stringtranslate.com

Электромагнитный импульс

Электромагнитный импульс ( ЭМИ ), также называемый переходным электромагнитным возмущением ( ТЭВ ), представляет собой кратковременный всплеск электромагнитной энергии. Происхождение ЭМИ может быть естественным или искусственным и может возникать в виде электромагнитного поля , электрического поля , магнитного поля или проводимого электрического тока . Электромагнитные помехи, вызванные ЭМИ, могут нарушить связь и повредить электронное оборудование. [1] ЭМИ, такой как удар молнии, может физически повредить такие объекты, как здания и самолеты. Управление эффектами ЭМИ является отраслью техники электромагнитной совместимости (ЭМС).

Первое зафиксированное повреждение от электромагнитного импульса произошло во время солнечной бури в августе 1859 года, или события Кэррингтона . [2]

В современной войне оружие, создающее мощный ЭМИ, предназначено для нарушения работы [3] коммуникационного оборудования, компьютеров, необходимых для управления современными боевыми самолетами, или даже для вывода из строя всей электросети страны-цели. [4]

Общая характеристика

Электромагнитный импульс — это короткий всплеск электромагнитной энергии. Его короткая продолжительность означает, что он будет распространяться по диапазону частот. Импульсы обычно характеризуются:

Частотный спектр и форма импульсного сигнала взаимосвязаны посредством преобразования Фурье , которое описывает, как составляющие формы сигналов могут суммироваться в наблюдаемом частотном спектре.

Виды энергии

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. Можно показать, что нелинейные уравнения Максвелла могут иметь зависящие от времени самоподобные решения электромагнитной ударной волны, где электрические и магнитные компоненты поля имеют разрыв. [5]

В общем, только радиация действует на больших расстояниях, а магнитные и электрические поля действуют на коротких расстояниях. Есть несколько исключений, таких как солнечная магнитная вспышка .

Диапазоны частот

Импульс электромагнитной энергии обычно включает в себя множество частот от очень низких до некоторого верхнего предела в зависимости от источника. Диапазон, определяемый как ЭМИ, иногда называемый «постоянный ток в дневной свет», исключает самые высокие частоты, включающие оптический ( инфракрасный , видимый , ультрафиолетовый ) и ионизирующий ( рентгеновские и гамма-лучи ) диапазоны.

Некоторые типы событий ЭМИ могут оставлять оптический след, например, молнии и искры, но это побочные эффекты протекания тока по воздуху, а не часть самого ЭМИ.

Формы импульсных волн

Форма импульса описывает, как его мгновенная амплитуда (напряженность поля или ток) изменяется с течением времени. Реальные импульсы, как правило, довольно сложны, поэтому часто используются упрощенные модели. Такая модель обычно описывается либо диаграммой, либо математическим уравнением.

Большинство электромагнитных импульсов имеют очень острый передний фронт, быстро нарастающий до своего максимального уровня. Классическая модель представляет собой двойную экспоненциальную кривую, которая круто поднимается, быстро достигает пика, а затем затухает медленнее. Однако импульсы от управляемой коммутационной схемы часто приближаются к форме прямоугольного или «квадратного» импульса.

События ЭМИ обычно вызывают соответствующий сигнал в окружающей среде или материале. Связь обычно происходит наиболее сильно в относительно узкой полосе частот, что приводит к характерной затухающей синусоидальной волне . Визуально это показано как высокочастотная синусоида, растущая и затухающая в пределах более долгоживущей огибающей двойной экспоненциальной кривой. Затухающая синусоида обычно имеет гораздо более низкую энергию и более узкий частотный разброс, чем исходный импульс, из-за передаточной характеристики режима связи. На практике испытательное оборудование ЭМИ часто вводит эти затухающие синусоиды напрямую, а не пытается воссоздать высокоэнергетические опасные импульсы.

В импульсной последовательности, например, в цифровой схеме часов, форма волны повторяется через регулярные интервалы. Для характеристики такой регулярной, повторяющейся последовательности достаточно одного полного импульсного цикла.

Типы

ЭМИ возникает, когда источник испускает кратковременный импульс энергии. Энергия обычно широкополосная по своей природе, хотя она часто возбуждает относительно узкополосный затухающий синусоидальный отклик в окружающей среде. Некоторые типы генерируются как повторяющиеся и регулярные последовательности импульсов .

Различные типы ЭМИ возникают в результате воздействия природных, антропогенных факторов и оружия.

Типы природных ЭМИ-событий включают в себя:

Типы (гражданских) техногенных ЭМИ включают в себя:

Типы военного ЭМИ включают в себя:

Молния

Молния необычна тем, что обычно имеет предварительный «лидерный» разряд малой энергии, нарастающий до основного импульса, за которым, в свою очередь, могут следовать через определенные интервалы несколько более мелких вспышек. [9] [10]

Электростатический разряд (ЭСР)

События ESD характеризуются высоким напряжением во много кВ, но небольшие токи иногда вызывают видимые искры. ESD рассматривается как небольшое локализованное явление, хотя технически вспышка молнии является очень большим событием ESD. ESD также может быть искусственным, как в случае удара, полученного от генератора Ван де Граафа .

Событие ESD может повредить электронные схемы, вызвав высоковольтный импульс, а также вызвать у людей неприятный шок. Такое событие ESD может также создать искры, которые, в свою очередь, могут вызвать пожар или взрыв паров топлива. По этой причине перед заправкой самолета или выбросом паров топлива в воздух топливный штуцер сначала подключается к самолету для безопасного снятия статического электричества.

Переключение импульсов

Переключение электрической цепи создает резкое изменение потока электричества. Это резкое изменение является формой ЭМИ.

Простые электрические источники включают индуктивные нагрузки, такие как реле, соленоиды и щеточные контакты в электродвигателях. Они обычно посылают импульс вниз по любым имеющимся электрическим соединениям, а также излучают импульс энергии. Амплитуда обычно мала, и сигнал может рассматриваться как «шум» или «помехи». Выключение или «размыкание» цепи вызывает резкое изменение протекающего тока. Это, в свою очередь, может вызвать большой импульс в электрическом поле через открытые контакты, вызывая искрение и повреждение. Часто необходимо включать конструктивные особенности для ограничения таких эффектов.

Электронные устройства, такие как вакуумные трубки или клапаны, транзисторы и диоды, также могут включаться и выключаться очень быстро, вызывая похожие проблемы. Однократные импульсы могут быть вызваны твердотельными переключателями и другими устройствами, используемыми лишь изредка. Однако многие миллионы транзисторов в современном компьютере могут многократно переключаться на частотах выше 1 ГГц, вызывая помехи, которые кажутся непрерывными.

Ядерный электромагнитный импульс (ЯЭМИ)

Ядерный электромагнитный импульс — это резкий импульс электромагнитного излучения, возникающий в результате ядерного взрыва . Резко меняющиеся электрические и магнитные поля могут взаимодействовать с электрическими/электронными системами, вызывая разрушительные скачки тока и напряжения . [11]

Интенсивное гамма-излучение может также ионизировать окружающий воздух, создавая вторичный ЭМИ, поскольку атомы воздуха сначала теряют свои электроны, а затем восстанавливают их.

Оружие NEMP предназначено для максимального использования эффектов ЭМИ в качестве основного механизма поражения, а некоторые из них способны уничтожать уязвимое электронное оборудование на большой площади.

Высотное электромагнитное импульсное оружие (HEMP) — это боеголовка NEMP, предназначенная для подрыва высоко над поверхностью Земли. Взрыв высвобождает поток гамма-лучей в среднюю стратосферу , который ионизируется в качестве вторичного эффекта, а полученные энергичные свободные электроны взаимодействуют с магнитным полем Земли, создавая гораздо более сильный ЭМИ, чем тот, который обычно производится в более плотном воздухе на более низких высотах.

Неядерный электромагнитный импульс (НЭМИ)

Неядерный электромагнитный импульс (NNEMP) — это электромагнитный импульс, генерируемый оружием без использования ядерной технологии. Устройства, которые могут достичь этой цели, включают в себя большую низкоиндуктивную конденсаторную батарею, разряженную в одноконтурную антенну, микроволновый генератор и взрывной накачиваемый генератор компрессии потока . Для достижения частотных характеристик импульса, необходимых для оптимального сопряжения с целью, между источником импульса и антенной добавляются волнообразующие схемы или микроволновые генераторы . Виркаторы — это вакуумные трубки, которые особенно подходят для микроволнового преобразования высокоэнергетических импульсов. [12]

Генераторы NNEMP могут перевозиться в качестве полезной нагрузки бомб, крылатых ракет (например, ракеты CHAMP ) и беспилотных летательных аппаратов , что снижает механические, тепловые и ионизирующие радиационные эффекты, но исключает последствия развертывания ядерного оружия.

Диапазон оружия NNEMP намного меньше, чем у ядерного ЭМИ. Почти все устройства NNEMP, используемые в качестве оружия, требуют химических взрывчатых веществ в качестве своего первоначального источника энергии, производя лишь одну миллионную часть энергии ядерных взрывчатых веществ аналогичного веса. [13] Электромагнитный импульс от оружия NNEMP должен исходить изнутри оружия, в то время как ядерное оружие генерирует ЭМИ как вторичный эффект. [14] Эти факты ограничивают диапазон оружия NNEMP, но позволяют более точно распознавать цели. Эффект небольших электронных бомб оказался достаточным для определенных террористических или военных операций. [ необходима цитата ] Примерами таких операций являются уничтожение электронных систем управления, критически важных для работы многих наземных транспортных средств и самолетов. [ 15] [ необходимы дополнительные цитаты ]

Концепция взрывоопасного генератора компрессии потока для создания неядерного электромагнитного импульса была задумана еще в 1951 году Андреем Сахаровым в Советском Союзе [16] , но страны держали работы по неядерному ЭМИ в секрете до тех пор, пока аналогичные идеи не появились в других странах.

Эффекты

Незначительные события ЭМИ, и особенно последовательности импульсов, вызывают низкие уровни электрического шума или помех, которые могут повлиять на работу восприимчивых устройств. Например, распространенной проблемой в середине двадцатого века были помехи, излучаемые системами зажигания бензиновых двигателей, [17] из-за которых радиоприемники потрескивали, а телевизоры показывали полосы на экране. CISPR 25 был создан для установления пороговых стандартов, которым должны соответствовать транспортные средства по уровню электромагнитных помех (ЭМП).

При высоком уровне напряжения ЭМИ может вызвать искру, например, от электростатического разряда при заправке автомобиля с бензиновым двигателем. Известно, что такие искры вызывают взрывы топлива и воздуха, и необходимо принять меры предосторожности, чтобы предотвратить их. [18]

Мощный и мощный ЭМИ может вызвать высокие токи и напряжения в пострадавшем устройстве, временно нарушая его работу или даже навсегда повреждая его. [ необходима цитата ]

Мощный 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 экранируются тяжелыми металлическими корпусами. Некоторые поставщики услуг по утилизации ИТ-активов и переработчики компьютеров используют контролируемый ЭМИ для стирания таких магнитных носителей. [19]

Очень большое событие ЭМИ, такое как удар молнии или ядерное оружие, взорвавшееся в воздухе, также способно напрямую повредить такие объекты, как деревья, здания и самолеты, либо через эффекты нагрева, либо разрушительные эффекты очень большого магнитного поля, создаваемого током. Косвенным эффектом могут быть электрические пожары, вызванные нагреванием. Большинство инженерных конструкций и систем требуют, чтобы в конструкции была предусмотрена некоторая форма защиты от молнии. Хорошим средством защиты является щит Фарадея, разработанный для защиты определенных предметов от разрушения. [ необходима цитата ]

Контроль

Симулятор ЭМИ HAGII-C, испытывающий самолет Boeing E-4 .
EMPRESS I (антенны вдоль береговой линии) с USS  Estocin  (FFG-15), пришвартованным на переднем плане для испытаний.

Как и любые электромагнитные помехи , угроза от ЭМИ подлежит мерам контроля. Это справедливо независимо от того, является ли угроза естественной или искусственной.

Поэтому большинство мер контроля сосредоточены на восприимчивости оборудования к воздействию ЭМИ и его упрочнении или защите от повреждений. Искусственные источники, помимо оружия, также подлежат мерам контроля с целью ограничения количества излучаемой импульсной энергии.

Дисциплина, обеспечивающая правильную работу оборудования в условиях воздействия ЭМИ и других радиочастотных угроз, известна как электромагнитная совместимость (ЭМС).

Тестовое моделирование

Для проверки воздействия ЭМИ на инженерные системы и оборудование можно использовать имитатор ЭМИ.

Моделирование индуцированного импульса

Индуцированные импульсы имеют гораздо меньшую энергию, чем опасные импульсы, поэтому их создание более практично, но они менее предсказуемы. Распространенный метод тестирования заключается в использовании токового зажима в обратном направлении для введения ряда затухающих синусоидальных сигналов в кабель, подключенный к тестируемому оборудованию. Генератор затухающих синусоидальных волн способен воспроизводить ряд индуцированных сигналов, которые могут возникнуть.

Моделирование импульса угрозы

Иногда сам импульс угрозы моделируется повторяющимся образом. Импульс может быть воспроизведен при низкой энергии, чтобы охарактеризовать реакцию субъекта до затухающей синусоидальной инъекции, или при высокой энергии, чтобы воссоздать реальные условия угрозы. Малогабаритный симулятор ESD может быть ручным. Симуляторы размером с настольный компьютер или комнату выпускаются в различных исполнениях в зависимости от типа и уровня угрозы, которую необходимо создать.

На самом верху шкалы, крупные испытательные установки на открытом воздухе, включающие высокоэнергетические симуляторы ЭМИ, были построены несколькими странами. [20] [21] Крупнейшие установки способны испытывать целые транспортные средства, включая корабли и самолеты, на их восприимчивость к ЭМИ. Почти все эти крупные симуляторы ЭМИ использовали специализированную версию генератора Маркса . [20] [21] Примерами являются огромный симулятор ATLAS-I с деревянной конструкцией (также известный как TRESTLE) в Sandia National Labs , Нью-Мексико, который в свое время был крупнейшим в мире симулятором ЭМИ. [22] Статьи по этому и другим крупным симуляторам ЭМИ, использовавшимся Соединенными Штатами во второй половине Холодной войны , наряду с более общей информацией об электромагнитных импульсах, в настоящее время находятся в ведении Фонда SUMMA, который размещается в Университете Нью-Мексико. [23] [24] ВМС США также имеют большой объект под названием «Имитатор электромагнитного импульсного излучения для кораблей I» (EMPRESS I).

Безопасность

Сигналы ЭМИ высокого уровня могут представлять угрозу безопасности человека. В таких обстоятельствах следует избегать прямого контакта с токоведущим электрическим проводником. Если это происходит, например, при прикосновении к генератору Ван де Граафа или другому сильно заряженному объекту, необходимо принять меры предосторожности, чтобы отпустить объект, а затем разрядить тело через высокое сопротивление, чтобы избежать риска получения опасного удара током при отходе от него.

Очень высокая напряженность электрического поля может вызвать пробой воздуха и возникновение потенциально смертельного дугового тока, аналогичного току молнии, однако напряженность электрического поля до 200 кВ/м считается безопасной. [25]

Согласно исследованию Эдда Гента, отчет Института исследований электроэнергии за 2019 год , финансируемого коммунальными компаниями, показал, что крупная атака ЭМИ, вероятно, вызовет региональные отключения электроэнергии , но не общенациональный сбой в работе сети, и что время восстановления будет таким же, как и при других крупномасштабных отключениях электроэнергии. [26] Неизвестно, как долго продлятся эти отключения электроэнергии или какой ущерб будет нанесен по всей стране. [ необходима цитата ] Вполне возможно, что соседние с США страны также могут пострадать от такой атаки, в зависимости от целевой области и людей. [ необходима цитата ]

Согласно статье Наурин Малик, учитывая все более успешные испытания ракет и боеголовок Северной Кореи, Конгресс принял решение возобновить финансирование Комиссии по оценке угрозы для США от электромагнитной импульсной атаки в рамках Закона о национальной обороне . [27]

Согласно исследованию Ёсиды Рейджи, в статье 2016 года для токийской некоммерческой организации Center for Information and Security Trade Control, Онидзука предупредил, что высотная ЭМИ-атака повредит или уничтожит энергетические, коммуникационные и транспортные системы Японии , а также выведет из строя банки, больницы и атомные электростанции . [28]

В популярной культуре

К 1981 году ряд статей об электромагнитном импульсе в популярной прессе распространили знания о феномене ЭМИ в массовую культуру . [29] [30] [31] [32] Впоследствии ЭМИ использовался в самых разных художественных произведениях и других аспектах массовой культуры. Популярные СМИ часто неправильно изображают эффекты ЭМИ, вызывая недопонимание среди общественности и даже профессионалов. [ указать ] В США были предприняты официальные усилия по исправлению этих заблуждений. [33] [34]

Роман Уильяма Р. Форстхена « Секунда спустя» и последующие книги «Год спустя» , «Последний день» и «Пять лет спустя» рассказывают историю вымышленного персонажа по имени Джон Матерсон и его общины в Блэк-Маунтин, Северная Каролина, которая после поражения США в войне и атаки ЭМИ «отправляет нашу страну [США] обратно в Темные века».

Смотрите также

Ссылки

Цитаты

  1. ^ Общие положения Королевских ВВС и навыки развертывания Памятная записка AP 3242B ТОМ 5, СОКРАЩЕНИЯ
  2. ^ Гаттеридж, Ник (30 июля 2020 г.). «Электромагнитные импульсы в истории». The Telegraph . Получено 12 февраля 2023 г. .
  3. ^ "DHS борется с потенциальной атакой с использованием электромагнитного импульса (ЭМИ)". Министерство внутренней безопасности . 3 сентября 2020 г. Получено 3 мая 2021 г.
  4. ^ Вайс, Мэтью; Вайс, Мартин (29 мая 2019 г.). «Оценка угроз американской энергосистеме». Энергия, устойчивое развитие и общество . 9 (1): 18. doi : 10.1186/s13705-019-0199-y . ISSN  2192-0567.
  5. ^ Барна, ИФ (2014). «Автомодельные решения ударной волны нелинейных уравнений Максвелла». Laser Physics . 24 (8): 086002. arXiv : 1303.7084 . Bibcode :2014LaPhy..24h6002B. doi :10.1088/1054-660X/24/8/086002.
  6. ^ Close, S.; Colestock, P.; Cox, L.; Kelley, M.; Lee, N. (2010). "Электромагнитные импульсы, генерируемые метеороидными ударами по космическому аппарату". Journal of Geophysical Research . 115 (A12): A12328. Bibcode : 2010JGRA..11512328C. doi : 10.1029/2010JA015921 .
  7. ^ Чандлер, Чарльз. "Метеорные воздушные взрывы: общие принципы". Блог QDL . Получено 30 декабря 2014 г.
  8. ^ "EMPACT America, Inc. – Solar EMP". 26 июля 2011 г. Архивировано из оригинала 26 июля 2011 г. Получено 23 ноября 2015 г.
  9. ^ Howard, J.; Uman, MA; Biagi, C.; Hill, D.; Rakov, VA; Jordan, DM (2011). "Измеренные волновые формы производных электрического поля близкого лидера молнии" (PDF) . Журнал геофизических исследований . 116 (D8): D08201. Bibcode :2011JGRD..116.8201H. doi : 10.1029/2010JD015249 .
  10. ^ "A Basic Primer in Lightning Effects and Protection" (PDF) . weighting-systems.com. Архивировано из оригинала (PDF) 15 ноября 2015 г. . Получено 8 сентября 2015 г. .
  11. ^ «Коммунальные службы Америки готовятся к ядерной угрозе для сети». The Economist . Получено 21 сентября 2017 г.
  12. ^ Копп, Карло (октябрь 1996 г.). «Электромагнитная бомба — оружие массового поражения электричеством». USAF CADRE Air Chronicles . DTIC:ADA332511. Архивировано из оригинала 5 октября 2013 г. Получено 12 января 2012 г.
  13. ^ Гласстоун и Долан 1977, Глава 1.
  14. ^ Гласстоун и Долан 1977, глава 11, раздел 11.73.
  15. ↑ Маркс, Пол (1 апреля 2009 г.). «Самолеты можно сбивать самодельными «электронными бомбами». New Scientist . С. 16–17.
  16. ^ Younger, Stephen; et al. (1996). "Научное сотрудничество между Лос-Аламосом и Арзамасом-16 с использованием взрывоопасных генераторов компрессии потока" (PDF) . Los Alamos Science (24): 48–71 . Получено 24 октября 2009 г. .
  17. ^ «Что такое электромагнитные и радиочастотные помехи? И как можно устранить помехи в электросистеме и системе зажигания?». OnAllCylinders . 14 апреля 2022 г. Получено 9 августа 2024 г.
  18. ^ «Основы электростатического разряда», Compliance Magazine, 1 мая 2015 г. Получено 25 июня 2015 г.
  19. ^ "EMP Data Wipe". newtechrecycling.com . Newtech Recycling. Архивировано из оригинала 12 июня 2018 г. Получено 12 июня 2018 г.
  20. ^ ab Baum, Carl E. (май 2007 г.). «Воспоминания о высокомощных электромагнетиках» (PDF) . IEEE Trans. Electromagn. Compat. 49 (2): 211–8. doi :10.1109/temc.2007.897147. S2CID  22495327.
  21. ^ ab Baum, Carl E. (июнь 1992 г.). «От электромагнитного импульса к высокомощным электромагнетикам» (PDF) . Труды IEEE . 80 (6): 789–817. Bibcode : 1992IEEEP..80..789B. doi : 10.1109/5.149443.
  22. ^ Рубен, Чарльз. «Эстакада Atlas-I на авиабазе Киртланд». Университет Нью-Мексико.
  23. ^ "SUMMA Foundation – Карл Баум, кафедра электротехники и вычислительной техники, Университет Нью-Мексико". ece-research.unm.edu .
  24. ^ "SUMMA Foundation – Carl Baum, Electrical and Computer Engineering Department, University of New Mexico". Ece.unm.edu. 17 января 2013 г. Получено 18 июня 2013 г.
  25. ^ «Защита персонала от электромагнитных полей», Инструкция Министерства обороны США № 6055.11, 19 августа 2009 г.
  26. ^ Эдд Гент-Live Science Contributor 11 (март 2021 г.). «ВВС США защищаются от атак электромагнитными импульсами. Стоит ли нам беспокоиться?». livescience.com . Получено 2 мая 2021 г. {{cite web}}: |author=имеет общее название ( помощь )CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  27. ^ «Может ли американская энергосистема выдержать электромагнитную атаку?». BloombergQuint . 22 декабря 2017 г. Получено 3 мая 2021 г.
  28. ^ Ёсида, Рейджи (8 сентября 2017 г.). «Угроза северокорейской атаки с применением ЭМИ оставляет Японию уязвимой». The Japan Times . Получено 3 мая 2021 г.
  29. ↑ Ралофф, Джанет. 9 мая 1981 г. «ЭМИ: спящий электронный дракон». Science News. Том 119, стр. 300.
  30. ^ Ралофф, Джанет. 16 мая 1981 г. «ЭМИ: защитные стратегии». Science News. Т. 119, стр. 314.
  31. ↑ Брод, Уильям Дж. 1983 Январь/Февраль. «Фактор хаоса» Science 83, стр. 41–49.
  32. ↑ Бернхэм, Дэвид. 28 июня 1983 г. «США опасаются, что одна бомба может искалечить нацию». New York Times, стр. C1. [1]
  33. ↑ Отчет Meta-R-320: «Ранний (E1) высотный электромагнитный импульс (HEMP) и его влияние на энергосистему США», январь 2010 г. Написано корпорацией Metatech для Национальной лаборатории Ок-Ридж. Приложение: Мифы о E1 HEMP.
  34. ↑ Космическое командование ВВС, Голливуд против ЭМИ, Manitou Motion Picture Company, 2009 (недоступно для широкой публики).

Источники

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Электромагнитный импульс .