Электромагнитный импульс
Проникающая радиация  ядерного взрыва сильно ионизирует воздушную среду, что приводит к возникновению мощных электромагнитных полей, которые ввиду их кратковременного существования принято называть электромагнитным импульсом.
Электромагнитный импульс образуется в основном в результате комптоновского механизма, сущность которого заключается в следующем. Гамма-кванты взрыва, взаимодействуя с атомами окружающей среды, образуют медленные положительные ионы и быстрые электроны, которые движутся по направлению порождающих их гамма-квантов. В результате этого в окружающем пространстве возникают свободные электрические заряды, токи и поля. В свою очередь быстрые электроны также ионизируют среду, создавая медленные электроны и положительно заряженные ионы. В результате этого среда становится электропроводящей. Под действием электрического поля, созданного быстрыми электронами, медленные электроны начинают двигаться навстречу быстрым электронам, образуя ток проводимости.
При асимметричном выходе и распространении гамма-квантов, вызванном, например, границей раздела воздух-грунт при наземном ядерном взрыве, токи проводимости в ближней зоне (на расстоянии до нескольких километров от центра взрыва) замыкаются через грунт и порождают магнитное поле. При воздушных взрывах асимметрия в распределении гамма-квантов и соответственно порождаемых ими токов возникает в результате неоднородной плотности атмосферы по высоте, конструкции ядерного боеприпаса и ряда других причин. Изменяющиеся во времени электромагнитные поля способны распространяться за пределы источника, образуя поле излучения на больших расстояниях от центра взрыва.
Основными параметрами электромагнитного импульса, характеризующими его поражающее действие, являются изменения напряженностей электрического и магнитного полей во времени (форма импульса) и их ориентация в пространстве, а также величина максимальной напряженности поля (амплитуда импульса).
Электромагнитный импульс наземного ядерного взрыва в ближней зоне представляет собой одиночный импульсный сигнал с крутым фронтом и обладает длительностью до десятков миллисекунд. Длительность фронта импульса, характеризующая время, за которое поле нарастает до своего максимального значения, близка к времени протекания ядерных процессов, т. е. в типичных случаях она может иметь величину примерно 10-8 с. Амплитуда электрического поля в ближней зоне может быть до сотен киловольт на метр. Распространение электромагнитного поля в проводящей среде приводит к его сравнительно быстрому затуханию. Амплитуда импульса убывает пропорционально расстоянию от центра взрыва.
Для низких воздушных взрывов параметры электромагнитного импульса остаются примерно такими же, как и для наземных, но с увеличением высоты взрыва их амплитуды уменьшаются. Амплитуды электромагнитного импульса подземного и надводного ядерных взрывов значительно меньше амплитуд электромагнитного импульса взрывов в атмосфере, поэтому поражающее действие его при этих взрывах .практически не проявляется.
Поражающее действие электромагнитного импульса ядерного взрыва
 
Поражающее действие электромагнитного импульса ядерного взрыва на вооружение и военную технику проявляется в нарушении работоспособности радиоэлектронной аппаратуры и электротехнического оборудования. Степень поражающего действия зависит от параметров электромагнитного импульса, стойкости аппаратуры и характера взаимодействия ее с электромагнитными полями ядерного взрыва. На практике обычно различают непосредственное действие электромагнитного импульса на аппаратуру и воздействие на нее через коммуникационные линии. Наводимые на коммуникационных линиях токи и напряжения могут представлять опасность для аппаратуры и личного состава, находящихся на безопасных удалениях от воздействия других поражающих факторов ядерного взрыва
Уязвимыми к непосредственному воздействию электромагнитного импульса являются наиболее чувствительные элементы радиоэлектронной и электротехнической аппаратуры (магнитные сердечники, пьезоэлементы, электровакуумные и газоразрядные приборы и др.). В результате непосредственного воздействия электромагнитного импульса и в зависимости от типа элемента, а также особенностей его конструкции одни из них могут временно или полностью потерять работоспособность, другие - вносить существенные помехи в работу аппаратуры.
Так, для некоторых магнитных сердечников, изготовленных из марганцово-цинковых ферритов и работающих в слабых полях, характерно сравнительно длительное время восстановления магнитной проницаемости, достигающее 30 мин после воздействия импульсного магнитного поля. Изменение магнитной проницаемости сердечников влияет на величину индуктивности дросселей и катушек и, следовательно, на работоспособность аппаратуры в целом
В пьезоэлементах на длительное время изменяется частота кварцевого резонатора в результате поглощения энергии электромагнитного поля. Работоспособность электровакуумных и газоразрядных приборов может быть нарушена в результате возникновения на выводах напряжений и токов от воздействия электромагнитного импульса.
В общем случае нарушение нормальной работы радиоэлектронной и электротехнической аппаратуры в результате непосредственного воздействия электромагнитного импульса можно отнести к довольно редким явлениям, поскольку металлические кожухи самой аппаратуры, ограждающие конструкции сооружений, корпуса летательных аппаратов и т. п., в которых она размещается, значительно ослабляют поражающее действие электромагнитного импульса. Личный состав не поражается от непосредственного действия электромагнитного импульса. В наибольшей степени поражающее действие электромагнитного импульса на личный состав, радиоэлектронную и электротехническую аппаратуру проявляется от наведенных токов и напряжений в кабельных линиях и антенно-фидерных устройствах.
Особенно высокие напряжения и значительные токи наводятся в кабельных линиях и антенно-фидерных устройствах, расположенных за пределами экранированных объектов. Так, например, амплитудные значения напряжения на жилах кабельной линии относительно их металлопокрова при условии, если линия оказывается вблизи центра наземного взрыва, могут достигать десятков киловольт, а тока в металлопокрове кабеля - десятков килоампер.
Наведенные токи и напряжения могут превысить допустимые уровни для аппаратуры, подключенной к кабельным линиям и антенно-фидерным устройствам. В результате чего такая аппаратура, расположенная вне зоны действия других поражающих факторов, получит повреждения. Наведенные токи и напряжения могут приводить также к появлению ложных сигналов и к сбоям в работе радиоэлектронных систем.
На практике стойкость приборов к действию импульсных напряжений и токов обычно характеризуют пороговой энергией повреждения, предельной величиной и скоростью нарастания (крутизной) импульса напряжения (тока).
В общем случае различают необратимые и обратимые нарушения работоспособности аппаратуры от воздействия электромагнитного импульса. Необратимые нарушения могут быть следствием либо тепловой перегрузки, либо электрического перенапряжения.
В результате тепловой перегрузки могут наблюдаться следующие повреждения элементов аппаратуры:
  • перегорание предохранительных вставок, резисторов;
  • разрушение обкладок керамических конденсаторов и электродов маломощных разрядников;
  • спекание контактов слаботочных реле;
  • обрыв проводов в местах пайки (сварки);
  • расплавление токоведущих и резистивных слоев полупроводниковых приборов.
Следствием электрического перенапряжения могут быть электрические пробои, которые характерны для конденсаторов, переходных штепсельных разъемов, контактных групп реле, изоляции кабельных изделий. Нередки случаи, когда эффекты электрического пробоя и тепловой перегрузки происходят вместе, взаимно влияют друг на друга.
К обратимым изменениям относятся временные сбои в работе аппаратуры. Обратимые изменения, как правило, имеют место при коротких импульсных напряжениях, энергия которых недостаточна для появления необратимых изменений.
Стойкость изделий радиоэлектронной техники и электротехники к воздействию импульсных напряжений  (токов)  в значительной степени отличается друг от друга. Так, например, для повреждения транзисторов и диодов требуется энергия от 10^-1 до 10^-8 Дж, для реле различных типов от 10^-1 до 10^-3 Дж, для электродвигателей и трансформаторов - более  10 Дж. В целом стойкость аппаратуры к воздействию импульсных (напряжений)  зависит от стойкости комплектующих ее изделий.
По степени подверженности воздействию наведенных токов и напряжений радиоэлектронную и электротехническую аппаратуру условно разделяют на три группы:
  • высокочувствительную (устройства и приборы на микромодулях и микросхемах);
  • средней чувствительности (аппаратура, в состав которой входят слаботочные реле, электровакуумные приборы, транзисторы средней и большой мощности);
  • низкочувствительную (аппаратура электросилового оборудования, электродвигатели и трансформаторы, автоматы, контакторы, реле и другие коммутационные и защитные аппараты силовых распределительных сетей).
В общем случае воздействие на аппаратуру и ее отказы зависят от параметров электромагнитного импульса, стойкости самой аппаратуры, электрофизических характеристик грунта (проводимость, диэлектрическая и магнитная проницаемость, пробивное напряжение), характеристик кабельных изделий и антенно-фидерных устройств, подключенных к аппаратуре. Однозначно оценить роль каждого из этих факторов, как правило, не представляется возможным, так как они сложным образом связаны между собой. Поэтому оценивать воздействие электромагнитного импульса на радиоэлектронные и электротехнические системы объектов необходимо отдельно для каждого конкретного случая с комплексным учетом действия всех этих факторов.
Эффективным способом защиты радиоэлектронной и электротехнической аппаратуры является применение металлических экранов, которые в значительной мере снижают параметры электромагнитного импульса в экранированной полости. Электромагнитные поля могут появиться внутри экрана из-за диффузии внешних полей через стенки экрана, проникновения через неоднородности в экране (отверстия, щели и т. п.), а также за счет токов, заносимых внутрь экрана по металлопокровам внешних кабельных линий и с антенно-фидерных устройств.
В целях повышения эффективности защиты аппаратуры, расположенной внутри реальных экранов, применяют следующие меры:
  • отдельные части экрана соединяют сваркой, выполненной сплошным непрерывным швом;
  • металлические покрытия дверей в сооружениях электрически соединяют с основным экраном;
  • применяют специальные трубы (патрубки) для ввода кабельных линий в сооружения; при этом трубы приваривают к основному экрану;
  • металлопокровы кабельных линий и антенно-фидерных устройств соединяют с внешним контуром заземления сооруже­ния или экраном сооружения с внешней его стороны;
  • высокочувствительную аппаратуру размещают в центральной части экранированной полости;
  • вентиляционные отверстия в экране оборудуют электромагнитной защитой в виде металлических коробов (волноводов) или металлической сетки, устанавливаемой на входе в отверстия.
Для защиты аппаратуры, подключенной к внешним кабельным линиям и антенно-фидерным устройствам, устанавливают разрядники, дренажные катушки; применяют полупроводниковые стабилитроны (опорные диоды) для защиты высокочувствительной радиоэлектронной аппаратуры. Используют кабели с малым сопротивлением металлопокровов, прокладывают параллельно с кабельными линиями защитные тросы и другие способы защиты.
Наведенные токи и напряжения могут представлять опасность для личного состава, находящегося в соприкосновении с электропроводящими коммуникациями.
Для защиты личного состава от поражающего действия наведенных токов и напряжений наряду с общими мероприятиями по обеспечению электробезопасности необходимо принимать следующие дополнительные меры: покрывать полы рабочих помещений изоляционным материалом; применять рациональное заземление, обеспечивающее выравнивание потенциалов между частями электроустановок, металлоконструкций, стоек с аппаратурой, щитов, блоков и т. д., которых одновременно может касаться личный состав; строго соблюдать требования техники безопасности по эксплуатации импульсных электроразрядных установок при проведении работ, связанных с выполнением профилактических мероприятий и ремонтом аппаратуры и кабельных линий
Публикация материалов возможна при ссылке на http://gochs.info
© Сергей Кульпинов 2003
Яндекс.Метрика