Допустим, началась ядерная война. Логично предположить, что среди прочих будут произведены воздушные ядерные взрывы с целью нанесения максимального урона посредством электромагнитного импульса. Что именно выйдет из строя у гражданского населения и насколько сильно это зависит от расстояния до эпицентра? Мне доводилось читать диаметрально противоположные суждения от «сгорит всё и вся» до «ничего особенного не произойдёт».
Предлагаю коллективно разобраться в этом вопросе. Думается, в наибольшей степени интересно, выдержат ли атаку следующие объекты: — линии электропередач — внутридомовые кабельные сети — аккумуляторы различных типов — полупроводниковые элементы — блоки питания, инверторы — системы зажигания в автомобилях — двигатели внутреннего сгорания, генераторы Как мне кажется, ответ на вопрос прежде всего зависит от того, какое напряжение и ток возникнут в цепях этих объектов.
Часть I. Исходные данные
Насколько мне известно, человечеством было произведено всего два эксперимента с целью выяснения урона от ЭМИ. В 1962 году США взорвали 1,4-мегатонную бомбу в Тихом океане.
Из известных эффектов — прервалась радиосвязь, вышла из строя проводная телефонная связь, на расстоянии 1300 км от эпицентра сработали системы охранной сигнализации, вышли из строя сети уличного освещения и системы зажигания у автомобилей. По последнему пункту не понятно, по какой причине.
Как видно из картинки, напряжённость э/магнитного поля с расстоянием плавно снижалась, но на огромных расстояниях!
Второй эксперимент провёл СССР чуть позже в том же году (300 кт).
Из тех немногих данных, что есть, интересны следующие: — напряжённость поля с расстоянием почему-то увеличивалась от 5 до 20 кВ. — сгорели телефонная линия и силовая подземная линия, причём даны данные о возникшей силе тока и длине линии — 570 км и 2500А
Другие картинки и много текста на английском — glasstone.blogspot.ru/2006/03/emp-radiation-from-nuclear-space.html
Если решать задачу совсем тупо, то есть формула: напряжённость поля = напряжение / длину проводника. Отсюда, зная напряжённость (см. картинки выше) и длину конкретных проводников, можно было бы вычислить напряжение. Но возникают какие-то миллионы вольт. Вероятно, направление проводника должно совпасть с направлением силовых линий поля — чего в реальности не бывает.
Тогда если подходить с другой стороны, то можно взять данные из советского эксперимента. Напряжённость поля в 15000 В/м даёт в каждом дополнительном метре проводника силу тока в 4,4 милиампера (2500/570000). Это довольно мало. Скажем, на петле трансформатор — загородный дом длиной около 2000 метров это даст всего лишь 9 ампер — как чайник включить, ни о чём.
С другой стороны, по сети гуляет труд к.т.н. полковника Д. Фигуровского, в котором тот отмечает (https://forums.airbase.ru/2013/10/t27117—elektromagnitnyj-impuls-yadernogo-vzryva.6365.html ): «Теоретически рассчитано и экспериментально подтверждено, что токи, наводимые ЭМИ в наземных и заглубленных кабелях электропитания протяженностью в сотни и тысячи километров, могут достигать тысяч ампер, а напряжения, возникающие в разомкнутых цепях таких кабелей, — миллионов вольт. В антенных вводах, длина которых не превышает десятков метров, наводимые ЭМИ токи могут иметь силу в несколько сотен ампер. ЭМИ, проникающий непосредственно через элементы сооружений из диэлектрических материалов (не экранированные стены, окна, двери и т.п.), может наводить во внутренней электропроводке токи силой в десятки ампер. Токи, наводимые в обшивке самолета и выпускаемой антенне сверхдлинноволновой связи, могут составлять до 1000А, что приводит к возникновению токов во внутренней бортовой сети силой 1 — 10 А.»
Т.е. для ЛЭП максимум 10А на 1 км (10 мА на 1 м) (похоже на 4,4 мА из эксперимента) Для антенн: максимум 10А на 1м Для внутренней проводки (тут неясна длина): около 0,1 А — 1 А на 1м
Как видно, разница — на порядки, что затрудняет дальнейшие изыскания
II. Промежуточные выводы
1. Что в эпицентре взрыва, что на расстоянии в сотни километров значение напряжённости отличается лишь в 2-3 раза. Достаточно одного подрыва над Москвой, чтобы накрыть эффектом всю европейскую часть России. Поэтому прятать электронику на даче подальше от города смысла нет. 2. Линии электропередач гальванически развязаны с местными линиями, от которых питаются загородные дома с помощью трансформатора. Поэтому если высоковольтные ЛЭП и сгорят, то местным вряд ли что-то грозит — длина мала. Кроме того, недавно реконструированные защищаются грозовыми разрядниками, которые способны нивелировать скачок напряжения до нескольких тысяч вольт. 3. Даже если в проводке в домах возникнут токи 10-100А к порче самой проводки это никак не приведёт. Кроме того, сработают автоматы защиты. Но кое-что, конечно, сгореть может. Скажем, если у Вас на линии автомат 16А, включена только лампочка 100 ватт, а в результате ЭМИ через неё потекло ещё 10А, то она перегорит. С другими бытовыми приборами включённым в сеть точно сказать нельзя. Мощные потребители, защищённые автоматом небольшого номинала не сгорят (например, работающая 2000-ваттная болгарка или чайник под автоматом 16А). 4. Рации с антеннами могут сгореть вне зависимости от того, вынуты аккумуляторы или нет
Часть III. Аккумуляторы, полупроводники, автомобили
С этими вещами неопределённость выше.
1. Аккумуляторы, невключённые в сеть, останутся в порядке. Те, что в сеть включены могут получить в домовой сети десятки ампер, в результате чего перегреются и испортятся (взорвутся?) 2. В электродвигателях, генераторах, блоках питания (и всё прочее, содержащее трансформаторы, дроссели, катушки индуктивности на магнитных сердечниках) возможны временные неполадки — до 30 минут (https://gochs.info/p0967.htm ) 3. По полупроводникам я не специалист совсем, приведу цитату: «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.»
В общем, если прибор, содержащий полупроводники был воткнут в сеть, а автоматическая защита не сработала, то, похоже, всё сгорит. В том числе зарядки для мобильников, блоки питания, инверторы. С другой стороны, если это всё лежало не воткнутым в розетку, то должно сохраниться в исправности.
4. Автомобили. Тут неясно. С одной стороны, современные автомобили содержат электронику. Но длина проводов в автомобиле не такая уж большая, к тому же какой-никакой экран. С другой стороны, на Гавайях автомобили не заводились после ЭМИ, хотя тогда ещё никакой электроники в них быть не могло. Вопрос остаётся открытым: что именно там вышло из строя?
Общий вывод
1. Центральное электроснабжение прервётся на очень долгий срок 2. Внутренние сети и даже поселковые сети можно будет использовать, запитав от генераторов 3. Если Вы что-то хотите сохранить (кроме раций с антеннами) — не нужно строить металлический ящик, достаточно отключить питание.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬС ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА И ЗАЩИТА ОТ НЕГО
Поражающее действие электромагнитного импульса (ЭМИ) обусловлено возникновением наведённых напряжений и токов в различных проводниках. Действие ЭМИ проявляется, прежде всего, по отношению к электрической и радиоэлектронной аппаратуре. Наиболее уязвимы линии связи, сигнализации и управления. При этом может произойти пробой изоляции, повреждение трансформаторов, порча полупроводниковых приборов и т. п. ИСТОРИЯ ВОПРОСА И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗНАНИЙ В ОБЛАСТИ ЭМИ
Для того, чтобы понять всю сложность проблем угрозы ЭМИ и мер по защите от нее, необходимо кратко рассмотреть историю изучения этого физического явления и современное состояние знаний в этой области.
То, что ядерный взрыв будет обязательно сопровождаться электромагнитным излучением, было ясно физикам-теоретикам еще до первого испытания ядерного устройства в 1945 году. Во время проводившихся в конце 50-х — начале 60-х годов ядерных взрывов в атмосфере и космическом пространстве наличие ЭМИ было зафиксировано экспериментально.Однако количественные характеристики импульса измерялись в недостаточной степени, во-первых, потому что отсутствовала контрольно-измерительная аппаратура, способная регистрировать чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, существующее чрезвычайно короткое время (миллионные доли секунду), во-вторых, потому что в те годы в радиоэлектронной аппаратуре использовались исключительно электровакуумные приборы, которые мало подвержены воздействию ЭМИ, что снижало интерес к его изучению.
Создание полупроводниковых приборов, а затем и интегральных схем, особенно устройств цифровой техники на их основе, и широкое внедрение средств в радиоэлектронную военную аппаратуру заставили военных специалистов по иному оценить угрозу ЭМИ. С 1970 года вопросы защиты оружия и военной техники от ЭМИ стали рассматриваться министерством обороны как имеющие высшую приоритетность.
Механизм генерации ЭМИ заключается в следующем. При ядерном взрыве возникают гамма и рентгеновское излучения и образуется поток нейтронов. Гамма-излучение, взаимодействуя с молекулами атмосферных газов, выбивает из них так называемые комптоновские электроны. Если взрыв осуществляется на высоте 20-40 км., то эти электроны захватываются магнитным полем Земли и, вращаясь относительно силовых линий этого поля создают токи, генерирующие ЭМИ. При этом поле ЭМИ когерентно суммируется по направлению к земной поверхности, т.е. магнитное поле Земли выполняет роль, подобную фазированной антенной решетки. В результате этого резко увеличивается напряженность поля, а следовательно, и амплитуда ЭМИ в районах южнее и севернее эпицентра взрыва. Продолжительность данного процесса с момента взрыва от 1 — 3 до 100 нс.
На следующей стадии, длящейся примерно от 1 мкс до 1 с, ЭМИ создается комптоновскими электронами, выбитыми из молекул многократно отраженным гамма-излучением и за счет неупругого соударения этих электронов с потоком испускаемых при взрыве нейтронов.
Интенсивность ЭМИ при этом оказывается примерно на три порядка ниже, чем на первой стадии.
На конечной стадии, занимающей период времени после взрыва от 1 с до нескольких минут, ЭМИ генерируется магнитогидродинамическим эффектом, порождаемым возмущениями магнитного поля Земли токопроводящим огненным шаром взрыва. Интенсивность ЭМИ на этой стадии весьма мала и составляет несколько десятков вольт на километр.
Наибольшую опасность для радиоэлектронных средств представляет первая стадия генерирования ЭМИ, на которой в соответствии с законом электромагнитной индукции из-за чрезвычайно быстрого нарастания амплитуды импульса (максимум достигается на 3 — 5 нс после взрыва) наведенное напряжение может достигать десятков киловольт на метр на уровне земной поверхности, плавно снижаясь по мере удаления от эпицентра взрыва.
Амплитуда напряжения, наводимого ЭМИ в проводниках, пропорциональна длине проводника, находящегося в его поле, и зависит от его ориентации относительно вектора напряженности электрического поля. Так, напряженность поля ЭМИ в высоковольтных линиях электропередачи может достигать 50 кВ/м, что приведет к появлению в них токов силой до 12 тыс.ампер.
ЭМИ генерируются и при других видах ядерных взрывов — воздушном и наземном. Теоретически установлено, что в этих случаях его интенсивность зависит от степени ассимметричности пространственных параметров взрыва. Поэтому воздушный взрыв с точки зрения генерации ЭМИ наименее эффективен. ЭМИ наземного взрыва будет иметь высокую интенсивность, однако она быстро уменьшается по мере удаления от эпицентра.
Поскольку слаботочные цепи и радиоэлектронные приборы нормально действуют при напряжениях в несколько вольт и токах силой до нескольких десятков миллиампер, то для их абсолютно надежной защиты от ЭМИ требуется обеспечить снижение величины токов и напряжений в кабелях, до шести порядков.
ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ЗАЩИТЫ ОТ ЭМИ
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 волоконно-оптическим. 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 и 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 отличии 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 органичения массо-габаритных характеристик устройства защиты.
Клетка Фарадея — устройство для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей. Обычно представляет собой заземлённую клетку, выполненную из хорошо проводящего материала.
Принцип работы клетки Фарадея очень простой — при попадании замкнутой электропроводящей оболочки в электрическое поле свободные электроны оболочки начинают двигаться под воздействием этого поля. В результате противоположные стороны клетки приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле.
Клетка Фарадея защищает только от электрического поля. Статическое магнитное поле будет проникать внутрь. Изменяющееся электрическое поле создаёт изменяющееся магнитное, которое, в свою очередь, порождает изменяющееся электрическое. Поэтому если с помощью клетки Фарадея блокируется изменяющееся электрическое поле, то изменяющееся магнитное поле генерироваться также не будет.
Однако в области высоких частот действие такого экрана основано на отражении электромагнитных волн от поверхности экрана и затухании высокочастотной энергии в его толще вследствие тепловых потерь на вихревые токи.
Способность клетки Фарадея экранировать электромагнитное излучение определяется: толщиной материала, из которого она изготовлена; глубиной поверхностного эффекта; соотношением размеров проёмов в ней с длиной волны внешнего излучения. Для экранировки кабеля необходимо создать клетку Фарадея с хорошо проводящей поверхностью по всей длине экранируемых проводников. Для того чтобы клетка Фарадея эффективно работала, размер ячейки сетки должен быть значительно меньше длины волны излучения, защиту от которого требуется обеспечить. Принцип действия устройства основан на перераспределении электронов в проводнике под воздействием электромагнитного поля.
Электромагнитное излучение
Электромагнитный импульс.
Ядерные взрывы в атмосфере и в более высоких слоях приводят к возникновению мощных электромагнитных полей с длиной волн от 1 до 1000 м и более. Эти поля ввиду их кратковременного существования принято называть электромагнитным импульсом ( ЭМИ ).
Поражающее действие ЭМИ обусловлено возникновением напряжений и токов в проводниках различной протяжённости, расположенных в воздухе, земле, на технике и других объектах. Основной причиной генерации ЭМИ длительностью менее 1 сек. считают взаимодействие гамма-квантов и нейтронов с газом во фронте ударной волны и вокруг него. Важное значение имеет также возникновение асимметрии в распределении пространственных электрических зарядов, связанных с особенностями распространения гамма-излучения и образования электронов.
При наземном или низком воздушном взрыве гамма-кванты, испускаемые из зоны протекания ядерных реакций, выбивают из атомов воздуха быстрые электроны, которые летят в направлении движения гамма-квантов со скоростью, близкой к скорости света, а положительные ионы ( остатки атомов ) остаются на месте.
В результате такого разделения электрических зарядов в пространстве образуются элементарные и результирующие электрические и магнитные поля ЭМИ. При наземном и низком воздушном взрывах поражающее воздействие ЭМИ наблюдается на расстоянии порядка нескольких километров от эпицентра взрыва.
При высотном ядерном взрыве ( H> 10 км.) могут возникать поля ЭМИ в зоне взрыва и на высотах 20 – 40 км. от поверхности земли. ЭМИ в зоне взрыва возникает за счёт быстрых нейтронов, которые образуются в результате взаимодействия гамма-квантов ядерного взрыва с материалом оболочки боеприпаса и рентгеновского излучения с атомами окружающего разреженного воздушного пространства. Испускаемое из зоны взрыва гамма-излучение в направлении поверхности земли начинает поглощаться в более плотных слоях атмосферы на высотах 20 – 40 км., выбивая из атомов воздуха быстрые электроны. В результате разделения и перемещения положительных и отрицательных зарядов в этой области и в зоне взрыва, а также при взаимодействии зарядов с геомагнитным полем Земли возникает электромагнитное излучение, которое достигает поверхности земли в зоне радиусом до нескольких сотен километров.
Электрические и магнитные поля ЭМИ в роли поражающего фактора характеризуется напряжённостью поля. По форме импульс ЭМИ представляет собой быстрозатухающий колебательный процесс с несколькими квазиполупериодами. Напряжённость электрического и магнитного полей зависит от мощности, высоты взрыва, расстояния от центра взрыва и свойств окружающей среды.
Поражающее действие ЭМИ.
Проявляется прежде всего по отношению к радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре. Под действием ЭМИ в аппаратуре наводятся электрические токи и напряжения, которые приводят её к выходу из строя. Наиболее подвержены воздействию ЭМИ линии связи, сигнализации и управления. Если ядерные взрывы произойдут вблизи линий энергоснабжения, связи, имеющих большую протяжённость, то наведённые в них напряжения могут распространяться по проводам на многие километры и вызвать повреждение аппаратуры и поражение людей, находящихся на безопасном удалении по отношению к другим поражающим факторам ядерного взрыва.
Высотный взрыв способен создавать помехи в работе средств связи на очень больших площадях
Когда величина ЭМИ недостаточна для повреждения приборов или отдельных деталей, то возможно срабатывание средств защиты ( плавких вставок, грозоразрядников ) и нарушение работоспособности линий.
