelerationskrafter som granaten och dess verkansdel utsätts för, finns det i dagsläget ingen möjlighet att välja en lösning som bygger på ren HPM-teknologi. Med dagens styrbara artillerigranater, typ Excalibur, har man möjlighet att styra in en verkansdel i målets omedelbara närhet. Detta medför i sin tur att man inte behöver ställa allt för höga krav på riktverkan av den utsända strålningen samt på den genererade toppeffekten. Två olika typer av lösningar man kan tänka sig att realisera i en 155 mm granat är: • Kretskortsbaserad repetitiv pulsgenerator. • Sprängämnesdriven generator kopplad till en robust strålare.

Repetitiv pulsgenerator

I figur 4 visas en principskiss över hur en kretskortsbaserad repetitiv pulsgenerator kan tänkas se ut.

Den första delen av denna tekniklösning påminner mycket om den som tidigare beskrevs för HPM-systemet. En batteristack fungerar som primär energikälla och därefter transformeras spänningen upp i olika steg för att ladda en pulsgenerator. Laddningen av pulsgeneratorn kan tänkas ske någonstans i slutet på projektilbanan. Då projektilen befinner sig i målets närområde släpper pulsgeneratorn ut sin energi till ett pulsformande nät som modifierar frekvensinnehållet i signalen och som därefter låter pulsen ringa ut i en antennstruktur. Det som strålar ut från denna antenn är relativt bredbandigt, energin är fördelad över ett stort frekvensintervall, och har därmed stora möjligheter att koppla in på olika sätt till det elektronikbaserade målet. Med denna typ av tekniklösning kan man dessutom

Nedan till vänster: En möjlig konfiguration av en kretskortsbaserad, repetitiv pulsgenerator.

Nedan till höger: Principskiss över hur en sprängämnesdriven generator kopplad till en robust strålare kan utformas.

generera täta skurar av pulser så möjligheten finns att sända ut många pulser innan granaten slår i marken.

I figur 5 visas en principskiss över hur en sprängämnesdriven generator kopplad till en robust strålare kan utformas.

En kondensator laddas upp under projektilbanan från ett batteridrivet laddningsaggregat. Då granaten närmar sig målområdet laddas kondensatorn ut över en s.k. magnetflödeskompressor. Denna typ av komponent omvandlar, m.h.a. en detonationsvåg, den kemiskt lagrade energin i sprängämnet till elektrisk energi. Genom pulsformning kan man driva en robust strålkälla att generera en mikrovågspuls med hög effekt.

Brett frekvensinnehåll

De stora skillnaderna mellan dessa båda systemlösningar är att man i första fallet genererar pulser med brett frekvensinnehåll men med lite energi i varje frekvens (speciellt gäller detta för de högre frekvenserna). Man kan till viss del kompensera det lägre energiinnehållet genom att skicka ut många pulser. I den andra systemlösningen skickas endast en puls ut men i denna finns det betydligt mer energi i de högre frekvenserna. En annan olikhet mellan de båda lösningarna är att med den första kan man skapa en verkansform med högst begränsad sekundär skadeverkan. Denna kan förbättras ytterligare om man låter systemet falla ner sista biten i t.ex. en fallskärm. Med den andra lösningen kan man komplettera och öka den sekundära effekten med att införa splitterförstärkning i höljet (sprängämnet finns redan på plats).

Mikrovågor kan även användas mot mänskliga mål. Ett amerikanskt system man ofta ser i medierna är Active Denial System (ADS). Syftet med detta vapensystem är att tillfoga målet, vilket i detta fall är en människa, en uppvärmningseffekt som i sin tur orsakar smärta. De frekvenser som används i dessa vapen är dock betydligt högre än de som genereras med syfte att förstöra och störa elektronikbaserade system. Elektromagnetiska vapen vars syfte är att primärt verka mot människa är inte under utveckling i Sverige.

Vilka slutsatser kan man nu dra av det här? Från en utvecklingssynpunkt har man fram tills i dag tagit fram system, utomlands och i Sverige, som demonstrerar denna elektromagnetiska verkansprincip på olika typer av mål. Dagens tekniklösningar erbjuder även möjligheten att konstruera och bygga dessa system kompakta och med möjlighet att fungera i operativ verksamhet. Självklart finns det en mängd förbättringsmöjligheter hos alla dessa system men en första generation av elektromagnetiska vapen och verkansformer står nu i utvecklingslabben och knackar på dörren för att komma ut och demonstreras och testas i skarp miljö. Nu är tiden här för att ta nästa steg för ”Framtiden är här”.