Elektromagnetický impuls -Electromagnetic pulse

Elektromagnetický impuls ( EMP ), také přechodné elektromagnetické rušení ( TED ), je krátký výbuch elektromagnetické energie. Původ EMP může být přirozený nebo umělý a může se vyskytovat jako elektromagnetické pole , jako elektrické pole , jako magnetické pole nebo jako vedený elektrický proud . Elektromagnetické rušení způsobené EMP může narušit komunikaci a poškodit elektronické zařízení. EMP, jako je úder blesku, může fyzicky poškodit objekty, jako jsou budovy a letadla. Řízení efektů EMP je odvětvím inženýrství elektromagnetické kompatibility (EMC).

První zaznamenané poškození způsobené elektromagnetickým pulzem přišlo se sluneční bouří v srpnu 1859 nebo Carringtonovou událostí .

V moderní válce jsou zbraně dodávající vysokoenergetické EMP pulsy navrženy tak, aby narušily komunikační zařízení, počítače potřebné k provozu moderních válečných letadel nebo dokonce vyřadily z provozu celou elektrickou síť cílové země.

Obecná charakteristika

Elektromagnetický impuls je krátký příval elektromagnetické energie. Jeho krátké trvání znamená, že bude rozprostřeno v rozsahu frekvencí. Pro pulsy jsou typické:

  • Způsob přenosu energie (vyzařovaný, elektrický, magnetický nebo vedený).
  • Rozsah nebo spektrum přítomných frekvencí.
  • Tvar pulsní vlny: tvar, trvání a amplituda.

Frekvenční spektrum a pulsní průběh jsou vzájemně propojeny pomocí Fourierovy transformace , která popisuje, jak lze sčítat průběhy složek s pozorovaným frekvenčním spektrem.

Druhy energie

Energie EMP může být přenášena v jakékoli ze čtyř forem:

Podle Maxwellových rovnic bude puls elektrické energie vždy doprovázen pulsem magnetické energie. V typickém pulzu bude dominovat buď elektrická, nebo magnetická forma.

Obecně platí, že záření působí pouze na velké vzdálenosti, přičemž magnetické a elektrické pole působí na krátké vzdálenosti. Existuje několik výjimek, jako je sluneční magnetická erupce .

Frekvenční rozsahy

Puls elektromagnetické energie typicky obsahuje mnoho frekvencí od velmi nízkých po určitou horní mez v závislosti na zdroji. Rozsah definovaný jako EMP, někdy označovaný jako „DC do denního světla“, vylučuje nejvyšší frekvence zahrnující optické (infračervené, viditelné, ultrafialové) a ionizační (X a gama záření) rozsahy.

Některé typy EMP událostí mohou zanechat optickou stopu, jako jsou blesky a jiskry, ale to jsou vedlejší účinky proudění vzduchu vzduchem a nejsou součástí samotného EMP.

Pulzní křivky

Tvar vlny pulsu popisuje, jak se jeho okamžitá amplituda (síla pole nebo proud) mění v průběhu času. Skutečné impulsy bývají poměrně komplikované, proto se často používají zjednodušené modely. Takový model je typicky popsán buď v diagramu nebo jako matematická rovnice.

""
Obdélníkový puls
""
Dvojitý exponenciální puls
""
Tlumený sinusový puls

Většina elektromagnetických pulsů má velmi ostrou náběžnou hranu, která rychle narůstá na maximální úroveň. Klasický model je dvojitá exponenciální křivka, která strmě stoupá, rychle dosahuje vrcholu a pak pomaleji klesá. Impulzy z řízeného spínacího obvodu však často mají tvar obdélníkového nebo "čtvercového" pulsu.

Události EMP obvykle indukují odpovídající signál v okolním prostředí nebo materiálu. K vazbě obvykle dochází nejsilněji v relativně úzkém frekvenčním pásmu, což vede k charakteristické tlumené sinusovce . Vizuálně je to znázorněno jako vysokofrekvenční sinusová vlna rostoucí a klesající v déletrvající obálce dvojité exponenciální křivky. Tlumená sinusová vlna má typicky mnohem nižší energii a užší frekvenční rozptyl než původní pulz, kvůli přenosové charakteristice vazebního režimu. V praxi testovací zařízení EMP často vstřikuje tyto tlumené sinusové vlny přímo, místo aby se pokoušelo znovu vytvořit vysoce energetické pulzy ohrožení.

Ve sledu pulsů, například z obvodu digitálních hodin, se tvar vlny opakuje v pravidelných intervalech. Jediný úplný pulzní cyklus je dostatečný k charakterizaci takového pravidelného, ​​opakujícího se sledu.

Typy

EMP vzniká tam, kde zdroj emituje krátkodobý pulz energie. Energie je obvykle svou povahou širokopásmová, i když často v okolním prostředí budí relativně úzkopásmovou tlumenou sinusovku . Některé typy jsou generovány jako opakující se a pravidelné sledy pulzů .

Různé typy EMP vznikají z přírodních, umělých a zbraní.

Mezi typy přirozených EMP událostí patří:

  • Bleskový elektromagnetický impuls (LEMP). Výboj je obvykle počáteční obrovský tok proudu, alespoň megaampér, následovaný sledem pulzů klesající energie.
  • Elektrostatický výboj (ESD), jako výsledek dvou nabitých předmětů přicházejících do blízkosti nebo dokonce kontaktu.
  • Meteorické EMP. Výboj elektromagnetické energie, který je výsledkem buď dopadu meteoroidu na kosmickou loď, nebo explozivního rozpadu meteoroidu procházejícího zemskou atmosférou.
  • Coronal mass ejection (CME), někdy označované jako sluneční EMP. Výbuch plazmatu a doprovodného magnetického pole, vyvržený ze sluneční koróny a uvolněný do slunečního větru .

Mezi typy (civilních) člověkem vytvořených EMP akcí patří:

  • Spínací činnost elektrických obvodů, izolovaná nebo opakovaná (jako sled impulsů).
  • Elektromotory mohou vytvářet sled pulsů, když vnitřní elektrické kontakty vytvářejí a přerušují spojení, když se kotva otáčí.
  • Zapalovací systémy benzinových motorů mohou vytvářet sled impulsů, když jsou zapalovací svíčky pod napětím nebo zapáleny.
  • Nepřetržité spínání digitálních elektronických obvodů.
  • Přepětí v elektrickém vedení . Ty mohou dosahovat až několika kilovoltů, což stačí k poškození nedostatečně chráněného elektronického zařízení.

Typy vojenského EMP zahrnují:

  • Nukleární elektromagnetický puls (NEMP) v důsledku jaderného výbuchu. Variantou toho je jaderné EMP ve vysoké nadmořské výšce (HEMP), které vytváří sekundární puls v důsledku interakce částic s atmosférou Země a magnetickým polem.
  • Nejaderné elektromagnetické pulzní (NNEMP) zbraně.

Blesk

Blesk je neobvyklý v tom, že má obvykle předběžný „vedoucí“ výboj nízkoenergetického budování až k hlavnímu pulzu, po kterém může v intervalech následovat několik menších výbojů.

Elektrostatický výboj (ESD)

Události ESD jsou charakterizovány vysokými napětími o mnoha kV, ale malé proudy někdy způsobují viditelné jiskry. ESD je považováno za malý, lokalizovaný jev, i když technicky vzato je blesk velmi velkou událostí ESD. ESD může být také způsobeno člověkem, jako v případě šoku obdrženého od Van de Graaffova generátoru .

Událost ESD může poškodit elektronické obvody injekcí vysokonapěťového pulzu, kromě toho může lidem způsobit nepříjemný šok. Taková ESD událost může také vytvořit jiskry, které mohou následně zapálit požáry nebo výbuchy palivových par. Z tohoto důvodu je před doplňováním paliva do letadla nebo vystavením palivových výparů vzduchu nejprve připojena palivová tryska k letadlu, aby se bezpečně vybila jakákoli statická energie.

Spínací impulsy

Spínací akce elektrického obvodu vytváří prudkou změnu v toku elektřiny. Tato prudká změna je formou EMP.

Jednoduché elektrické zdroje zahrnují indukční zátěže, jako jsou relé, solenoidy a kartáčové kontakty v elektromotorech. Ty obvykle vysílají puls do všech přítomných elektrických spojení a také vyzařují puls energie. Amplituda je obvykle malá a signál může být považován za "šum" nebo "rušení". Vypnutí nebo „otevření“ obvodu způsobí náhlou změnu protékajícího proudu. To může následně způsobit velký puls v elektrickém poli přes otevřené kontakty, což způsobí oblouk a poškození. Často je nutné začlenit konstrukční prvky k omezení takových účinků.

Elektronická zařízení, jako jsou elektronky nebo ventily, tranzistory a diody, se také mohou velmi rychle zapínat a vypínat, což způsobuje podobné problémy. Jednorázové impulsy mohou být způsobeny polovodičovými spínači a jinými zařízeními používanými pouze příležitostně. Mnoho milionů tranzistorů v moderním počítači se však může opakovaně přepínat na frekvencích nad 1 GHz, což způsobuje rušení, které se zdá být nepřetržité.

Nukleární elektromagnetický puls (NEMP)

Jaderný elektromagnetický puls je náhlý puls elektromagnetického záření vyplývající z jaderné exploze . Výsledná rychle se měnící elektrická a magnetická pole se mohou spojit s elektrickými/elektronickými systémy a vytvářet škodlivé proudové a napěťové rázy .

Intenzivní gama záření emitované může také ionizovat okolní vzduch a vytvořit sekundární EMP, protože atomy vzduchu nejprve ztratí své elektrony a pak je znovu získají.

NEMP zbraně jsou navrženy tak, aby maximalizovaly takové EMP efekty jako primární mechanismus poškození a některé jsou schopné zničit citlivá elektronická zařízení v široké oblasti.

Zbraň s elektromagnetickým pulsem ve vysoké výšce (HEMP) je hlavice NEMP navržená k odpálení daleko nad zemským povrchem. Exploze uvolňuje do střední stratosféry záblesk gama paprsků , který se jako sekundární efekt ionizuje a výsledné energetické volné elektrony interagují s magnetickým polem Země za vzniku mnohem silnějšího EMP, než se normálně vytváří v hustším vzduchu v nižších výškách.

Nejaderný elektromagnetický puls (NNEMP)

Nejaderný elektromagnetický puls (NNEMP) je elektromagnetický puls generovaný zbraní bez použití jaderné technologie. Zařízení, která mohou dosáhnout tohoto cíle, zahrnují velkou kondenzátorovou banku s nízkou indukčností vybíjenou do jednosmyčkové antény, mikrovlnný generátor a explozivně čerpaný generátor komprese toku . Pro dosažení frekvenčních charakteristik pulsu potřebných pro optimální spojení s cílem jsou mezi zdroj pulsu a anténu přidány obvody pro tvarování vln nebo mikrovlnné generátory . Vircators jsou elektronky, které jsou zvláště vhodné pro mikrovlnnou konverzi vysokoenergetických pulzů.

Generátory NNEMP mohou být neseny jako náklad bomb, řízených střel (jako je střela CHAMP ) a dronů se sníženým mechanickým, tepelným a ionizujícím zářením, ale bez následků nasazení jaderných zbraní.

Dosah zbraní NNEMP je mnohem menší než nukleární EMP. Téměř všechna zařízení NNEMP používaná jako zbraně vyžadují jako počáteční zdroj energie chemické výbušniny, které produkují pouze 10-6 ( jedna miliontina) energie jaderných výbušnin podobné hmotnosti. Elektromagnetický impuls ze zbraní NNEMP musí pocházet zevnitř zbraně, zatímco jaderné zbraně generují EMP jako sekundární efekt. Tyto skutečnosti omezují rozsah zbraní NNEMP, ale umožňují jemnější rozlišení cíle. Účinek malých elektronických bomb se ukázal být dostatečný pro některé teroristické nebo vojenské operace. Příklady takových operací zahrnují zničení elektronických řídicích systémů kritických pro provoz mnoha pozemních vozidel a letadel.

Koncept explozivně čerpaného generátoru komprese toku pro generování nejaderného elektromagnetického pulsu byl vytvořen již v roce 1951 Andrejem Sacharovem v Sovětském svazu, ale národy utajovaly práci na nejaderném EMP, dokud se podobné myšlenky neobjevily v jiných zemích.

Elektromagnetické tvarování

Velké síly generované elektromagnetickými impulsy mohou být použity k tvarování nebo tvarování předmětů jako součást jejich výrobního procesu.

Efekty

Menší události EMP, a zejména sledy pulzů, způsobují nízké úrovně elektrického šumu nebo rušení, které mohou ovlivnit provoz citlivých zařízení. Například běžným problémem v polovině dvacátého století bylo rušení vydávané zapalovacími systémy benzínových motorů, které způsobovalo praskání rádií a zobrazování pruhů na obrazovce televizorů. Byly zavedeny zákony, aby výrobci vozidel montovali odrušovací zařízení.

Při vysoké úrovni napětí může EMP vyvolat jiskru, například z elektrostatického výboje při tankování vozidla s benzínovým motorem. Je známo, že takové jiskry způsobují výbuchy paliva a vzduchu a je třeba přijmout opatření, aby se jim zabránilo.

Velké a energické EMP může indukovat vysoké proudy a napětí v jednotce oběti, dočasně narušit její funkci nebo ji dokonce trvale poškodit.

Výkonné EMP může také přímo ovlivnit magnetické materiály a poškodit data uložená na médiích, jako jsou magnetické pásky a počítačové pevné disky . Pevné disky jsou obvykle stíněny těžkými kovovými kryty. Někteří poskytovatelé služeb likvidace IT majetku a recyklátoři počítačů používají k vymazání takových magnetických médií řízené EMP.

Velmi velká EMP událost, jako je úder blesku, je také schopna přímo poškodit předměty, jako jsou stromy, budovy a letadla, a to buď působením zahřívání nebo rušivými účinky velmi velkého magnetického pole generovaného proudem. Nepřímým účinkem mohou být elektrické požáry způsobené ohřevem. Většina inženýrských staveb a systémů vyžaduje určitou formu ochrany proti blesku, která má být navržena.

Škodlivé účinky vysokoenergetického EMP vedly k zavedení EMP zbraní, od taktických střel s malým poloměrem účinku až po jaderné bomby navržené pro maximální účinek EMP v široké oblasti.

Řízení

EMP simulátor HAGII-C testující letoun Boeing E-4 .
EMPRESS I (antény podél pobřeží) s USS  Estocin  (FFG-15) kotvící v popředí pro testování.

Jako každé elektromagnetické rušení podléhá hrozba EMP kontrolním opatřením. To platí bez ohledu na to, zda je hrozba přírodní nebo způsobená člověkem.

Proto se většina kontrolních opatření zaměřuje na náchylnost zařízení k účinkům EMP a na jeho zpevnění nebo ochranu před poškozením. Umělé zdroje, jiné než zbraně, také podléhají kontrolním opatřením, aby se omezilo množství emitované pulzní energie.

Disciplína zajištění správného provozu zařízení v přítomnosti EMP a dalších RF hrozeb je známá jako elektromagnetická kompatibilita (EMC).

Testovací simulace

Pro testování účinků EMP na technické systémy a zařízení lze použít simulátor EMP.

Simulace indukovaného pulsu

Indukované pulsy mají mnohem nižší energii než hrozivé pulsy, a proto je praktičtější vytvořit, ale jsou méně předvídatelné. Běžnou testovací technikou je použití proudové svorky v opačném směru, aby se do kabelu připojeného k testovanému zařízení injektovala řada tlumených sinusových signálů. Tlumený generátor sinusových vln je schopen reprodukovat rozsah indukovaných signálů, které se pravděpodobně vyskytují.

Simulace pulzu ohrožení

Někdy je opakovatelným způsobem simulován samotný impulz hrozby. Pulz může být reprodukován při nízké energii, aby se charakterizovala reakce oběti před injekcí tlumené sinusové vlny, nebo při vysoké energii, aby se znovu vytvořily aktuální podmínky ohrožení.

Malý ESD simulátor může být ruční.

Stolní nebo pokojové simulátory se dodávají v řadě provedení v závislosti na typu a úrovni hrozby, která má být generována.

Na vrcholu škály několik zemí vybudovalo velká venkovní testovací zařízení obsahující vysokoenergetické EMP simulátory. Největší zařízení jsou schopna testovat celá vozidla včetně lodí a letadel na jejich náchylnost k EMP. Téměř všechny tyto velké EMP simulátory používaly specializovanou verzi Marxova generátoru .

Příklady zahrnují obrovský simulátor ATLAS-I s dřevěnou konstrukcí (také známý jako TRESTLE) v Sandia National Labs v Novém Mexiku, který byl svého času největším simulátorem EMP na světě. Dokumenty o tomto a dalších velkých simulátorech EMP používaných Spojenými státy během druhé části studené války , spolu s obecnějšími informacemi o elektromagnetických pulzech, jsou nyní v péči nadace SUMMA, která sídlí na University of New Mexico. . Americké námořnictvo má také velké zařízení s názvem Electro Magnetic Pulse Radiation Environmental Simulator for Ships I (EMPRESS I).

Bezpečnost

Signály EMP na vysoké úrovni mohou představovat hrozbu pro lidskou bezpečnost. Za takových okolností je třeba se vyhnout přímému kontaktu s elektrickým vodičem pod napětím. Tam, kde k tomu dojde, například při dotyku s Van de Graaffovým generátorem nebo jiným vysoce nabitým předmětem, je třeba dbát na to, aby se předmět uvolnil a pak se tělo vybilo přes vysoký odpor, aby se zabránilo riziku škodlivého rázového pulsu při šlápnutí. pryč.

Velmi vysoká intenzita elektrického pole může způsobit zhroucení vzduchu a potenciálně smrtelný obloukový proud podobný blesku, ale intenzity elektrického pole až 200 kV/m jsou považovány za bezpečné.

Podle výzkumu Edda Genta, zpráva z roku 2019 od Electric Power Research Institute , která je financovaná energetickými společnostmi, zjistila, že velký EMP útok by pravděpodobně způsobil regionální výpadky , ale ne celostátní selhání sítě, a že doby obnovy by byly podobné těm. dalších rozsáhlých výpadků. Není známo, jak dlouho tyto výpadky elektřiny potrvají, ani jaký rozsah škod by nastal v celé zemi. Je možné, že v závislosti na cílové oblasti a lidech by mohly být takovým útokem zasaženy i sousední země USA.

Podle článku od Naureen Malik, s ohledem na stále úspěšnější testy raket a hlavic v Severní Koreji, Kongres přistoupil k obnovení financování Komise pro posouzení hrozby elektromagnetického pulzního útoku pro USA jako součást zákona o autorizaci národní obrany . V tuto chvíli chybí Spojeným státům příprava na útok EMP.

Podle výzkumu Yoshida Reiji v článku pro neziskovou organizaci Center for Information and Security Trade Control z roku 2016 Onizuka varoval, že útok EMP ve vysoké nadmořské výšce by poškodil nebo zničil také japonské energetické, komunikační a dopravní systémy . jako deaktivovat banky, nemocnice a jaderné elektrárny .

V populární kultuře

Do roku 1981 řada článků o elektromagnetickém pulzu v populárním tisku rozšířila znalosti o fenoménu EMP do populární kultury . EMP byl následně použit v široké škále beletrie a dalších aspektů populární kultury.

Populární média často zobrazují EMP efekty nesprávně, což způsobuje nedorozumění mezi veřejností a dokonce i profesionály. V USA bylo vyvinuto oficiální úsilí k nápravě těchto mylných představ.

Viz také

Reference

Citace

Prameny

externí odkazy