Электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва


высотный ядерный взрыв и ЭМИ
Технологии в 21 веке охватывают все аспекты нашей жизни сегодня. Большинство из них используют микропроцессорную электронику. По мере движения прогресса ей доверяют контроль над важными критическими функциями безопасности с экспоненциальной скоростью. Несмотря на все очевидные преимущества, уязвимость электроники перед электромагнитными импульсами остается большой проблемой.

Электромагнитный импульс (ЭМИ) определяется как мощный, короткий (широкополосный) импульс электромагнитной энергии, который оказывает разрушительное воздействия на незащищенное электронное оборудование и системы. ЭМИ исторически известен как один из поражающих факторов ядерного взрыва на больших высотах (ВЯВ). Первое знакомство ученых с таким ЭМИ произошло в США в 1958 году во время серии высотных атмосферных испытаний. Во время детонации ядерного заряда под названием «Starfish Prime» над Тихим океаном в 800 милях от Гавайев. Несмотря на то, что расстояние до взрыва было настолько велико, что физическое его обнаружение на земле не представлялось возможным, взрыв вызвал сильный электромагнитный импульс, который распространялся на на расстояния, намного превышающее ударную волна и другие взрывные эффекты. В результате электромагнитный импульс вывел из строя радиостанции, повредил электрооборудование и даже выключил уличные фонари на Гавайях.


комптоновское рассеяние ЭМИ
Объяснение физики, лежащей в основе создания ЭМИ, выходит за рамки данной статьи, но может быть упрощено до следующей последовательности событий:

Ядерный заряд доставляют на определенную высоту и взрывают.

Во время взрыва гамма-излучение (фотоны высоких энергий) быстро высвобождаются во всех направлениях от взрыва.

Это гамма-излучение взаимодействует с молекулами воздуха в земной атмосфере, ионизируя ее и высвобождают электромагнитную энергию. Этот процесс взаимодействия называется «эффектом Комптона».


электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва
Когда испускаемый фотон гамма-излучения сталкивается с атомом в атмосфере, он передает импульс электрону в основном состоянии атома, находящегося на пути излучения, и выбивают его. Эти электроны «электроны Комптона» движутся с более высокой скоростью, чем соответствующий ему положительный заряд оставшегося атома,быстро увеличивая расстояние разделения заряда. Предполагается, что это время разделения определит время нарастания ЭМИ до пикового напряжения (фронт импульса). Электроны в атомах быстро перераспределяются, чтобы минимизировать энергию «электронов Комптона». Время их рекомбинации определяет время спада электромагнитного импульса. Типовые времена нарастания фронта импульса могут составлять от 2 до 10 наносекунд, а длительности ЭМИ от 100 нс до 20 мкс. Эти времена показывают, что энергия рассеивается в широком спектре, однако, большая часть энергии импульса находится в частотном спектре 10 МГц-100 МГц, который считается наиболее критичным для большинства микропроцессорных устройств, поскольку является их рабочим диапазоном. Наводимое напряжение при этом может достигать 100 кВ. Радиус экспозиции (поражения) ЭМИ ВЯВ определяется тремя основными элементами:

1: высота взрыва,

2: мощность взрыва

3: тип взрывчатого вещества (кинетическая энергия).


Область поражения ЭМИ выстоного ядерного взрыва
В общем случае, чем выше взрыв, тем больше область поражения. Размер и тип взрыва будут определять амплитуду ЭМИ. Теоретически размер области поражения ЭМИ ограничен только кривизной планеты (горизонтом). Чтобы лучше понять масштабы этой теории, было высказано предположение, что если бы ядерный взрыв эквивалентом 100 мегатонн был бы произведен на высоте примерно 300 миль (482 км) над центром США, область поражения распространилась бы всю страну.

Каков риск ядерной электромагнитной атаки? Договор о нераспространении ядерного оружия от 1970 года, введенный для ограничения распространения ядерного оружия, в настоящее время включает 189 государств, 5 из которых признаны государствами, обладающими ядерным оружием: США, Россия, Великобритания, Франция и Китай. Эти государства составляют пять постоянных членов Совета Безопасности ООН. Однако, четыре государства, обладающие ядерным оружием, не являются участниками договора: Индия, Пакистан, Израиль и Северная Корея. Израиль требует двусмысленности в отношении своей программы ядерного оружия, в то время как Северная Корея присоединилась к этому договору, нарушила его и вышла из него в 2003 году. Договор о всемирном запрете ядерных испытаний ограничивает все ядерные взрывы во всех средах для военных или гражданских целей. Он был принят Организацией Объединенных Наций 10 сентября 1996 года. Специалисты в области вооружения сходятся во мнениях, что риски электромагнитных атак в будущем будут расти.

В более мелких масштабах высокоэффективные неядерные технологии ЭМИ постепенно развиваются во всем мире. Эти технологии в настоящее время используются вооруженными силами многих стран, а также государственными и местными полицейскими управлениями. Энергетическое воздействие электромагнитного оружия перемещается к цели со скоростью света и способно оказывать влияние на электронику, начиная от сбоев аппаратуры, подавления связи, заканчивая повреждениями и полным разрушением. Ярким примером таких технологий является генератор дугового разряда, к выходу которого подключен параболический рефлектор для направленного излучения. Другим примером являются взрывомагнитные генераторы, впервые продемонстрированные Кларенсом Фаулером в Лос-Аламосских национальных лабораториях в конце 50-х годов. Импульс высокой энергии в них получается в результате подрыва взрывной заряд внутри индукционной катушки, который быстро сжимает катушку, изменяя магнитный поток и создавая огромные напряжения на ее концах. Согласно сообщениям, ВМС США использовали оружие пульса FCG в часы открытия войны в Персидском заливе, чтобы эффективно уничтожить огромное количество иракской электроники, энергетики и телекоммуникационных систем быстро и эффективно. Развертывание оружия EMP мгновенно вызвало то, что известно как «Туман войны» (полная потеря связи между войсками и командами), которая опустошила эффективность противоборствующих сил и фактически закончила войну до ее начала.С созданием неядерного оружия с прямым энергетическим оружием и существующим использованием устройств на поле битвы, а также гражданских мирных ситуаций необходимость защиты электронного оборудования всегда высока.

Искровой СШП генератор с параболическим рефлектором
Бомба с МГД генератором ЭМИ
Согласно сообщениям ВМС США, такие бомбы использовали во время войны в Персидском заливе для эффективного уничтожения огромного количества иракской электроники, энергетики и телекоммуникационных систем. Развертывание электромагнитного импульсного оружия мгновенно привело к возникновению такого термина, как «Туман войны» - полная потеря связи между войсками и командами, которая препятствовала эффективным боевым действиям противника и фактически заканчивала войну до ее начала. С созданием неядерного ЭМИ оружия и повсеместным использованием электронных устройств на поле боя, а также в гражданских целях, необходимость защиты электронного оборудования остается одной из важнейших проблем. Военные США оценивают влияние электромагнитных импульсов на оборудование на протяжении последних 50 лет (в нашей стране меньше) и разработали принципы защитного проектирования и методы увеличения устойчивости электронных устройств к электромагнитным импульсам.

Стандарт США MIL-STD-461 содержит методику испытаний и уровни воздействий для определения восприимчивости оборудования к кондуктивным и излучаемым ЭМИ. Метод испытания RS105 MIL-STD-461 описывает испытания на устойчивость к электромагнитному импульсу ядерного взрыва, обычно применяемых для оборудования, установленного в открытых и частично открытых местах размещения. Военно-морские силы требуют проведения испытаний RS105 практически для каждой монтируемой платформы на палубах надводных кораблей и корпусах подводных лодок и самолетов. Импульсные характеристики RS105 вы можете найти в тексте стандарта MIL-STD-461 и "Библиотеке ЭМС". Применяемые при испытаниях напряженности поля составляют 50 кВ/м. Адаптация уровней полей для конкретного применения часто требуется для из-за эффектов ослабления, обеспечиваемых ограждениями, экранами, соседними установками. Испытания RS105 выполняется с помощью полосковых линий и импульсных генераторов (подробнее в статье СШП ЭМИ).