Гизатуллин монография 1

ются от ранее описанных. В дальней зоне излучения разряда молнии его электрическая и магнитная составляющие начинают взаимодействовать друг с другом, образуя плоскую электромагнитную волну с соотношением электрической E и магнитной H компонент поля.

Напряженность электрического поля разряда молнии в дальней зоне предлагается вычислять также с помощью уравнений (2.1) и (2.2). На рис. 2.11 представлены расчетные данные по (2.2). Как показано в [48], такие данные соответствуют источнику тока с типом импульса тока 1 (табл. 2.4).

Рис. 2.11. Напряженность электрического поля разряда молнии, вычисленная по (2.2):

а– 10 км; б – 50 км; в – 200 км

Вцелом, сравнивая результаты измерений [48] параметров электромагнитного поля с результатами вычислений, можно сделать вывод, что предлагаемые уравнения (2.1) – (2.4) отражают реальную картину поля разряда молнии и пригодны для вычислений. С точки зрения выявления импульса разряда молнии, соз-

61

дающего ЭМИ максимальной величины, интересным будет сравнение напряженности электрического поля, приведенное на рис. 2.12. Расстояние от канала молнии при этом выбрано равным 50 км (дальняя зона). Максимальная амплитуда импульсов тока разряда молнии приведена в табл. 2.4.

Рис. 2.12. Напряженность электрического поля, созданного импульсами тока молнии разного типа (r = 50 км)

2.2.3. Электромагнитный импульс ядерного взрыва

Наиболее мощным преднамеренным источником высокочастотного импульсного электромагнитного воздействия является ЯВ. Наиболее масштабным и опасным считается ЭМИ высотного ЯВ [60, 64, 71]. Механизм формирования ЭМИ высотного взрыва основывается на взаимодействии стороннего тока с геомагнитным полем. Рассмотрим временные формы ЭМИ высотного ЯВ на ранней, промежуточной и поздней стадиях [60, 64].

Поскольку формы падающих сигналов изменяются очень широко, а местоположение взрыва не поддается прогнозированию, построена обобщенная форма падающего сигнала для ЭМИ высотного ЯВ, в которой отражаются короткое время нарастания вблизи эпицентра и большие напряженности ЭМИ

62

в области максимальной амплитуды. Огибающая всех импульсов, включающая большое время спадания на границе зоны прямой видимости, дана для определения наиболее жесткого случая. Для всех этих случаев поведение электрического поля на раннем этапе развития в свободном пространстве определяется соотношением [60]:

Параметры ЭМИ: а1 = 4◊107 с–1 ; b1 = 6◊108 c–1 ; k1 = 1,3; E01 = = 50000 В/м. График напряженности ранней фазы ЭМИ высотного ЯВ рассчитанная по данному выражению показывает: фронт ЭМИ равен 4 нс; длительность импульса на полувысоте 25 нс; максимальная напряженность 50 кВ/м (рис. 2.13, а). По другим источникам [64] параметры ЭМИ следующие: а1 = 4◊106 с–1 ; b1 = 5◊108 c–1 ; k1 = 1; E01 = 52 кВ/м (рис. 2.13, б). В данном случае ЭМИ высотного ЯВ имеет следующие характеристики: фронт 5 нс; длительность импульса на полувысоте 200 нс; максимальная напряженность 50 кВ/м.

Рис. 2.13. Форма ЭМИ высотного ЯВ в ранней стадии развития

Электрическое поле поляризовано перпендикулярно направлению распространения и магнитному полю Земли. Для магнит-

63

ных широт на территориях Европы и США электрическое поле поляризуется в основном горизонтально. Горизонтальная компонента больше 80 % полного падающего электрического поля.

Промежуточный ЭМИ высотного ЯВ характеризуется ам-

плитудой от 10 до 100 В/м на временах примерно от 0,1 мкс до

0,01 с. Поле подобно раннему ЭМИ высотного ЯВ с точки зрения его определения как падающего поля излучения и с такой же, как у раннего ЭМИ, поляризацией [60]. Поведение промежуточного электрического поля в свободном пространстве определяется сле-

дующим образом:

Параметры ЭМИ: а2 = 1000 с–1 ; b2 = 6◊108 c–1 ; k2 = 1; E02 = 100 В/м.

В основе позднего этапа ЭМИ лежат магнитогидродинами-

ческие эффекты взаимодействия плазмы продуктов ЯВ и разогре-

того ионизированного воздуха с магнитным полем Земли. Поздний этап ЭМИ высотного ЯВ генерирует электрические поля в грунте порядка десятков милливольт на метр на временах от 1 до 1000 с.

Наведенное электрическое поле представляет собой поле в грунте и поляризовано горизонтально. Позднее электрическое поле в грун-

те определяется как [60]:

E3 (t) = Ei (t) - E j (t),

где

64

E0j = 0,01326 В/м.

Эффекты промежуточного и позднего этапа ЭМИ в открытой литературе часто игнорируются, поскольку рассматриваются только их малые амплитуды. По-видимому, считается, что значениями амплитуд напряженности в 100 В/м (для средних времен) и 40 мВ/м (на поздних временах) можно пренебречь по сравнению с напряженностью 50 кВ/м раннего этапа ЭМИ высотного ЯВ. Это положение бывает справедливо, особенно, если поражаемая система (в нашем случае, СВТ внутри здания) не слишком велика по своим физическим размерам (малые площади взаимодействия), однако они существенны для больших систем, например, электроэнергетические системы или линии дальней связи.

Напряженность электрического поля, наблюдаемая на поверхности Земли при высотном ЯВ может значительно изменяться (по амплитуде, времени нарастания, длительности и поляризации)

впределах обширной области воздействия ЭМИ высотного ЯВ

взависимости от высоты взрыва и мощности взрыва. В северном полушарии максимальная амплитуда электрического поля, наблюдается южнее эпицентра и может достигать 50 кВ/м в зависимости от высоты взрыва и мощности боеприпаса. При взрыве на высоте 50 км, например, область, подвергшаяся воздействию ЭМИ на Земле, будет иметь радиус 800 км, а для высоты взрыва 500 км радиус прямой видимости составит около 2500 км.

Что касается стандартизации в области испытаний СВТ на воздействие ЭМИ высотного ЯВ, то в 1992 г. в Женеве в рамках комитета 77, входящего в состав МЭК, образован подкомитет 77С:

65

«Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва», который разработал и разрабатывает следующие нор-

мативные документы [60, 66 – 70, 211 – 216]:

1.Стандарт 61000-2-9.1995. «Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва. Описание ЭМИобстановки. Излученные помехи». В стандарте задаются требования по параметрам раннего, промежуточного ЭМИ и позднего ЭМИ. Ранний и промежуточный ЭМИ – плоские падающие волны. Поляризация для средних широт Европы – горизонтальная.

2.Стандарт 61000-2-10.1998. «Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва. Описание ЭМИобстановки. Наведенные помехи». В стандарте рассматриваются наводки от ЭМИ высотного ЯВ на кабельные линии в воздухе

ив грунте, линии энергоснабжения и связи. Расчетные данные приводятся для упрощенной геометрии проводников снаружи и внутри сооружений.

3.Стандарт 61000-2-11.1999. «Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва. Классификация ЭМИобстановки и условий воздействия ЭМИ». В стандарте классифицируются виды ЭМИ высотного ЯВ, чтобы при выборе требований к аппаратуре по стойкости к ЭМИ разработчик смог выбрать соответствующие параметры ЭМИ. Требования по стойкости приведены для 6 уровней. Например, для излученного поля: 1 – 3 уровни –

50 кВ/м; 4 – 500 В/м; 5 – 50 В/м; 6 – 5 В/м.

4.Стандарт 61000-5-4.1995. «Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ЯВ. Общие технические требования к средствам защиты. Излученные помехи». Стандарт определяет основные технические характеристики, которые должны указываться в паспорте защитных устройств (приборов) при выборе методов и схем защиты от полей ЭМИ. Приведены оценки эффективности экранирования различных видов защиты.

5.Стандарт 61000-5-5.1995. «Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва. Общие техниче-

66

ские требования к средствам защиты. Наведенные помехи». Подробно рассматриваются основные технические характеристики различных типов разрядников, варисторов, нелинейных резисторов, защитных диодов и фильтров: импульсное напряжение пробоя, индуктивность, вносимые потери, ток импульсного разряда. Приведены методы измерений характеристик защитных средств.

6.Стандарт 61000-4-25.1998. «Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва. Технические требования и методы испытаний для аппаратуры и систем». Стандарт определяет амплитудно-временные параметры полей, токов, напряжений, диапазон уровней испытательных воздействий.

7.Стандарт 61000-4-23.2000. «Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва. Методы испытаний средств защиты. Излученные помехи». В стандарте рассматриваются прямые методы испытаний аппаратуры и систем импульсными электромагнитными полями, воспроизводимыми в локальном объеме полосковой линии и с помощью излучающих имитаторов с вертикальной и горизонтальной поляризацией.

8.Стандарт 61000-4-24.1997. «Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва. Методы испытаний средств защиты. Наведенные помехи». Предлагается проводить испытания средств защиты используя типовую установку, которая состоит из генератора испытательных сигналов, испытательного устройства, кабеля возбуждения, выходной линии, нагрузки и осциллографа.

9.Стандарт 61000-5-3.1996. «Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва. Концепция (классы) защиты оборудования». Изложены принципы защиты. Общие положения. Зонирование. Методы защиты от излученных и наведенных помех. Правила монтажа и установки оборудования. Рассматривается сравнительный анализ защиты от ЭМИ и молнии.

10.Стандарт 61000-5-6.1998. «Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва. Смягчение уровней

67

внешних электромагнитных воздействий». Результаты исследований по воздействию ЭМИ и импульсных полей различной природы.

11. Стандарт 61000-5-7.1997. «Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва. Степени защиты от электромагнитных помех. Методы расчета защищенности». Методы испытаний систем с учетом отверстий и щелей.

2.2.4. Преднамеренные локальные электромагнитные воздействия

В последние годы произошел значительный прогресс в создании оборудования способного генерировать мощные ЭМИ с различными параметрами. Данные генераторы могут иметь двойное назначение, использоваться для технологических целей и использоваться как СЭТ, которые могут быть использованы для преднамеренного локального электромагнитного воздействия на СВТ внутри зданий, с целью нарушения его помехоустойчивости. При этом следует иметь в виду следующее [111, 112, 217 – 223]: данное электромагнитное воздействие может быть предпринято тайно и анонимно; многие типы физической защиты границ (заборы, стены, стеклянные ограждения и т.п.) могут быть пронизаны электромагнитными полями без заметного ослабления (до расстояния нескольких сот метров); потенциально серьезный характер воздействия СЭТ, например, на подсистемы зданий и важнейшие функции общества типа транспорта, связи, безопасности и медицины; основной ущерб этого потенциального воздействия, приводящего к сбоям отмеченных важных функций, формулируется в терминах потери жизни, здоровья, финансов, информации, доверия, времени и др.; необходимы дополнительные исследования данного явления, чтобы более глубоко понимать изменения уровней помехоустойчивости и слабых мест цифровых СВТ внутри здания; существует потребность в точной оценки параметров помехоустойчивости цифровых СВТ в этой специальной искусственной электромагнитной обстановке внутри здания.

68

Внастоящее время, актуальность воздействия ЭМИ СЭТ,

вособенности для гражданских систем, как например здания насыщенные СВТ, увеличивается многократно в связи со следующими причинами: обострение конкурентной борьбы между различными компаниями; существенное увеличение мощности электромагнитного воздействия при одновременном снижении масса габаритных параметров данных источников; появляется возможность воздействия с очень небольших расстояний, что недоступно для военных электронных систем; повышение плотности и быстродействия современных СВТ, с вытекающим отсюда следствием – снижением помехоустойчивости; трудно определить факт самого воздействия СЭТ, так как, следствие данного воздействия аналогично воздействию других возможных непреднамеренных электромагнитных источников; как следствие последней причины потенциальный пользователь СЭТ может неоднократно и в различных вариантах пробовать воздействовать на СВТ до достижения своей цели.

Можно выделить два способа воздействия СЭТ на цифровые СВТ внутри здания:

1.Контактный способ, который характеризуется подключением СЭТ непосредственно к кабельной проводке здания. При данном способе воздействия СЭТ могут быть в виде генераторов ЭМИ большой мощности, специальных импульсных трансформаторов, емкостных и индуктивных накопителей.

2.Бесконтактный способ, который характеризуется излучением с некоторого расстояния до СВТ и проникновением ЭМИ через все препятствия к конкретному его элементу. Для данного способа воздействия СЭТ состоят из генератора ЭМИ и излучающего устройства.

Анализ литературы показывает [98, 99, 111, 223, 224], что наиболее опасными, скрытными и эффективными являются СЭТ воздействующие по пространству с использованием мощных ЭМИ.

69

Современные генераторы преднамеренного локального электромагнитного воздействия по пространству являются, по существу, электромагнитным оружием, которое способно дистанционно, скрытно и внезапно поразить любое СВТ. Стоимость изготовления таких генераторов колеблется от одной до десятков тысяч долларов, а затраты на устранение последствий их воздействия на СВТ сотни раз выше за счет контроля, поиска, обнаружения и ремонта. Классификация СЭТ приведена на рис. 2.14 [98, 99].

Рис. 2.14. Классификация СЭТ

В России имеются ряд коллективов, сохраняющих мировой уровень в области создания и исследования мощных источников ЭМИ, это ВНИИОФИ (Соколов А.А., Сахаров К.Ю.), Институт теплофизики экстремальных состояний (Фортов В.Е. и др.), НПП «Эра» (Никифоров М.Г. и др.), МНИРТИ (Мырова Л.О., Чеков Г.Н.), ФТИ им. А.Ф. Иоффе и связанные с ними группы (Ефанов В.М. в ЗАО «НПАО ФИД-Техника»), ВИТУ (Михайлов А.К., Фоминич Э.Н.) и др. [84, 104, 105, 225 – 229]. Например, современные генераторы производства «НПАО ФИД Техника» на выходе имеют следующие параметры (табл. 2.6) [230]. Такие генераторы, с использованием специальных антенных систем, могут создавать напряженности электрического поля до 100 кВ/м на расстоянии

70