Электромагнитный импульс - Electromagnetic pulse

Эта статья о явлении в целом. Для ядерного оружия ЭМИ см. Ядерный электромагнитный импульс.

An электромагнитный импульс (EMP), также иногда называемое переходным электромагнитным возмущением, представляет собой короткий всплеск электромагнитный энергия. Такой импульс может быть естественным или искусственным и может возникать как излученный, электрический, или же магнитное поле или проведенный электрический ток, 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 - важное направление электромагнитная совместимость (EMC) инженерия.

Оружие было разработано для нанесения поражающего действия высокоэнергетическим ЭМИ.

Общие характеристики

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

  • Тип энергии (излучаемая, электрическая, магнитная или проводимая).
  • Диапазон или спектр присутствующих частот.
  • Форма импульса: форма, длительность и амплитуда.

Последние два из них, частотный спектр и форма импульса, взаимосвязаны через преобразование Фурье и может рассматриваться как два способа описания одного и того же импульса.

Виды энергии

Основная статья: Электромагнетизм

Энергия ЭМИ может быть передана в любой из четырех форм:

В соответствии с Уравнения 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 магнитное и электрическое поля действуют на небольших расстояниях. Есть несколько исключений, например солнечная магнитная вспышка.

Частотные диапазоны

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.

Формы импульсов

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

" "
Прямоугольный импульс		" "
Двойной экспоненциальный импульс		" "
Затухающий синусоидальный импульс

Большинство электромагнитных импульсов имеют очень острый передний фронт и быстро достигают 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, что приводит к характеристике затухающая синусоида. 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 серию.

Типы

ЭМИ возникает там, где источник излучает короткий импульс энергии. Энергия обычно широкополосная по своей природе, хотя часто возбуждает относительно узкополосную затухающая синусоида реакция в окружающей среде. Некоторые типы генерируются как повторяющиеся и регулярные пульс поезда.

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

Типы естественного события ЭМИ включают:

  • Молния электромагнитный импульс (ЛЭМП). Разряд обычно представляет собой начальный поток огромного тока, по крайней мере, в мегамперах, за которым следует серия импульсов с уменьшающейся энергией.
  • Электростатический разряд (ESD) в результате того, что два заряженных объекта находятся в непосредственной близости или даже соприкасаются.
  • Метеорный ЭМИ. Разряд электромагнитной энергии в результате удара метеороид с космическим кораблем или взрывным разрушением метеороида, проходящего через атмосферу Земли.[1][2]
  • Выброс корональной массы (CME), иногда называемый солнечным ЭМИ. Взрыв плазма и сопутствующее магнитное поле, выброшенное из солнечной короны и выпущенное в Солнечный ветер.[3]

Типы (гражданских) антропогенных событий ЭМИ включают:

  • Коммутационное действие электрической схемы, изолированное или повторяющееся (в виде последовательности импульсов).
  • Электродвигатели может создавать последовательность импульсов, когда внутренние электрические контакты замыкают и размыкают соединения при вращении якоря.
  • Системы зажигания бензиновых двигателей могут создавать серию импульсов, когда свечи зажигаются под напряжением или зажигаются.
  • Постоянные коммутационные действия цифровой электронной схемы.
  • Линия электропередачи скачки. Они могут достигать нескольких киловольт, что достаточно 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 Атмосфера Земли и магнитное поле.
  • Неядерное электромагнитное импульсное оружие (NNEMP).

Молния

Основная статья: Молния

Молния необычна тем, что обычно имеет предварительный «ведущий» разряд низкой энергии, наращиваемый до основного импульса, который, в свою очередь, может сопровождаться через определенные промежутки времени несколькими более мелкими всплесками.[4][5]

Электростатический разряд (ESD)

Основная статья: Электростатический разряд

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 создан руками человека, так как при ударе от Генератор Ван де Граафа.

Электростатический разряд может повредить электронные схемы из-за подачи импульса высокого напряжения, а также вызвать у людей неприятный электрошок. Такое событие электростатического разряда 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

Коммутационное 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 «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 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.

Ядерно-электромагнитный импульс (NEMP)

Основная статья: Ядерный электромагнитный импульс

Ядерный электромагнитный импульс - это резкий импульс электромагнитного излучения, возникающий в результате ядерный взрыв. В результате быстро меняющиеся электрические поля и магнитные поля могут взаимодействовать с электрическими / электронными системами, создавая повреждающий ток и скачки напряжения.[6]

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

NEMP Оружие спроектировано так, чтобы максимизировать такие эффекты ЭМИ как основной механизм повреждения, а некоторые способны уничтожать уязвимое электронное оборудование на большой площади.

Высотное электромагнитное импульсное оружие (HEMP) - это боеголовка NEMP, предназначенная для взрыва далеко над поверхностью Земли. Взрыв выпускает гамма-излучение в серединустратосфера, 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 плотном воздухе на более низких 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 большой низкоиндуктивный конденсатор банк, разряженный в однокамерную антенну, СВЧ-генератор и генератор сжатия потока с взрывной накачкой. Для достижения частотных характеристик импульса необходимы оптимальные связь в цель, волна -образующие цепи или микроволновые генераторы добавляются между источником импульсов и антенна. Виркаторы представляют собой вакуумные лампы, которые особенно подходят для микроволнового преобразования импульсов высокой энергии.[7]

Генераторы NNEMP могут нести как полезную нагрузку бомб, крылатые ракеты (такой как ЧЕМПИОН ракета) и дроны, с уменьшенным воздействием механического, теплового и ионизирующего излучения, но без последствий развертывания ядерного оружия.

Дальность поражения NNEMP намного меньше, чем у ядерного EMP. Почти все устройства NNEMP, используемые в качестве оружия, требуют химического взрывчатого вещества в качестве исходного источника энергии, производя только 10−6 (одна миллионная) энергии ядерных взрывчатых веществ аналогичного веса.[8] Электромагнитный импульс от оружия NNEMP должен исходить изнутри оружия, в то время как ядерное оружие генерирует ЭМИ как вторичный эффект.[9] Эти факты ограничивают дальность действия оружия NNEMP, но позволяют более точно различать цели. Эффект небольших электронных бомб оказался достаточным для определенных террористических или военных операций.[нужна цитата ] Примеры таких операций включают разрушение электронных систем управления, критически важных для работы многих наземных транспортных средств и самолетов.[10][требуется дополнительная ссылка (и) ]

Идея генератора сжатия потока со взрывной накачкой для генерации неядерного электромагнитного импульса была задумана еще в 1951 г. Андрей Сахаров в Советском Союзе,[11] но страны продолжали засекречивать работу над неядерным ЭМИ, пока аналогичные идеи не появились в других странах.

Электромагнитное формование

Основная статья: Электромагнитное формование

Большие силы, создаваемые электромагнитными импульсами, могут быть использованы для придания формы объектам в процессе их изготовления.

Последствия

Незначительные события ЭМИ, особенно последовательности импульсов, вызывают низкий уровень электрического шума 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 для их предотвращения необходимо принимать меры предосторожности.[12]

Большой и энергичный ЭМИ может вызвать высокие токи и напряжения в блоке-жертве, временно нарушив его работу или даже необратимо повредив.

Мощный ЭМИ может также напрямую воздействовать на магнитные материалы и повредить данные, хранящиеся на таких носителях, как магнитная лента и компьютер жесткие диски. Жесткие диски обычно закрываются корпусами из тяжелого металла. Немного Распоряжение ИТ-активами поставщики услуг и переработчики компьютеров используют управляемый ЭМИ для очистки таких магнитных носителей.[13]

Очень сильное ЭМИ-событие, такое как удар молнии, также способно повредить такие объекты, как деревья, здания и самолеты, напрямую либо из-за тепловых эффектов, либо из-за разрушающего воздействия очень большого магнитного поля, создаваемого током. Косвенным воздействием может быть электрический пожар, вызванный нагревом. Для большинства инженерных конструкций и систем требуется определенная форма защиты от молнии.

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

Контроль

Основная статья: Электромагнитная совместимость
Имитатор ЭМИ HAGII-C тестирование Боинг Е-4 самолет.
ИМПЕРАТРИЦА I (антенны вдоль береговой линии) с USSEstocin (FFG-15) пришвартован на переднем плане для тестирования.

Как и любой электромагнитная интерференция, угроза от ЭМИ подлежит контролю. Это верно независимо от того, является ли угроза естественной или искусственной.

Таким образом, большинство мер контроля сосредоточено на чувствительности оборудования к воздействию ЭМИ, и закалка или защищая 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 симулятор ЭМИ.

Имитация индуцированного импульса

Индуцированные импульсы имеют гораздо меньшую энергию, чем импульсы угрозы, и поэтому их более практично создавать, но они менее предсказуемы. Распространенной методикой тестирования является использование токовые клещи наоборот, для подачи ряда 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 быть воспроизведен с низкой энергией, чтобы охарактеризовать реакцию жертвы до введения затухающей синусоиды, или с высокой энергией, чтобы воссоздать реальные условия угрозы.

Небольшой Симулятор электростатического разряда может быть портативным.

Имитаторы размером со скамейку или комнату могут иметь различную конструкцию в зависимости от типа и уровня создаваемой угрозы.

В нескольких странах были построены большие испытательные стенды на открытом воздухе, включающие тренажеры ЭМИ большой энергии.[14][15] 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 Генератор Маркса.[14][15]

Примеры включают огромные деревянные конструкции АТЛАС-I симулятор (также известный как TRESTLE) в Национальная лаборатория Сандии, Нью-Мексико, который когда-то был крупнейшим в мире симулятором ЭМИ.[16] Статьи по этому и другим крупным симуляторам ЭМИ, использовавшимся в США во второй половине Холодная война вместе с более общей информацией об электромагнитных импульсах сейчас находятся в ведении Фонда SUMMA, который находится в Университете Нью-Мексико.[17][18] Военно-морской флот США также имеет большой объект, называемый имитатором окружающей среды 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 проводом под напряжением. Где это происходит, например, при прикосновении к Генератор Ван де Граафа или другой сильно заряженный объект, следует позаботиться о том, чтобы освободить объект, а затем разрядить тело через высокое сопротивление, чтобы избежать риска опасного ударного импульса при отступлении.

Очень высокая напряженность электрического поля может вызвать пробой в воздухе и потенциально смертельный ток дуги, аналогичный протеканию молнии, но напряженность электрического поля до 200 кВ / м считается безопасной.[19]

В популярной культуре

Основная статья: Электромагнитный импульс в художественной литературе и массовой культуре

Популярные СМИ часто неправильно изображают эффекты ЭМИ, вызывая недопонимание среди общественности и даже профессионалов. В США были предприняты официальные усилия, чтобы опровергнуть эти заблуждения.[20][21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Close, S .; Colestock, P .; Cox, L .; Kelley, M .; Ли, Н. (2010). «Электромагнитные импульсы, возникающие при ударах метеороидов о космический корабль». Журнал геофизических исследований. 115 (A12): A12328. Bibcode:2010JGRA..11512328C. Дои:10.1029 / 2010JA015921.
  2. ^ Чендлер, Чарльз. «Метеоритные взрывы: общие принципы». QDL блог. Получено 30 декабря 2014.
  3. ^ "EMPACT America, Inc. - Solar EMP". 26 июля 2011. Архивировано с оригинал 26 июля 2011 г.. Получено 23 ноября 2015.
  4. ^ Howard, J .; Умань, М. А .; Biagi, C .; Hill, D .; Раков, В. А .; Джордан, Д. М. (2011). «Измеренные формы волны производной электрического поля ступеньки лидера молнии» (PDF). Журнал геофизических исследований. 116 (D8): D08201. Bibcode:2011JGRD..116.8201H. Дои:10.1029 / 2010JD015249.
  5. ^ «Базовый праймер по эффектам молнии и защите» (PDF). Weighting-systems.com. Архивировано из оригинал (PDF) 15 ноября 2015 г.. Получено 8 сентября 2015.
  6. ^ «Коммунальные предприятия Америки готовятся к ядерной угрозе энергосистеме». Экономист. Получено 21 сентября 2017.
  7. ^ Копп, Карло (Октябрь 1996 г.). «Электромагнитная бомба - оружие массового поражения электрическим током». USAF CADRE Air Chronicles. DTIC: ADA332511. Получено 12 января 2012.
  8. ^ Гласстоун и Долан 1977, Глава 1.
  9. ^ Гласстоун и Долан 1977, Глава 11, раздел 11.73.
  10. ^ Маркс, Пол (1 апреля 2009 г.). "Самолет может быть сбит самодельными электронными бомбами'". Новый ученый. С. 16–17.
  11. ^ Младший, Стивен; и другие. (1996). «Научное сотрудничество между Лос-Аламосом и Арзамасом-16 с использованием генераторов сжатия потока взрывных устройств» (PDF). Лос-Аламос Сайенс (24): 48–71. Получено 24 октября 2009.
  12. ^ «Основы электростатического разряда», Compliance Magazine, 1 мая 2015 г. Дата обращения 25 июня 2015 г.
  13. ^ «Удаление данных EMP». www.newtechrecycling.com. Newtech Recycling. Получено 12 июн 2018.
  14. ^ а б Баум, Карл Э. (май 2007 г.). «Воспоминания о мощном электромагнетизме» (PDF). IEEE Trans. Электромагнит. Compat. 49 (2): 211–8. Дои:10.1109 / temc.2007.897147.
  15. ^ а б Баум, Карл Э. (июнь 1992 г.). «От электромагнитного импульса к мощному электромагнетизму» (PDF). Труды IEEE. 80 (6): 789–817. Bibcode:1992IEEEP..80..789B. Дои:10.1109/5.149443.
  16. ^ Рувим, Чарльз. "Эстакада Атлас-I на базе ВВС Киртланд". Университет Нью-Мексико.
  17. ^ Сайт Фонда СУММА
  18. ^ «Фонд SUMMA - Карл Баум, факультет электротехники и вычислительной техники, Университет Нью-Мексико». Ece.unm.edu. 17 января 2013 г.. Получено 18 июн 2013.
  19. ^ «Защита персонала от электромагнитных полей», Инструкция Министерства обороны США № 6055.11 от 19 августа 2009 г.
  20. ^ Сообщите о Мета-Р-320: "Ранний (E1) высотный электромагнитный импульс (HEMP) и его влияние на энергосистему США "Январь 2010 года. Написано Metatech Corporation для Национальной лаборатории Ок-Ридж. Приложение: E1 HEMP Myths
  21. ^ Лауреаты премии Телли 2009 года (Manitou Motion Picture Company, Ltd.) [1] Видео космического командования США недоступно для широкой публики.

Источники

  • Гласстон, Сэмюэл; Долан, Филип Дж. (1977). Последствия ядерного оружия. Министерство обороны США и Управление энергетических исследований и разработок.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Гуревич, Владимир (2019). Защита электрического оборудования: передовые методы предотвращения воздействия электромагнитных импульсов на большой высоте. Берлин: Де Грюйтер.

внешняя ссылка