Электромагнитный импульс ( ЭМИ ), также называемый временным электромагнитным возмущением ( TED ), представляет собой короткий всплеск электромагнитной энергии. Происхождение ЭМИ может быть естественным или искусственным и может происходить в виде электромагнитного поля , электрического поля , магнитного поля или проводимого электрического тока . Электромагнитные помехи, вызванные ЭМИ, могут нарушить связь и повредить электронное оборудование. ЭМИ, например удар молнии, может физически повредить такие объекты, как здания и самолеты. Управление эффектами ЭМИ является отраслью техники электромагнитной совместимости (ЭМС).
Первый зарегистрированный ущерб от электромагнитного импульса произошел во время солнечной бури в августе 1859 года, или события Кэррингтона . [1]
В современной войне оружие, генерирующее ЭМИ-импульсы высокой энергии, предназначено для того, чтобы вывести из строя [2] оборудование связи, компьютеры, необходимые для управления современными военными самолетами, или даже вывести из строя всю электрическую сеть целевой страны. [3]
Электромагнитный импульс – это короткий всплеск электромагнитной энергии. Его короткая продолжительность означает, что он будет распространяться на широкий диапазон частот. Импульсы обычно характеризуются:
Частотный спектр и форма импульсного сигнала взаимосвязаны посредством преобразования Фурье , которое описывает, как составляющие сигнала могут суммироваться с наблюдаемым частотным спектром.
Энергия ЭМИ может передаваться в любой из четырех форм:
Согласно уравнениям Максвелла , импульс электрической энергии всегда будет сопровождаться импульсом магнитной энергии. В типичном импульсе будет доминировать либо электрическая, либо магнитная форма.
В общем, только излучение действует на больших расстояниях, а магнитные и электрические поля действуют на коротких расстояниях. Есть несколько исключений, таких как солнечная магнитная вспышка .
Импульс электромагнитной энергии обычно содержит множество частот от очень низкой до некоторого верхнего предела в зависимости от источника. Диапазон, определяемый как ЭМИ, иногда называемый «от постоянного тока до дневного света», исключает самые высокие частоты, включающие оптический (инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый) и ионизирующий (X и гамма-лучи) диапазоны.
Некоторые типы событий ЭМИ могут оставлять оптический след, например, молния и искры, но это побочные эффекты электрического тока в воздухе и не являются частью самого ЭМИ.
Форма импульса описывает, как его мгновенная амплитуда (напряженность поля или ток) меняется со временем. Реальные импульсы, как правило, довольно сложны, поэтому часто используются упрощенные модели. Такая модель обычно описывается либо в виде диаграммы, либо в виде математического уравнения.
Большинство электромагнитных импульсов имеют очень острый передний фронт и быстро достигают максимального уровня. Классическая модель представляет собой двойную экспоненциальную кривую, которая круто поднимается, быстро достигает пика и затем медленнее затухает. Однако импульсы от управляемой схемы переключения часто приближаются по форме к прямоугольным или «квадратным» импульсам.
События ЭМИ обычно вызывают соответствующий сигнал в окружающей среде или материале. Связь обычно наиболее сильно проявляется в относительно узком диапазоне частот, что приводит к характерной затухающей синусоидальной волне . Визуально это отображается как высокочастотная синусоидальная волна, растущая и затухающая внутри долгоживущей огибающей двойной экспоненциальной кривой. Затухающая синусоида обычно имеет гораздо меньшую энергию и более узкий разброс частот, чем исходный импульс, из-за передаточной характеристики режима связи. На практике испытательное ЭМИ-оборудование часто непосредственно подает эти затухающие синусоидальные волны, а не пытается воссоздать угрожающие импульсы высокой энергии.
В последовательности импульсов, например, в цепи цифровых часов, форма сигнала повторяется через равные промежутки времени. Одного полного цикла импульсов достаточно, чтобы охарактеризовать такую регулярную повторяющуюся последовательность.
ЭМИ возникает там, где источник излучает кратковременный импульс энергии. Энергия обычно является широкополосной по своей природе, хотя она часто возбуждает относительно узкополосную затухающую синусоидальную волну в окружающей среде. Некоторые типы генерируются как повторяющиеся и регулярные последовательности импульсов .
Различные типы ЭМИ возникают в результате природных, техногенных и оружейных воздействий.
Типы природных событий ЭМИ включают:
Типы (гражданских) техногенных ЭМИ-событий включают:
К типам военного ЭМИ относятся:
Молния необычна тем, что обычно имеет предварительный «лидерный» разряд низкой энергии, нарастающий до основного импульса, за которым, в свою очередь, через определенные промежутки времени могут следовать несколько более мелких всплесков. [7] [8]
События ЭСР характеризуются высоким напряжением во многие кВ, но малые токи иногда вызывают видимые искры. ЭСР рассматривается как небольшое локализованное явление, хотя технически вспышка молнии является очень масштабным событием ЭСР. ЭСР также может быть искусственным, как, например, при ударе, полученном от генератора Ван де Граафа .
Событие электростатического разряда может привести к повреждению электронных схем из-за подачи высоковольтного импульса, а также вызвать у людей неприятный шок. Такое событие ESD может также вызвать искры, которые, в свою очередь, могут привести к возгоранию или взрывам паров топлива. По этой причине, прежде чем заправить самолет топливом или выбросить пары топлива в воздух, топливный пистолет сначала подсоединяется к самолету, чтобы безопасно снять статический заряд.
Переключающее действие электрической цепи приводит к резкому изменению потока электричества. Это резкое изменение является формой ЭМИ.
Простые электрические источники включают индуктивные нагрузки, такие как реле, соленоиды и щеточные контакты в электродвигателях. Обычно они посылают импульс на любые имеющиеся электрические соединения, а также излучают импульс энергии. Амплитуда обычно мала, и сигнал можно рассматривать как «шум» или «помеху». Выключение или «размыкание» цепи вызывает резкое изменение протекающего тока. Это, в свою очередь, может вызвать сильный импульс электрического поля на открытых контактах, вызывая искрение и повреждение. Часто необходимо включить конструктивные особенности, чтобы ограничить такие эффекты.
Электронные устройства, такие как электронные лампы или лампы, транзисторы и диоды, также могут очень быстро включаться и выключаться, вызывая аналогичные проблемы. Одноразовые импульсы могут быть вызваны полупроводниковыми переключателями и другими устройствами, используемыми лишь изредка. Однако многие миллионы транзисторов в современном компьютере могут неоднократно переключаться на частотах выше 1 ГГц, вызывая непрерывные помехи.
Ядерный электромагнитный импульс — это резкий импульс электромагнитного излучения, возникающий в результате ядерного взрыва . Возникающие в результате быстро меняющиеся электрические и магнитные поля могут взаимодействовать с электрическими/электронными системами, вызывая разрушительные скачки тока и напряжения . [9]
Испускаемое интенсивное гамма-излучение также может ионизировать окружающий воздух, создавая вторичную ЭМИ, поскольку атомы воздуха сначала теряют свои электроны, а затем восстанавливают их.
Оружие NEMP предназначено для максимизации таких эффектов ЭМИ, как основной механизм повреждения, а некоторые из них способны уничтожать уязвимое электронное оборудование на большой территории.
Высотное электромагнитное импульсное оружие (HEMP) представляет собой боеголовку NEMP, предназначенную для взрыва далеко над поверхностью Земли. Взрыв высвобождает поток гамма-лучей в среднюю стратосферу , который ионизируется как вторичный эффект, и образующиеся в результате энергичные свободные электроны взаимодействуют с магнитным полем Земли, создавая гораздо более сильное ЭМИ, чем обычно производится в более плотном воздухе на более низких высотах.
Неядерный электромагнитный импульс (ННЭМП) — это электромагнитный импульс, генерируемый оружием, без использования ядерных технологий. Устройства, которые могут достичь этой цели, включают в себя большую батарею конденсаторов с низкой индуктивностью , разряжаемую в одноконтурную антенну, микроволновый генератор и генератор сжатия потока со взрывной накачкой . Для достижения частотных характеристик импульса, необходимых для оптимального взаимодействия с целью, между источником импульса и антенной добавляются схемы формирования волны или микроволновые генераторы . Виркаторы — это вакуумные лампы, которые особенно подходят для микроволнового преобразования импульсов высокой энергии. [10]
Генераторы NNEMP можно нести в качестве полезной нагрузки бомб, крылатых ракет (таких как ракета CHAMP ) и дронов с уменьшенным механическим, тепловым и ионизирующим радиационным воздействием, но без последствий применения ядерного оружия.
Дальность действия оружия ННЭМП значительно меньше ядерного ЭМИ. Почти все устройства NNEMP, используемые в качестве оружия, используют химическую взрывчатку в качестве исходного источника энергии, производя лишь одну миллионную энергию ядерной взрывчатки аналогичного веса. [11] Электромагнитный импульс от оружия NNEMP должен исходить изнутри оружия, в то время как ядерное оружие генерирует ЭМИ в качестве вторичного эффекта. [12] Эти факты ограничивают дальность действия оружия NNEMP, но позволяют более точно распознавать цели. Эффект небольших электронных бомб оказался достаточным для некоторых террористических или военных операций. [ нужна цитата ] Примеры таких операций включают разрушение электронных систем управления, имеющих решающее значение для работы многих наземных транспортных средств и самолетов. [13] [ необходимы дополнительные ссылки ]
Идея генератора сжатия потока со взрывной накачкой для генерации неядерного электромагнитного импульса была задумана еще в 1951 году Андреем Сахаровым в Советском Союзе [14] , но страны держали работы над неядерными ЭМИ в секрете до тех пор, пока аналогичные идеи не появились в других странах. нации.
Незначительные события ЭМИ, особенно последовательности импульсов, вызывают низкие уровни электрических шумов или помех, которые могут повлиять на работу чувствительных устройств. Например, распространенной проблемой в середине двадцатого века были помехи, создаваемые системами зажигания бензиновых двигателей, из-за которых радиоприемники трещали, а телевизоры показывали полосы на экране. Были приняты законы, обязывающие производителей транспортных средств устанавливать помехоподавляющие устройства. [ нужна цитата ]
При высоком уровне напряжения ЭМИ может вызвать искру, например, в результате электростатического разряда при заправке автомобиля с бензиновым двигателем. Известно, что такие искры вызывают взрывы топливно-воздушной смеси, и для их предотвращения необходимо принять меры предосторожности. [15]
Мощный и энергичный ЭМИ может индуцировать высокие токи и напряжения в пострадавшем устройстве, временно нарушая его работу или даже необратимо повреждая его. [ нужна цитата ]
Мощное ЭМИ может также напрямую воздействовать на магнитные материалы и повреждать данные, хранящиеся на таких носителях, как магнитная лента и жесткие диски компьютеров . Жесткие диски обычно защищены корпусом из тяжелого металла. Некоторые поставщики услуг по утилизации ИТ-активов и переработчики компьютеров используют контролируемое ЭМИ для уничтожения таких магнитных носителей. [16]
Очень большое событие ЭМИ, такое как удар молнии или взрыв ядерного оружия в воздухе, также способно напрямую повредить такие объекты, как деревья, здания и самолеты, либо за счет нагревания, либо за счет разрушительного воздействия очень большого магнитного поля, создаваемого током. . Косвенным эффектом могут стать электрические пожары, вызванные нагревом. Большинство инженерных конструкций и систем требуют наличия той или иной формы защиты от молнии. Хорошим средством защиты является щит Фарадея, предназначенный для защиты определенных предметов от разрушения. [ нужна цитата ]
Как и любые электромагнитные помехи , угроза ЭМИ подлежит мерам контроля. Это справедливо независимо от того, является ли угроза естественной или антропогенной.
Таким образом, большинство мер контроля сосредоточены на восприимчивости оборудования к воздействию ЭМИ, а также на его усилении или защите от вреда. Искусственные источники, кроме оружия, также подлежат мерам контроля с целью ограничения количества излучаемой импульсной энергии.
Дисциплина, обеспечивающая правильную работу оборудования при наличии ЭМИ и других радиочастотных угроз, известна как электромагнитная совместимость (ЭМС).
Для проверки воздействия ЭМИ на инженерные системы и оборудование можно использовать симулятор ЭМИ.
Индуцированные импульсы имеют гораздо меньшую энергию, чем импульсы угрозы, поэтому их более практично создавать, но они менее предсказуемы. Распространенный метод тестирования заключается в использовании токовых клещей в обратном направлении для подачи ряда затухающих синусоидальных сигналов в кабель, подключенный к тестируемому оборудованию. Генератор затухающих синусоидальных волн способен воспроизводить диапазон возможных наведенных сигналов.
Иногда сам импульс угрозы моделируется повторяемым образом. Импульс может воспроизводиться при низкой энергии, чтобы охарактеризовать реакцию субъекта перед введением затухающей синусоидальной волны, или при высокой энергии, чтобы воссоздать реальные условия угрозы. Небольшой имитатор ЭСР может быть ручным. Симуляторы размером со стол или комнату бывают самых разных конструкций, в зависимости от типа и уровня создаваемой угрозы.
В верхней части шкалы в нескольких странах построены крупные открытые испытательные установки, включающие симуляторы ЭМИ высокой энергии. [17] [18] Крупнейшие предприятия способны проверять целые транспортные средства, включая корабли и самолеты, на восприимчивость к ЭМИ. Почти все эти большие симуляторы ЭМИ использовали специализированную версию генератора Маркса . [17] [18] Примеры включают огромный симулятор ATLAS-I с деревянной конструкцией (также известный как TRESTLE) в Национальной лаборатории Сандия , Нью-Мексико, который когда-то был крупнейшим в мире симулятором ЭМИ. [19] Документы об этом и других крупных симуляторах ЭМИ, использовавшихся Соединенными Штатами во второй половине Холодной войны , наряду с более общей информацией об электромагнитных импульсах, сейчас находятся на попечении Фонда SUMMA, который находится в университете. Нью-Мексико. [20] [21] ВМС США также имеет крупный объект под названием «Имитатор электромагнитного импульсного излучения для кораблей I» (EMPRESS I).
Сигналы ЭМИ высокого уровня могут представлять угрозу безопасности человека. В таких обстоятельствах следует избегать прямого контакта с электрическим проводником под напряжением. Если это происходит, например, при прикосновении к генератору Ван де Граафа или другому сильно заряженному предмету, необходимо позаботиться о том, чтобы отпустить предмет, а затем разрядить тело через высокое сопротивление, чтобы избежать риска вредного ударного импульса при ходьбе. прочь.
Очень высокая напряженность электрического поля может вызвать пробой воздуха и потенциально смертельный ток дуги, подобный протеканию молнии, но напряженность электрического поля до 200 кВ/м считается безопасной. [22]
Согласно исследованию Эдда Гента, в отчете Научно-исследовательского института электроэнергетики за 2019 год , который финансируется коммунальными компаниями, было обнаружено, что крупная ЭМИ-атака, вероятно, вызовет региональные отключения электроэнергии , но не сбой в общенациональной сети, и что время восстановления будет аналогично времени других крупномасштабных отключений. [23] Неизвестно, как долго продлятся эти отключения электроэнергии и какой ущерб будет нанесен по всей стране. [ необходима цитата ] Вполне возможно, что соседние страны США также могут пострадать от такой атаки, в зависимости от целевой территории и людей. [ нужна цитата ]
Согласно статье Наурин Малик, принимая во внимание все более успешные испытания ракет и боеголовок Северной Кореей, Конгресс принял решение возобновить финансирование Комиссии по оценке угрозы для США от электромагнитной импульсной атаки в рамках Закона о полномочиях национальной обороны . [24] На данный момент Соединенным Штатам не хватает подготовки к ЭМИ-атаке. [ нужна цитата ]
Согласно исследованию Ёсиды Рейджи, в статье 2016 года для токийской некоммерческой организации «Центр информации и безопасности торгового контроля» Онидзука предупредил, что высотная ЭМИ-атака также повредит или уничтожит энергетические, коммуникационные и транспортные системы Японии . как вывести из строя банки, больницы и атомные электростанции . [25]
К 1981 году ряд статей об электромагнитном импульсе в популярной прессе распространили знания о феномене ЭМИ в массовой культуре . [26] [27] [28] [29] ЭМИ впоследствии использовалось в самых разных художественных произведениях и других аспектах популярной культуры. Популярные средства массовой информации часто неверно изображают эффекты ЭМИ, вызывая недопонимание среди общественности и даже профессионалов. [ уточнить ] В США были предприняты официальные усилия по исправлению этих заблуждений. [30] [31]
{{cite web}}: |author=имеет общее имя ( справка )CS1 maint: numeric names: authors list (link)