Kad su Amerikanci 1958. testirali vodikovu bombu nekoliko stotina metara iznad Pacifika, znanstvenike su zaprepastile posljedice. Uz već poznate – udarni val, toplinski val i radioaktivno zračenje opaženi su i elektromagnetski valovi

Od epicentra eksplozije na sve strane širili su se elektromagnetski valovi gama zraka. Na udaljenosti od nekoliko stotina kilometara, na Havajima, ugasila se ulična rasvjeta, a u Australiji su navigacijski sustavi imali teškoće u radu. Posljedica eksplozije vodikove bombe nastanak je elektromagnetskog (EM) zračenja frekvencija 1024 do 1025 HZ. Valna dužina EM valova bila je veličine atomske jezgre. Ti su EM valovi poznati kao gama zrake i radioaktivni su. Svjesna razornih posljedica svake atomske bombe, američka je vojska pokrenula razvoj elektroničke bombe (E bombe) koja ne bi ubijala ljude, uništavala zgrade ili stvarala radioaktivno zračenje već samo onesposobljavala elektroničke komunikacijske sustave, vojne i civilne. Danas se bez modernih komunikacijskih sustava ne može zamisliti suprotstavljanje modernoj vojsci. U civinoj sferi uništenje komunikacijskih sustava rezultiralo bi paralizom života u pogođenom području. Prije nekoliko godina Amerikanci su razvili E bombu do razine praktične uporabe i testirali je. Naravno, rezultati nisu publicirani, ali se ponekad pojavi poneka informacija i podatak. Autor članka prikupio je dostupne podatke i napravio tehnički smislenu cjelinu koju možete pročitati u nastavku. Temeljno je pitanje kod učinkovite E bombe generiranje goleme energije u jako kratkom vremenu, koja ne potječe iz nuklearne reakcije. Potrebna energija treba biti kratkog, ali ipak dovoljno dugog trajanja da pruzroči trajno oštećenje elektroničkih komunikacijskih sustava. Slično je i načelo munje kao prirodnog fenomena koja u tisućitim dijelovima sekunde oslobađa golemu energiju koja na svojem putu može izazvati veliku štetu.

Kako proizvesti visokonaponsku i visokofrekventnu elektromagnetsku energiju u takvoj bombi. Jezgro je ustvari kompresijski generator magnetskog toka ? (FCG – Flux Compression Generator). Načelo rada kompresijskog generatora magnetskog toka prikazano je na slici 1.

Jezgro FCG generatora je induktivna statorska zavojnica koja u sredini ima čelični cilindar napunjen kemijskim eksplozivom. Vanjski plašt E bombe načinjen je od kevlara ili slične izdržljive plastike. Ako bi se načinio od metala, plašt bi izazvao kratki spoj za magnetsko polje oko zavojnice, što bi spriječilo nastanak magnetskog toka.
Zavojnica je preko prekidača povezana s nabijenom kondenzatorskom baterijom. Deset kondenzatora, svaki kapaciteta 1 mF nabijen na 40 kV, osigurava napon od 400 kV. U serjisku vezu je ugrađen i osigurač eksploziva.

Pri aktiviranju bombe prekidač povezuje zavojnicu s kondenzatorskom baterijom. Tok električne struje kroz zavojnicu i osigurač stvara vrlo jaki magnetski tok oko zavojnice. Osigurač, nakon kraće vremenske odgode, pregori i aktivira eksploziv. Eksplozija se širi od početka prema kraju cilindra uništavajući i kratko spajajući navoje statorske zavojnice i uzrokujući vrlo brzu promjenu magnetskog toka ?. Promjena magnetskog toka u vremenu t stvara inducirani napon Ui.

To je jedan od temeljnih zakona u elektrotehnici. Matematički rečeno to znači da je inducirani napon Ui jednank negativnoj derivaciji vremenske promjene magnetskog toka .

Paket nejednakih električnih impulsa
Neki vojni analitičari tvrde kako FCG generira komprimirani magnetski tok. To nije točno jer magnetsko polje nije materija kao što je zrak ili ulje pa se ne može stlačiti. Činjenica je kako svaki uništeni navoj statorske zavojnice generira inducirani napon koji pruzrukuje električku struju.
Tako dobivamo paket nejednakih električnih impulsa, prikazano na slici 3.
Na slici 4. prikazana je nadomjesna električna shema FCG-a.
C – kondenzatorska baterija
S – prekidač
L – statorska zavojnica
V – osigurač
Ui – inducirani napon

Jakost magnetskog toka raste povećanjem veličine statorske zavojnice. Što je veći broj navoja, veća je i jakost magnetskog toka. Isto tako s porastom brzine eksplozije raste i jakost magnetskog toka, što znači veći inducirani napon pa je time i jači paket impulsa i viša frekvencija impulsa.

Testovi i mjerenja frekvencije i snage FCG impulsa.
Iz oskudnih javno objavljenih informacija može se zaključiti kako su frekvencije impulsa reda veličine od nekoliko MHz do nekoliko 100 MHz i uz vršni napon od nekoliko tisuća volti.
Valna dužina tih impulsa tako iznosi od nekoliko metara do približno stotinu metara. To je prevelika valna dužina da bi se omogućilo induciranje dovoljnog napona u svakom elektroničkom sklopu koji bi ga uništio. Očito, manje valne dužine ili više frekvencije ne mogu se postići samo eksplozijom. Treba uporabiti i neku napravu za povećanje frekvencije. To je saznanje nagnalo stručnjake da konstruiraju posebnu elektronsku cijev poznatu kao VIRCATOR. Razvili su je na sveučilištu u Teksasu, a njezino ime je akronim od riječi Virtual Cathode Oscillator, odnosno oscilator s virtualnom katodom. Točno pojašnjenje te naizgled jednostavne “elektronke” vrlo je složeno. Traži poznavanje Einsteinove teorije relativnosti, zato ćemo pojednostaviti osnove.

Vircator djeluje na načelu iskrenja. Na slici 5 prikazan je izgled aksijalnog Vircatora. Izvor napona Ui povezan je na Vircator i predstavlja napon dobiven iz kompresijskog FCG generatora. Izlaz Vircatora je koaksijalni rezonator na čijem se kraju nalazi odašiljačka antena u obliku lijevka.
Generator napona s naponom Ui pokreće impulse električne struje na katodu, koji izbijaju slobodne elektrone i stvaraju negativno nabijeni elektronski snop. Anoda ima potencijal od 0 V pa zato privlači elektrone. Zbog velikog negativnog katodnog napona, velika je privlačna sila koja ubrzava struju elektrona.
Anoda je napravljena od tanke metalne mreže. Zbog golemog broja i velike brzine kojom elektroni udaraju u anodu, mnoštvo elektrona se probije kroz otvore na mreži ili izbijaju slobodne elektrone iz anode. S druge se strane anode stvara oblak prostornog naboja pun nabijenih elektrona. Elektroni u tom elektronskom oblaku osciliraju na nekoj višoj frekvenciji.
Kad se takav elektronski oblak nađe u posebno oblikovanom prostoru, rezonatoru, dobiva veliku vršnu snagu i stvara impulsni elektromagnetski val velike vršne snage i određene frekvencije.

Prema nekim izvorima takav Vircator može imati vršnu snagu od 170 kW do 40 GW i valnu duljinu između nekoliko decimetara do nekoliko centimetara (od 1GHz do 20 GHz).
40 GW je 40 milijuna KW, riječ je o velikoj vrijednosti. No, to je samo vršna vrijednost koja traje oko jedne nanosekunde (10-9 sekundi). Najveća izmjerena vrijednost energije elektromagnetskog paketa impulsa bila je oko 800 J (Ws).

Na repu je sustav za upravljanje letom bombe, koji može biti upravljan GPS signalom, čime se postiže preciznost udara. Slijedi kondenzatorska baterija koja proizvodi napon od 400 kV. Baterija iza kondenzatorske rabi se za iniciranje detonatora te za napajanje sustava za navođenje bombe.
Eksploziv kojeg aktivira detonator uništava statorsku zavojnicu. Sintetička oplata pokriva unutrašnjost bombe i služi za zaštitu tijekom leta bombe. Inducirani napon iz FCG-a stvara golem tok eletkrične struje preko Vircatora. Na izlazu Vircatora se stvara, preko rezonatora i odašiljačke antene, elektromagnetski paket impulsa velike vršne snage, frekvencije od 1 do 10 GHz. Odašiljačka antena, lijevak ili helikoidalna, pokrivena je plastičnim aerodinamičkim poklopcem koji omogućava prolazak elektromagnetskih valova koji zahvaljujući obliku pokrova padaju prema dolje, odnosno prema cilju.

Rezultati mjerenja nikad nisu publicirani. Autor je uporabio znanje o sličnim civilnim mikrovalnim napravama i iskustvo u njihovoj praktičnoj uporabi kako bi dobio odgovor.
Jakost električnog polja izračunana je prema jednadžbi:

E jakost električnog polja, u V/M
P vršna visokofrekventna snaga bombe, u W
G dobitak odašiljačke antene u smjeru točke gadjanja
R udaljenost od bombe (antene), u m

Taj se izračun može izvesti samo ako smo dovoljno daleko od antene. Kod lijevak ili helikoidalne antene, koje se najčešće rabe u tu svrhu, to znači udaljenost od 40 do 60 m pri srednjoj frekvenciji od 5GHz. U tablici su prikazane vršne vrijednosti jakosti električnog polja E bombe snage 40GW u smjeru najjačeg zračenja (prema tlu), ovisno o različitim udaljenostima. Proračuni su načinjeni za lijevak i helikoidalnu antenu prema sljedećim podacima:
Lijevak antena: G= 10 puta pri f= 5GHz
Helikoidalna antena: Gmax= 20 puta pri f= 5GHz
Tabela vršnih vrijednosti jakosti električnog polja elektroničke bombe
Pt = 40 GW
Udaljenost (m) 50 100 250 500 1000
E (V/m)
Antena lijevak 12560 6280 2512 1256 628
E (V/m)
Antena helix 17888 8944 3576 1788 894
Treba još jednom napomenuti kako se radi o vršnim vrijednostima jakosti električnog polja, a dana je i vršna snaga bombe.

Pojasnimo:
Vršna vrijednost jakosti električnog polja impulsa jest udaljenost između gornje i donje točke impulsa podijeljena sa 2. Najveća vršna vrijednost impulsa traje nekoliko tisućinki milijunitog dijela sekunde.
Što to elektromagnetsko zračenje jakosti električnog polja od nekoliko tisuća Volti i frekvencije nekoliko GHz može učiniti?
U svakom nezaštićenom elektroničkom uređaju napon se inducira izravno (računalo) ili preko prijamne antene. Taj električni udar izaziva uništenje u vrlo osjetljivim elektroničkim elementima kao što su tranzistori, diode, integrirani krugovi, Cmos elementi, što ima za posljedicu prestanak rada uređaja.
Načelno, konstrukcija elektroničkih uređaja treba omogućiti njihovo funkcioniranje u uvjetima jakog elektromagnetskog polja. To je regulirano propisima o elektromagnetskoj kompatibilnosti koji specificiraju elektromagnetska polja pod kojima elektronički uređaju moraju funkcionirati normalno.
Za civilne je telekomunikacijske uređaje prihvatljiva razina jakosti električnog polja 10V/m, za vojne uređaje 50V/m, a za letjelice 200V/m.
To su efektivne vrijednosti, dok su vršne vrijednosti veće 1,4 puta. Prekoračenjem te razine za 100% ili nešto više, uređaj može imati problema u radu, ali ne smije prestati djelovati.
Cilj je E bombe onesposobiti što je moguće više elektroničkih uređaja. Za to je potrebna mnogo veća jakost elektromagnetskog polja, čak i ako traje samo nekoliko nanosekundi.
Ulazni elementi prijamnog dijela komunikacijskih uređaja i dijelovi drugih elektroničkih uređaja načinjeni su od iznimno osjetljivih integriranih krugova. Priključenje prijamne antene koja je nabijena statičkim elektricitetom može rezultirati kratkim spojem i iskrenjem koje lako može oštetiti osjetljive i skupe dijelove elektroničkog uređaja.
Možemo lako zamisliti što udar induciranog napona jakosti nekoliko tisuća volta može učiniti dijelovima elektroničkih uređaja koji rade s naponima do 10 volti. Ukoliko do toga dođe elementi su uništeni i naprava više ne radi. Brojni elektronički uređaji nemaju vanjsku prijamnu antenu koja inducira najveći dio napona koji proizvede elektronička bomba. Za njih, npr. računalo, važno je koliko od električnog impulsa koji proizvede elektronička bomba izravno dođe do naprave. Tako inducirani napon na tiskanim pločama uništava najosjetljivije elemente. Zgrade, zidovi i slične konstrukcije mogu bitno smanjiti snagu impulsa. Elektroničke naprave postavljene u Faradayev (željezni) kavez ili u armiranobetonsku konstrukciju sigurne su, osim u slučaju ako imaju izravno spojenu vanjsku antenu i odvojeno napajanje.

U većinu je elektroničkih uređaja ugrađena zaštita od udara munje. Ta zaštita regira na naponske ili strujne udare trajanja reda veličine milisekunde. Trajanje impulsa proizvedenog elektroničkom bombom mjeri se u nanosekundama što znači da ga ugrađena zaštita jednostavno “ne može uhvatiti”. Zbog navedenih razloga nije moguće precizno izračunati domet razornog učinka elektroničke bombe. Prvo treba znati cilj, npr. onesposobiti komunikacije. Ako želimo onesposobiti određene vojne ciljeve, radare ili komunikacijske sustave, bomba je najučinkovitija ako eksplodira na visini od 50 do 150 m iznad cilja. U tom slučaju onesposobljava, s velikom vjerojatnošću, mnoštvo vojnih komunikacijskih sustava važnih za učinkovitu protuzračnu obranu u radijusu od 200 m. Popravak i ponovna uspostava sustava do razine operativne učinkovitosti potrajat će najmanje nekoliko sati, ako ne i dana, a u tom je slučaju cilj elektroničke bombe ostvaren. Razmotrivši američku vojnu doktrinu C3I ( control, command, communication, intelligence) prvo je potrebno onesposobiti jednan od ovih strateških ciljeva.  Ako je cilj elektroničke bombe paralizirati normalni život u velikim gradovima, veći bi se učinak ostvario eksplozijom na većoj visini pa bi tada učinkoviti radijus bio veći.
________________________________________
Literatura
1) L.D.Bacon, L.F.Rinehart, A Brief Technology Survey of High-Power Microwave Sources, Sandia Report, April 2001.
2) 2) D.M.Goebel, Advances in Plasma-filled Microwave Sources, Physics of Plasmas, Vol.6, Nr.5, May 1999.
3) 3) D.Halliday, R.Resnick, J.Walker, Fundamentals of Physics, John Wiley&Sons,Inc., 2001.
4) R.F. Hoeberling, M.V.Fazio, Advances in Virtual Cathode Microwave Sources, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,Vol.34, No.3, August 1992.
5) M.Abrams, The Dawn of the E-bomb, IEEE Spectrum, Nov.2003.
6) Global Security Org., High-Power Microwave (HPM) / E-bomb,www.globalsecurity.org/military/sistems/munitions/hpm.htm.
7) X.Chen, J.Dickens, H.Choi, J.Mankovski, L.L.Hatfield, M.Kristiansen, Cavity Resonance Effect on Coaxial Vircator, Submitted to the 14th International IEEE Pulsed Power Conference, June 15-18, 2003, Dallas, TX, USA.
8) C.Kopp, The Electromagnetic Bomb-a Weapon of Electrical Mass Destruction, www.globalsecurity.org/military/library/report/1996/apjemp.htm.
9) R.H.Golde, Lightning Protection, Edward Arnold Ltd, 1973.
10) Different Companies, Technical data for Horn and Helix Antennas.
J.Budin, S.Eggert, L.Gregorač, L.von Klitzing, T.Mlinar, Elektromagnetna sevanja (Electromagnetic radiation), ITK, Ljubljana 2004.

Leopold GREGORAČ