ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬС ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА

Статья в ЗВО №8 1989г:
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬС ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА И ЗАЩИТА ОТ НЕГО РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Полковник Д. ФИГУРОВСКИЙ, кандидат технических наук.
Н Е СМОТРЯ на признание военно-политическим руководством США и НАТО невозможности победы в ядерной войне, различные аспекты поражающего действия ядерного оружия продолжают широко обсуждаться в зарубежной прессе. Так, в одном из рассматриваемых иностранными специалистами сценариев начального периода ядерной войны особое место отводится потенциальной возможности вывода из строя радиоэлектронной техники в результате воздействия на нее электромагнитного импульса (ЭМИ) ядерного взрыва. Считается, что подрыв на высоте около 400 км только одного боеприпаса мощностью более 10 Мт приведет к такому нарушению функционирования радиоэлектронных средств в обширном районе, при котором время их восстановления превысит допустимые сроки для принятия ответных мер.
По расчетам американских военных экспертов, оптимальной точкой подрыва ядерного боеприпаса для поражения ЭМИ радиоэлектронных средств почти на всей территории США была бы точка в космическом пространстве с эпицентром е районе географического центра страны, находящегося в штате Небраска (рис. 1). Полагают, что даже при оснащении линий связи и электропитания, а также наземной и бортовой радиоэлектронной аппаратуры известными в настоящее время средствами защиты от ЭМИ его эффективность может оказаться столь высокой, что поставит под угрозу способность стратегических сил нанести ответный удар. Это обстоятельство объясняется тем, что при существующем уровне знаний данного поражающего фактора невозможно абсолютно точно определить степень и вероятностные характеристики вызываемых им нарушений. Теоретические исследования и результаты физических экспериментов показывают, что ЭМИ ядерного взрыва может привести не только к выходу из строя полупроводниковых электронных устройств военной техники, но и к разрушению металлических проводников кабелей наземных сооружений. Кроме того, возможно поражение аппаратуры ИСЗ, находящихся на низких орбитах. Для генерации ЭМИ ядерный боеприпас может подрываться в космическом пространстве, что не приводит к возникновению ударной волны и выпадению радиоактивных осадков. Поэтому в зарубежной прессе высказываются спекулятивные мнения о «неядерном характере» такого боевого применения ядерного оружия и о том, что удар с использованием ЭМИ не обязательно приведет к всеобщей ядерной войне. Опасность этих заявлений тем более очевидна, что одновременно некоторые зарубежные специалисты не исключают возможность массового поражения с помощью ЭМИ и живой силы. Во всяком случае, вполне очевидно, что наводимые под воздействием ЭМИ в металлических элементах техники токи и напряжения будут смертельно опасными для личного состава.
Для того чтобы понять всю сложность проблем угрозы ЭМИ и мер по защите от нее, необходимо кратко описать историю изучения этого физического явления и современное состояние знаний в этой области. То, что ядерный взрыв будет обязательно сопровождаться электромагнитным излучением, было ясно физикам-теоретикам еще до первого испытания ядерного устройства в 1945 году. Во время проводившихся в конце 50-х — начале 60-х годов ядерных
взрывов в атмосфере и космическом пространстве наличие ЭМИ было зафиксировано экспериментально. Однако количественные характеристики импульса измерялись в недостаточной степени, во-первых, потому что отсутствовала контрольно-измерительная аппаратура, способная регистрировать чрезвычайно мощные электромагнитные излучения, существующие чрезвычайно короткое время (миллионные доли секунды), во-вторых, потому что в те годы в радиоэлектронной аппаратуре использовались исключительно электровакуумные приборы, которые мало подвержены воздействию ЭМИ, что снижало интерес к его изучению. Создание полупроводниковых приборов, а затем и интегральных схем, особенно устройств цифровой техники на их основе, и широкое внедрение этих средств в радиоэлектронную военную аппаратуру заставили иностранных специалистов по-новому оценить угрозу ЭМИ. С 1970 года вопросы защиты оружия и военной техники от ЭМИ стали рассматриваться министерством обороны США как имеющие высшую приоритетность. Это явилось следствием теоретических открытий, сделанных в начале 60-х годов в области взаимодействия факторов ядерного взрыва с атмосферой, приводящего к резкому усилению электромагнитного излучения. Как следует из материалов зарубежной прессы, механизм генерации ЭМИ заключается в следующем (рис. 2). При ядерном взрыве возникают гамма- и рентгеновское излучения и образуется поток нейтронов. Гамма-излучение, взаимодействуя с молекулами атмосферных газов, выбивает из них так называемые комптоновские электроны. Если взрыв осуществляется на высоте более 20—40 км (в зависимости от географической широты), то эти электроны захватываются магнитным полем Земли и, вращаясь относительно силовых линий этого поля, создают токи, генерирующие ЭМИ.
При этом поле ЭМИ когерентно суммируется по направлению к земной поверхности, то есть магнитное поле Земли выполняет роль, подобную фазированной антенной решетке. В результате этого резко увеличивается напряженность поля, а следовательно, и амплитуда ЭМИ в районах южнее и севернее эпицентра взрыва (см. рис. 1). Продолжительность данного процесса с момента взрыва от 1 — 3 до 100 нс.
На следующей стадии, длящейся примерно от 1 мкс до 1 с, ЭМИ создается комптоновскими электронами, выбитыми из молекул многократно отраженным гамма-излучением и за счет неупругого соударения этих электронов с потоком испускаемых при взрыве нейтронов. Интенсивность ЭМИ при этом оказывается примерно на три порядка ниже, чем на первой стадии.
На конечной стадии, занимающей период времени после взрыва от 1 с до нескольких минут, ЭМИ генерируется магнитогидродинамическим эффектом, порождаемым возмущениями магнитного поля Земли токопроводящим огненным шаром взрыва. Интенсивность ЭМИ на этой стадии весьма мала и составляет несколько десятков вольт на километр.
Считается, что наибольшую опасность для радиоэлектронных средств представляет первая стадия генерирования ЭМИ, на которой в соответствии с законом электромагнитной индукции из-за чрезвычайно быстрого нарастания амплитуды импульса (максимум достигается на 3—5 нс после взрыва) наведенное напряжение может достигать десятков киловольт на метр на уровне земной поверхности, плавно снижаясь по мере удаления от эпицентра взрыва.
Хотя на рис. 1 приведены значения амплитуды ЭМИ только в пределах географического горизонта, соответствующего высоте взрыва 300 км, действие импульса за счет явления рефракции может распространяться далеко за его границы. Однако это явление носит нерегулярный характер и поэтому не может быть учтено достаточно точно.
Амплитуда напряжения, наводимого ЭМИ в проводниках, пропорциональна длине проводника, находящегося в его поле, и зависит от его ориентации
относительно вектора напряженности электрического поля. В зарубежной прессе в связи с этим приведен следующий пример: напряженность электрического поля ЭМИ в высоковольтных линиях электропередачи может достичь 50 кВ/м, что приведет к появлению в них токов силой до 12 тыс. ампер. ЭМИ генерируется и при других видах ядерных взрывов — воздушном и наземном. Теоретически установлено, что в этих случаях его интенсивность зависит от степени асимметричности пространственных параметров взрыва. Поэтому воздушный взрыв с точки зрения генерации ЭМИ наименее эффективен. ЭМИ наземного взрыва будет иметь высокую интенсивность, однако она быстро уменьшается по мере удаления от эпицентра.

Рис. 1. Зоны действия ЭМИ при ядерном взрыве на высоте 300 км с эпицентром в географическом центре континентальной части США: 1 — интенсивность поля, равная 0,5 максимальной величины; 2 — максимальная интенсивность поля; 3 — интенсивность поля, равная 0,75 максимальной величины; 4 — интенсивность поля, равная 0,5 максимальной величины; 5 — эпицентр взрыва; 6 — географический центр страны; 7 — район максимальной интенсивности поля; 8 — линия горизонта с высоты взрыва

В иностранной печати подчеркивается, что отсутствие экспериментальных данных сильно затрудняет расчет поражающих факторов ЭМИ и определение мер по защите от него. В значительной степени этому будет способствовать математическое моделирование процессов генерации ЭМИ на ЭВМ. На рис. 3 представлен результат такого моделирования в виде трехмерного изображения ядерного взрыва в космическом пространстве. Путем такого моделирования, а также на основании теоретических расчетов зарубежные специалисты установили, что величина напряженности наводимой ЭМИ (50 кВ/м), может считаться максимально возможной. Это обстоятельство стало одним из критериев при проектировании средств защиты от ЭМИ. Другими критериями являются длительность переднего фронта ЭМИ (3—5 нс) и полная его длительность (примерно 1 мкс), вследствие чего время переходных процессов в средствах защиты от ЭМИ не должно превышать нескольких наносекунд, а их прочность на пробой должна быть такой, чтобы выдерживать напряжение в десятки киловольт в течение нескольких микросекунд. С учетом этих критериев в США был разработан военный стандарт MILSTD-2169, который представляет собой номограммы для расчета уровней ЭМИ в зависимости от высоты взрыва, его мощности и дальности защищаемого объекта от эпицентра взрыва. Для практического использования стандарта необходимо знать устойчивость различных приборов, устройств и схем к воздействию ЭМИ определенной интенсивности, а также эффективность средств защиты. Поскольку сбор таких данных при проведении подземных ядерных испытаний технически весьма сложен и дорогостоящ, то решение проблемы набора экспериментальных данных достигается методами и средствами физического моделирования.
Среди капиталистических стран передовые позиции в разработке и практическом использовании имитаторов ЭМИ ядерного взрыва занимают США.
Подобные имитаторы представляют собой электрогенераторы со специальными излучателями, создающими электромагнитное поле с параметрами, близкими к тем, которые характерны для реального ЭМИ. В зону действия излучателя помещаются испытываемый объект и приборы, регистрирующие интенсивность поля, его частотный спектр и длительность воздействия.
Один из таких имитаторов, развернутый на авиабазе ВВС США Киртленд (штат Нью-Мексико), показан на рис. 4. Предназначенный для моделирования условии воздействия ЭМИ на самолет и его аппаратуру в полете, он может использоваться для испытаний таких крупных летательных аппаратов, как
бомбардировщик В-52 или гражданский авиалайнер Боинг 747.
В настоящее время создано и действует большое количество имитаторов ЭМИ для испытаний авиационной, космической, корабельной и наземной военной техники. Однако считается, что все они не в полной мере воссоздают реальные условия воздействия ЭМИ ядерного взрыва вследствие ограничений, накладываемых характеристиками излучателей, генераторов и источников электропитания на частотный спектр излучения, его мощность и скорость нарастания импульса. Вместе с тем в зарубежной прессе отмечается, что и при этих ограничениях удается получить достаточно полные и надежные данные о появлении неисправностей в полупроводниковых приборах, сбоя в их функционировании и т. п., а также об эффективности действия различных защитных устройств. Кроме того, такие испытания позволили дать количественную оценку опасности различных путей воздействия ЭМИ на радиоэлектронную технику.
Теория электромагнитного поля показывает, что такими путями для наземной техники являются прежде всего различные антенные устройства и кабельные вводы системы электропитания, а для авиационной и космической техники — антенны, а также токи, наводимые в обшивке, и излучения, проникающие через остекление кабин и лючки из не токопроводящих материалов. Теоретически рассчитано и экспериментально подтверждено, что токи, наводимые ЭМИ в наземных и заглубленных кабелях электропитания протяженностью в сотни и тысячи километров, могут достигать тысяч ампер, а напряжения, возникающие в разомкнутых цепях таких кабелей, — миллионов вольт. В антенных вводах, длина которых не превышает десятков метров, наводимые ЭМИ токи могут иметь силу в несколько сотен ампер. ЭМИ, проникающий непосредственно через элементы сооружений из диэлектрических материалов (не экранированные стены, окна, двери и т.п.), может наводить во внутренней электропроводке токи силой в десятки ампер. Токи, наводимые в обшивке самолета и выпускаемой антенне сверхдлинноволновой связи, могут составлять до 1000А, что приводит к возникновению токов во внутренней бортовой сети силой 1 — 10 А. Поскольку слаботочные цепи и радиоэлектронные приборы нормально действуют при напряжениях в несколько вольт и токах силой до нескольких десятков миллиампер, то в иностранной прессе утверждается, что для их абсолютно надежной защиты от ЭМИ требуется обеспечить снижение величины токов и напряжений, наводимых в кабелях электропитания, до шести порядков. Идеальной защитой от ЭМИ явилось бы полное укрытие помещения или кожуха, в котором размещается радиоэлектронная аппаратура, металлическим экраном. Вместе с тем ясно, что практически обеспечить такую защиту в ряде случаев невозможно, так как для работы аппаратуры часто требуется обеспечить ее электрическую связь с внешними устройствами.
Поэтому используются менее надежные средства защиты, такие, как токопроводящие сетки или пленочные покрытия для окон, сотовые металлические конструкции для воздухозаборников и вентиляционных отверстий и контактные пружинные прокладки, размещаемые по периметру дверей и люков.
Более сложной технической проблемой считается защита от проникновения ЭМИ в аппаратуру через различные кабельные вводы. По взглядам зарубежных специалистов, радикальным решением данной проблемы мог бы стать переход от электрических сетей связи к практически не подверженным воздействию ЭМИ волоконно-оптическим. Однако замена полупроводниковых приборов во всем спектре выполняемых ими функций электронно-оптическими устройствами
возможна только в отдаленном будущем. Поэтому в настоящее время в качестве средств защиты кабельных вводов наиболее широко используются фильтры, в том числе волноводные, а также искровые разрядники, металлоокисные варисторы и высокоскоростные зенеровские диоды. Все эти средства имеют как преимущества, так и недостатки. Так, емкостно-индуктивные фильтры считаются достаточно эффективной защитой от ЭМИ малой интенсивности, а волноводные фильтры защищают в относительно узком диапазоне сверхвысоких частот. Искровые разрядники обладают значительной инерционностью и в основном пригодны для защиты от перегрузок, возникающих под воздействием напряжений и токов, наводимых в обшивке самолета, кожухе аппаратуры и оплетке кабеля.
Сравнительно недавно были созданы металлоокисные варисторы, представляющие собой полупроводниковые приборы, резко повышающие свою проводимость при высоком напряжении. Однако полагают, что при применении таких приборов в качестве средства защиты от ЭМИ следует учитывать их недостаточно высокое быстродействие и ухудшение характеристик при неоднократном воздействии нагрузок. Эти недостатки отсутствуют у высокоскоростных зенеровских диодов, действие которых основано на резком лавинообразном изменении сопротивления от относительно высокого значения практически до нуля (режим короткого замыкания) при превышении приложенного к ним напряжения определенной пороговой величины. Скорость такого процесса в современных зенеровских диодах составляет около 10E-9с, а теоретический предел может достигать даже 10E-12с. Кроме того, в отличие от варисторов характеристики зенеровского диода после многократных воздействий высоких напряжений и переключений режимов не ухудшаются. Как отмечает зарубежная печать, наиболее рациональным подходом к проектированию средств защиты от ЭМИ кабельных вводов является создание таких разъемов, в конструкции которых предусмотрены специальные меры, обеспечивающие формирование элементов фильтров и установку встроенных зенеровских диодов. Подобный разъем был создан фирмой «Интернэшнл телефон энд телеграф корпорейшн» для УР «Феникс» класса «воздух—воздух» (рис.5). На разрезе разъема хорошо видны крепление зенеровского диода непосредственно на токопроводящем контакте и конструктивные элементы разъема, формирующие частотный фильтр (каждый контакт проходит внутри ферритового кольца, выполняющего роль катушки индуктивности, с обеих сторон которого размещены «вафельные» конденсаторы емкостей фильтра). Такая конструкция способствует получению очень малых значений емкости и индуктивности, что необходимо для обеспечения защиты от импульсов, которые имеют незначительную длительность и, следовательно, мощную высокочастотную составляющую.
Полагают, что использование разъемов подобной конструкции позволит решить проблему ограничения массогабаритных характеристик устройства защиты. Насколько важно это обстоятельство, можно судить по следующему примеру, приведенному в западной печати. При применении обычных радиодеталей для создания устройства защиты четырех стандартных разъемов, каждый из которых имеет по 128 контактов (что считается типичным для современных средств вычислительной техники), потребовалась бы схема в составе 1024 конденсаторов, 512 катушек индуктивности и 512 диодов.
Приводится также пример практического использования новых разъемов авиационной радиоэлектронной аппаратуре. Промышленной фирмой было предложено модифицировать армейский вертолет для ВМС. В процессе испытаний выявилась невозможность осуществления его поездки на авианосец вследствие вывода в этой ситуации из строя бортовой аппаратуры мощными излучениями радиоэлектронных средств корабля. После замены в вертолетной аппаратуре ряда разъемов новыми, снабженными устройствами защиты от ЭМИ, проблема оказалась в значительной степени решенной.
Сложность решения задачи защиты от ЭМИ и высокая стоимость разработанных для этой цели средств и методов заставили американское командование пойти на первых порах по пути их выборочного применения в особо важных системах оружия и военной техники. Первыми целенаправленными работами в данном на правлении были программы защиты от ЭМИ ракетных систем «Минитмен», «Посейдон» и «Поларис».
По заявлению американских экспертов, эти системы имеют практически абсолютную защиту. В нестратегических системах оружия проблема решается
путем обеспечения надежной защиты, наиболее важных для их функционирования или подверженных воздействию ЭМИ устройств и элементов.
Такой же путь избран и для защиты имеющих большую протяженность систем управления и связи. Однако основным методом решения данной проблемы зарубежные специалисты считают создание так называемых распределенных сетей связи (типа «Гвен»), первые элементы которых уже развернуты на континентальной части США.
Современное состояние проблемы ЭМИ оценивается западной прессой следующим обрезом. Достаточно хорошо исследованы теоретически и подтверждены экспериментально механизмы генерации ЭМИ и параметры его поражающего действия. Разработаны стандарты защищенности аппаратуры и известны эффективные средства защиты. Однако для достижения достаточной уверенности в надежности защиты систем и средств от ЭМИ необходимо провести испытания с помощью имитатора. В частности, их уже проходят самолеты, ракеты, ИСЗ, отдельные средства корабельной техники, аппаратура систем связи и управления. Полагают, что возможности по испытаниям корабельной техники будут значительно расширены после завершения строительства специально размещенного на опытовом судне имитатора «Импресс-2». Что касается полномасштабных испытаний систем связи и управления, то эта задача, по оценкам зарубежных специалистов, вряд ли будет решена в обозримом будущем.
Согласно сообщениям иностранной печати, мощный ЭМИ можно создать не только в результате ядерного взрыва. В настоящее время в некоторых западных странах ведутся работы по генерации импульсов электромагнитного излучения магнитогидродинамическими устройствами, а также высоковольтными разрядами. Поэтому вопросы защищенности радиоэлектронной аппаратуры от воздействия ЭМИ будут оставаться в центре внимания научно-технических специалистов стран НАТО при любом исходе переговоров о ядерном разоружении.

Поскольку тема "Поражающее действие факторов ЯВ на электронику" почему-то закрыта -разместил статью для общего развития народа отдельно.

9 июля 1962 по программе «Starfish» США взорвали в космосе над Тихим океаном водородную бомбу с тротиловым эквивалентом 1.4 Мт. Это событие поставило перед научной общественностью очень много вопросов. Перед этим в 1957 г. будущий Нобелевский лауреат доктор Ханс Альбрехт Бете (Hans A. Bethe), основываясь на теории дипольного излучения, предсказал, что при подобном взрыве будет наблюдаться электромагнитный импульс (ЭМИ), при этом напряженность поля на поверхности земли составит не более 100 В/м. Но при взрыве бомбы произошло неожиданное. Напряженность электрических полей, начиная от места расположенного под эпицентром взрыва, и далее на протяжении более 1000 км достигла нескольких десятков тысяч вольт на метр.

Склеил два топика практически с одним и тем же названием. Мателот, я чего-то не вполне понял - а зачем было тащить эту "альтернативщину", без серьёзных ссылок? Цель какая? Вопрос в чём?