功能损伤的概念及其含义

自20 世纪50 年代开始，美苏为了进行反导反卫星而对粒子束技术进行了系统研究，并都制订了各自的粒子束定向能系统发展计划，由于应用机理与工业水平的不匹配，其最终发展不尽如人意。传统粒子束系统作用机理主要是基于热烧蚀对目标进行“硬损伤”，对粒子束定向能系统本身提出了很高的要求，对粒子束定向能系统作用机理定位的不合理导致了传统粒子束定向能系统的研制迟迟没有获得大的进展。

进入21 世纪，随着科学技术的日新月异，工业技术突飞猛进，电子装备不断得以发展和完善。同时，卫星的功能和地位随着国际安全形势的变化，也在发生着深刻的变化，卫星的作用越来越大，对卫星的依赖也越来越紧密，卫星是未来信息传输的重要中枢，卫星的安全至关重要，图2-5 给出了不同目标的有效厚度，从图中可看出卫星的有效厚度最小，即卫星的防护最为薄弱，但是其发挥的战略价值又极高。虽然目前技术发展水平还不具备开发能保证对所选定目标实施完全物理摧毁的粒子束定向能系统，但高能粒子束辐射可能具备对非常脆弱的卫星设备和系统中的电子器件功能进行干扰与破坏的能力，导致卫星设备工作异常、功能失效、性能降级等现象发生。因为卫星系统是一个庞杂而又精密的系统，单一重要器件的损伤和单项功能的失效都可能导致整星的失效与报废，但物理硬件方面却未发现任何的损伤，因而这类损伤作用方式可称为功能损伤。

随着科技的发展，人类利用能量的效率越来越高，出现了高性能半导体器件，在大幅降低体积、功耗时，也出现了损伤功率阈值降低的弊端［20］，如图2-7 所示。现有卫星大量使用小型化大功率微波部件、高性能半导体器件等，其抗损伤功率阈值越来越低，高能电子的注入导致微放电效应、半导体PN 结击穿、太阳能电池烧毁、静电放电效应等损伤。现在卫星的损伤能量阈值会比半个世纪前大幅降低，这从根本上降低了电子束定向能系统的技术参数。

图2-7　造成电子系统损伤的能量特性［20］

通过对典型航天器本身进行深入系统分析可以发现，粒子束作用于空间设备可能并不局限于使用“硬毁伤”，也可以利用“功能损伤”达到干扰、破坏甚至损毁相关空间重要设施的目的。这是因为当前空间技术有了长足的发展，星载有效载荷及设备也发生了很大的变化，这提供了保障实现“功能损伤”的前提条件，当前，航天工程的变化主要体现在以下两个方面。一方面，星载航天设备中大量使用高性能大规模集成电子元器件。航天工程对于高性能、低功耗、高集成度的大规模集成电路器件的需求不断增加，超大规模集成电路应用于航天工程已成为必然趋势。在现代化的电子装置中，半导体元件得到了广泛的应用，在电子工程中，正是由于引入了半导体才能够完成革命性的转变。这一变革首先是与创造出工作效率极高的数字器件、微波器件（相控阵天线阵、微波信号传输线、振荡器、放大器等其他高性能器件）、光电子器件和激光器件紧密相连的［20］。事实上，在无线电系统中，半导体器件和集成电路已经大部分替代了传统的无线电真空器件，改变了无线电电子设备的整体面貌。现代无线电电子设备中，半导体元器件的应用比重大幅提高。以广泛运用于航天任务的现场可编程门阵列（FPGA）数字集成器件为例，国外明确报道的应用FPGA 产品的卫星大大增加，如WIRE 卫星、ESA 的火星快车轨道卫星、深空探测器ROSETTA 卫星、澳大利亚的军民混用通信卫星Optus C1 的UHF （特高频）有效载荷、科学卫星FedSat 有效载荷HPC-I 等；而国内在卫星上使用FPGA 的数量也同样陡增，集成度也越来越高，如表2-5 所示。当前卫星所用器件集成度显著提高，新型集成电路器件在给航天工程带来高性能、低功耗、易实现复杂功能等优越性能的同时，航天器的安全性和可靠性面临威胁，从近年来各种航天事故和空间自然辐射环境下的航天器在轨失效案例中可见端倪。(www.xing528.com)

表2-5　FPGA 使用情况

另一方面，小型化高功率微波器件在卫星上得到广泛应用。近年来随着通信产业的发展，对下一代通信系统提出了新的要求，特别是无线通信产业的增长促进了微波器件小型化的发展。当前，通信系统向着器件高度集成化、超宽带、高频段服务的方向发展，微波器件相应地向着小型化与高功率的方向发展，这就使得器件内的电场密度增高，使这些微波器件在特殊环境中出现一些新的空间特殊效应，如低气压放电、微放电效应等。卫星的发展要求其频段不断扩展，功率大幅提高，而频段的扩展、功率的提高也给卫星自身带来了诸多问题，尤其是大功率器件微放电效应问题突出，可以直接影响到卫星使用的成败。

同时大功率、小型化、高效率电子束辐射源取得的巨大进展使粒子束定向能系统的研制成为可能。从技术上来说，电子束定向能系统提供能量为30 MeV，流强为200 mA 的电子束逐渐成为可能。从经济上来说，与常规非核武器的毁伤性能相比，功能损伤型电子束定向能系统应用于对抗自动化指挥、通信、侦察、导航、监控等卫星系统方面可能是极其有效且非常经济的方法。

综上所述，功能损伤性电子束定向能技术未来极有可能率先在空间得以应用，相对论电子作用于目标，能够迅速地进入目标内部的关键部件，电子束不必损伤目标表面的屏蔽层涂层，即可直接作用于目标内部核心功能电路，而且作用具有隐蔽性。随着空间科学技术水平的提高和航天设备的更新换代，电子束定向能系统的作用效能也在不断拓展，这为电子束定向能系统基于功能损伤的作用机理迎来了新的空间应用契机。