Электромагнитный импульс

редактировать
Всплеск электромагнитной энергии

Электромагнитный импульс (EMP ), также иногда называемое кратковременным электромагнитным возмущением, представляет собой короткий выброс электромагнитной энергии. Источник такого импульса может быть естественным или искусственным и может возникать в виде излучаемого, электрического или магнитного поля или проводимого электрического поля. текущий, в зависимости от источника.

ЭМИ-помехи обычно разрушают или повреждают электронное оборудование, а при более высоких уровнях энергии мощное ЭМИ-событие, такое как удар молнии, может повредить физические объекты, такие как здания и конструкции самолетов. Управление эффектами ЭМИ является важным разделом техники электромагнитной совместимости (EMC).

Оружие было разработано для нанесения разрушительного воздействия высокоэнергетическим ЭМИ.

Содержание

  • 1 Общие характеристики
    • 1.1 Типы энергии
    • 1.2 Частотные диапазоны
    • 1.3 Формы импульсов
  • 2 типа
    • 2.1 Молния
    • 2.2 Электростатический разряд (ESD)
    • 2.3 Импульсы переключения
    • 2.4 Ядерный электромагнитный импульс (NEMP)
    • 2.5 Неядерный электромагнитный импульс (NNEMP)
    • 2.6 Электромагнитное формирование
  • 3 Эффекты
  • 4 Контроль
    • 4.1 Моделирование испытаний
      • 4.1.1 Имитация индуцированного импульса
      • 4.1.2 Имитация импульса угрозы
  • 5 Безопасность
  • 6 В популярной культуре
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Источники
  • 10 Внешние ссылки

Общие характеристики

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

  • типом энергии (излучаемая, электрическая, магнитная или проводимая).
  • диапазоном или спектром присутствующих частот.
  • импульсом форма волны: форма, длительность и амплитуда.

Последние два из них, частотный спектр и форма импульса, взаимосвязаны посредством преобразования Фурье и могут рассматриваться как два способа описания одного и того же импульса.

Типы энергии

Энергия ЭМИ может передаваться в любой из четырех форм:

Согласно Согласно уравнениям Максвелла импульс электрической энергии всегда будет сопровождаться импульсом магнитной энергии. В типичном импульсе будет преобладать либо электрическая, либо магнитная форма.

Как правило, излучение действует только на больших расстояниях, а магнитные и электрические поля действуют на небольших расстояниях. Есть несколько исключений, таких как солнечная магнитная вспышка.

Диапазоны частот

Импульс электромагнитной энергии обычно включает множество частот от очень низкого до некоторого верхнего предела в зависимости от источника. Диапазон, определяемый как ЭМИ, иногда называемый «постоянным током до дневного света», исключает самые высокие частоты, включая 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 электрического тока, протекающего через воздух, и не являются частью самого ЭМИ.

Форма импульса

Форма волны импульса описывает, как его мгновенная амплитуда (напряженность поля или ток) изменяется во времени. Реальные импульсы, как правило, довольно сложны, поэтому часто используются упрощенные модели. Такая модель обычно описывается либо в виде диаграммы, либо в виде математического уравнения.

" ". Прямоугольный импульс" ". Двойной экспоненциальный импульс" ". Синусоидальный импульс с затуханием

Большинство электромагнитных импульсов имеют очень резкий передний фронт, быстро нарастающий до максимального уровня. Классическая модель представляет собой двухэкспоненциальную кривую, которая круто поднимается, быстро достигает пика и затем медленнее спадает. Однако импульсы от контролируемой коммутационной схемы часто имеют форму прямоугольного или «квадратного» импульса.

События ЭМИ обычно вызывают соответствующий сигнал в окружающей среде или материале. Связь обычно наиболее сильна в относительно узкой полосе частот, приводя к характерной затухающей синусоидальной волне. Визуально это показано как высокочастотная синусоида, растущая и затухающая в пределах 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 оборудование ЭМИ часто вводит эти затухающие синусоидальные волны напрямую, а не пытается воссоздать опасные импульсы высокой энергии.

В последовательности импульсов, например, из схемы цифровых часов, форма волны повторяется через регулярные интервалы. Одного полного цикла импульсов достаточно, чтобы характеризовать такую ​​регулярную, повторяющуюся последовательность.

Типы

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

Различные типы ЭМИ возникают из-за природных, искусственных и оружейных эффектов.

Типы естественного ЭМИ-события включают:

  • Молния электромагнитный импульс (ЛЭМП). Разряд обычно представляет собой начальный большой поток тока, по крайней мере, в мегамперах, за которым следует серия импульсов с уменьшающейся энергией.
  • Электростатический разряд (ESD), возникающий в результате того, что два заряженных объекта находятся в непосредственной близости или даже контакт.
  • Метеоритный ЭМИ. Разряд электромагнитной энергии в результате столкновения метеороида с космическим кораблем или взрывного разрушения метеороида, проходящего через атмосферу Земли.
  • Корональный выброс массы (CME), иногда упоминаемый как солнечный ЭМИ. Всплеск плазмы и сопутствующего магнитного поля, выброшенный из солнечной короны и выпущенный в солнечный ветер.

Типы (гражданских) техногенных событий ЭМИ включают:

  • Переключающее действие электрическая схема, изолированная или повторяющаяся (в виде последовательности импульсов).
  • Электродвигатели могут создавать последовательность импульсов, поскольку внутренние электрические контакты замыкают и разрывают соединения при вращении якоря.
  • Бензиновый двигатель Системы зажигания могут создавать серию импульсов при включении или зажигании свечей зажигания.
  • Постоянное переключение цифровых электронных схем.
  • Скачки в линии питания. Они могут достигать нескольких киловольт, достаточных для повреждения недостаточно защищенного электронного оборудования.

Типы военных ЭМИ включают:

  • Ядерный электромагнитный импульс (NEMP) в результате ядерного взрыва. Вариантом этого является высотный ядерный ЭМИ (HEMP), который производит вторичный импульс из-за взаимодействия частиц с земной атмосферой и магнитным полем.
  • Неядерный электромагнитный импульс (NNEMP)

Молния

Молния необычна тем, что обычно имеет предварительный «ведущий» разряд низкоэнергетического наращивания до основного импульса, который, в свою очередь, может сопровождаться с интервалами несколькими более мелкими вспышками.

Электростатический разряд (ESD)

События ESD характеризуются высоким напряжением в несколько кВ, но небольшими токами и иногда вызывают видимые искры. Электростатический разряд рассматривается как небольшое локализованное явление, хотя технически вспышка молнии - это очень крупное явление электростатического разряда. Электростатический разряд также может быть искусственным, как при ударе, полученном от генератора Ван де Граафа.

, электростатический разряд может повредить электронные схемы, подав импульс высокого напряжения, а также причинить людям неприятный электрошок. Такое событие ESD может также вызвать искры, которые, в свою очередь, могут вызвать возгорание или взрывы паров топлива. По этой причине, перед дозаправкой самолета или попаданием паров топлива в воздух, топливная форсунка сначала подсоединяется к летательному аппарату для безопасного сброса статического электричества.

Импульсы переключения

Переключающее действие электрической цепи вызывает резкое изменение потока электричества. Это резкое изменение - форма 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 «помехи». 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 бывает необходимо включить конструктивные особенности, чтобы ограничить такие эффекты.

Электронные устройства, такие как вакуумные лампы или клапаны, транзисторы и диоды, также могут очень быстро включаться и выключаться, вызывая аналогичные проблемы. Одноразовые импульсы могут быть вызваны полупроводниковыми переключателями и другими устройствами, которые используются только иногда. Однако многие миллионы транзисторов в современном компьютере могут многократно переключаться на частотах выше 1 ГГц, вызывая помехи, которые кажутся непрерывными.

Ядерный электромагнитный импульс (NEMP)

Ядерный электромагнитный импульс - это резкий импульс электромагнитного излучения, возникающий в результате ядерного взрыва. Результирующие быстро меняющиеся электрические поля и магнитные поля могут взаимодействовать с электрическими / электронными системами, создавая повреждающий ток и скачки напряжения.

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

Оружие NEMP разработано, чтобы максимизировать такие эффекты ЭМИ, как основной механизм повреждения, и некоторые из них способны уничтожать чувствительное электронное оборудование на большой территории.

Высотное электромагнитное импульсное оружие (HEMP) - это боеголовка NEMP, предназначенная для взрыва далеко над поверхностью Земли. Взрыв выпускает в среднюю стратосферу взрыв гамма-излучения, который ионизируется в качестве вторичного эффекта, и возникающие в результате энергичные свободные электроны взаимодействуют с магнитным полем Земли, создавая гораздо более сильный ЭМИ, чем обычно производится в более плотный воздух на меньших высотах.

Неядерный электромагнитный импульс (NNEMP)

Неядерный электромагнитный импульс (NNEMP) - это генерируемый оружием электромагнитный импульс без использования ядерных технологий. Устройства, которые могут достичь этой цели, включают в себя большую батарею конденсаторов с большой низкой индуктивностью, разряженную в одноконтурную антенну, микроволновый генератор и генератор сжатия потока со взрывной накачкой. Чтобы получить частотные характеристики импульса, необходимые для оптимального взаимодействия с целью, между источником импульса и антенной добавляются схемы формирования волны или микроволновые генераторы.. Виркаторы представляют собой вакуумные лампы, которые особенно подходят для микроволнового преобразования импульсов высокой энергии.

Генераторы NNEMP можно нести в качестве полезной нагрузки бомб, крылатых ракет (например, как ракета CHAMP ) и дроны, с уменьшенными механическими, тепловыми и ионизирующими радиационными эффектами, но без последствий развертывания ядерного оружия.

Дальность поражения NNEMP намного меньше, чем у ядерного EMP. Почти все устройства NNEMP, используемые в качестве оружия, требуют в качестве начального источника энергии химических взрывчатых веществ, производящих лишь 10 (одну миллионную) энергии ядерных взрывчатых веществ аналогичного веса. Электромагнитный импульс от оружия NNEMP должен исходить изнутри оружия, в то время как ядерное оружие генерирует ЭМИ как вторичный эффект. Эти факты ограничивают дальность действия оружия NNEMP, но позволяют более точно различать цель. Эффект небольших электронных бомб оказался достаточным для определенных террористических или военных операций. Примеры таких операций включают в себя разрушение электронных систем управления, критически важных для работы многих наземных транспортных средств и самолетов.

Концепция генератора сжатия потока со взрывной накачкой для генерации неядерного электромагнитного импульса была задумана еще в 1951 г., автор Андрей Сахаров в Советском Союзе, но страны продолжали засекречивать работу над неядерным ЭМИ, пока аналогичные идеи не появились в других странах.

Электромагнитное формование

Большие силы, генерируемые электромагнитными импульсами, могут использоваться для придания формы или формования объектам в рамках их производственного процесса.

Эффекты

Незначительные события ЭМИ, особенно последовательности импульсов, вызывают низкий уровень электрических помех или помех, которые могут повлиять на работу чувствительных устройств. Например, распространенной проблемой в середине двадцатого века были помехи, исходящие от систем зажигания бензиновых двигателей, которые вызывали треск радиоприемников, а на телевизорах - полосы на экране. Были приняты законы, обязывающие производителей автомобилей устанавливать глушители помех.

На 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 для их предотвращения.

Большой и мощный ЭМИ может вызвать высокие токи и напряжения в блоке пострадавшего, временно нарушив его работу или даже навсегда повредив Это.

Мощный ЭМИ может также напрямую воздействовать на магнитные материалы и повредить данные, хранящиеся на таких носителях, как магнитная лента и компьютерные жесткие диски. Жесткие диски обычно закрываются корпусами из тяжелого металла. Некоторые утилизация ИТ-активов поставщики услуг и переработчики компьютеров используют управляемый ЭМИ для очистки таких магнитных носителей.

Очень большое событие ЭМИ, такое как удар молнии, также может повредить такие объекты, как деревья, здания и самолеты напрямую, либо за счет теплового воздействия, либо под действием очень сильного магнитного поля, создаваемого током. Косвенным воздействием может быть электрический пожар, вызванный нагревом. Для большинства инженерных сооружений и систем требуется некоторая форма защиты от молнии.

Повреждающее воздействие высокоэнергетического ЭМИ привело к появлению ЭМИ-оружия, от тактических ракет с малым радиусом поражения до ядерные бомбы, рассчитанные на максимальный эффект ЭМИ на большой площади.

Control

Имитатор ЭМИ HAGII-C испытывает самолет Boeing E-4. EMPRESS I (антенны вдоль береговой линии) с USS Estocin (FFG-15) пришвартован на переднем плане для тестирования.

Как и любые электромагнитные помехи, угроза от ЭМИ подлежит контролю. Это верно независимо от того, является ли угроза естественной или искусственной.

Следовательно, большинство мер контроля сосредоточено на восприимчивости оборудования к воздействию ЭМИ, а также на укреплении или защите его от повреждений. Искусственные источники, кроме оружия, также подлежат мерам контроля с целью ограничения количества излучаемой энергии импульса.

Дисциплина по обеспечению правильной работы оборудования в присутствии ЭМИ и других радиочастотных угроз известна как электромагнитная совместимость (ЭМС).

Тестовое моделирование

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

Моделирование индуцированных импульсов

Индуцированные импульсы имеют гораздо меньшую энергию, чем импульсы угрозы, и поэтому их более практично создавать, но они менее предсказуемы. Распространенным методом тестирования является использование токовых клещей в обратном направлении, чтобы ввести диапазон затухающих синусоидальных сигналов в кабель, подключенный к тестируемому оборудованию. Генератор затухающих синусоидальных волн способен воспроизводить ряд вероятных наведенных сигналов.

Имитация импульса угрозы

Иногда сам импульс угрозы воспроизводится повторяющимся образом. Импульс может воспроизводиться с низкой энергией, чтобы охарактеризовать реакцию жертвы до введения затухающей синусоиды, или с высокой энергией, чтобы воссоздать реальные условия угрозы.

Маломасштабный имитатор электростатического разряда может быть переносным.

Стендовые тренажеры или тренажеры размером с комнату бывают разных конструкций в зависимости от типа и уровня создаваемой угрозы.

В нескольких странах были построены крупные испытательные стенды на открытом воздухе, включающие тренажеры ЭМИ высокой энергии, что является самым лучшим показателем. Крупнейшие предприятия могут тестировать целые транспортные средства, включая корабли и самолеты, на их чувствительность к ЭМИ. Почти все эти большие тренажеры ЭМИ использовали специализированную версию генератора Маркса.

Примеры включают огромный симулятор ATLAS-I с деревянной структурой (также известный как TRESTLE) в Sandia National Labs, Нью-Мексико, который когда-то был крупнейшим в мире симулятором ЭМИ. Документы по этому и другим крупным симуляторам ЭМИ, использовавшимся Соединенными Штатами во второй половине холодной войны, вместе с более общей информацией об электромагнитных импульсах, в настоящее время хранятся в Фонде SUMMA. в Университете Нью-Мексико. Военно-морской флот США также имеет большой объект, называемый имитатором окружающей среды электромагнитного импульсного излучения для кораблей I (EMPRESS I).

Безопасность

ЭМИ-сигналы высокого уровня могут представлять угрозу безопасности человека. В таких обстоятельствах следует избегать прямого контакта с проводом под напряжением. В таких случаях, например, при прикосновении к генератору Ван де Графа или другому сильно заряженному объекту, необходимо высвободить объект, а затем разрядить тело с большим сопротивлением, чтобы избежать риска. вредного шокового импульса при отступлении.

Очень высокая напряженность электрического поля может вызвать пробой в воздухе и потенциально смертельный ток дуги, подобный протеканию молнии, но напряженность электрического поля до 200 кВ / м считается безопасной.

В массовой культуре

Популярные СМИ часто неправильно изображают эффекты ЭМИ, вызывая недопонимание среди общественности и даже профессионалов. В США были предприняты официальные попытки опровергнуть эти заблуждения.

См. Также

Ссылки

Источники

  • Glasstone, Samuel ; Долан, Филип Дж. (1977). Действие ядерного оружия. Министерство обороны США и Управление энергетических исследований и разработок. CS1 maint: ref = harv (ссылка )
  • Владимир Гуревич (2019). Защита электрического оборудования: передовые методы предотвращения воздействия электромагнитных импульсов на большой высоте. Berlin: De Gruyter.

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:30:16
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте