王永芳,于檳愷,王凌云
(1.中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院,北京 100048;2.北京航天動力研究所,北京 100076)
高功率微波武器也稱射頻武器或電磁脈沖武器,是利用高功率電磁波束攻擊敵方電子設備目標和作戰(zhàn)人員的一種定向能武器,其特點是全天候、光速攻擊、精確打擊、面殺傷、豐富的彈藥、低成本,主要用于毀傷電子設備,瓦解敵方武器的作戰(zhàn)能力,將在空間攻防對抗和信息對抗中發(fā)揮重要作用,對新軍事變革產生深遠的影響[1]。
為了更全面地了解國內外高功率微波武器技術發(fā)展情況,本文基于德溫特世界專利數(shù)據(jù)庫進行專利檢索,共獲取了337項相關專利,檢索截止日期為2018年10月20日。通過對高功率微波武器全球專利分析,研究全球技術發(fā)展趨勢、國家或地區(qū)技術優(yōu)勢,以及全球主要創(chuàng)新主體的專利申請情況,有助于國內科研單位了解全球高功率微波武器技術的發(fā)展動態(tài),洞悉國外技術發(fā)展重點和發(fā)展方向,從而對國內高功率微波武器技術發(fā)展提供參考。
如圖1所示,全球高功率微波武器專利申請時段可劃分為兩個階段,分別為萌芽期(1977年~2003年)、發(fā)展期(2004年~2018年)。近年,在軍事需求與技術進步的共同驅動下,高功率微波武器技術呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢。
圖1 高功率微波武器技術全球專利申請趨勢Fig.1 Globe patent application trends of high power microwave weapon
在萌芽期(1977年~2003年),高功率微波武器技術領域的專利申請較少,年平均申請量在4項左右。此階段的專利申請涉及高功率微波源器件,主要來自于美國和俄羅斯(包括前蘇聯(lián))。
在該階段,俄羅斯高功率微波源技術取得了較大突破,并已經研制陸基高功率微波發(fā)射系統(tǒng)樣機,其相關專利主要涉及磁控管和加速器的優(yōu)化設計。
該階段初期,美國專利主要來自于美國政府,涉及高功率微波系統(tǒng)總體技術。美國國防部從20世紀70年代開始研究微波武器,20世紀80年代,在美國國防部的高功率微波武器發(fā)展政策推動下,美國相關專利申請量開始上升。其中,美國在1985年制定的“戰(zhàn)略防御倡議”和1987年國防部的“平衡技術倡議”中,均將高功率微波武器列為重點研究項目[2-3];20世紀90年代,美國國防部還在一些綱領性文件中,將微波/電磁脈沖武器列入發(fā)展清單[4]。上述美國發(fā)展政策有力推動了高功率微波武器的技術發(fā)展,實現(xiàn)了高功率微波源和脈沖源器件的技術突破,促進了專利申請量的上升。
在發(fā)展期(2004年~2018年),高功率微波武器技術領域的專利申請量呈現(xiàn)波動式增長趨勢,年均申請量達到19項,該階段的專利申請主要來自于美國、中國、德國和俄羅斯。
在21世紀初期,美國高功率微波武器研制開始從器件技術攻關向系統(tǒng)演示驗證階段過渡,研究部門從政府研究部門和大學轉向以軍方為主體。其中,美國空軍在2004年開始與通用公司合作,研制機載主動拒止系統(tǒng)(ADS),并制定了高功率微波武器發(fā)展規(guī)劃[4],于2008年啟動CHAMP項目[5];從2010年開始對老式戰(zhàn)機進行改造,對其加載電磁脈沖源,使其可以作為微波武器使用[6];美國海軍在此階段的試驗驗證項目包括固定式主動拒止系統(tǒng)和射頻車輛制動器項目[7];另外,美國在2006年完成了天基高功率微波武器系統(tǒng)的建模和仿真試驗[8]。這一系列的美軍高功率微波武器研制項目的推進,都促使微波武器技術領域的專利申請量上升。
中國從2006年開始出現(xiàn)相關專利申請,并在2012年以后呈現(xiàn)快速增長趨勢。中國在該階段內的高功率微波武器技術主要以器件技術攻關為主,涉及的創(chuàng)新主體主要為高校和研究院所,具體包括中國工程物理研究院、國防科技大學、西安交通大學和電子科技大學等。
德國該階段的專利申請集中在高功率微波源領域,由德國DIEHL防務公司和德國萊茵金屬公司提出,主要涉及無人機高功率微波武器應用。
俄羅斯在該階段內的專利申請量出現(xiàn)下降,但從俄羅斯公開展示的微波武器Ranets-E和Rosa-E來看,俄羅斯依然十分重視微波武器的研制,且性能指標較高,可用于對抗敵方精確制導武器和雷達系統(tǒng)。該階段俄羅斯專利申請量下降有可能是受技術保密限制的影響。
另外,2016年~2018年國內外的專利申請量下降,主要是受專利公開時間延遲的影響。其中,發(fā)明專利申請自申請日起18個月公布,而PCT專利申請可能自申請日起30個月才進入國家階段,其對應的國家公布時間就更晚。
圖2是對各國家或地區(qū)的專利技術產出量進行的統(tǒng)計,以了解各國家或地區(qū)的技術創(chuàng)新實力。從分析結果來看,高功率微波武器技術領域的專利申請主要來源于中國、美國、歐洲和俄羅斯。
圖2 全球區(qū)域專利分布分析Fig.2 Patents distribution of global regions
中國的專利申請量排名第一,占總申請量的37%,共有124項。近年來,中國微波武器領域專利申請量呈現(xiàn)快速增長趨勢。這一方面說明,國內技術研發(fā)單位在高功率微波技術方面實現(xiàn)了較大技術突破;另一方面,國內知識產權制度日益完善,也促使技術研發(fā)單位對技術創(chuàng)新的專利保護意識逐漸增強。
中國的專利申請主要以高功率脈沖功率源和高功率微波源技術為主,分別占中國高功率微波武器專利申請總量的30%和55%。從技術發(fā)展調研情況來看,近年來,中國工程物理研究院和電子科技大學作為主要的技術研發(fā)單位,在高功率脈沖功率源和高功率微波源方面取得了實質性突破,提升了國內高功率微波技術的研制水平。
美國的專利申請量排名第二,占總申請量的25%,共有84項專利申請,且在俄羅斯、德國、日本等國家分布了近百件同族專利。
在高功率微波武器關鍵技術研究領域,高功率脈沖功率源和高功率微波源技術一直是美國陸、海、空各軍種微波武器項目的重點研究方向,這兩個關鍵技術領域的專利申請占美國專利申請總量的31%和43%。另外,在高功率微波傳輸與發(fā)射技術方面,美國也在大力推進高增益和高功率容量天線技術研制。
目前,美國的高功率微波武器技術處于世界領先水平。美國地基、?;涂栈母吖β饰⒉ㄎ淦鬟M行了相應試驗驗證,具備武器裝備條件;在天基高功率微波武器方面,美國正處于技術試驗驗證階段。
近幾年,歐洲的專利申請量上升速度較快,申請總量僅次于中國和美國,共有59項專利。
歐洲高功率微波武器的技術創(chuàng)新主要來自于德國和英國的軍事防務公司,包括德國DIEHL防務公司、英國BAE公司,這兩家公司均是世界領先的軍工企業(yè)。其中,德國DIEHL防務公司從2004年到2017年申請了18項高功率微波武器技術專利,并在全球分布了114件同族專利,這些專利主要涉及防暴拒止微波武器和反無人機微波武器研制;英國BAE公司從2007到2017年共公開了19項專利,并在全球分布了53件同族專利,這些專利技術主要用于增強軍用飛機的電磁攻擊能力。
從技術成熟情況來看,歐洲的防暴拒止微波武器已有成熟產品供應市場[9-10]。其中,德國DIEHL防務公司開發(fā)的四個系列的防暴拒止微波武器產品,已出口至十幾個國家。另外,歐洲軍用微波武器技術也日趨成熟,德國DIEHL防務公司開發(fā)的反無人機高功率微波武器已經過試驗論證,可用于軍事要地防護;英國BAE公司的高功率微波攻擊產品用于增強對美國軍用飛機的微波攻擊能力。
在高功率微波武器技術領域,檢索獲取了43項俄羅斯專利。俄羅斯的技術創(chuàng)新主要集中在高功率微波源技術領域,尤其是高功率微波源器件,其高功率微波源技術領域的專利申請占俄羅斯微波武器專利申請總量的81%。
如圖3所示,高功率微波武器技術領域的專利申請主要涉及高功率微波源、高功率脈沖功率源、高功率微波傳輸與發(fā)射技術,以及微波武器總體技術。其中,高功率微波源和高功率脈沖功率源的技術儲備最多,而高功率微波傳輸與發(fā)射技術則是未來技術突破方向。
圖3 全球專利技術構成分析Fig.3 Technology distribution of global patents
在高功率微波源技術方面,有195項相關專利申請,主要涉及高功率微波源器件、陰極材料、高功率微波合成技術和微波發(fā)生器總體技術。
其中,高功率微波源器件的專利申請量最多,共有124項,涉及相對論回旋管、相對論磁控管、相對論回波管、相對論速調管、磁絕緣振蕩器和虛陰極振蕩器等。全球的高功率微波源器件專利主要來自于中國和俄羅斯。中國在高功率微波源器件方面的專利申請主要來自于中國工程物理研究院、國防科技大學和電子科技大學,這三個創(chuàng)新主體的專利申請涉及虛陰極振蕩器和各種相對論微波器件。俄羅斯的高功率微波源器件專利申請則以虛陰極振蕩器和磁控管為主。
另外,用于微波發(fā)生器產生電子的陰極,也是高功率微波源的關鍵技術之一,有22項相關專利,主要來自于美國空軍和美國海軍。這些專利涉及陰極材料的制備,以及陰極結構設計,用于提高微波發(fā)生器的性能。
高功率脈沖功率源的專利申請量排名第二,有87項,主要涉及脈沖功率源總體技術和高功率脈沖開關。
脈沖功率源總體技術的專利主要涉及脈沖形成網(wǎng)絡改進、脈沖發(fā)生器結構和電路改進,用于提高脈沖功率源的脈寬范圍、重復頻率、脈沖波形可調性、結構緊湊性等性能。例如,專利US8018096B1利用電感性脈沖形成網(wǎng)絡替換傳統(tǒng)的電容脈沖形成網(wǎng)絡,從而有效減小脈沖功率系統(tǒng)的質量和體積;專利US7989987B2采用光激發(fā)Marx型調節(jié)器,用于輸出高重頻、脈寬及波形可調的高壓脈沖;專利US7830040B2采用多級傳輸線取代電容器作為儲能元件,提高了脈沖發(fā)生器的重復頻率、可靠性和結構緊湊型,可滿足空基和天基高功率微波武器系統(tǒng)的小型化應用環(huán)境要求。
高功率脈沖開關專利涉及氣體開關、固體開關、火花隙開關和光導半導體開關。這些專利技術主要用于實現(xiàn)脈沖壓縮和提高脈沖重復頻率,以滿足高功率脈沖功率源的能量快速壓縮和釋放的需求。例如,專利CN105161979B提供了一種多級場畸變氣體火花開關,可以在無吹氣條件下高重復頻率工作于兆伏級以上電壓;專利CN104681646提供了一種碳化硅嵌入式電極平面型光導開關,可以有效提高光導開關的耐壓能力,減小器件尺寸。
高功率微波傳輸與發(fā)射技術是高功率微波武器的重要基礎技術之一,但本項目僅檢索到34項相關專利申請。這主要是由于微波武器的傳輸與發(fā)射系統(tǒng)基本上均由常規(guī)雷達系統(tǒng)天線經某種改進而成,微波武器的功率水平處于常規(guī)天線及傳輸線的功率容量的上限。但是,隨著高功率微波武器實用化的推進,發(fā)射功率需要大幅提高,則傳輸與發(fā)射系統(tǒng)將會成為高功率微波武器實用化的瓶頸。在后續(xù)的研制過程中,應該將高功率微波傳輸與發(fā)射作為主要的技術突破方向。
高功率微波武器總體技術專利主要涉及用于定向能打擊或非致命拒止的高功率微波武器系統(tǒng),相關的創(chuàng)新主體包括美國能源部、德國DIEHL集團、雷神公司等。在1990年,美國能源部提出了最早的微波武器總體技術專利;1999年,德國DIEHL集團的專利GB2449220A,涉及一種非致命的電磁武器系統(tǒng);2004年,雷神公司的專利US7126530B2涉及一種非相干高功率定向能系統(tǒng)及方法。
如圖4所示,高功率微波武器技術創(chuàng)新主要來自于美國、歐洲和中國。其中,在專利申請量排名前十的創(chuàng)新主體中,美國有3個,分別為美國軍隊、美國能源部和雷神公司;中國有4個,分別為中國工程物理研究院、國防科技大學、電子科技大學和西北核技術研究所;英國的創(chuàng)新主體為BAE公司,德國的創(chuàng)新主體為德國DIEHL防務公司,法國的創(chuàng)新主體為泰利斯集團。中國工程物理研究院的專利申請量排名第一,共有54項專利申請。作為中國的主要創(chuàng)新主體,中國工程物理研究院從20世紀90年代就開始了高功率微波產生及輻射關鍵技術研究,并在高功率脈沖功率源、微波源和微波輻射等技術領域取得了一系列的研究成果[11]。其中,在微波源技術領域,中國工程物理研究院大力推進超寬帶和超短脈沖技術,在2011年公開報道了自主研制的超寬譜高功率微波輻射系統(tǒng),該系統(tǒng)的技術指標與2003年美國空軍研制的超寬譜高功率微波輻射系統(tǒng)的相關技術指標接近。另外,中國工程物理研究院在近幾年采用了一系列改進技術用于設計結構緊湊、可靠性高的Marx發(fā)生器,于2014年研制成功了一種主要用于脈沖功率源前級觸發(fā)用的Marx發(fā)生器,該Marx發(fā)生器工作范圍寬、穩(wěn)定可靠,很好地滿足了高功率脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的要求。
用來挑選鋯石的樣品11D11-1采自金門水庫旁巖體內接觸帶人工露頭(采樣點坐標:E 113°35′02″,N 24°16′36″),巖性為花崗閃長巖。
圖4 全球微波武器專利的主要申請人排名Fig.4 Ranking of global patent applicants
美國軍隊的專利申請量排名第二,共有25項專利申請,包括美國海軍8項、美國空軍8項和美國陸軍7項。20世紀90年代以后,美國高功率微波武器研究部門從政府研究部門和大學轉向以軍方為主體,美國陸軍、海軍、空軍都通過各自的研究計劃開展相應的高功率微波武器技術研究[12]。其中,美國海軍在2004年申請的專利US8018096B1,以及美國空軍在2005年申請的專利US7245082B1和US7696696B2,在高功率脈沖功率源和高功率微波源研制中具有較大的應用價值。
BAE公司的專利申請量排名第三,共有19項專利申請。該公司在2010年參與了美國空軍老式戰(zhàn)機改造項目,其中重要的改造內容就是為戰(zhàn)機加載電磁脈沖源,使其可以作為高功率微波武器使用。BAE公司在該項目的高功率微波武器系統(tǒng)設計過程中,在美國優(yōu)先申請了一部分高功率脈沖功率源和高功率微波源相關專利,如專利US8232682B2和US20110084606A1等。
德國DIEHL防務公司的專利申請量排名第四,共有18項專利申請。其中,德國DIEHL防務公司的微波武器主要應用于防暴拒止領域,目前已開發(fā)了四個系列的防暴拒止微波武器產品,并已出口至十幾個國家。
國防科技大學的專利申請量排名第五,在2011年~2016年共申請16項專利,近年其在高能微波源和高能微波傳輸與發(fā)射技術領域取得一些技術成果。其中,在高能微波技術領域,國防科技大學設計了一種高功率徑向線相對論速調管放大器,克服了相對論速管調放大器在高頻段應用的瓶頸問題;另外,國防科技大學設計的一種長脈沖切倫科夫振蕩器,有效增加了輸出脈寬且提高了微波源效率;在高能微波傳輸與發(fā)射技術領域,國防科技大學在縫隙陣列天線設計方面取得較大技術突破,有力促進了國內高功率微波發(fā)射天線結構緊湊和功率容量等性能的提高[13]。
俄羅斯核能研究中心和美國能源部的專利申請量并列排名第六,各有11項專利申請;法國泰利斯集團(Thales Group)是世界最大的軍用電子產品生產廠商,也是歐洲第三大國防合同商,主營電子和防務系統(tǒng)產品,其在高功率微波武器技術領域申請了9項專利;中國的電子科技大學有8項相關專利,主要涉及高功率微波源。
中國的西北核技術研究所專利申請量與美國雷神公司并列處于第十位,分別有7項相關專利申請。其中,西北核技術研究所作為國內最早開始高功率微波技術研究的院所之一,具有很強的研究實力和技術儲備。西北核技術研究所近些年在超寬帶、超短脈沖技術,以及高功率微波驅動技術發(fā)面取得一些研究成果[14],如:2001年研制成功了一種緊湊型Tesla超寬譜高功率微波源,2013年研制成功了一種小型超寬譜高功率微波輻射系統(tǒng),2016年研制成功了一種百千伏緊湊型Marx發(fā)生器,相關專利包括CN105161979B 、CN103367852B 和CN103066368B等。
以下基于美國和歐洲重點專利的分析結果,對國外發(fā)展高功率微波武器的技術改進方向進行梳理。
(1)通過脈沖形成網(wǎng)絡改進、脈沖發(fā)生器結構和電路改進,提高脈沖功率源的脈寬范圍、重復頻率、脈沖波形可調性、結構緊湊性等性能。
美國海軍專利US8018096B1公開了一種適用于高電流、高功率裝置的電感型的脈沖形成網(wǎng)絡,其利用電感儲能代替了傳統(tǒng)的脈沖形成網(wǎng)絡中的高壓電容儲能,解決了高功率裝置中電容性脈沖形成網(wǎng)絡體積、質量龐大的缺點,有助于實現(xiàn)裝置小型化設計;專利US20070159760A1通過對脈沖功率源不同模塊的靈活設計滿足裝置脈沖寬度、輸出電流、輸出電壓等參數(shù)的寬范圍輸出;專利US7989987B2提供了一種Marx型調制器,采用多組脈沖形成網(wǎng)絡并聯(lián)使用改善脈沖波形,提高了系統(tǒng)電流輸出和能量轉移能力,拓寬了負載適用范圍;專利US7795758B2涉及一種體積更小、電路更簡化的高功率微波產生與發(fā)射裝置和方法,通過對Marx脈沖高壓產生器的機械結構進行緊湊型設計,使Marx發(fā)生器本身具備高功率微波發(fā)生器和匹配發(fā)射天線的功能,不需要單獨設計微波發(fā)生器和天線即可實現(xiàn)高功率微波的產生與發(fā)射,可將高功率微波裝置的體積縮小至2/3;專利US7474017B提供了一種Marx型高壓發(fā)生器,通過合理的結構設計和開關設計,在保證儲能不降的前提下降低了高壓源的內阻,提升了帶載能力,同時在實現(xiàn)數(shù)十千瓦平均功率輸出情況下能夠高重復頻率工作;專利US7830040B2提出的螺旋傳輸線高壓脈沖發(fā)生器,僅通過多級螺旋傳輸線的并聯(lián)充電、串聯(lián)放電實現(xiàn)了高電壓方波脈沖的輸出,且通過優(yōu)化螺旋傳輸線的制作工藝和安裝結構,實現(xiàn)了整個裝置的小型輕量化。
(2)對半導體開關和氣體開關進行技術改進,提高開關重復頻率、降低開關抖動時間,并可通過開關實現(xiàn)脈沖寬度、波形和輸出電壓調整。
專利US7989987B2的光激發(fā)Marx型調制器采用光導型可控半導體開關提高了開關使用壽命和重復頻率,并通過控制開關的開通時間調節(jié)輸出的脈沖寬度和波形;專利US7605632B2的高功率雙極脈沖發(fā)生器采用線性模式的無源半導體光導開關取代雪崩模式半導體光導開關,使開關的抖動降至皮秒級,實現(xiàn)了對脈沖形狀的精確控制以及高可重復性;專利US7474017B為提高開關的重復頻率,采用氣體管理裝置將開關內離子態(tài)氣體迅速移除,解決開關恢復時間長的缺點;專利CN105161979B提供了一種多級場畸變氣體火花開關,可以在無吹氣條件下高重復頻率工作于兆伏級以上電壓。
(3)通過陰極結構、發(fā)生器電路、內置電極結構等方面的改進,實現(xiàn)寬頻帶、高功率、一體化高功率微波源設計。
法國泰利斯集團的專利US20040245932A1提供了一種虛陰極微波發(fā)生器,其采用多注反饋型虛陰極,多個陰極能夠發(fā)射足夠多的電子,與傳統(tǒng)虛陰極裝置相比,可以實現(xiàn)高效率和高頻率穩(wěn)定性,輸出脈沖寬度與電壓脈沖寬度更加接近且便于調整,進一步提高了微波發(fā)生器的實用性;德國DIEHL防務公司的專利US7233084B2提供了一種微波發(fā)生器,其采用微波發(fā)生器陣列實現(xiàn)高能微波輸出,通過調節(jié)分布式電容的參數(shù)實現(xiàn)不同頻段高功率微波的產生;德國DIEHL防務公司的專利US7439677B2提供了一種高功率超寬譜微波發(fā)生器,通過在內置電極的頂端連接一個錐形金屬結構,實現(xiàn)高能微波輻射,且該微波發(fā)生器采用一體化結構設計,有利于微波發(fā)生器小型化;德國DIEHL防務公司的專利US8358176B2涉及一種寬頻帶高功率微波源,其采用多點的放電縫隙結構,并在內部電極的頂端增加一個圓錐狀的金屬結構,可用于產生并輻射高功率微波;法國原子能和替代能源委員會(CEA)的專利US9496114B2提供了一種采用虛陰極和開放式反射器的微波發(fā)生裝置,為同軸虛陰極振蕩器設計了多級開放式反射器,并通過優(yōu)化反射器個數(shù)、半徑以及間距等參數(shù),使微波輸出效率隨發(fā)射器個數(shù)的增多而增大。
(4)對相對論磁控管和虛陰極振蕩器進行結構改進,提高微波發(fā)生器的輸出功率和功率轉化效率。
美國空軍的專利US7245082B1提供了一種用于相對論磁控管的pi模優(yōu)選陰極結構,通過陰極結構改進,提升磁控管輸出功率和能量轉換效率;美國空軍的專利US7696696B2提供了一種采用透明陰極的相對論磁控管,采用固定在同一半徑圓周上的數(shù)條平行細棒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓筒陰極,可以實現(xiàn)更高的輸出功率和轉換效率;英國BAE公司的專利US20110084606A1提出了一種同軸虛陰極振蕩器的設計方法,其外圍、陰極和陽極均采用同軸圓柱筒結構,提高了微波輸出功率和效率,可用于產生百納秒脈寬高功率微波。
(5)采用氣囊式天線或可重構天線,實現(xiàn)高功率容量微波發(fā)射天線的小型化設計。
德國萊茵金屬公司和德國DIEHL防務公司申請的多個專利涉及高功率微波發(fā)射天線小型化設計,具體技術方案類型包括:一是通過采用充氣氣囊方式實現(xiàn)小型化和輕質化設計,并在氣囊展開后實現(xiàn)大增益和高功率容量微波發(fā)射,如德國萊茵金屬公司的專利US6819298B2;二是采用可重構天線密布縫隙波導天線實現(xiàn)高容量、小型化微波發(fā)射天線設計,具體利用波導縫隙天線單位長度內縫隙數(shù)目多、每個縫隙分配耦合功率相對較低的特點,達到高功率容量設計,同時利用其縫隙開于寬邊、波導窄邊可以相對較小的特點,實現(xiàn)天線小型化設計,例如德國DIEHL防務公司的專利US8982010B2。
從全球專利分析情況來看,國內外在高功率微波武器的各關鍵技術領域已經實現(xiàn)了較多技術突破,大力推動了高功率微波武器的實用化進程。另外,美國和歐洲在高功率微波源、高功率微波脈沖功率源和高功率微波發(fā)射技術方面擁有一系列的重要專利,具有較高的啟示與借鑒價值,應充分發(fā)揮這些專利對國內技術攻關的支撐作用。