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. Согласно исследованию Министерства внутренней безопасности США , ЭМИ-оружие может нарушить работу незащищенной критически важной инфраструктуры в Соединенных Штатах и может поразить миллионы людей на больших территориях страны. [1] Есть опасения по поводу угрозы EMP, но нет точного прогноза относительно того, сколько людей столкнутся с огромным ущербом от этой атаки.
Согласно исследованию Мартина и Мэтью Вайсс, из сценариев, которые могут привести к коллапсу электрической сети, ЭМИ привлекла к себе самое широкое внимание общественности. [2] Возможность угрозы со стороны EMP-атаки стала более вероятной, чем в прошлом, когда она не рассматривалась как надвигающаяся угроза для Соединенных Штатов.
Электромагнитный импульс - это короткий выброс электромагнитной энергии. Его короткая продолжительность означает, что он будет распространяться по диапазону частот. Бобовые обычно характеризуются:
Последние два из них, частотный спектр и форма импульса, взаимосвязаны посредством преобразования Фурье, которое описывает, как составляющие формы волны могут суммироваться с наблюдаемым частотным спектром.
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 .
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.
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.
ЭМИ возникает там, где источник излучает 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 в повторяющихся и регулярных импульсов поездов .
Различные типы ЭМИ возникают из-за природных, искусственных и оружейных эффектов.
Типы естественного события ЭМИ включают:
Типы (гражданских) антропогенных событий ЭМИ включают:
Типы военных ЭМИ включают:
Молния необычна тем, что обычно имеет предварительный «ведущий» разряд низкой энергии, наращиваемый до основного импульса, который, в свою очередь, может сопровождаться с интервалами несколькими более мелкими всплесками. [6] [7]
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 в случае сотрясения, полученного 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.
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 - 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 . [8]
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 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) - 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. [9]
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. [10] Электромагнитный импульс от оружия NNEMP должен исходить изнутри оружия, в то время как ядерное оружие генерирует ЭМИ как вторичный эффект. [11] 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. [ необходима цитата ]Примеры таких операций включают разрушение электронных систем управления, критически важных для работы многих наземных транспортных средств и самолетов. [12] [ 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 [13], но страны продолжали классифицировать работу над неядерным ЭМИ, пока аналогичные идеи не появились в других странах. наций.
Большие силы, создаваемые электромагнитными импульсами, можно использовать для придания формы объектам в процессе их изготовления.
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. [14]
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. [15]
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.
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 сосредоточены 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 обеспечения правильной работы оборудования в присутствии ЭМИ и других радиочастотных угроз известна как электромагнитная совместимость (ЭМС).
Для проверки воздействия ЭМИ на спроектированные системы и оборудование можно использовать имитатор ЭМИ.
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.
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 установки на открытом воздухе, включающие тренажеры ЭМИ высокой энергии. [16] [17] 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 . [16] [17]
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. [18] 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 хранятся в Фонде SUMMA, который находится в университете. Нью-Мексико. [19] [20] Военно-морские силы США также имеют большой объект под названием «Имитатор окружающей среды с электромагнитным импульсным излучением» для кораблей I (EMPRESS I).
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. [21]
Согласно исследованию Эдда Гента, в отчете Исследовательского института электроэнергетики за 2019 год , который финансируется коммунальными предприятиями, было обнаружено, что такая атака, вероятно, вызовет отключение электроэнергии в регионах, но не приведет к отказу сети в масштабах всей страны, и что время восстановления будет аналогично времени восстановления. другие масштабные отключения. [22]
Неизвестно, как долго продлятся эти отключения электричества, вызванные атакой ЭМИ, или какой ущерб будет нанесен по всей стране.
Согласно статье от Линдсой Marchello, если Северная Корея взорвала УЮ над Соединенными Штатами детонация будет генерировать поле ОГО , охватывающее всю страну, Канаду , и большая части Мексики . Если отключение электроэнергии по всей стране продлится год, по оценкам, 90 процентов населения умрет от голода, болезней и общественного коллапса. [23]
Не исключено, что соседние страны США . также могут пострадать от атаки, в зависимости от целевой области и людей.
Согласно статье Наурин Малик, имея в виду все более успешные испытания ракет и боеголовок в Северной Корее , Конгресс возобновил финансирование Комиссии по оценке угрозы для США от электромагнитных импульсных атак в рамках Закона о разрешении национальной обороны . [24] На данный момент Соединенным Штатам не хватает подготовки к атаке ЭМИ. [ необходима цитата ]
Согласно исследованию Йошиды Рейджи, в статье 2016 года для токийской некоммерческой организации Center for Information and Security Trade Control, Онидзука предупредил, что атака с помощью ЭМИ на большой высоте может повредить или разрушить японские энергетические, коммуникационные и транспортные системы. как отключить банки, больницы и атомные электростанции . [25]
Согласно исследованию, проведенному Мартином и Мэтью Вайс в свидетельских показаниях перед комитетом Конгресса , было заявлено, что длительный коллапс электросети этой страны - из-за голода, болезней и общественного коллапса - может привести к смерти до 90% американское население. [26]
Популярные СМИ часто неправильно изображают эффекты ЭМИ, вызывая недопонимание среди общественности и даже профессионалов. В США были предприняты официальные попытки опровергнуть эти заблуждения. [27] [28]
Викискладе есть медиафайлы по теме электромагнитного импульса . |