Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлен из импульса ЭМ )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о явлении в целом. Для ядерного оружия ЭМИ см. Ядерный электромагнитный импульс . Для пульсаций земной магнитосферы см. Магнитные пульсации .

Электромагнитный импульс ( ЭМИ ), также иногда называемый переходным электромагнитные помехи, короткий всплеск электромагнитной энергии. Источник такого импульса может быть естественным или искусственным и может возникать как излучаемое , электрическое или магнитное поле или проводимый электрический ток , в зависимости от источника.

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

Оружие было разработано для нанесения поражающего действия высокоэнергетическим ЭМИ.

Общие характеристики [ править ]

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 кондуктивная).
  • Диапазон или спектр присутствующих частот.
  • Форма импульса: 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 [ править ]

Основная статья: Электромагнетизм

Энергия ЭМИ может передаваться в любой из четырех форм:

Согласно уравнениям Максвелла , импульс электрической энергии всегда будет сопровождаться импульсом магнитной энергии. В типичном импульсе преобладает 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, например, солнечная магнитная вспышка .

Частотные диапазоны [ править ]

Импульс электромагнитной энергии обычно включает множество частот от очень низкого до некоторого верхнего предела в зависимости от источника. Диапазон, определяемый как ЭМИ, иногда называемый «от постоянного тока 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 [ править ]

Форма волны 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.

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

Большинство электромагнитных импульсов имеют очень острый 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, что приводит к характерной затухающей синусоидальной волне . Визуально это показано как растущая и затухающая высокочастотная синусоида 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 синусоиды напрямую, а не пытается воссоздать опасные импульсы высокой энергии.

В последовательности импульсов, например, из схемы цифровых часов, форма волны повторяется через равные промежутки времени. Одного полного цикла импульсов достаточно, чтобы охарактеризовать такую ​​регулярную повторяющуюся серию.

Типы [ править ]

ЭМИ возникает там, где источник излучает кратковременный импульс энергии. Энергия обычно широкополосная по своей природе, хотя она часто вызывает относительно узкополосный затухающий синусоидальный отклик в окружающей среде. Некоторые типы генерируются в повторяющихся и регулярных импульсов поездов .

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

Типы естественного события ЭМИ включают:

  • Электромагнитный импульс молнии (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) в результате близкого сближения или даже контакта двух заряженных объектов.
  • Метеорный ЭМИ. Разряд электромагнитной энергии в результате столкновения метеороида с космическим кораблем или взрывного разрушения метеороида, проходящего через атмосферу Земли. [1] [2]
  • Корональный выброс массы (CME), иногда называемый солнечным EMP. Вспышка плазмы и сопутствующего магнитного поля, выброшенная из солнечной короны и попавшая в солнечный ветер . [3]

Типы (гражданских) антропогенных событий ЭМИ включают:

  • Коммутационное действие электрической схемы, изолированное или повторяющееся (в виде последовательности импульсов).
  • Электродвигатели могут 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.
  • Скачки в ЛЭП . Они могут достигать нескольких киловольт, чего достаточно для повреждения недостаточно защищенного электронного оборудования.

Типы военных ЭМИ включают:

  • Ядерно-электромагнитный импульс (ЯЭМИ) в результате ядерного взрыва. Вариантом этого является высотный ядерный ЭМИ (HEMP), который производит вторичный импульс из-за взаимодействия частиц с атмосферой Земли и магнитным полем.
  • Неядерное электромагнитное импульсное оружие (NNEMP).

Молния [ править ]

Основная статья: Молния

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

Электростатический разряд (ESD) [ править ]

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, как, например, при ударе от генератора Ван де Граафа .

Событие электростатического разряда 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.

Переключение импульсов [ править ]

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 может рассматриваться как «шум» или «помеха». Выключение или «размыкание» цепи вызывает резкое изменение протекающего тока. Это, в свою очередь, может вызвать сильный импульс электрического поля на разомкнутых контактах, вызывая искрение и повреждение. Часто 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 время от времени. Однако многие миллионы транзисторов в современном компьютере могут многократно переключаться на частотах выше 1 ГГц, вызывая помехи, которые кажутся непрерывными.

Ядерный электромагнитный импульс (NEMP) [ править ]

Основная статья: Ядерный электромагнитный импульс

Ядерный электромагнитный импульс - это резкий импульс электромагнитного излучения, возникающий в результате ядерного взрыва . Результирующие быстро меняющиеся электрические и магнитные поля могут взаимодействовать с электрическими / электронными системами, создавая разрушительные скачки тока и напряжения . [6]

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 спроектировано так, чтобы максимизировать такие эффекты ЭМИ как основной механизм повреждения, и некоторые из них способны уничтожать уязвимое электронное оборудование на большой площади.

Высотное электромагнитное импульсное оружие (HEMP) представляет собой боеголовку NEMP, предназначенную для взрыва далеко над поверхностью Земли. Взрыв выпускает взрыв гамма-лучей в среднюю стратосферу , который ионизируется как вторичный эффект, 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 меньших высотах.

Неядерный электромагнитный импульс (NNEMP) [ править ]

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 низкой индуктивностью, разряженную в одноконтурную антенну, микроволновый генератор и генератор сжатия потока со взрывной накачкой . Для достижения частотных характеристик импульса , необходимого для оптимального сцепления в мишень, волновое -shaping схема или микроволновые генераторы добавляют между источником импульсов и антенным . Виркаторы - это вакуумные лампы, которые особенно подходят для микроволнового преобразования импульсов высокой энергии. [7]

Генераторы NNEMP можно нести в качестве полезной нагрузки бомб, крылатых ракет (таких как ракета CHAMP ) и беспилотных летательных аппаратов с уменьшенными механическими, тепловыми и ионизирующими эффектами излучения, но без последствий развертывания ядерного оружия.

Дальность действия оружия 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 только 10 -6 (одну миллионную) 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. [ необходима цитата ]Примеры таких операций включают разрушение электронных систем управления, критически важных для работы многих наземных транспортных средств и самолетов. [10] [ требуется дополнительное цитирование ]

Концепция генератора сжатия потока со взрывной накачкой для генерации неядерного электромагнитного импульса была задумана еще в 1951 году Андреем Сахаровым в Советском Союзе [11], но страны продолжали классифицировать работу над неядерным ЭМИ, пока аналогичные идеи не появились в других странах. наций.

Электромагнитное формование [ править ]

Основная статья: Электромагнитное формование

Большие силы, создаваемые электромагнитными импульсами, можно использовать для придания формы объектам в процессе их изготовления.

Эффекты [ править ]

Незначительные события ЭМИ, особенно последовательности импульсов, вызывают низкий уровень электрических шумов или помех, которые могут повлиять на работу чувствительных устройств. Например, распространенной проблемой в середине двадцатого века были помехи, исходящие от систем зажигания бензиновых двигателей, из-за которых радиоприемники трещали, а телевизоры отображали полосы на экране. Были введены 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 его.

Мощный ЭМИ может также напрямую воздействовать на магнитные материалы и повредить данные, хранящиеся на таких носителях, как магнитная лента и жесткие диски компьютеров . Жесткие диски обычно защищены корпусами из тяжелого металла. Некоторые поставщики услуг по утилизации ИТ-активов и переработчики компьютеров используют управляемый EMP 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 действие 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 [ править ]

Основная статья: Электромагнитная совместимость
Имитатор ЭМИ HAGII-C испытывает самолет Boeing E-4 .
EMPRESS I (антенны вдоль береговой линии) с USS  Estocin  (FFG-15) пришвартованы на переднем плане для испытаний.

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

Поэтому 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, чтобы ограничить количество излучаемой энергии импульса.

Дисциплина, обеспечивающая правильную работу оборудования при наличии ЭМИ и других радиочастотных угроз, известна как электромагнитная совместимость (ЭМС).

Тестовое моделирование [ править ]

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

Имитация индуцированного импульса [ править ]

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 ряд затухающих синусоидальных сигналов в кабель, подключенный к тестируемому оборудованию. Генератор затухающих синусоидальных волн может воспроизводить ряд вероятных наведенных сигналов.

Имитация импульса угрозы [ править ]

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.

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

В верхней части шкалы, в нескольких странах были построены большие испытательные стенды на открытом воздухе, включающие тренажеры ЭМИ высокой энергии. [14] [15] Крупнейшие предприятия могут тестировать целые транспортные средства, включая корабли и самолеты, на их восприимчивость к ЭМИ. Почти все эти большие тренажеры ЭМИ использовали специализированную версию генератора Маркса . [14] [15]

Примеры включают огромный симулятор ATLAS-I с деревянной конструкцией (также известный как TRESTLE) в Sandia National Labs , Нью-Мексико, который когда-то был крупнейшим в мире симулятором ЭМИ. [16] Документы по этому и другим крупным симуляторам ЭМИ, используемым Соединенными Штатами во время последней части холодной войны , наряду с более общей информацией об электромагнитных импульсах, в настоящее время находятся в ведении Фонда SUMMA, который находится в университете. Нью-Мексико. [17] [18] Военно-морские силы США также имеют большой объект под названием «Имитатор окружающей среды с электромагнитным импульсным излучением» для кораблей I (EMPRESS I).

Безопасность [ править ]

Сигналы ЭМИ высокого уровня могут представлять угрозу безопасности человека. В таких обстоятельствах следует избегать прямого контакта с проводом под напряжением. Когда это происходит, например, при прикосновении к генератору Ван де Граафа или другому сильно заряженному объекту, следует позаботиться о том, чтобы освободить объект, а затем разрядить тело через высокое сопротивление, чтобы избежать риска опасного ударного импульса при отступая.

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. [19]

В популярной культуре [ править ]

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 попытки опровергнуть эти заблуждения. [20] [21]

См. Также [ править ]

  • Оружие направленной энергии
  • Электромагнитная совместимость
  • Электромагнитная среда
  • Электронная война
  • Закон индукции Фарадея
  • Геомагнитная буря
  • MIL-STD-461 , военный стандарт США, в котором описывается, как проверять оборудование на электромагнитную совместимость.
  • Импульсная мощность
  • Переходный процесс (колебание)
  • Ультракороткий импульс

Цитаты [ править ]

  1. ^ Close, S .; Colestock, P .; Cox, L .; Kelley, M .; Ли, Н. (2010). «Электромагнитные импульсы, возникающие при ударах метеороида о космический корабль» . Журнал геофизических исследований . 115 (A12): A12328. Bibcode : 2010JGRA..11512328C . DOI : 10.1029 / 2010JA015921 .
  2. ^ Чендлер, Чарльз. «Метеоритные взрывы: общие принципы» . Блог QDL . Проверено 30 декабря 2014 .
  3. ^ "EMPACT America, Inc. - Solar EMP" . 26 июля 2011 года Архивировано из оригинала 26 июля 2011 года . Проверено 23 ноября 2015 года .
  4. ^ Ховард, Дж .; Умань, Массачусетс; Biagi, C .; Hill, D .; Раков, В.А.; Иордания, DM (2011). «Измеренные формы волны производной электрического поля ступеньки лидера молнии» (PDF) . Журнал геофизических исследований . 116 (D8): D08201. Bibcode : 2011JGRD..116.8201H . DOI : 10.1029 / 2010JD015249 .
  5. ^ «Основы для начинающих по эффектам молнии и защите» (PDF) . Weighting-systems.com. Архивировано из оригинального (PDF) 15 ноября 2015 года . Проверено 8 сентября 2015 года .
  6. ^ «Коммунальные предприятия Америки готовятся к ядерной угрозе энергосистеме» . Экономист . Проверено 21 сентября 2017 года .
  7. ↑ Копп, Карло (октябрь 1996 г.). «Электромагнитная бомба - оружие массового поражения электрическим током» . USAF CADRE Air Chronicles . DTIC: ADA332511 . Проверено 12 января 2012 года .
  8. ^ Glasstone и Долан 1977 , Глава 1.
  9. ^ Glasstone и Долан 1977 , глава 11, раздел 11.73.
  10. ^ Маркс, Пол (1 апреля 2009 г.). «Самолет может быть сбит DIY E-бомб " » . Новый ученый . С. 16–17.
  11. ^ Младший, Стивен; и другие. (1996). «Научное сотрудничество между Лос-Аламосом и Арзамасом-16 с использованием взрывных генераторов сжатия потока» (PDF) . Лос-Аламосская наука (24): 48–71 . Проверено 24 октября 2009 года .
  12. ^ «Основы электростатического разряда», Compliance Magazine, 1 мая 2015 г. Источник 25 июня 2015 г.
  13. ^ "EMP Data Wipe" . www.newtechrecycling.com . Newtech Recycling . Проверено 12 июня 2018 .
  14. ^ a b Баум, Карл Э. (май 2007 г.). «Воспоминания о мощных электромагнетизмах» (PDF) . IEEE Trans. Электромагнит. Compat. 49 (2): 211–8. DOI : 10.1109 / temc.2007.897147 . S2CID 22495327 .  
  15. ^ a b Баум, Карл Э. (июнь 1992 г.). «От электромагнитного импульса к мощному электромагнетизму» (PDF) . Труды IEEE . 80 (6): 789–817. Bibcode : 1992IEEEP..80..789B . DOI : 10.1109 / 5.149443 .
  16. ↑ Рувим, Чарльз. "Эстакада Атлас-I на базе ВВС Киртланд" . Университет Нью-Мексико.
  17. ^ Веб-сайт Фонда СУММА
  18. ^ "Фонд SUMMA - Карл Баум, факультет электротехники и вычислительной техники, Университет Нью-Мексико" . Ece.unm.edu. 17 января 2013 . Проверено 18 июня 2013 года .
  19. ^ «Защита персонала от электромагнитных полей» , Инструкция Министерства обороны США № 6055.11, 19 августа 2009 г.
  20. ^ 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 Окриджа. Приложение: Мифы E1 HEMP
  21. ^ Лауреаты премии Telly 2009, (Manitou Motion Picture Company, Ltd.) [1] Видео космического командования США недоступно для широкой публики.

Общие источники [ править ]

  • Гласстон, Сэмюэл ; Долан, Филип Дж. (1977). Последствия ядерного оружия . Министерство обороны США и Управление энергетических исследований и разработок.
  • Гуревич, Владимир (2019). Защита электрического оборудования: передовые методы предотвращения высокогорных электромагнитных импульсных воздействий . Берлин: Де Грюйтер.

Внешние ссылки [ править ]

  • TRESTLE: Landmark of the Cold War , короткометражный документальный фильм на сайте SUMMA Foundation