EMP（電磁パルス）弾の研究 研究の概要 防衛装備庁陸上装備研究所システム研究部火力システム研究室 (1/6) 【運用構想（イメージ）】 EMP（電磁パルス：Electro-Magnetic Pulse）とは、極至短時間において発生する強力な電磁波であり、EMPを放射することにより、センサや情報システムの機能を直接的な破壊によらず喪失又は一時的に無力化することが可能となる。 （図示：無人機や誘導弾、爆弾からEMPを放射し、敵性無人機や通信・情報システムを無力化する運用構想） 【EMP弾の方式の比較】 ・電気式EMP（電源部にコンデンサを利用した方式）（2/6で説明） - 電源部（高電圧を発生）：マルクス電源 - 放射部（高電圧をEMPに変換）：仮想陰極発振管、アンテナ - 特徴：EMPを何度も放射 - 高度化技術： - PFLの付加による高出力化 (4/6で説明) - VIG、ヘリカルアンテナによる電気式EMPの小型化 (5/6で説明) ・火薬式EMP（電源部に爆薬を利用した方式）（3/6で説明） - 電源部（高電圧を発生）：種電源、爆薬発電機、整合回路 - 放射部（高電圧をEMPに変換）：仮想陰極発振管、アンテナ - 特徴：単発だが電気式より強力なEMPを放射 - 高度化技術： - PLASMAGICによる種電源の高出力化 (6/6で説明) Ground Systems Research Center, Acquisition, Technology & Logistics Agency (ATLA) EMP（電磁パルス）弾の研究 電気式EMPの研究 防衛装備庁陸上装備研究所システム研究部火力システム研究室 (2/6) 【電気式EMPの研究の概要】 電源部にコンデンサを利用した方式である、電気式EMPのシステム化技術に関する研究を行う。 【電気式EMPの仕組み】 ・電源部（マルクス電源）： V0で充電したコンデンサを短時間直列に接続 ↓ 瞬時に高電圧を発生 （並列接続：充電時スイッチoff / 直列接続：放電時スイッチonで高電圧出力） ・放射部（仮想陰極発振管）： 高電圧を印加すると、仮想陰極が発生 ↓ 仮想陰極の振動と電子の往復振動でEMPを放射 （構成：電子源（陰極）、網目状の陽極、仮想陰極（電子の集合体） - 仮想陰極の振動由来のEMP - 電子の往復運動由来のEMP） 【電気式EMPの技術課題と研究内容】 技術課題：EMP出力の大幅な強化と小型化 ・原理実証（H28）：基準 ・EMP出力強化（R3）：EMP出力密度 1.4倍 ・EMP出力強化（R5）：EMP出力密度 8.7倍 ・装置小型化（※研究試作：将来EMP装備適用技術の研究試作(1) EMP弾頭Ⅰ型 R6～R10）：EMP出力密度 約100倍 Ground Systems Research Center, Acquisition, Technology & Logistics Agency (ATLA) EMP（電磁パルス）弾の研究 火薬式EMPの研究 防衛装備庁陸上装備研究所システム研究部火力システム研究室 (3/6) 【火薬式EMPの研究の概要】 電源部に爆薬を利用した方式である、火薬式EMPのシステム化技術に関する研究を行う。 【火薬式EMPの仕組み】 ・電源部（爆薬発電機）： ① 電流が一定値で流れている（雷管、爆薬、コイル、負荷）。 ② コイルの圧縮により、電流も圧縮される。 （電流の圧縮イメージ：ゴムチューブ（ホース）の水を絞ることで勢いが増大するのと同様、電流を爆薬の爆縮で短時間・高密度に圧縮） 【火薬式EMPの技術課題と研究内容】 技術課題：爆薬発電機技術の確立とEMP出力の増大 ・～R4：爆薬発電機の技術を確立 - 爆薬発電機及び整合回路（種電源、爆薬発電機、整合回路、模擬抵抗） ・R5末：全構成品を接続、EMPを放射 - 接続構成：種電源 → 爆薬発電機 → 整合回路 → 仮想陰極発振管 → EMP放射（EMPを強化） ・R6～：将来EMP装備適用技術の研究試作（２）EMP弾頭Ⅱ型 Ground Systems Research Center, Acquisition, Technology & Logistics Agency (ATLA) EMP（電磁パルス）弾の研究 PFLの付加による高出力化 防衛装備庁陸上装備研究所システム研究部火力システム研究室 (4/6) 【PFLの付加による高出力化の概要】 電源部にPFL（Pulse Forming Line）を付加することで、パルス圧縮によるさらなる高出力化を目指す。 【PFLの動作原理】 ① 直列に接続された複数の伝送線路の一端を入力端、もう一端を開放端にし、入力端に電源からの波形を入力（入力端→開放端 方向の波形） ② 開放端で反射した波形が入力端まで戻った瞬間にスイッチをONにし、各伝送線路の接続を直列から並列へ切り替える（開放端→入力端 方向の波形） ③ 各伝送線路から同時に波形が出力・合成され、パルス圧縮された波形を出力（①～④の合成出力電流が放射部へ） 【PFLの特性検討】 技術課題：伝送線路の減衰の防止、電流合成のばらつきの抑制 ・伝送線路の一種である純水PFL（R5年度試作品）の外観（誘電体に純水を使用するため、純水タンクに入っている） ・これまでに、一定の周波数以下において、パルス電流の減衰※ -10dB (=10%) 以下を達成 ※ パルス電流の減衰：1 - √( |S11|^2 + |S21|^2 ) [dB] S11: 純水PFL内のパルス電流の反射量[dB] S21: 純水PFL内のパルス電流の透過量[dB] ・複数PFL回路（8段）の出力電流波形：放電のばらつきは出力電流時間の約1/10、合成出力波形としてピーク電圧（~4H）を達成。 Ground Systems Research Center, Acquisition, Technology & Logistics Agency (ATLA) EMP（電磁パルス）弾の研究 VIG、ヘリカルアンテナによる電気式EMPの小型化 防衛装備庁陸上装備研究所システム研究部火力システム研究室 (5/6) 【電気式EMPの小型化の概要】 電気式EMPの電源部に対する小型化としてVIG（Vector Inversion Generator）とヘリカルアンテナを用いたEMP発生装置の基礎研究を進めている。 【動作原理】 ・電源部の小型化（VIG）： - スイッチoff時：各層に交互に充填（V0, 0V, -V0...） - スイッチon時：導体薄膜の赤領域の電圧が反転し、直列に加算され -5V0 などの高電圧を瞬時に発生。 ・アンテナの変遷： - リッジホーンアンテナ：アンテナの軸方向と電極の方向が垂直（最適な給電方法）に対し、現状の給電方法では方向が同じになり給電方法が不適切。 - ヘリカルアンテナ：アンテナの軸方向と電極の方向が同じであり、給電方法が適切 → 採用。 【超小型EMP発生装置の変遷】 ・マルクス型（R4年度製造）：マルクス回路＋ピーキング回路＋ダブルリッジホーンアンテナ（全長約1m） ・VIG型（R5年度製造）：VIG＋ダブルリッジホーンアンテナ（全長100mm） ・VIG型（ヘリカルアンテナ搭載型）（R6年度製造）： - 現状： - VIGの電圧波形の周波数：1.6MHz - 1.6MHzに対応するアンテナのサイズ：187.5m以上 - 現状のヘリカルアンテナのサイズ：103mm - VIGの周波数とアンテナのサイズが不一致 - 今後の課題：アンテナの小型化 Ground Systems Research Center, Acquisition, Technology & Logistics Agency (ATLA) EMP（電磁パルス）弾の研究 PLASMAGICによる火薬式EMPの高出力化 防衛装備庁陸上装備研究所システム研究部火力システム研究室 (6/6) 【火薬式EMPの高出力化の概要】 火薬式EMPの種電源の高出力化に向けて、（爆縮式プラズマジェネレータ：PLASMAGIC）の基礎研究を進めている。 PLASMAGIC：PLASMA Generator using explosIve Compression 【PLASMAGICの動作原理】 爆薬の爆轟によりアルゴンを圧縮し、アルゴンプラズマを生成 → アルゴンプラズマが磁界の印加された流路に流入し、ファラデーの電磁誘導の法則により起電力が発生。 構成：Detonator, Explosive, Liner, Diaphragm, Electrode, Argon, Magnetic Field, Plasma Chamber, MHD Generator Channel, Argon Plasma Flow, Voltage. 【PLASMAGICの数値解析】 ・数値解析手法： - 支配方程式：MHD相互作用を考慮したNavier-Stokes方程式、MHD近似を適用したMaxwell方程式、状態方程式及びサハの熱電離式 - 手法：移流項（5次精度WENO法）、数値流束（Local Lax-Friedrichs flux）、拡散項（2次精度中心差分）、時間積分（3次精度TVDルンゲクッタ法）、Galerkin有限要素法、ニュートン・ラフソン法 ・数値解析領域：Voitenko型プラズマ発生器を用いたMHD型爆薬発電機（領域Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ） ・初期条件： - プラズマ発生器（領域Ⅰ及びⅡ）：圧力 1atm、温度 300K、飛翔板初速 6km/s - MHD発電機 領域Ⅱ：プラズマ発生器の解析結果を付与 - MHD発電機 領域Ⅲ：圧力 1atm、温度 300K、磁束密度 2T、負荷抵抗 1.1mΩ ・数値解析結果： - プラズマ発生器における流速のコンター図と流線図 (Flying Plate, Spherical Segment, Tube; t=1.5μs, 1.8μs, 2.1μs) - MHD発電機における電流密度と流速のコンター図と流線図 (Time = 3 μs) - 出力電力の時間変化グラフ Ground Systems Research Center, Acquisition, Technology & Logistics Agency (ATLA)