الأسلحة الكهرومغناطيسية

أخطر ما يهدد البشرية اليوم .. هى تلك الأسلحة التى تهاجم الضحايا من مصدر مجهول يستحيل أو يصعب رصده مثل الأسلحة البيولوجية والكميائية .. والكهرومغناطيسية.. وبالتحديد أسلحة موجات "الميكرو" عالية القدرة..

فى أقل من غمضة عين .. تستطيع "القنبلة الكهرومغناطيسية" أن تقذف بالحضارة والمدنية الحديثة مائتى عام إلى الوراء .. وكما ذكرت مجلة "Popular Mech" الأمريكية فإن أية دولة أو مجموعة تمتلك تكنولوجيا الأربعينيات تستطيع تصنيع هذه القنبلة.

وقد برزت خطورة وتأثيرات هذه القنبلة فى حرب الخليج الثانية .. حيث استخدمتها الولايات المتحدة لأول مرة - كما ذكرت مجلة "News- Defense" فى الأيام الأولى من الحرب .. وأمكن بواسطتها تدمير البنية الأساسية لمراكز التشغيل وإدارة المعلومات الحيوية مثل الرادارات وأجهزة الإتصال بالأقمار الصناعية وأجهزة الكمبيوتر والميكروويف والإرسال والإستقبال التليفزيونى . وكذا أجهزة الإتصال اللاسلكى بجميع تردداتها..

وتختلف الأسلحة الكهرومغناطيسية عن الأسلحة التقليدية فى ثلاث نقاط ..

- فقوة دفع الأسلحة الكهرومغناطيسية تعتمد على موجات تنطلق من خلال مولد حرارى أو ضوئى أو حتى نووى وليس على تفاعل كميائى نتيجة إحتراق البارود.

والقذيفة هنا هى موجة أو شعاع ينطلق عبر هوائى  وليس رصاصة تنطلق من

مدفع أو صاروخ

- بينما تصل أقصى سرعة للقذيفة العادية 30 ألف كم/ث .. فإن سرعة الموجة الموجهة تصل إلى 300 ألف كم /ث (سرعة الضوء).

التأثير النبضى للموجات الكهرومغناطيسية :

وقد ظهرت فكرة "القنبلة المغناطيسية" حينما رصد العلماء ظاهرة علمية مثيرة عند تفجير قنبلة نووية فى طبقات الجو العليا .. أطلق عليها "التأثير النبضى الكهرومغناطيسى" The ElectroMagnetic Pulse Effect (EMP) ..

تميزت بإنتاج نبضة كهرومغناطيسية هائلة فى وقت لا يتعدى مئات من النانوثانية (النانوثانية = جزء من ألف مليون جزء من الثانية) تنتشر من مصدرها باضمحلال عبر الهواء طبقا للنظرية الكهرومغناطيسية بحيث يمكن اعتبارها موجة صدمة Electromagnetic Shock Wave ينتج عنها مجال كهرومغناطيسى هائل .. يولد - طبقا لقانون فراداى - جهدا هائلا قد يصل إلى بضعة ألالف وربما بضعة ملايين فولت حسب بعد المصدر عن الجهاز أو الموصلات أو الدوائر المطبوعة وغيرها المعرضة لهذه الصدمة الكهرومغناطيسية . ويشبه تأثير هذه الموجه أو الصدمة - إلى حد كبير - تأثير الصواعق أو البرق .. وتصبح جميع أجهزة الكمبيوتر والإتصالات معرضة لتأثيرات خاصة وأن جميع مكونات هذه الأجهزة مصنعة من أشباه الموصلات ذات الكثافة العالية من أكسيد المعادن (MOS) تتميز بحساسية فائقة للجهد العالى العارض Transient .. بما يسفر عن إنهيار هذه المكونات بواسطة التأثير الحرارى الذى يؤدى إلى إنهيار البوابات Gate Breakdown فيها . وحتى وسائل العزل والحماية الكهرومغناطيسية المعروفة - وضع الدوائر داخل "شاسيه" معدنى - فإنها لا توفر الحماية الكاملة من التدمير .. لأن الكابلات أو الموصلات المعدنية من وإلى الجهاز سوف تعمل كهوائى Antenna يقود هذا الجهد العالى العارض إلى داخل الجهاز.

وبذلك تصبح جميع أجهزة الكمبيوتر زمنظومات الإتصال وأجهزة العرض بل وأجهزة التحكم الصناعية بما فيها إشارات المرور والقاطرات وأبراج المراقبة الجوية للمطارات والهواتف المحمولة .. كلها عرضة للتدمير

تقنيات القنبلة الكهرومغناطيسية :

1- المولدات الضاغطة للمجال عن طريق ضخ المتفجرات Explosively Pumped Flux Compression Generators

تعتبر هذه التقنية من أكثر التقنيات نضوجا وصلاحية للتطبيق العملى فى تصميم القنابل الكهرومغناطيسية وقد تم استخدامها وتطبيقها بواسطة العالم "فوللر" فى نهاية الخمسينات فى القرن العشرين ويستطيع هذا النوع من التقنيات إنتاج طاقة كهربية تقدر بعشرات الملايين من " الجول" خلال زمن يتراوح بين عشرات ومئات الميكروثانية فى حزمة مدمجة إلى حد ما . وقد ينتج عن ذلك أن تصل القيمة القصوى للقدرة إلى مستوى "تيراوات" Terawatt أو عشرات التيراوات (التيراوات = 10^12 وات) ويمكن استخدام هذه التقنية مباشرة لإنتاج القنبلة أو استخدام نبضة واحدة منها لتغذية صمام ميكروويف وتتراوح شدة التيار الناتج عن هذه التقنية بين 10 - 100 ضعف التيار الناتج عن البرق أو الصاعقة (تيار البرق أوالصاعقة يتراوح بين 10^4 - 10^6 أمبير).

وتتركز الفكرة الأساسية فى هذه التقنية فى استخدام متفجرات تقوم بضغط المجال المغناطيسى ونقل طاقة كبيرة من المتفجر إلى المجال المغناطيسى .ويتم إنشاء المجال المغناطيسى البدائى فى هذا النوع من التقنيات قبل بداية تشغيل المتفجرات بواسطة تيار البدأ الذى يمكن الحصول عليه من مصدر خارجى مثل مجموعة مكثفات جهد عال تسمى "مجموعة ماركس" أو مولد مغنطة ديناميكية هيدروليكية صغير .. أو أى جهاز قادر على إنتاج نبضة تيار فى حدود عشرات الألاف أو ملايين الأمبيرات .. وقد تم نشر العديد من الأشكال لمثل هذا النوع .. وكان أكثرها شيوعا هو ذلك النوع الحلزونى Helical الموضح فى الشكل السابق وفيه توجد حافظة متحركة Armature من النحاس مملوءة بمتفجر ذى طاقة عالية .عادة ما تحاط بملف كهربى نحاسى كبير المقطع (الجزء الساكن Stator).

ونظرا لتولد قوى مغناطيسية هائلة أثناء التشغيل يمكنها تفتيت الجهاز قبل اكتمال وظيفته .. فغالبا مايتم عمل غلاف للجهاز من مادةغير مغناطيسية مثل الأسمنت أو الفيبرجلاس أو مواد الإيبوكس اللاصقة أو أية مادة أخرى لها خواص ميكانيكية وكهربية مناسبة ..

ويبدأ الجهاز عمله - كما فى الشكل التالى بإشعال المتفجرات عندما يصل تيار البدأ إلى أعلى قيمة له والذى عادة ما يتم بواسطة مولد موجات مستوية . ومن ثم .. ينتشر التفجير عبر المتفجرات الموجودة فى الحافظةالتى تتحول إلى شكل مخروطى له زاوية قوس من 12 -14

وبينما تتمدد الحافظة إلى القطر الكامل للجزء الثابت .. فإنها تكونقد تسببت فى دائرة قصر Short Circuit بين أطراف ملف هذا الجزء وفصلت تيار البدأ عن مصدره.. وبذلك يكون قد تم حبس التيار داخل الجهاز

ويؤدى إنتشار دائرة القصر من مؤخرة ملف الجزء الثابت حتى بدايته إلى ضغط المجال المغناطيسى المتولد من هذا الملف وخفض قيمة الحث الذاتى Self inductance لملف الجزء الثابت .

والنتيجة .. نبضة كهربية منحدرة Ramp Current Pulse تصل قيمتها القصوى قبل التدمير الكامل للجهاز.

ويتراوح زمن منحدر النبضة الكهربية .. بين بضعة عشرات إلى بضعة مئات من الميكروثانية .. فى حين تتراوح قيمة التيار القصوى حول بضع عشرات من الميجا أمبير .. وقيمة الطاقة القصوى حول عشرات من الميجاجول .

أما عن معامل التكبير للتيار (النسبة بين التيار الناتج وتيار البدأ).. فإن قيمته تتغير طبقا للتصميم ..وقد وصلت أعلى قيمة لها إلى 60

وربما تكون هذه القيمة غير ممكنة عند استخدام القنبلة لتكون محمولة جوا بواسطة طائرات أو صواريخ حيث تكون الأولوية للحجم والوزن - وفيها يكون مصدر تيار البدأ صغيرا قدر الإمكان . ويمكن التحكم فى شكل النبضة الكهربية بواسطة دوائر تكيل النبضات أو المحولات أو مفاتيح التيار العالى المتفجرة.

2- مولدات المغنطة الديناميكية الهيدروليكية ذات الدفع من المتفجرات أو الوقود النفاث:


لايزال تصميم مولدات المغنطة الديناميكية الهيدروليكية ذات الدفع من التفجرات أو الوقود النفاث


Explosive and Propellant Driven MHD Generators(MHD)

فى مرحلة بدائية للغاية .. ولم يتم تطويره بدرجة كافية كما حدث ذلك فى مولدات ضغط المجال (FCG) .. وذلك بسبب بعض النقاط الفنية مثل حجم ووزن مولدات المجال المغناطيسى اللازمة لتشغيل مولدات المغنطة الديناميكية الهيدروليكية "MHD"

وتنحصر الفكرة الأساسية فى تصميم وعمل هذه المولدات .. فى أنه عند تحرك موصل معدنى فى مجال مغناطيسى .. تتولد قوة دافعة كهربية وبالتالى تيار فى إتجاه عمودى على إتجاه الحركة وعلى إتجاه المجال المغناطيسى - قانون " فاراداى" - وفى هذا النوع .. سيكون الموصل المعدنى هو البلازما - الحالة الرابعة للمادة - الناتجة عن اللهب المتأين للمتفجرات أو غاز الوقود النفاث .. والتى تنتشر عبر تيار المجال المغناطيسى الذى سيتم تجميعه بواسطة أقطاب كهربية تلامس نفاث البلازما Plasma jet

وقد جرى العرف فى تقنية هذه المولدات على تحسين الخواص الكهربية للبلازما عن طريق نثر أو بذر بعض الإضافات أو العناصر إلى المتفجرات أو الوقود النفاث - عادة ما يكون عنصر "السيزيوم"- وتسمى هذه العملية ببذر السيزيوم Cesium Seeding

مصادر "الميكروويف" ذات القدرة العالية :

على الرغم من فاعلية تقنية المولدات الضاغطة للمجال فى توليد نبضات كهربية عالية القدرة.. فإن هذا النوع من التقنيات - بطبيعة تكوينه- لا يستطيع أن ينتج هذه النبضات بترددات أكبر من "واحد" ميجا سيكل/ث وهذه الترددات المنخفضة - مهما كانت شدتها - لا تتيح مهاجمة الأهداف التى تتطلب ترددات أعلى من ذلك أو التأثير عليها بفاعلية .. وهى المشاكل التى تغلبت عليها تقنيات مصادر الميكروويف ذات القدرة العالية High Power Microwave (HPM) من خلال :

أ- مولد ذبذبات نسبى للموجات السنتيمترية Relativistic Klystron

ب- "الماجنترون" Magnetron وهو صمام مفرغ من الهواء يتم فيه التحكم فى تدفق الإلكترونات عن طريق المجال المغناطيسى.

ج- جهاز توليد الموجات البطيئة Slow Wave Device


د- صمام ثلاثى الإنعكاس Reflex Triodes


ه- مذبذب المهبط التخيلى Virtual Cathode Oscillator (Vircator).

ومن وجة نظر مصممى القنبلة أو الرأس الحربية .. فإن هذا النوع الأخير "Vircator" يعتبر أفضل هذه الأنواع .. وهو مع بساطة تصميمه الميكانيكى وصغر حجمه رغم ما يكتنف طبيعة عمله وتكوينه من تعقيد نسبى عن الأنواع الأخرى .. فهو قادر على إنتاج نبضة واحدة عالية الشدة وحزمة عريضة من ترددات الميكروويف.

وتقوم الفكرة الأساسية لعمل هذا الجهاز "Vircator" على اكتساب شعاع إلكترونى ذى تيار عال لعجلة تسارعية فى الحركة من خلال شبكة مصدر Mesh Anode أو (رقاقة معدنبة) . وعند عبور عدد كبير من الإلكترونات لهذا المصعد .. تتكون خلفه فقاعة شحنات (الشحنات التى لم تتمكن من العبور خلال الشبكة المصعدية). وتحت ظروف خاصة تتذبذب فقاعة الشحنات بتردد متناه القصر "ميكروويف" فإذا ما تم وضع هذه الفقاعة من الشحنات فى فجوة رنين "Resonant Cavity" والتى تم توليفها بعناية - فإننا سنحصل على قيمة عالية للغاية من الطاقة وعندئذ .. فإن التقنيات التقليدية لهندسة "الميكروويف" سوف تتيح لنا استخراج طاقة "الميكروويف" من هذه القيمة من خلال فجوة الرنين.. ونظرا لأن تردد الذبذبة يعتمد كليا على مدلولات وقيم الشعاع الإلكترونى .. فإنه يمكن يمكن توليف هذا الجهاز "Vircator" على تردد بحيث يساعد فجوة الرنين فى تقوية الشكل المناسب للموجة . ويمكن لهذا الجهاز إنتاج قدرة تتراوح بين 170 ك وات حتى 40 جيجا وات على ترددات تغطى معظم حزمة الترددات السنتيمترية والديسيمترية.

وهناك نوعان من هذه الأجهزة :

مولد الموجات الكهرومغنطيسية - Magnetron

- النوع المحورى Axial Varicator -

ويعمل عن طريق موجات مغناطيسية مستعرضة .. ويعتبر الأبسط من حيث التصميم وله أفضل خرج .. ويبنى فى موجه موجات اسطوانى Cylendrical Wave Guide .. ويتم استخراج الطاقة الناتجة منه من خلال مرحلة انتقالية لموجه الموجات إلى هيكل بوقى مخروطى يعمل كهوائى.

- النوع المستعرض Transverse Varicator

ويعمل هذا النوع عن طريق حقن تيار المهبط من أحد جوانب فجوة الرنين.. ويقوم بعمل التذبذات عن طريق موجات كهربية مستعرضة (TE)

التأثير المدمر للرؤوس الحربية الكهرومغناطيسية:

على الرغم من سهولة حسابات شدة المجال الكهرومغناطيسى الناتج عن قنبلة معينة على قطر محدد من الأهداف العسكرية .. فإن تحديد احتمالات التأثير المدمر لنوع معين من الأهداف يعتبر من الأمور الصعبة .. لأسباب عديدة .. منها :

- الإختلاف الكبير لمدى مقاومة الأهداف للتدمير من قبل قبل الموجات الكهرومغناطيسية .. حيث أن بعض المعدات - لاسيما العسكرية منها - تكون معزولة كهرومغناطيسيا.

- تعتبر كفاءة التوصيل Coupling Efficiency من أهم عوامل تحديد التأثير المدمر للقنبلة الكهرومغناطيسية .. وتعتبر مقياسا لكمية الطاقة التى تنتقل من المجال الكهرومغناطيسى الذى يتم نقلها للجهاز.

أشكال الوصلات Coupling Modes :

عند تقدير حجم القدرة الكهربية التى تصل إلى الأهداف عند إطلاق القنبلة الكهرومغناطيسية .. يمكن تمييز شكلين فقط من أشكال الوصلات .. وهما :

- وصلة الباب الأمامى:

وتحدث عندما تصل القدرة الكهربية التى تطلقها القنبلة الكهرومغناطيسية إلى هوائى الرادار أو هوائى أجهزة الإتصالات اللاسلكية .وحيث أن هوائى أى جهاز لاسلكى يكون مزودا بدوائر كهربية تمكنه من إستقبال أو إرسال أى قدرة كهربية .. فهو بالتالى يمثل مسارا ذا كفاءة عالية لسريان الطاقة أو القدرة الكهربية الناتجةعن أى سلاح كهرومغناطيسى وبالتالى يتسبب فى تدمير الجهاز .

وصلة الباب الخلفى:

وتحدث هذه الوصلة نتيجة للمجال المغناطيسى الهائل الناتج عن السلاح الكهرومغناطيسى خلال زمن قصير للغاية .. الذى يتسبب فى إنتاج تيار عابر أو مؤقت Transient Current عادة ما يسمى Spike (أى شرارة أو نتوء) عندما تنتجه أسلحة الترددات القصيرة .. أو يتسبب فى توليد موجات كهربية ثابته Electrical Standing Waves عندما تنتجه أسلحة ميكروويف ذات قدرة عالية.

ويحدث ذلك التأثير على الكابلات أو الأسلاك أو الوصلات الكهربية التى تصل أجزاء الجهاز ببعضها البعض أو الأسلاك التى تصل الجهاز بالمصدر الكهربى أو بشبكة الهواتف.

ويمكن لهذه التيارات المؤقته أو العابرة أن تحطم مصدر القوى الكهربية أو الأسطح البينية لشبكات الإتصالات ..

وبذلك يمكن الدخول لقلب الجهاز وتدمير مكوناته الإلكترونية.

ومما يميز الأسلحة الكهرومغناطيسية ذات الترددات المنخفضة .. أنها تقترن جيدا مع البنية الأساسية لشبكة الأسلاك النمطية مثل معظم خطوط الهاتف والقوى الكهربية لتغذية الشوارع والمبانى

تعظيم القدرة التدميرية للقنبلة الكهرومغناطيسية


ويتم ذلك من خلال ....

1- تعظيم وزيادة فترة القدرة القصوى للإشعاع الكهرومغناطيسى للقنبلة .. وذلك باستخدام أقوى المولدات الضاغطة للمجال أو أقوى مذبذب للمهبط التخيلى .

2- تعظيم كفاءة اتصال القنبلة بالهدف. ونظرا لتنوع طبيعة الأهداف وتعقيداتها التقنية .. يجب دراسة كل حالة على حدة طبقا لحزم الترددات الناتجة عن كل سلاح. ولتعظيم كفاءة اتصال القنبلة بالهدف وخاصة فى حالة القنابل ذات التردد المنخفض التى يتم فيها استخدام مولدات ضغط المجال .. فإنه يجب استخدام هوائىكبير للغاية. وعلى الرغم من أن هذه القنابل يكون لهااشعاع كهرومغناطيسى على مدى واسع من الترددات .. فإن معظم الطاقة المنتجة تقع فى حيز الترددات الأقل من (واحد) ميجا هرتز وبالتالى فإن الهوائيات المدمجة Compact Antennas لا تكون من الخيارات المطروحة. وربما كان استخدام خمسة عنار من الهوائيات .. أحد الخيارات المطروحة إذا أطلقت القنبلة من الإرتفاع المخطط له.. ويتم ذلك .. بإطلاق كرة ملفوف عليها كابل بحيث ينحل الكابل عدة مئات من الأمتار فى حين تكون أربعة هوائيات شعاعية فى مستوى أرضى تخيلى حول القنبلة بينما يستخدم هوائى محورى Axial لبث الإشعاع من المولد الضاغط للمجال.

ويلاحظ أن أختيار أطوال عناصر الهوائيات يجب أن يكون متوافقا مع توزيع الترددات حتى يمكن إنتاج أكبر شدة لازمة للمجال.. وربما تطلب ذلك استخدام محول نبضات Pulse Transformer للتوفيق بين خرج المولد الضاغط للمجال - عادة ما يكون ذا معاوقة منخفضة - وبين المعاوقة الكهربية العالية للهوائى..

والتأكد من أن نبضة التيار لن تتبدد قبل التوقيت المخطط لها...

وعلى أى حال .. فهناك بدائل أخرى متاحة .. أحدها هو توجيه القنبلة إلى مكان قريب جدا من الهدف والإعتماد على المجال قصير المدى الذى تنتجه ملفات المولد الضاغط للمجال والتى تعتبر عمليا "هوائى عروى" Loop Antenna ذا قطر صغير للغاية بالمقارنة بطول الموجة.

إسقاط القنبلة الكهرومغناطيسية

يمكن اسقاط القنبلة الكهرومغناطيسية من الصواريخ الطوافة Cruise Missile أو الطائرات بنفس التقنية المستخدمة فى إسقاط القنابل التقليدية .. مثل تقنية الإنزلاق الشراعى Gliding .. وتقنية GPS للتوجيه الملاحى بالأقمار الصناعية والتى عززت من كفاءتها الأنظمة التفاضلية الحديثة بعد أن كانت تفتقر إلى الدقة الفائقة Pin Point التى يعمل بها أى نظام أخر بالليزر أو الذاكرة التليفزيونية .

ويمكن للقنبلة الكهرومغناطيسية أن تحتل نفس الحجم والمساحة المخصصة للمتفجرات فى الرأس الحربية.. ولو أن الصواريخ الطوافة سوف تحد من وزن القنبلة بما لا يتجاوز 340 كجم بنفس معدات التفجير الموجودة بالصاروخ.

    

الحماية والوقاية

يتمثل الأسلوب الرئيسي في الحماية من أخطار القنبلة الكهرومغناطيسية في منع إسقاطها عن طريق تدمير منصة الإطلاق أو مركبة الإسقاط كما هو الحال في القنبلة الذرية .. وفى كل الأحوال ..

فإن أفضل الأساليب لتعظيم الحماية الكهرومغناطيسية هو وضع الأجهزة اللاسلكية والكهربية فيما يسمى بقفص فاراداى . وهو ببساطة تبطين جدران وأسقف المباني التى توجد بداخلها هذه الأجهزة بألواح من مواد موصلة كهربيا مثل النحاس أو الألمونيوم أو الرصاص من شأنها حجب الموجات الكهرومغناطيسية وربما منعها جزئيا من الوصول إلى الأجهزة المعنية.

ولتحقيق الحماية الكاملة .. يجب أن تكون كابلات دخول وخروج الإشارات مصنوعة من الألياف الضوئية التى لا تتأثر بالمجالات الكهرومغناطيسية. أما كابلات القوى الكهربية فيجب وضع دائرة كهربية لحمايتها كما أن استخدام أسلوب

التكرار والإعادة Redundancy من خلال عدة وسائل اتصال يصبح ضروريا لضمان وصول المعلومة حتى في حالة إصابة إحدى الوسائل بعطل أو تشويه من التأثير الكهرومغناطيسية.