Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния проблемы испытаний и выбор направлений исследований стойкости бортовых цифровых вычислительных машин при воздействии мощных импульсных электромагнитных полей 10
1.1 Анализ состояния работ по разработке национальных и международных стандартов по импульсным электромагнитным полям 10
1.1.1 Международные и национальные стандарты по мощным импульсным электромагнитным полям 11
1.1.2 Сравнение параметров электромагнитного импульса ядерного взрыва и полей источников природного и техногенного происхождения 26
1.2 Динамика развития БЦВМ комплекса «Аргон» 28
1.3 Общая характеристика БЦВМ как объектов, подверженных воздействию мощных электромагнитных полей 31
1.4 Анализ современных методов оценки стойкости объектов к электромагнитным полям 32
1.4.1 Расчетные методы 32
1.4.2 Экспериментальные методы 33
1.4.3 Расчетно - экспериментальные методы 34
1.5 Анализ методов и результатов испытаний технических средств на воздействие ЭМИ различных источников 35
1.6 Выбор направлений исследований и постановка задач 41
Глава 2 Обоснование требований к бортовым цифровым вычислительным машинам по стойкости к электромагнитным полям и требований к методам и средствам испытаний: 43
2.1 Требования к БЦВМ в условиях воздействия импульсных электромагнитных полей 43
2.1.1 Требования для бортового авиационного оборудования в условиях электромагнитных воздействий 44
2.1.2 Требования к параметрам внешних электромагнитных полей 48
2.1.3 Требования к параметрам внутренних электромагнитных полей при воздействии на объект электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва 49
2.1.4 Требования к параметрам испытательных импульсов тока и напряжения при воздействии электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва 50
2.1.5 Требования по эффективности экранирования 51
2.2 Требования к методам и средствам испытаний БЦВМ 53
2.3 Требования к метрологическому обеспечению испытаний БЦВМ 56
2.4 Требования к конструктивным и эксплуатационным характеристикам средств измерений и генерирования полей 60
Глава 3 Численные методы оценки воздействия мощных импульсных электромагнитных полей на типовые элементы бортовых цифровых вычислительных машин 64
3.1 Обоснование численных методов расчета токов в проводниках в условиях воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей 64
3.2 Физико-математическая модель взаимодействия электромагнитного поля с проводящими объектами 70
3.3 Сравнение расчетных и экспериментальных данных воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов на интегральные микросхемы и кабельные линии 76
3.4 Разработка расчетных методик оценки эффективности экранирования 82
3.5 Рекомендации по экранированию печатных плат БЦВМ в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех 93
Глава 4 Программа, методики и результаты экспериментальных исследований стойкости бортовых цифровых вычислительных машин к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов 103
4.1 Методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований 104
4.1.1 Выбор БЦВМ и средств воспроизведения сверхкоротких импульсных электромагнитных полей для проведения экспериментальных исследований стойкости 104
4.1.2 Программа проведения эксперимента 107
4.1.3 Методики экспериментальных исследований 110
4.2 Разработка программы - методики проведения экспериментальных исследований стойкости БЦВМ к воздействию мощных сверхкоротких импульсных электромагнитных полей 111
4.3 Результаты экспериментальных исследований устойчивости и стойкости БЦВМ в условиях воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей 116
4.4 Разработка программы по обеспечению стойкости БЦВМ к воздействию электромагнитных полей различных источников 121
Заключение 136
Список использованных источников 139
- Динамика развития БЦВМ комплекса «Аргон»
- Требования к методам и средствам испытаний БЦВМ
- Физико-математическая модель взаимодействия электромагнитного поля с проводящими объектами
- Результаты экспериментальных исследований устойчивости и стойкости БЦВМ в условиях воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей
Введение к работе
В последние годы появились новые стационарные и подвижные генераторы, излучающие периодические и однократные сверхширокополосные электромагнитные импульсы. Такие устройства обладают новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников преднамеренных помех - широкой полосой частот и большой амплитудой излучаемых электромагнитных полей. Одной из возможных областей применения таких излучателей является функциональное поражение электронных компонентов телекоммуникационных, информациошю-управляющих систем различного назначения. Уровни плотности потоков электромагнитного излучения этих генераторов таковы, что могут приводить к сбоям в работе радиоэлектронной аппаратуры, а в ряде случаев, к отказам. Кроме того, электронные компоненты, такие как микропроцессоры, память и программируемая логика (ПЛИС), содтавляющие сегодня основную часть используемых элементов, работают на высоких частотах и низких напряжениях и, таким образом, становятся все более восприимчивыми к электромагнитным излучениям.
Данные тенденции в развитии генераторов мощных электромагнитных полей обуславливают необходимость проведения исследований, направленных на обеспечение стойкости бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ) к электромагнитным воздействиям.
Современные БЦВМ занимают особое место в автоматизированных системах управления (АСУ) и контроля, а проблема обеспечения стойкости является одной из сложнейших задач, решаемых при проектировании таких систем. Сложность задачи многократно увеличивается при размещении АСУ в ограниченном пространстве на борту космического, авиационного либо мобильного объекта, сбои и отказы аппаратуры в котором, как правило, не допускаются, так как приводят к необратимым последствиям. В связи с этим, оценка стойкости БЦВМ к воздействию мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) является исключительно актуальной, поскольку БЦВМ - центральное звено АСУ, во многом определяющее тактико-технические характеристики объектов. Тем более, что за последнее десятилетие произошло качественное переоснащение отечественных систем управления современной вычислительной техникой, а устойчивость их к мощным ЭМИ, с учётом значительного роста уровня интеграции элементной базы, стремительно падает.
Международной электротехнической комиссией (МЭК) установлена следующая классификация электромагнитных явлений:
электромагнитные помехи малой энергии (Е до 100 В/м);
мощные электромагнитные поля (Е свыше 100 В/м). Применительно к БЦВМ, наибольшую опасность представляют мощные
импульсные электромагнитные поля и, в частности, сверхкороткий электромагнитный импульс. С точки зрения проектирования, повышение стойкости оборудования для защиты от воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов (СК ЭМИ) представляет собой целую техническую проблему. Это приводит к тому, что в современных условиях проблема воздействия мощных
электромагнитных импульсов на БЦВМ, средства связи и управления становится одной из ключевых.
Поэтому, особенно актуально, на настоящий момент, стоит вопрос о защите БЦВМ от воздействия мощных импульсных электромагнитных полей. При воздействии СК ЭМИ снижается эффективность применяемых экранов, усиливается проникновение электромагнитных полей через неоднородности в корпусах и амплитуды наведенных токов и напряжений в бортовой кабельной сети, в проводниках, расположенных вне экранов достигают больших значений, что приводит к ложным срабатываниям или отказам аппаратуры.
С учетом изложенного следует, что в настоящее время электромагнитные помехи большой энергии являются новой серьезной угрозой для БЦВМ.
Проблема оценки и обеспечения стойкости БЦВМ к воздействию мощных СК ЭМИ представляет собой сложный многоэтапный процесс. По данной проблеме в нашей стране и за рубежом можно выделить следующие направления исследований:
методы расчета параметров электромагнитного импульса;
исследование воздействия ЭМИ на БЦВМ с учетом условий эксплуатации и конструктивных особенностей объекта применения;
разработка методов расчета воздействия ЭМИ на БЦВМ и установление перечня параметров, определяющих поражающее действие ЭМИ;
разработка методов и средств воспроизведения воздействия ЭМИ с целью определения критических электромагнитных нагрузок на элементы БЦВМ;
- разработка методов и средств защиты от воздействия ЭМИ.
Проблема стойкости технических средств к воздействию ЭМИ решается
сегодня благодаря усилиям ряда научных коллективов. В результате проведенных исследований в значительной степени выяснена природа формирования полей, разработаны физические модели и математические методы расчета параметров ЭМИ. Это позволило НИУ, техническому комитету Госстандарта РФ и международной электротехнической комиссии обобщить результаты исследований и сформировать требования по оценке стойкости к ЭМИ высотного ядерного взрыва и сверхширокополосного ЭМИ объектов гражданского назначения. Работа в этом направлении завершилась согласованием с 18 государствами - членами МЭК, разработкой и изданием серии стандартов МЭК - 61000.
Об актуальности данного направления работ свидетельствует также программа перспективных работ МЭК на 2009-2012г.г. В направлениях дальнейших работ рассматриваются предложения и рабочие проекты, представляющие интерес для решения практических задач: методы и средства расчета воздействия ЭМИ на системы, методы и средства измерений ЭМИ, испытания объектов на воздействие ЭМИ в широком диапазоне частот и амплитуд.
На этой основе, практически параллельно, велись исследования механизмов взаимодействия ЭМИ с объектами различного назначения. Для этого использовались теоретические и экспериментальные методы. Были достигнуты определенные успехи в решении задач анализа стойкости различных систем, создании методов измерений и экспериментальной проверки методик расчета, наведенных ЭМИ токов и напряжений в кабельных линиях, экранах и антеннах. Крупный вклад в эту проблему внесли ученые: Балюк Н.В., Мырова Л.О.,
Кечиев Л.Н., Соколов А. А., Сахаров К.Ю., Степанов П.В., Михеев О.В., Туркин В.А., Кириллов В.Ю., Фоминич Э.Н., Тухас В.А., Комягин СИ., Кро-халев Д.И. и др. и цикл исследований, выполненных в ФГУ 12 ЦНИИ МО, ВИТУ, ФГУП «МНИРТИ», ФГУП «ВНИИОФИ», МИЭМ, НИИ «АРГОН», МАИ.
Среди специалистов, внесших большой вклад в создание БЦВМ, известные в стране и за рубежом специалисты в области вычислительной техники: д.т.н. Крутовских С.А., д.т.н. Карасик В.М, к.т.н. Штейнберг В.И., к.т.н. Еремин А.Т., Ларионов A.M., Пржиялковский В.В., Власов Ф.С., Шпиев В.А. и др.
Анализ состояния исследований за рубежом, проведенный автором, свидетельствует, что научные организации США, Франции, Германии, Индии, Китая и др. стран уделяют этому вопросу также большое внимание: имеются модели взаимодействия ЭМИ с техническими средствами и методы расчета, доведенные до машинных программ (применительно к системам связи различных гражданских объектов).
Таким образом, в настоящее время получены определенные научные результаты по отдельным направлениям оценки стойкости технических средств.
В то же время, оценка стойкости сложных структурно-разветвленных систем, какими являются, в частности, БЦВМ представляют практически малоисследованную научную задачу. Систематизация и обобщение этих результатов, которые бы определили методологию оценки стойкости бортовых вычислительных машин к воздействию мощных электромагнитных полей с учетом требований международных стандартов, прогноза параметров воздействия, средств защиты до сих пор отсутствует. Кроме того, существующие ориентировочные методы оценки воздействия сверхкороткого импульсного электромагнитного поля не позволяют проводить достоверную оценку воздействия СК ЭМИ на БЦВМ. Это в значительной мере обусловлено отсутствием совершенных методов расчета воздействия СК ЭМИ на системы БЦВМ и экспериментальных исследований стойкости.
Таким образом актуальность поставленной задачи определяется:
необходимостью создания и совершенствования БЦВМ, соответствующих современным требованиям к устойчивости их в условиях воздействия мощных ЭМИ;
слабой теоретической и экспериментальной изученностью воздействия сверхкоротких электромагнитных полей на БЦВМ и ее элементы;
отсутствием рекомендаций по техническим средствам защиты оборудования БЦВМ от СК ЭМИ.
Именно все это и определило важность и практическую значимость решаемой в диссертации научно-технической задачи - разработка методов оценки стойкости БЦВМ в условиях воздействия преднамеренных СК ЭМИ.
Объектами исследования в работе выбраны БЦВМ, разработанные в НИИ «Аргон», которые сегодня вообще не исследованы на воздействие СК ЭМИ. Выбранные БЦВМ являются наиболее перспективными для использования в авиационных и космических комплексах при решении задач управления и контроля.
Цель и задачи исследований
Основной целью диссертационной работы является обеспечение стойкости бортовых вычислительных машин в условиях воздействия преднамеренных мощных сверхкоротких электромагнитных импульсов.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
Анализ состояния-работ по разработке национальных и международных стандартов в части задания требований к техническим средствам по параметрам мощных ЭМИ, методам и средствам испытаний.
Обобщение существующих методов и средств оценки стойкости БЦВМ к воздействию ЭМИ.
Обоснование требований к БЦВМ по стойкости к электромагнитным факторам, средствам измерений и генерации СК ЭМИ для проведения исследований воздействия полей на БЦВМ.
Совершенствование математической модели, для оценки воздействия СК ЭМИ на типовые элементы БЦВМ.
Разработка методического обеспечения испытаний БЦВМ с помощью излучателей сверхкоротких электромагнитных импульсов с целью оценки воздействия СК ЭМИ на БЦВМ.
Проведение экспериментальных исследований устойчивости и стойкости БЦВМ к воздействию сверхкоротких ЭМИ.
Разработка программы обеспечения стойкости и рекомендаций по защите БЦВМ от воздействия СК ЭМИ.
Методы исследований
При решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования, принципы математического моделирования и теория электромагнитного поля.
На защиту выносятся:
Требования к БЦВМ в условиях воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей.
Результаты расчета взаимодействия внешнего импульсного электромагнитного поля с системой линейных проводников и экранами.
Методики испытаний современных БЦВМ в полях излучателей сверхкоротких электромагнитных импульсов.
Результаты экспериментальных исследований воздействия мощных ЭМИ на БЦВМ с учетом их конструктивных особенностей.
Программа и технические решения по обеспечению стойкости БЦВМ в сложной электромагнитной обстановке.
Научная новизна
Получены следующие основные научные результаты:
1. Обоснованы методы расчета воздействия ЭМИ на БЦВМ, позволяющие оценивать электромагнитную обстановку внутри и вне реального объекта, прогнозировать характеристики воздействия СК ЭМИ на БЦВМ различного назначения.
Разработаны методики проведения испытаний БЦВМ в условиях воздействия СК ЭМИ.
Получены новые экспериментальные данные по устойчивости и стойкости БЦВМ к воздействию СК ЭМИ.
Разработаны научно-обоснованные мероприятия по повышению стойкости БЦВМ к намеренным силовым электромагнитным воздействиям.
Практическая значимость работы состоит:
В уточнении расчетных методик по оценке воздействия ЭМИ на кабельные линии и экраны БЦВМ.
В новых результатах экспериментальных исследований воздействия импульсных электромагнитных полей на БЦВМ, позволяющие определять предельные значения уровней полей и частот повторения импульсов, при которых сохраняется нормальное функционирование БЦВМ.
В разработке практических рекомендаций по защите БЦВМ от СК ЭМИ, на основе которых обеспечивается требуемая стойкость БЦВМ в сложной электромагнитной обстановке.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается:
корректностью использования математического аппарата, методов испытаний и современных средств измерений;
апробацией и публикациями основных результатов исследований;
согласованностью полученных априорных результатов с экспериментальными данными;
сравнением полученных данных с результатами других исследований;
результатами внедрения разработанных методов и рекомендаций в практику.
Реализация и внедреппе результатов работы:
Основные теоретические и практические результаты диссертации реализованы при непосредственном участии автора при разработке унифицированных БЦВМ информационно-управляющих систем авиационных объектов в ОКР «Конверт», «Форейтор» и «Окно», вычислительной системы телекоммуникационных спутников серии «Ямал», средств комплексирования бортовой системы управления космического аппарата «Фобос-грунт».
Разработанные методики, программы, технические решения нашли практическое применение в НПО «ОРИОН», НТЦ «Модуль», НПО «Полет», ФГУП «НИИТ» при разработке стойких к воздействию СК ЭМИ перспективных систем, а также при разработке технических заданий на создание БЦВМ нового поколения. Использование результатов данной работы позволило повысить показатели стойкости БЦВМ к воздействию мощных ЭМИ на этапах проектирования и разработки современных вычислительных комплексов.
Результаты диссертационной работы также внедрены в учебный процесс Московского института электроники и математики на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» по дисциплине «Сверхширокополосные импульсные электромагнитные воздействия на РЭС ».
В деле имеется Акты о внедрении полученных автором
результатов.
Апробация работы
Работа в целом и отдельные ее результаты опубликованы в виде статей в научно-технических журналах по проблеме ЭМИ, докладывались и обсуждались на: 10-ой Российской НТК «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность», г. С.-Петербург, 2008г.; НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2008г.; 6 международной конференции по информационным и телекоммуникационным технологиям в интеллектуальных системах, Греция, 2-6 июня 2008г.; научно-технических семинарах кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МГИЭМ с 2007г. по 2009г.;
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано 16 научных работ, в том числе 6 статей в журнале ТЭМС, включенного в перечень ведущих журналов и изданий ВАК РФ. Получено 2 патента по теме диссертации: № 2132598 от 20.08.98г., № 2138931 от 09.10.98г.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 42 рисунка. Список литературы включает 87 наименований.
Динамика развития БЦВМ комплекса «Аргон»
С середины 60-х г.г. основным направлением деятельности института становится проектирование бортовых ЭВМ и комплексов, размещаемых на наземных подвижных объектах и летательных аппаратах. Первые БЦВМ строились на гибридных схемах. В их числе первая отечественная БЦВМ с троированием аппаратуры "Аргон-ПС" для космического аппарата "Зонд", совершившего облет Луны; "Аргон-1" для мобильных наземных систем, использованная в дальнейшем в составе 70 оборонных объектов; двухмашинный вычислительный комплекс "Аргон-12А" и БЦВМ "Аргон-12С" для орбитальных космических станций и возвращаемых аппаратов программы "Алмаз".
Накопленный опыт и использование в последующих разработках ИС с планарными выводами и высоконадежных многослойных печатных плат, изготавливаемых методом послойного наращивания, позволили в первой половине 70-х г.г. создать БЦВМ "Аргон-15, БЦВК «Аргон-16», БЦВМ «Аргон-17А", ставшие по некоторым характеристикам и масштабам применения заметным достижением не только отечественной, но и мировой бортовой ВТ.
БЦВМ "Аргон-15" - базовое изделие для ВВС и сухопутных войск. Она нашла применение в десятках систем, в том числе в авиационных комплексах ПЛО, на самолетах МиГ-31 и -33 и в мобильных оперативно-тактических комплексах "Ока", "Бук", "Куб", "Волга".
"Аргон-16" - отказоустойчивый бортовой цифровой вычислительный комплекс (БЦВК), в котором впервые была реализована тройная синхронная структура с мультиплексированными мажоритарными каналами. БЦВК стал основным компонентом систем управления космических кораблей "Союз", транспортных кораблей "Прогресс", орбитальных станций "Салют", "Алмаз", "Мир", "Меч-К". Исключительная надежность обеспечила ему завидное долголетие. За четверть века промышленного производства было выпущено более 300 образцов - рекордный показатель для БЦВМ космического применения.
"Аргон-17А" - уникальный БЦВК для противоракеты дальнего перехвата, соединивший в себе высоконадежную структуру "Аргон-16", новые конструктивно-технологические решения, обеспечившие работу машины с момента старта, и высокую радиационную стойкость аппаратуры.
В этот же период был создан мобильный вычислительный комплекс "Ритм-20", обеспечивший полевые испытания АСУ войсками "Маневр". Его стационарный вариант (изделие МСМ) был поставлен на боевое дежурство в Центре разведки ВМФ.
К середине 70-х гг. резко расширился парк БЦВМ, значительно возросли трудоемкость и стоимость их разработки. Поэтому исключительную актуальность приобрела проблема унификации создаваемых моделей. Решение этой задачи стало возможным на пути перехода от отдельных моделей с несовместимыми системами команд к семействам программно совместимых машин единой архитектуры.
Для БЦВМ, ориентированных на обработку данных в мощных информационно-вычислительных системах, была выбрана архитектура семейства стационарных машин ЕС ЭВМ, которое к тому времени утвердилось в качестве магистрального направления развития отечественных ЭВМ общего назначения.
Совместимость с семейством ЕС ЭВМ, имеющим мощную систему программного обеспечения (ПО) и развитую периферию, позволила ускорить разработку БЦВМ благодаря возможности использования вместо них стационарных машин в качестве промежуточного стендового варианта при отработке ПО и схемотехники, а также предоставить новые возможности разработчикам автоматизированных систем.
Архитектура ЕС ЭВМ была реализована в ряде БЦВМ А-30, А-40 и А-50. Вершина в этом ряду - А-50. По своим возможностям она сопоставима со стационарными универсальными ЭВМ: полный набор команд ЕС ЭВМ-1, быстродействие 2 млн. оп/с, намять на 16 Мбайт, накопители на МЛ и ЦМД в исполнении для жестких условий эксплуатации. За рубежом БЦВМ этого класса в то время были созданы только в США лидером мировой компьютерной индустрии - фирмой IBM: А-50 стала первой базовой ЭВМ межвидового применения, отвечающей требованиям военных стандартов для мобильных, авиационных и стационарных объектов. На ее основе созданы одно- и двухмашинные вычислительные комплексы восьми модификаций.
Семейство А-30, -40 и -50 сыграло большую роль в обеспечении вычислительными средствами важнейших оборонных систем: - авиационного комплекса радиолокационного дозора и наведения "Шмель", систем раннего предупреждения о ракетном нападении (А-30); - АСУ войсками "Маневр" (А-40 и А-50); воздушных командных пунктов "Звено", разведывательно-ударных комплексов "Прорыв", комплексов ПВО "Пирамида" и др. (А-50).
Параллельно с конструированием ряда машин, совместимых с ЕС ЭВМ-1, велась разработка семейства управляющих БЦВМ для истребительной авиации. Для этого семейства была предложена и реализована оригинальная архитектура "ПОИСК" (проблемно-ориентируемая с изменяемой системой команд). Ее отличительная особенность -возможность адаптации набора команд к задачам управляющей системы путем добавления к постоянной части команд микрокоманд, свойственных данной системе. Настройка под конкретную систему дает существенный выигрыш в производительности и объеме памяти, и была в то время единственной возможностью обеспечить заданные характеристики при жестких массогабаритных ограничениях.
В 1983 г. была запущена в серийное производство первая БЦВМ с архитектурой "ПОИСК" - модель Ц100, которой с этого времени оснащались серийные истребители МиГ-29 и СУ-27. Дальнейшим ее развитием являются модель Ц101 и ее модификации Ц102 и Ц104. БЦВМ Ц100 и Ц101, сочетающие большие вычислительные возможности, компактность конструкции и высокую надежность, -одна из самых удачных разработок в классе авиационных машин. Структура машин -магистрально-модульная, что упрощает создание разнообразных модификаций. Они принадлежат к числу самых массовых в мировой практике авиационных БЦВМ (выпущено более 4 тыс. образцов).
Требования к методам и средствам испытаний БЦВМ
Методы испытаний БЦВМ характеризуются: а) методами воспроизведения (имитации) ЭМИ на испытуемый объект; б) методами оценки и подтверждения показателей стойкости. Методы воспроизведения можно разделить на три типа: прямой, косвенный и комбинированный. Прямой метод воспроизведения заключается в имитации воздействия на БЦВМ натурного ЭМП. Косвенный метод заключается в воспроизведении в цепях БЦВМ вторичных нагрузок (токов и (или) напряжений, наводимых при натурном ЭМП). Комбинированный метод воспроизведения заключается в сочетании прямого и косвенного методов. Воспроизведение ЭМП при предварительных и приемочных испытаниях БЦВМ осуществляются, как правило, прямым методом. При испытаниях БЦВМ в составе носителя могут использоваться различные методы воспроизведения в зависимости от размеров носителя и возможностей экспериментальной базы. Особое внимание при подготовке и проведении испытаний должно быть обращено на обеспечение адекватности испытаний натурному воздействию. В общем плане это достигается: - соответствующей комплектацией испытуемого образца; -определенным соотношением размеров испытательного объема и БЦВМ; - имитацией функционального состояния БЦВМ и его электрических связей с землей и (или) носителем, соответствующих реальным условиям; - ориентацией БЦВМ по отношению к составляющим поля воздействия факторов, обеспечивающим полноту имитации натурного воздействия; - исключением влияния измерительных цепей, цепей управления и контроля на параметры и условия режима нагружения. Допустимые соотношения размеров испытательного объема. и испытуемого образца зависят от вида воспроизводимого ЭМП (его спектральных характеристик), схемно-конструктивных особенностей моделирующей установки и должны указываться в ее технической документации. Для имитации натурного ЭМИ на БЦВМ в условиях полета осуществляют необходимую изоляцию его от земли путем размещения на изолирующей подставке, тележке и т.п. При испытаниях БЦВМ в состояниях, соответствующих этапам подготовки к применению или ожидания применения, воспроизводят (или имитируют) его связи с аппаратурой управления и контроля, а при необходимости - и с носителем. Как правило, испытания БЦВМ на воздействия ЭМП проводят в трех взаимно-перпендикулярных ориентациях его продольной оси относительно векторов электрического и магнитного полей. Допускается проводить испытания только в наиболее опасных ориентациях (если они определены заранее), которыми обычно являются ориентации, когда вектор Е ориентирован вдоль продольной оси БЦВМ. Вместе с тем проблема обеспечения адекватности электромагнитных испытаний натурному воздействию настолько сложна и многогранна, что заслуживает отдельного рассмотрения. Вопросы адекватности испытаний натурному воздействию следует рассматривать в следующих аспектах: 1) по комплектности (конструкции) испытуемого образца БЦВМ; 2) по его функциональному состоянию; 3) по параметрам внешнего (электромагнитного) воздействия; 4) по ориентации испытуемого образца относительно векторов ЭМП; 5) по соотношению размеров испытуемого образца и полеобразующей системы имитатора (его испытательного объема). По комплектности БЦВМ наиболее жесткие требования предъявляются при контрольных (предварительных и приемочных) испытаниях. При исследовательских испытаниях часто ограничиваются электрическим макетом разрабатываемого образца с тем, чтобы получить предварительную картину его реакции на электромагнитное воздействие. При контрольных испытаниях речь идет о выполнении требований ТТЗ на разработку БЦВМ, о количественном соотношении параметров наводимых токов и напряжений с их допустимыми значениями. В результате теоретических и экспериментальных исследований этой проблемы контрольные электромагнитные испытания стали проводить на опытных образцах, в которых используются: - штатный состав корпуса; - штатные жгуты с дополнительными выводами для измерений. При такой комплектации испытываемых образцов обеспечивается одновременное и вполне удовлетворительное решение, казалось бы, несовместимых задач: - безопасности испытаний; - малое (вполне допустимое) отличие реакции испытуемого образца на электромагнитное воздействие по сравнению со штатным; -возможность неоднократного получения количественной информации о функционировании БЦВМ в условиях воздействия импульсных ЭМП. Функциональное состояние БЦВМ. включая его .связи с землей, должно быть такое же, как и при натурном воздействии. При этом функциональное состояние, при котором БЦВМ находится в «горячем» состоянии, является наиболее чувствительным к электромагнитному воздействию. По параметрам электромагнитного воздействия проблема обеспечения адекватности испытаний БЦВМ сложна и многогранна. Можно говорить только о большей или меньшей степени приближения параметров того или иного испытательного воздействия к натурному. Дело в том, уровень решения данной проблемы зависит от нескольких условий, реализовать которые полностью очень трудно: а) знания природы и параметров каждого из многочисленных электромагнитных явлений природного и искусственного происхождения, а также физики взаимодействия каждого электромагнитного явления с тем или иным типом носителя, в котором установлена БЦВМ; б) учета в методике испытаний особенностей конструкции и условий эксплуатации БЦВМ того или иного типа; в) адекватного отражения в нормативной документации (НД) требований, вытекающих из данных по пунктам а) и б); г) возможностей экспериментально-испытательной базы (ЭИБ). Уровень решения изложенных вопросов для каждого электромагнитного воздействия различен. Здесь целесообразно добавить вопросы, касающиеся достоверности нормирования параметров ЭМП РПС и РЛС, что обусловлено двумя причинами: - крайне ограниченной статистикой их значений, не позволяющей оценить все возможные натурные реализации; - постоянным совершенствованием радиотехнического оснащения систем связи и управления.
Физико-математическая модель взаимодействия электромагнитного поля с проводящими объектами
В последнее время, благодаря бурнолгу развитию сверхширокополосной связи и радиолокации и связанных с ним успехах в области генерирования сверхкоротких электромагнитных импульсов (СК ЭМИ), создались предпосылки к созданию мобильных средств электромагнитного воздействия. Эти средства могут быть использованы для преднамеренного воздействия на жизненно важные элементы современной инфраструктуры (системы связи и передачи информации, системы управления различными процессами, системы обеспечения безопасности) с целью шантажа или диверсии. В связи с этим возникает необходимость в исследованиях воздействия СК ЭМИ на данные объекты и разработке методов и средств зашиты от электромагнитного терроризма.
Существует ряд основных путей воздействия СК ЭМИ на БЦВМ: проникновение внутрь защитных экранов токов, наведенных на внешние элементы - антенны и линии связи; прохождение полей через неоднородности в экранах - щели и отверстия; непосредственное воздействие полей на незащищенные элементы технических средств ( печатные платы, чипы, проводники).
В данном разделе рассматриваем методы расчета воздействия и результаты исследований применительно к элементам систем БЦВМ.
Оценка величины наводок ЭМИ на печатные платы, чипы и другие элементы технических систем с использованием расчетных методов рассматривалась в [53]. Формулировка задачи
Под СК ЭМИ, в соответствии с определением проекта международного стандарта МЭК 61000-2-13 [13], понимаются сигналы, имеющие относительную ширину спектра по уровню 3 дБ более 25%. Мы рассматриваем здесь СК импульсы с явно выраженной временной зависимостью, формируемые излучающей антенной, возбуждаемой генератором импульсного напряжения. Как правило, СК импульсы имеют общую длительность от сотен пикосекунд до нескольких наносекунд и содержат до нескольких «полупериодов» колебаний. Длительности фронта импульсов современных СКИ излучателей лежат в диапазоне Ю-10 -f- Ю-9 с, амплитуды на расстояниях 10 м от раскрыва антенны могут достигать 100 кВ/м.
В качестве объектов воздействия рассматриваются проводящие структуры из проволоки круглого сечения, не имеющие точек ветвления, находящиеся в однородной непроводящей среде (воздух, вакуум). Направление распространения воздействующего электромагнитного поля - произвольное. Метод моментов
Расчет токов, наводимых на проволочные структуры при воздействии сверхширокополосных импульсов электромагнитного поля (ЭМП), - частный случай задачи о взаимодействии электромагнитного поля и проводящего объекта. Для решения данной задачи может быть использован метод моментов на основе интегрального уравнения электрического поля (ИУЭП). Мы используем здесь ИУЭП в частотном представлении [33 ]: где со - частота падающего поля; векторный магнитный и скалярный электрический потенциалы; J (г) - токи на поверхности проводника S; Р — радиус-вектор точки пространства; к=2тс/А, — волновое число; R = r — r j - расстояние между произвольно расположенной точкой наблюдения г и точкой источника г на поверхности проводника S; tan (У) касательная к S составляющая падающего электрического поля; Zs - поверхностный импеданс металла; \і, є - параметры окружающей среды;
При решении уравнения используется тонкопроволочное приближение. При этом геометрия объекта аппроксимируется прямолинейными проволочными отрезками, и каждому месту соединения двух проволочных отрезков (неграничному узлу) ставится в соответствие базисная функция, отличная от нуля лишь на соответствующей паре отрезков, где она имеет вид: где п - номер узла; знаки «-» и «+» в качестве индексов приписаны первому (W„ ) и второму (Wn4) отрезку в паре, соответственно; 1П - длина проволочного отрезка Wn ; - радиус-вектор второго (отличного от n-го узла) конца проволочного отрезка Wn . Ток на проволочной структуре аппроксимируется разложением по базисным функциям:
Подстановка разложения в уравнение (ИУЭП) и применение к нему процедуры взвешивания с использованием в качестве весовых функций базисных, согласно методу Галеркина [33], приводит к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно неизвестных коэффициентов разложения 1п. Разрешая систему относительно неизвестных коэффициентов разложения (30а), получаем распределение токов на заданной частоте. Временная форма импульсов тока находится обратным преобразованием Фурье для свертки частотного представления токов со спектром воздействующего импульса поля.
С использованием вышеописанного метода и разработанной на его основе программы решалась задача по расчету импульсного тока, наводимого в прямом отрезке проводника при воздействии импульсного ЭМГТ (рис. 3.4).
На рис. 3.5 представлены результаты расчета максимальных вдоль проволоки амплитуд тока для различных значений L при максимальных значениях параметра 0. Как можно видеть, данная величина растет с увеличением длины проводника. При достаточно большой длине L и значениях угла 0, близких к 90, в проводнике возбуждается бегущая волна тока, амплитуда которой растет за счет суммирования наводок на различные участки проводника.
Максимальная амплитуда тока для проводников длиной до 20 м при амплитуде воздействующего импульса 1 В/м составила 4 мА. Соответствующее этому току напряжение на нагрузке 50 Ом (при условии, что сопротивление нагрузки расположено в точке, где достигается максимальная амплитуда тока) составит около 0,2 В.
Результаты экспериментальных исследований устойчивости и стойкости БЦВМ в условиях воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей
БЦВМ устанавливались и подключались к сети электропитания, линиям ввода-вывода, контурам защитного и сигнального заземления в соответствии с технической документацией на БЦВМ. Контроль работоспособности БЦВМ осуществлялся до воздействия, при воздействии и после воздействия СКИ ЭМП. Параметры испытательных импульсов поля, виды испытаний, степени жёсткости воздействий, методы и средства испытаний, критерии оценки стойкости БЦВМ соответствовали требованиям международных, национальных стандартов по СКИ ЭМП и требованиям, предложенным выше в п.2 . Результаты экспериментальных исследований воздействия сверхкоротких импульсных полей на БЦВМ М20 и бортовой вычислительный комплекс ЕА-102 показаны на Рис 4.9 и 4.10. Результаты исследования устойчивости БЦВМ к преднамеренным однократным силовым электромагнитным воздействиям в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52962 - 2007. В результате исследований устойчивости БЦВМ к воздействию сверхкоротких импульсных электромагнитных полей было установлено, при воздействии однократных наносекундных импульсов электрического поля напряженностью (1-10) кВ/м и длительностью 100 нс БЦВМ с подключенными кабельными линиями не имели сбоев, отказов и нормально функционировали. Время воздействия поля в экспериментах - 1 мин. Результаты исследования устойчивости БЦВМ к многократным преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52962-2007. В результате исследований устойчивости БЦВМ к воздействию сверхкоротких многократных периодических наносекундных импульсов электромагнитного поля напряженностью (0,3 - 30) кВ/м с частотой повторения 1кГц, напряженностью (0,02 -0,2) кВ/м с частотой повторения 1МГц и длительностью импульса 0,27 не было установлено, что БЦВМ с подключенными кабельными линиями не имели сбоев, отказов и нормально функционировали.
Исследования стойкости БЦВМ проводилось на повышенных уровнях электромагнитного поля напряженностью более 30 кВ/м при воздействии многократных периодических наносекундных импульсов электромагнитного поля длительностью 0,27 не, с частотой повторения 1кГц и на уровнях более 0,2 кВ/м с частотой повторения 1МГц. Напряженность электромагнитного поля плавно или ступенчато увеличивалась по мере уменьшения расстояния между антенной излучателя и объектом испытаний. В момент наступления сбоя или отказа в БЦВМ для вертикальной или горизонтальной поляризации воздействующего поля регистрировались форма и амплитуда электрического поля. Проверка работоспособности БЦВМ проводилась для следующих условий: БЦВМ подвергались воздействию СКИ ЭМП без кабельных линий. Контроль работоспособности проводился после воздействия СКИ ЭМП. - БЦВМ подвергались воздействию СКИ ЭМП с подключенными штатными кабельными линиями и с дополнительной экранировкой кабельных линий. Контроль работоспособности проводился в момент воздействия СКИ ЭМП. В результате исследований БЦВМ к воздействию сверхкоротких импульсных электромагнитных полей было установлено следующее: 1. При отключенных кабельных линиях определен уровень стойкости БЦВМ М20 и БВК ЕА -102 к воздействию импульсных электрических полей равный 150 кВ/м при частоте повторения 1кГц и 2 кВ/м при частоте повторения 1МГц. БЦВМ нормально функционировала после воздействия СКИ ЭМП для вертикальной и горизонтальной поляризации воздействующего поля. 2. С подключенными штатными кабельными линиями сбои и отказы в работе БЦВМ М20 возникали при воздействии импульсных электрических полей напряженностью 80 кВ/м при частоте повторения 1кГц и 2 кВ/м при частоте повторения 1МГц. Сбои происходили при тестировании системы, как во время перезагрузки, так и в рабочем режиме.
Отмечено влияние поляризации поля на работу БЦВМ М20 при частоте повторения импульсов 1кГц. Сбои возникали при вертикальной поляризации электрического поля. При горизонтальной поляризации эффектов не обнаружено. 3. С подключенными штатными кабельными линиями сбои и отказы в работе БВК ЕА -102 возникали при воздействии импульсных электрических полей напряженностью электрического поля в диапазоне (25-50) кВ/м при частоте повторения 1кГц и 2 кВ/м при частоте повторения 1МГц. Причиной широкого диапазона воздействия поля явилась зависимость сбоев от вида поляризации и от наличия неоднородностей в экране корпуса БЦВМ. 4. С дополнительной экранировкой кабельных линий БЦВМ сохраняли работоспособность при воздействии импульсных электрических полей 150 кВ/м при частоте повторения 1кГц и 2 кВ/м при частоте повторения 1МГц для вертикальной и горизонтальной поляризации воздействующего поля. 5. За критерий оценки стойкости БЦВМ принимались амплитудно-временные параметры электромагнитного импульса и частота их следования в условиях выполнения штатных тестов без сбоев. Все БЦВМ выдержали испытания в соответствии с ГОСТ Р 52962-2007, коэффициент запаса по стойкости экспериментально исследованных БЦВМ при дополнительной экранировке входных кабельных линий составил величину 5. Предлагаются следующие практические рекомендации: 1. Сбои в работе БЦВМ при воздействии СКИ ЭМП происходили из-за недостаточной эффективности экранирования кабельных линий и наличия неоднородностей в экранах. В целях уменьшения электромагнитных помех целесообразно задавать требования к экранам кабельных линий и проверить эффективность экранирования бортовой кабельной сети экспериментальным путем. 2. Проводить расчеты экранов БЦВМ на этапе проектирования. 3. Для исключения электромагнитных помех на входах аппаратуры рекомендуется бортовую кабельную сеть выполнять экранированными кабельными линиями и экранировать места соединений кабельных линий с БЦВМ. Эксперименты показали, что наиболее простым и эффективным способом защиты БЦВМ от воздействия ЭМИ - остаются различные типы экранов. Важной организационной мерой, направленной на повышение защищенности БЦВМ, насыщенных цифровыми устройствами от действия СКИ ЭМП, должна стать разработка требований к ним по стойкости и проведение сертификационных исследований. Приборы бортового вычислительного комплекса часто устанавливаются и совместно используются с радиостанциями различного назначения. Поэтому обеспечение устойчивой работы вычислительного комплекса совместно с радиосредствами является одной из отправных точек при выставлении требований на приборы или систему в целом [77-78].
