Электромагнитное излучение при ядерном взрыве и защита радиоэлектронных средств от него

   Шунтирование  потока практически применимо только для небольших устройств, которые  могут быть полностью заключены  в магнитный экран достаточной  толщины, обеспечивающий малое сопротивление  магнитному потоку по сравнению с  сопротивлением пути, через защищаемое устройство. Экран не должен насыщаться при  ожидаемых уровнях потока. Тонкий хорошо проводящий экран (например, медная или, для особо ценных устройств, позолоченная экранирующая пластинка, толщиной в 0,25мм) внутри которого заключено защищаемое устройство, функционирует прежде всего за счет отражения. Этот процесс наглядно можно представить следующим образом: внешнее поле беспрепятственно пронизывает экран, при этом в экране индуцируется электрические токи, магнитное поле которых нейтрализует первичное поле. Т.к. индукция является функцией от частоты переменного тока, то эффективность экранирования таким способом понижается как с уменьшением частоты, так и с увеличением сопротивления экрана (именно поэтому для экранирования применяют хорошо проводящие материалы). Толстый проводящий экран вокруг защищаемого устройства обеспечивает экранирование одновременно как за счет отражения, так и за счет поглощения.

   Поглощение  представляет собой потери энергии при прохождении волны сквозь толщу материала и обычно составляет 8,68 дб на каждую эквивалентную глубину проникновения. Для трех наиболее распространенных материалов формула затухания поля за счет потерь, в децибелах, записана в таблице 2. 
 
 
 

                 Таб. 2 формулы коэффициента затухания в различных средах 
 

где t – толщина материала в милах (1 мил – тысячная доля дюйма = 0,00254 м), а                    f - частота в Гц. 
 

     Экранирование может быть и многослойным (композитным): например внешняя часть экранирующего контура покрыта тонким слоем меди – для обеспечения высокого уровня отражения, а внутренняя – относительно толстым стальным листом – для наилучшего поглощения. Возможно также экранирование с применением катушек из высокопроводящих материалов с большим числом витков вокруг всего сооружения. В таком способе экранирования применяется эффект отражения.

     Третий  способ экранирования имеет наибольший интерес т.к. является наиболее практичным для экранирования сооружений, сделанных  из железобетона. Он заключается в  том, что стержни арматуры таких сооружений могут быть соединены электрически в виде замкнутых витков, что при определенных условиях обеспечивает приемлемую степень экранирования. Такую возможность не следует упускать на ранних стадиях проектирования спецсооружений. Еще одной разновидностью данного метода является использование медной сетки на внешней стороне здания. Для наилучшего экранирования стыков между листами или отдельными стержнями сопротивление должно быть малым, по сравнением с полным сопротивлением витка, образуемого стержнем или полоской листов. В том случае, когда сварка арматурной решетки не обеспечивает отвечающей предъявляемым  требованиям степени экранирования, предпочтение следует отдать применению стального листа.

       При размещении металлического  экрана на внешней стороне здания не следует упускать из вида вопросы защиты от коррозии. Применением тонкого покрытия из меди можно снять ряд трудностей. Медная лента в рулонах шириной 1,5 метра удобна в обращении, легко паяется. Возможно также применения электролитического осаждения  меди, которое столь же эффективно, но гораздо дешевле, чем применение рулонной меди.

     Применяя  последние разработки в области  науки и техники можно существенно повысить уровень экранирования оборудования. Например, применяя недавно открытый материал ГРАФЕН, обладающий минимальным сопротивлением и, следовательно, высочайшей проводимостью, можно существенно увеличить экранирующую способность. Кроме того, нанеся всего несколько слоев такого материала, можно добиться экранного эффекта, сопоставимого с несколькими миллиметрами стали, а значит существенно уменьшить вес всего оборудования. 

     Еще одна возможность добиться высокой  степени экранирования при минимальных  затратах заключается в том, чтобы  вместо экранирования сплошным слоем меди сделать экран в виде ячеек или сот, хотя такая конструкция и более сложна. Как правило, отверстия в экранах ухудшают его свойства. Однако, если длина волны велика по сравнению с размерами экранируемого объекта, обычные отверстия не сильно влияют на возможность экранирования. Когда роль экрана выполняют арматурные стержни, они не должны в электрическом отношении обрываться около отверстий, а должны быть соединены между собой по периметру отверстия для создания вокруг него замкнутого электрического контура. Формулы для расчета коэффициента экранирования и графики применительно к большим конструкциям для частот свыше 100 кГц были получены Зундом и проверены путем измерений с четырьмя типами экранов, образующих куб со сторонами 2,4х2,4х2,4 м. Результаты измерений представлены на графике 1. Испытываемая конструкция помещалась в центре витка с током, размеры которого в      10 раз превышали эквивалентный диаметр испытываемой конструкции.

     Измерение коэффициента экранирования производились  путем сравнения поля внутри экрана с полем внутри витка при отсутствии экрана. Подобные измерения с использованием радиостанции, работавшей на частоте 13 кГц, подтвердили, что такая методика испытания дает те же самые результаты, что и испытания в поле удаленного источника (соотношения расстояния до источника к размерам объекта – 10:1). 
 
 
 
 
 

     0                          0,1                  0,5                  1,0               10                50      Частота, кГц

Граф. 1 График затухания экранирования ЭМП в экране размером 2,4 х 2,4 х 2,4 м, изготовленном: из арматурных стержней со сварными узлами диаметром 25мм при расстоянии 41 см между центрами стержней (1); стальных ячеек размером 13 х 13 мм с диаметром провода   2 мм и пропаянными узлами (2); медных ячеек размером 13 х 13 мм при диаметре провода 1,5 мм с пропаянными узлами (3); медного листа толщиной 0,25 мм с точечной сваркой через 15 см (4)        
 

Проникновение токов в кабели и пути защиты от них

   Магистральные подземные кабели связи должны быть рассчитаны на определенный уровень механического действия, определяемый вероятностью повреждения  кабеля близким взрывом. Исходя из этой величины и принимая во внимание соотношение между током ЭМИ в грунте и избыточным давлением во фронте ударной волны, можно оценить токи, которые возникнут в оболочке подземного кабеля. Также, кроме ядерного взрыва, подземные кабели должны быть рассчитаны и на более вероятные повреждения – близкие удары молний, которые вызывают много схожих эффект:

1. Механическое повреждение оболочки кабеля. Т.о., ЭМИ проникает в кабель не в одной точке, а сквозь поверхность больших размеров.
2. Ток, протекающий по кабелю, образует перепад напряжения между оболочкой и жилами, которое примерно равно I*R – падению напряжения вдоль оболочки.
3. Напряжение, возникающее т.о., если оно достаточно велико, может пробить изоляцию кабеля.    

   ЭМИ не вызывает повреждения оболочки кабеля, но тем не менее в системах высокой  надежности (например, правительственные  линии связи) возможность таких  повреждений  должна  учитываться. Чаще всего разрыв оболочки наблюдается в кабелях, содержащих коаксиальные пары с воздушным диэлектриком. Вероятность и степень такого поражения можно уменьшить, если в земле с каждой стороны кабеля и над ним проложить экранирующие провода или тросы. Для защиты оболочки от проникновения влаги на нее надеваются сплошной пластмассовый чехол. Применение экранирующих тросов и улучшение изоляции между жилами и оболочкой способствует снижению величины напряжения и, следовательно, потенциально возможных повреждений.

   Как и линии связи, линии электропередач, должны быть рассчитаны на сохранение работоспособности после ядерного взрыва. В этом случае для выработки  требований по защите от ЭМИ необходимо исходить из предельно допустимого  избыточного давления во фронте ударной волны.    

Другие  способы защиты радиоэлектронного  оборудования

     Применяя  ламповые электронные приборы как главные детали РЭО, можно достичь его относительной невосприимчивости к ЭМ составляющей ЯВ, однако ряд негативных характеристик, таких как высокая стоимость,  большие размеры, большая потребляемая мощность и меньшее быстродействие ставят крест на этой идее. Идеальной защитой от ЭМИ явилось бы полное укрытие помещения, в котором размещена радиоэлектронная аппаратура, металлическим экраном. Вместе с тем ясно, что практически обеспечить такую защиту в ряде случаев невозможно, т.к. 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. Радикальным решением данной проблемы мог бы стать переход от электрических сетей связи к практически не подверженным воздействию ЭМИ оптоволоконным. Однако замена полупроводниковых приборов во всем спектре выполняемых ими функций электронно-оптическими устройствами возможно только в отдаленном будущем. Поэтому в настоящее время в качестве средств защиты кабельных вводов наиболее широко используются фильтры, в том числе волоконные, а также искровые разрядники, металлоокисные варисторы и высокоскоростные зенеровские диоды. Все эти средства имеют как преимущества, так и недостатки. Так, емкостно-индуктивные фильтры достаточно эффективны для защиты от ЭМИ малой интенсивности, а волоконные 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 или оплетке кабеля.

     Металлоокисные  варисторы, представляют собой полупроводниковые  приборы, резко повышающие свою проводимость при высоком напряжении. Однако, при применении этих приборов в качестве средств 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 при превышении приложенного к ним напряжения определенной пороговой величины. Кроме того, в отличие от варисторов характеристики зенеровских диодов после многократных воздействий высоких напряжений и переключений режимов не ухудшаются.

     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. Подобное решение способствует получению очень малых значений емкости и индуктивности, что необходимо для обеспечения защиты от импульсов, которые имеют незначительную длительность и, следовательно, мощную высокочастотную составляющую. Использование разъемов подобной конструкции позволит решить проблему ограничения массогабаритных характеристик устройства защиты.

     Сложность решения задачи защиты от ЭМИ и  высокая стоимость разработанных  для этих целей средств и методов заставляют пойти на первых парах по пути их выборочного применения в особо важных системах оружия и военной техники. Первыми целенаправленными работами в данном направлении были программы защиты от ЭМИ стратегического оружия. 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.

Другие  защитные мероприятия

      В том случае, когда экранирование  железобетонного сооружения достигается  применением листового электропроводящего материала, то сваривать арматурные стержни с целью экранирования  не требуется. Однако, для устранения разностей потенциалов внутри стен любые подсоединения к экрану, по которым могут протекать большие токи, должны выполняться путем одновременного подключения как к листу, так и к арматурным стержням. Внутренние соединения между листом и стержнями целесообразно делать во всех местах, где это удобно в конструкторском отношении. Любое подсоединение к тонкому листу должно иметь площадь контакта, способную обеспечить протекания такого же тока, что и подключаемый соединительный провод.

      Все вводимые в здание трубы, трубопроводы, волноводы, и.п., которые могут быть непосредственно подключены к экрану сооружения, должны быть подключены к нему в точке ввода независимо от того, изолирована или не изолирована линия в другом месте. Если же нет технических возможностей подключить входящую линию непосредственно к экрану, то его можно подключить через мощный искровой разрядник.