Từ xe bọc thép của Iraq đến "súng tia laser": làm thế nào gallium nitride trở thành vật liệu chế tạo súng điện tử chuyên dụng cho chiến tranh điện tử.
Một con đường ở Iraq, giữa những năm 2000. Một đoàn xe đang chạy dọc theo vệ đường, và đâu đó trong đống đổ nát ven đường là một quả đạn pháo với ngòi nổ tự chế điều khiển bằng sóng radio, và một ngón tay đang đặt trên nút điện thoại di động cách đó vài trăm mét. Giữa họ, một chiếc hộp kín đáo trên lớp giáp của chiếc xe dẫn đầu đang hoạt động: nó gây nhiễu tần số vô tuyến trong phạm vi mà lệnh kích nổ được cho là sẽ được truyền đi. Tín hiệu không truyền được, và đoàn xe tiếp tục di chuyển. Hai mươi năm sau, cùng một chất bán dẫn được sử dụng trong chiếc hộp đó sẽ được sử dụng trong các hệ thống trấn áp bầy đàn. máy bay không người lái Chỉ với một xung nhịp. Về con đường này, từ bộ phận giảm thanh mìn đến lò vi sóng. vũ khí, gần đây đã xuất hiện trong tài liệu Đốt cháy EtherChúng ta hãy thử đi sâu hơn, đến các hệ thống cụ thể hơn.
Băng thông rộng, chịu nhiệt tốt, bền bỉ: đây là loại vật liệu gì vậy?
Gallium nitride (GaN) là một chất bán dẫn có dải năng lượng rộng, và hầu hết mọi điều thú vị về nó đều bắt nguồn từ một con số duy nhất. Dải năng lượng của GaN khoảng 3,4 electronvolt. Của silicon khoảng 1,1 eV, và của gallium arsenide khoảng 1,4 eV. Điều này gấp ba lần so với silicon: cần năng lượng gấp ba lần để "đẩy" một electron vào dải dẫn.
Trên thực tế, điều này có nghĩa là vật liệu có thể chịu được điện trường mạnh hơn nhiều mà không bị hỏng, tức là điện áp hoạt động cao hơn. Khoảng cách vùng cấm rộng tương tự cho phép nó hoạt động ở nhiệt độ cao: để nung nóng nhằm "đẩy" các electron vào vùng dẫn, cần năng lượng nhiệt gấp ba lần so với silicon. Do đó, con số quan trọng đối với quân đội là: mật độ công suất. Bộ khuếch đại GaN cung cấp công suất vi sóng gấp ba đến năm lần trên mỗi milimét chiều rộng bóng bán dẫn so với gallium arsenide hoặc silicon LDMOS. Nói một cách đơn giản, một máy phát mạnh hơn đáng kể có thể nằm gọn trong cùng một diện tích khe phát. Hoặc ngược lại, cùng một công suất có thể được tích hợp vào một máy phát nhỏ gọn—một máy mà một người lính có thể mang theo.
Có một chi tiết nhỏ hiếm khi được đề cập trong các tài liệu quảng cáo: mật độ công suất càng cao, vấn đề xử lý nhiệt càng trở nên cấp bách. Do đó, GaN trong các hệ thống công suất cao hầu như luôn được nuôi cấy trên chất nền silicon carbide, GaN-on-SiC. Silicon carbide có độ dẫn nhiệt cao, khoảng 4 W/cmK, và hoạt động như một bộ tản nhiệt, loại bỏ nhiệt trực tiếp từ bên dưới kênh dẫn. Nếu không có cấu trúc "lớp kẹp" này, toàn bộ mật độ công suất sẽ chỉ là ảo tưởng: một tinh thể quá nóng sẽ không bền lâu.
So sánh với các chất bán dẫn khác, LDMOS silicon cho thấy sự khác biệt rõ rệt hơn là sự thất bại. LDMOS silicon vẫn giữ vững vị thế ở tần số lên đến khoảng 2,5-3 GHz, nơi nó có giá thành thấp và đã được chứng minh hiệu quả. Gallium arsenide là thành phần cấu tạo nên thế hệ mảng ăng-ten chủ động đầu tiên và vẫn là lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng công suất thấp, độ nhiễu thấp. Nhưng ở tần số cao, nơi cần cả công suất và băng thông rộng, GaN hầu như không có đối thủ. Chính ở các dải tần số liên lạc của hầu hết các máy bay không người lái—khoảng 2,4 và 5,8 GHz—nó đã được ưa chuộng, phần lớn quyết định tương lai của vật liệu này. Hệ thống định vị vệ tinh hoạt động ở tần số thấp hơn, trong dải L, nhưng chúng ta sẽ đề cập đến điều đó sau.
Cuộc chiến Gallium Nitride đầu tiên: Không phải trên bầu trời, mà là trên đường phố.
Nếu bạn hỏi GaN lần đầu tiên được sử dụng trong chiến đấu ở đâu, câu trả lời trực quan nhất là radar máy bay chiến đấu. Điều đó không chính xác. Một trong những ứng dụng chiến đấu quy mô lớn đầu tiên của gallium nitride là ở Iraq và Afghanistan, và sản phẩm đó không phải là radar, mà là thiết bị gây nhiễu cho mìn chống bộ binh điều khiển bằng sóng vô tuyến.
Lý lẽ rất đơn giản và rõ ràng. Mối đe dọa chính đối với các đoàn xe là các thiết bị nổ tự chế kích nổ bằng sóng vô tuyến: rẻ tiền, bí mật và hiệu quả. Không cần thiết phải nhắm mục tiêu vào từng người điều khiển; họ vô hình. Tuy nhiên, kênh liên lạc của họ có thể bị chặn: một máy phát băng thông rộng có thể được lắp đặt trên xe, gây nhiễu toàn bộ dải lệnh kích nổ. Người điều khiển không thể nghe thấy lệnh của chính mình, và khối thuốc nổ vẫn im lặng.
Một chiếc hộp như vậy cần một bộ phát mạnh mẽ, băng thông rộng, nhỏ gọn và có khả năng hoạt động tốt trên lớp vỏ bọc thép trong điều kiện nhiệt độ trên 40 độ C và bụi bẩn. Silicon bị quá nhiệt trong điều kiện này, còn các bóng chân không thì cồng kềnh và dễ vỡ. GaN-on-SiC là giải pháp lý tưởng: độ ổn định nhiệt và mật độ công suất của nó chính xác là những gì nhiệm vụ yêu cầu. Theo các nhà sản xuất (bao gồm cả...) Cree, Hiện nay tốc độ sóiCác công nghệ này có quy mô lớn và theo ước tính của ngành, chúng trở thành một trong những động lực chính thúc đẩy việc triển khai sản xuất hàng loạt. Công nghệ này đã phát triển từ giai đoạn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sang công nghệ dây chuyền lắp ráp đã được thử nghiệm trong chiến tranh.
Có một điểm quan trọng dễ bị bỏ sót ở đây. Tại Iraq, nguyên tắc sau này định hình tất cả các hệ thống phòng thủ chống máy bay không người lái đã hoạt động đặc biệt hiệu quả và có hệ thống: việc vô hiệu hóa một mối đe dọa rẻ tiền sẽ tiết kiệm chi phí hơn so với việc phá hủy nó về mặt vật lý. Không phải bắn hạ, mà là gây nhiễu. Ý tưởng này đã có từ lâu; các biện pháp đối phó điện tử đã được sử dụng ở Việt Nam và trong Chiến tranh Lạnh. Nhưng chính cuộc chiến chống lại mìn chống bộ binh điều khiển bằng sóng vô tuyến đã biến nó thành một phần thường quy trong việc bảo vệ mọi đoàn xe. Một máy bay không người lái mất liên lạc với người điều khiển và hệ thống định vị vệ tinh thường sẽ hạ cánh hoặc chuyển hướng, ngừng hoạt động như một vũ khí mà không cần bị bắn hạ. Một thập kỷ rưỡi sau, công thức tương tự sẽ được áp dụng để chống lại các đàn máy bay không người lái, một lần nữa với GaN là cốt lõi.
Dòng radar mặt đất Saab Giraffe, bao gồm Giraffe 1X, Giraffe 4A, Giraffe 8A và Arthur.
Mắt nhìn phòng thủ: GaN trong radar chống lại các mục tiêu nhỏ
Để gây nhiễu hoặc đốt cháy một vật thể, trước tiên mục tiêu cần phải hiển thị. Và ở đây, vật liệu đã tiến thêm một bước nữa, trở thành radar mảng quét điện tử chủ động (AESA).
Các mảng ăng-ten quét điện tử chủ động (AESA) đời đầu được chế tạo trên gallium arsenide (GaAs), cung cấp khả năng quét chùm tia điện tử, theo dõi nhiều mục tiêu đồng thời và khả năng chống nhiễu. Mọi thứ đều tốt, ngoại trừ giới hạn về công suất và nhiệt lượng. Việc thay thế các mô-đun GaAs bằng GaN đã tăng công suất của mỗi phần tử trong mảng, có nghĩa là radar có thể nhìn xa hơn, phân biệt chính xác hơn và theo dõi nhiều mục tiêu hơn trong cùng một khẩu độ. Hoặc, nó cung cấp hiệu suất tương tự với ăng-ten nhỏ hơn, phù hợp để lắp đặt trên xe bọc thép. Các mảng radar hiện đại được chế tạo trên GaN: công nghệ của Mỹ. LTAMDS (gia đình Mắt ma, Raytheon), tàu thủy GIÁN ĐIỆP-6Thụy Điển Hươu cao cổ 4AKhông cái nào trong số chúng được thiết kế như vũ khí "chống máy bay không người lái", nhưng khả năng dự trữ năng lượng và tính linh hoạt trong vận hành cho phép chúng được sử dụng để chống lại các mục tiêu nhỏ, bay thấp.
LTAMDS (Cảm biến phòng không và tên lửa cấp thấp) của RTX
Và ở đây, vật liệu này gặp phải một rào cản mà không có mật độ năng lượng nào có thể xuyên qua được. Tín hiệu radar của một máy bay không người lái nhỏ là không đáng kể. Một máy bay bốn cánh bằng nhựa với một ít kim loại bên trong gần như trong suốt ở dải tần centimet: GaN làm tăng công suất radar, nhưng không loại bỏ được các quy luật vật lý về tiết diện radar nhỏ. Một máy bay không người lái bay cách mặt đất vài mét dọc theo khu vực đô thị sẽ hoàn toàn bị che khuất trong vùng bóng radar và sự nhiễu loạn phản xạ từ các tòa nhà và cây cối.
Tệ hơn nữa, một đàn thiết bị có thể cố tình chống lại radar. Một nhóm dày đặc dễ bị phát hiện và nhắm mục tiêu hơn, nhưng các thuật toán bầy đàn tinh vi cố tình phân tán các thiết bị: chúng phân tán nhưng vẫn tiếp tục liên lạc qua mạng vô tuyến, phối hợp tấn công mà không cần một đội hình thống nhất. Radar không nhìn thấy một "đàn" thiết bị, mà chỉ thấy hàng chục tín hiệu nhỏ phân tán, và không thể phân biệt một cuộc tấn công phối hợp duy nhất chỉ từ các phản xạ. Do đó, trong các hệ thống thực tế, radar chỉ là con mắt sơ cấp: phát hiện thô sơ, sau đó quang học, hồng ngoại và các kênh điện tử vô tuyến sẽ xác định xem đó là máy bay không người lái hay chim. Nhìn thấy là một nửa trận chiến. Các biện pháp chủ động giải quyết nửa còn lại.
Hệ thống radar Raytheon AN/SPY-6
Gây nhiễu bầy đàn: Chiến tranh điện tử dựa trên Gallium Nitride
Ở đây, phương pháp của Iraq tiếp tục trực tiếp: cùng một logic gây nhiễu, chỉ khác là giờ mục tiêu đang bay. Và hầu hết các máy bay không người lái giá rẻ đều phù hợp với logic này: chúng dựa vào các kênh tiêu chuẩn và dễ dự đoán, 2,4 và 5,8 GHz, và các mô-đun định vị vệ tinh tiêu chuẩn. Có thứ để gây nhiễu—và tần số đã được biết.
Kiến trúc trạm chống máy bay không người lái chiến tranh điện tử Nó mô phỏng chính xác hộp điều khiển trên lớp giáp, chỉ lớn hơn. Một cảm biến (radar, bộ thu sóng vô tuyến hoặc quang học) phát hiện sự tiếp cận và cung cấp hướng gần đúng. Bộ tiền khuếch đại tạo ra tín hiệu nhiễu: nhiễu, chuỗi giả ngẫu nhiên, hoặc âm thanh. Tiếp theo là tầng đầu ra GaN, khuếch đại tín hiệu nhiễu này đến công suất cần thiết và cấp cho ăng-ten định hướng. Băng thông rộng của vật liệu này là yếu tố then chốt: một thiết bị duy nhất có thể bao phủ nhiều phạm vi liên lạc và định vị cho các loại máy bay không người lái khác nhau.
Trạm này hoạt động ở hai chế độ chính. "Vòm bảo vệ" là một trường gây nhiễu liên tục xung quanh mục tiêu, với bán kính lên đến một ki-lô-mét hoặc hơn; bất cứ thứ gì đi vào đó đều mất liên lạc và khả năng định vị. Đối với một bầy máy bay không người lái, đây là cơ hội để phá vỡ cuộc tấn công ngay lập tức: toàn bộ nhóm đi vào vùng ảnh hưởng và ngay lập tức bị mù. Chế độ thứ hai là một "chùm triệt tiêu" tập trung hẹp nhắm vào mục tiêu của bầy máy bay không người lái, với mật độ gây nhiễu tăng lên ở khoảng cách cần thiết; chế độ này sử dụng bộ khuếch đại GaN kết hợp với ăng-ten mảng pha.
Hệ thống chống máy bay không người lái REX-2. Ảnh: ZALA
Ở phân khúc vũ khí di động, có thể kể đến "súng chống máy bay không người lái" của Nga. REX-1 và được cập nhật REX-2 Chúng gây nhiễu thông tin liên lạc trong phạm vi hàng trăm mét và gây nhiễu định vị trong bán kính lên đến hai ki-lô-mét, hoạt động ở tần số từ 433 MHz đến 2,6 GHz. Trọng lượng nhẹ. Zala Zont Với trọng lượng xấp xỉ 0,8 kg, nó gây cản trở việc điều hướng trong phạm vi tương đương. Tôi cần lưu ý rằng các nhà sản xuất thiết bị như vậy thường không tiết lộ thành phần cấu tạo của các tầng đầu ra, vì vậy "bên trong GaN" ở đây chỉ là phỏng đoán dựa trên loại nhiệm vụ, chứ không phải là sự thật đã được xác nhận. Ở nước ngoài, mối liên hệ tương tự giữa GaN và thiết bị gây nhiễu máy bay không người lái được công khai quảng bá, ví dụ như bởi RFHICTập trung vào công suất với mức tiêu thụ năng lượng thấp.
Tất cả vẻ đẹp này đều có giới hạn, và những giới hạn đó ngày càng tăng lên cùng với chính các máy bay không người lái. Các giao thức chống nhiễu, nhảy tần giả ngẫu nhiên và ăng-ten định hướng tích hợp đều làm tăng độ ổn định kênh, đòi hỏi nhiều năng lượng hơn và cấu trúc gây nhiễu phức tạp hơn từ trạm điều khiển. Quan trọng nhất, đối với một đàn máy bay không người lái tự hành thực sự, chiến tranh điện tử nhắm vào kênh điều khiển trở nên vô nghĩa: nếu một máy bay không người lái bay bằng cảm biến quán tính (con quay hồi chuyển và gia tốc kế tích hợp) và điều hướng bằng nguồn cấp dữ liệu camera của chính nó, thì đơn giản là không có gì để gây nhiễu. Không có kết nối với người điều khiển, và nó không cần vệ tinh. Việc gây nhiễu là không thể. Lựa chọn duy nhất là tiêu diệt nó.
"Burn Out," chứ không phải "Jull Out": Vũ khí vi sóng và Leonidas
Sự khác biệt giữa chiến tranh điện tử và vũ khí vi sóng năng lượng cao (HPM) giống như sự khác biệt giữa việc la hét át tiếng ai đó và việc cắt nguồn điện của họ. Chiến tranh điện tử tạo ra sự nhiễu sóng trên tần số kênh: nếu bạn không biết giao thức, bạn không thể gây nhiễu nó. HPM phát ra một xung năng lượng điện từ ngắn nhưng rất mạnh, gây ra dòng điện trực tiếp trong các mạch của máy bay không người lái: bộ vi điều khiển, cảm biến và mạch điện tử công suất. Điều này có thể dẫn đến sự cố, quá nhiệt và hỏng hóc. Bạn không cần phải biết giao thức: bo mạch không được che chắn của một chiếc máy bay bốn cánh giá rẻ không có khả năng chống lại xung năng lượng như vậy.
Ý tưởng này không mới, nhưng phần cứng nền tảng thì có. Trước đây, các xung vi sóng mạnh được tạo ra bởi các thiết bị chân không: magnetron, klystron và gyrotron. Mặc dù mạnh mẽ, chúng lại cồng kềnh, khó điều khiển và có tuổi thọ ngắn, khiến việc lắp đặt trên các thiết bị di động trở nên khó khăn. GaN cho phép thay thế một ống chân không lớn duy nhất bằng một mảng gồm hàng chục hoặc hàng trăm bóng bán dẫn bán dẫn hoạt động đồng bộ. Công suất được tích lũy, độ tin cậy tăng lên, kích thước giảm xuống, và một mảng pha của các mô-đun giống nhau tạo thành một chùm tia định hướng. Hệ thống có thể được mở rộng đơn giản bằng cách thêm các mô-đun — điều không thể thực hiện được với một ống chân không duy nhất.
Hệ thống Leonidas của Epirus là một loại vũ khí vi sóng công suất cao (HPM) được thiết kế để chống lại... máy bay không người lái
Ví dụ nổi tiếng nhất về logic này là gia đình. Leonidas Người Mỹ Epirus: một hệ thống GaN bán dẫn, được điều khiển bằng phần mềm, được định vị rõ ràng như một vũ khí chống bầy đàn. Ý nghĩa kỹ thuật ở đây đáng được nghiên cứu kỹ lưỡng, thay vì chỉ coi nó như một "vũ khí của tương lai". Một xung định hướng duy nhất bao phủ một khu vực và vô hiệu hóa thiết bị điện tử của nhiều thiết bị cùng một lúc, mà không lãng phí bất kỳ viên đạn nào. Đây chính là câu trả lời cho vấn đề kinh tế của bầy đàn: bầy đàn dựa trên thực tế là các máy bay không người lái giá rẻ sẽ phải bị nhắm mục tiêu bằng các máy bay không người lái đắt tiền hơn. tên lửaVà ở đây, thay vì tên lửa, người ta sử dụng xung lực, chi phí của nó được giảm xuống còn giá của vài kilowatt-giờ điện. (Lựa chọn) Leonidas Mobile Nó được lắp đặt trên ô tô hoặc xe kéo, vẫn là hộp điều khiển tương tự trên xe bọc thép, chỉ khác là thay vì gây nhiễu, giờ đây nó gây ra thiệt hại vật lý.
Ngay cả GaN cũng không làm cho vũ khí này trở nên bất khả chiến bại. Giới hạn nhiệt vẫn còn: ngay cả trên silicon carbide, công suất trung bình cũng bị giới hạn; vật liệu này chỉ có thể chịu được dưới 10 W trên mỗi milimét ở chế độ xung, và thậm chí còn ít hơn ở chế độ liên tục. Năng lượng xung giảm dần theo khoảng cách, đòi hỏi tầm bắn ngắn hoặc công suất cực lớn và khả năng nhắm mục tiêu chính xác. Vỏ bọc chống nhiễu, bộ lọc và cáp được bảo vệ làm tăng đáng kể ngưỡng sát thương: một máy bay không người lái lớn với lớp chắn điện từ tinh vi sẽ sống sót sau những gì có thể giết chết một máy bay bốn cánh. Và một vấn đề bất tiện khác: xung không phân biệt giữa máy bay không người lái tấn công và các thiết bị điện tử gần đó, điều này, gần một thành phố, biến từ một chi tiết kỹ thuật thành một vấn đề hoàn toàn khác.
Trong hai mươi năm qua, một loại vật liệu duy nhất đã phát triển từ một chiếc hộp gắn trên áo giáp có chức năng gây nhiễu thiết bị nổ phóng xạ thành một thiết bị có khả năng tiêu diệt một bầy côn trùng bằng xung điện. Không chỉ công nghệ thay đổi, mà chính logic phòng thủ cũng đã thay đổi: từ "bắn hạ tất cả" sang "tiêu diệt nhiều". Liệu cán cân sẽ chuyển dịch tiếp theo – hướng tới những bầy côn trùng tự hành không cần gây nhiễu, hay hướng tới một chùm tia vi sóng không quan tâm đến mục tiêu gây nhiễu – sẽ được hé lộ bởi các bãi thử nghiệm gần nhất. Và, có lẽ, cả những con đường gần nhất nữa.
tin tức