АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ВИДОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОРУЖИЯ И СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК

Борисов А. А., Владимиров Д.Р.

Borisov A. A., Vladimirov D.R.

Анализ современных и перспективных видов электромагнитного оружия и средств

защиты технических систем

Analysis of modern and promising types of electromagnetic weapons and means of protection of

technical systems

Аннотация. В статье представлен анализ современных видов электромагнитного оружия и основные направления защиты от его воздействия на технические системы.

Abstract. The article presents an analysis of modern types of electromagnetic weapons and the main directions of protection against its impact on technical systems.

Ключевые слова: электромагнитный терроризм; средства электромагнитного поражения; сверхширокополосный электромагнитный импульс.

Keywords: electromagnetic terrorism; means of electromagnetic destruction; ultra-wideband electromagnetic pulse.

Актуальность. В XX веке именно качественное развитие электротехники и электроники внесло значительный вклад в научно-техническую революцию и изменило теоретическую концепцию общества, спровоцировав переход от индустриального (постиндустриального) общества к информационному. Создание качественно новых технических средств (ТС) и оборудования, использование высокоскоростных электронно-вычислительных машин (ЭВМ) и радиопередачи информации насытили окружающее пространство различными электромагнитными полями. Однако, стремительное развитие электротехники и электроники, их широкое применение во всех областях жизни человека, кроме положительного эффекта, имело и отрицательную строну. Развитие сильноточной (высоковольтной) электротехники в сторону достижения гигантских токов (мегаамперы), напряжений (мегавольты) и мощностей (мегаватты) позволило создать мощные излучатели электромагнитных полей, являющиеся высокоэффективным средством воздействия на электронные приборы с целью их поражения [1].

В этот период начинается эпоха создания технических средств электромагнитного поражения, что открыло новое направление в мировом терроризме, который в современной литературе носит название «электромагнитный терроризм».

Он заключается в том, что создаётся мощный электромагнитный импульс, который воздействует на уязвимые электронные элементы цивилизационной среды, так называемые критические инфраструктуры, представляющие собой электронную аппаратуру самого разнообразного назначения, от компьютеров до охранной сигнализации и средств связи [2].

Таким образом, возникшая ситуация позволила по-новому смотреть на электронные системы как потенциальную и крайне привлекательную цель для террористических акций. Действительно, в отличие от ядерного, химического, биологического терроризма электромагнитное воздействие не оставляет следов и не требует для террористов индивидуальной защиты и маскировки. Акции могут осуществляться одновременно по большому числу целей, дистанционно и с использованием мобильных средств [1].

Электромагнитный терроризм (ЭМТ) создает значительную угрозу военной безопасности Российской Федерации. Как известно военную безопасность определяют, как составную часть и

важнейший компонент национальной безопасности, которая определяет состояние обороноспособности страны и её возможности по обеспечению защиты национальных интересов средствами вооруженного насилия.

Анализ характера ведения боевых действий в последних локальных конфликтах, определяет необходимость и важность обеспечения защиты технических средств объектов военной инфраструктуры от электромагнитных воздействий различного рода и происхождения. С целью выработки рекомендаций по противодействию электромагнитному терроризму необходимо проанализировать развитие средств поражения технических систем и перспективы их развития.

В Российской Федерации для соответствия требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС) применяются около 40 национальных стандартов ЭМС, эквивалентных европейским гармонизированным стандартам и соответствующим публикациям МЭК серии 61000 и СИСПР. Средства электромагнитного поражения постоянно совершенствуются. В последнее десятилетие в радиотехнике произошёл технологический прорыв, связанный с практическим использованием нового типа радиоволн - повторяющихся коротких сверхширокополосных электромагнитных импульсов. Они имеют длительность до 10-10 с, что соответствует частотному диапазону до 10 ГГц, легко фокусируются антеннами с размером порядка 1 м и достаточно просто генерируются современными полупроводниковыми приборами. Спектральная плотность сверхширокополосного электромагнитного импульса (СШП ЭМИ) распределена в интервале от сотен МГц до десятков ГГц.

Специалистами разных стран было обращено внимание на важную особенность СШП ЭМИ - необычайно высокую эффективность их воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, в том числе оборудование с микропроцессорными средствами. Это обстоятельство позволяет использовать излучатели СШП ЭМИ в различных целях, в том числе и террористических. Широкополосность и высокая частота повторения СШП ЭМИ делают этот вид электромагнитного воздействия особенно опасным. Качественное переоснащение отечественных систем автоматики, связи и управления современной компьютерной техникой и микропроцессорными средствами приводит к тому, что в современных условиях проблема электромагнитного терроризма становится актуальной. Особенностью ЭМТ является то, что он может создаваться тайно, анонимно и на большом удалении от поражаемого объекта, может поразить большое число целей и не оставлять никаких следов.

В настоящее время электромагнитные воздействия осуществляются с использованием специальных генераторов электромагнитных импульсов, представляющих собой высокотехнологичные технические средства поражения, основной целью которых являются различные электронные системы. На рисунке 1 представлены спектры сигналов связи и спектр электромагнитного воздействия с применением современных средств поражения [1].

Рис. 1. Условные спектры сигналов: 1 - узкополосная связь;

2 - широкополосная связь; 3 - сверхширокополосная связь; 4 - сверхкороткий

электромагнитный импульс

Как видно, сверхкороткий электромагнитный импульс способен оказывать воздействие на все системы без исключения.

Описываемые возможности технических средств электромагнитного воздействия относятся к перспективным направлениям работы научных коллективов и объектов промышленности. 16 октября 2012 года ВВС США были проведены испытания нового типа ракеты с генераторами ЭМИ вместо боеголовки. В пользование СМИ попали результаты испытаний: «В результате электромагнитного удара все оборудование было полностью выведено из строя во всех семи двухэтажных строениях, разбросанных по полигону, и символизирующих строения противника» [1,5].

Технические средства электромагнитного воздействия в целях «электромагнитного терроризма» имеются не только у зарубежных научных коллективов. В нашей стране вопросам разработки средств поражений и защиты занимаются различные ученые, научно-исследовательские институты и организации.

Массо-габаритные показатели таких технических средств определяются типом используемых накопителей энергии, размерами антенно-фидерных устройств и желаемыми масштабами воздействия. Генератор СТТТП ЭМИ, представляет собой «кейс», который по своему поражающему действию способен нарушить работу оборудования в объемах малоэтажного здания при воздействии в непосредственной близости от цели или внутри здания. Более мощный генератор способен поразить технические средства в аналогичном здании, но с расстояния 1,5.. .2 км от цели [2, 3].

Анализ технических средств электромагнитного воздействия:

Средства силового электромагнитного воздействия предназначены для уничтожения элементной базы цифровых устройств путем воздействия на них электромагнитного поля или кондуктивного напряжения и тока. Уровни электромагнитных помех, создаваемых такими генераторами, превышают значения 100 В/м. Основной эффект от их применения заключается в появлении значительных наводок в электронных цепях, что приводит к физическому выходу из строя компонентов. В случае, если напряженность электрического поля недостаточна для вывода из строя, то следствием воздействия является появление в цепях атакуемого устройства ложных

сигналов, которые значительно снижают рабочие характеристики или приводят к блокировке технического средства.

Данные генераторы по своим рабочим характеристикам подразделяются на узкополосные и широкополосные. Отличительной особенностью генераторов узкополосного воздействия является создание электромагнитных колебаний определенной частоты с высокой напряженностью электромагнитного поля. Применение узкой полосы воздействия обеспечивает высокую энергетическую эффективность воздействия. Выбор воздействующих частот осуществляется исходя из анализа рабочих характеристик объекта воздействия, оценки защитных (экранирующих) свойств и характеристики проводящих линий.

Средства широкополосного (сверхширокополосного) воздействия генерируют одиночные, либо последовательные сверхкороткие электромагнитные импульсы с длительностью фронта импульса в несколько сотен пикосекунд. Указанные импульсы создают в окружающем пространстве сверхширокополосные электромагнитные помехи, спектр которых лежит в диапазоне от МГц до ГГц. Применение широкой (сверхширокой) полосы воздействия приводит к снижению энергоэффективности ее на определенных частотах, но в то же время обеспечивает повышенную эффективность влияния на различные технические средства за счет прохождения защитных фильтров и экранов.

На рисунке 2 представлена форма сверхкороткого электромагнитного импульса [4].

142 тУ

98.5 тУ

54.8 ПЛ 11.1 тУ

32.6 тУ 76.3 тУ 120 тУ 164 тУ

_ 207 тУ

-2.58 то -2.08 гк -1.58 гк -1.08 гк -577 р! -77 (* 423 (я 923 (к 1Л2 гга 192 П5 242 ги 1

Рис. 2. Типовая форма сверхкороткого электромагнитного импульса

В настоящее время усилия разных стран направлены на совершенствование технологий электромагнитного воздействия и создание новых генераторов электромагнитных воздействий с улучшенными амплитудно-временными характеристиками.

Средства интеллектуального электромагнитного воздействия. Кроме средств силового воздействия в арсенале технических средств поражения имеются также, так называемые, средства интеллектуального электромагнитного воздействия. Такие системы имеют целью влияние на антенно-фидерную систему без упора на силовое воздействие. Принцип основан на создании сигналов аналогичных полезному сигналу по несущей частоте, модуляции и кодировании. За счет внедрения указанного сигнала появляются возможности внесения недостоверных сведений в работу устройства или постановки помехи за счет снижения пропускной способности канала вплоть до полной блокировки. Применение указанного способа возможно лишь при известных анализатору кодировках и алгоритмах модуляции.

В таблице 1 и 2 представлены технические характеристики отечественных и зарубежных генераторов электромагнитного воздействия.

Таблица 1. Отечественные генераторы электромагнитного воздействия

Название ЭРУ-2М ЭРУ-2МС ОРИОН-В Супер-С Актив

Возбуждающее напряжение (МВ) 2,0 нет сведений нет сведений 0,35 0,35

Длительность фронта (нс) 5 0,5 2,5 - 5 0,4 0,4

Длительность (нс) 25 3 25 - 200 3 - 130 3 - 120

Максимум Е (кВ/м) 60 200 нет сведений 220 500

Таблица 2. Зарубежные генераторы электромагнитного воздействия

Антенна: тип и размеры, (м) Генератор: тип, Напряжение (кВ) / фронт (нс) Длительность имп. поля (нс) Показатель качества Е (кВ/м)х Я(м)

Параболоид 0 0,9 10/0,1 0,1 4 х 10

Решетка 0,36х0,22 40/0,14 0,17 5,9 х 10

4 диполя 0,47х0,37 35/0,18 0,36 2,5 х 10

Решетка 0,84х1,2 20/0,14 0,2 54 х 10

Решетка Б = 0,68х0,43 35/0,1 0,2 14,5 х 10

решетка 0,58х0,15 2,3/0,14 0,4 3,5 х 10

Решетка 0,5х0,5 40/0,14 0,16 8,3 х 10

Решетка 0,17х0,17 40/0,14 0,17 3,6 х 10

Параболоид 0 4 м 120/0,085 0,13 4,6 х 305

ТЕМ рупор 300/0,24 0,3 43 х 10

Как видно, из сведений, представленных в таблицах 1 и 2, в настоящее время зарубежные страны вплотную приблизились к преодолению порога в 0,1 нс, в то время как отечественные разработки немного отстают.

Однако, необходимо отметить, в настоящее время ряд отечественных научно-производственных объединений в своих НИОКР добились получения фронта импульса 0,2 нс за счет применения полупроводникового обострителя. Кроме того, отечественные перспективные генераторы при мощности в 100 МВт, рабочем напряжении 60-70 кВ в интервале частот 0... 10 кГц имеют массу всего лишь 1 кг при габаритных размерах 40х200х100 мм.

Приведенные параметры перспективных генераторов значительно превосходят зарубежные аналоги и открывают перспективу использования указанных средств поражения в рамках применения радиоэлектронного подавления мероприятий радиоэлектронной борьбы.

Таким образом, современная активизация терроризма, и в особенности ЭМТ, является не локальной, а мировой проблемой. Об этом говорят крупнейшие террористические акты в США, исполненные с применением нетрадиционного оружия. Основными целями ЭМТ, с применением преднамеренного электромагнитного воздействия (ПД ЭМВ), являются информационные системы, в которых реализуется принцип обработки, хранения, записи или передачи информации. Примерами таких систем могут быть системы цифровой связи, банковские системы, промышленные объекты, системы и оборудование медицинских учреждений,

управляемые микропроцессорными средствами или с применением ЭВМ, системы безопасности, системы управления транспортными средствами.

В целях противодействия и минимизации последствий ЭМТ для нормативного обеспечения требований по устойчивости систем к ПД ЭМВ был разработан и введен в действие 01 июля 2008 года ГОСТ Р 52863-2007 «Защита информации. Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Испытания на устойчивость к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям». Параметры испытательных воздействий, приведенные в указанном стандарте, получены с помощью компьютерного моделирования различных сценариев атаки с применением методов электромагнитного терроризма [8].

Рассматриваемый стандарт определяет требования устойчивости технических средств к ПД ЭМВ, степени жесткости испытаний в зависимости от условий и классов эксплуатации ТС, порядок, условия, схемы и методы испытаний. Он определяет требования к характеристикам имитаторов ПД ЭМВ, параметрам испытательных воздействий и к устройствам связи/развязки между испытуемым оборудованием и имитатором ПД ЭМВ. После проведения испытаний проводиться анализ соответствия критериям оценки качества функционирования ТС, на основании которых делается вывод о соответствии или несоответствии технического средства требованиям ГОСТ Р 52863-2007 по устойчивости к ПД ЭМВ.

Анализ параметров испытательных воздействий и сравнение их с современной нормативной базой по устойчивости технических средств к электромагнитным воздействиям различного рода и происхождения позволяет отметить, что преднамеренные электромагнитные воздействия («электромагнитный терроризм») в ряде случаев несут особую угрозу, так как значения величин напряжения, тока и энергии превосходят значения соответствующих параметров из области ЭМС, на соответствие требованиям которых технические средства испытывались до настоящего времени. Так, к примеру, имитаторы наиболее мощных электромагнитных воздействий в области ЭМС - микросекундных импульсных помех по сети электропитания, имеют длительность импульса до 50 мкс и энергию накопительного конденсатора, не превышающую 0,2 кДж, а имитаторы преднамеренных силовых электромагнитных воздействий могут иметь длительность импульса 0Д...20 мс с энергией 1...150 кДж. Параметры высоковольтных однократных наносекундных импульсов напряжения по энергии превышают похожие на них наносекундные импульсные помехи и электростатический разряд из области ЭМС на 4.5 порядков.

Анализ существующих средств поражения технических систем позволяет формулировать научно-обоснованные требования к средствам защиты от электромагнитных воздействий. В настоящее время для защиты технических систем от электромагнитных воздействий различного рода и происхождения, как правило, используются устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) и методы экранирования. Места установки УЗИП выбираются с учетом зоновой концепции защиты, которая относится к организационным мерам.

На рисунке 3 приведена классификация основных методов защиты с использованием аппаратных средств.

Рис. 3. Основные методы защиты с использованием аппаратных средств В таблице 3 приведены основные устройства и компоненты для защиты электрооборудования от наведенных напряжений и токов.

Таблица 3. Основные устройства и компоненты защиты от наведенных напряжений и токов

Принцип действия Тип устройства или компонента

Пробойное снижение напряжения Газоразрядные трубки Искровые разрядники Плавкие ограничители Ограничители на основе нелинейного сопротивления Ограничители электробезопасности для мобильной аппаратуры (для постоянного тока с и>400 В)

Ограничение напряжения Метало-оксидные варисторы Защитные лавинные диоды

Ограничение частотного спектра Фильтры Защитные цепи

Гальваническая развязка Оптические устройства Развязывающие трансформаторы

Комбинированные методы Защитные цепи Ограничители электробезопасности

Высокочастотные коаксиальные линии Шлейфовые линии Резонаторы

Для правильного выбора УЗИП необходимо проводить оценку параметров воздействующих импульсов и параметров защитных устройств, так как аппаратные средства защиты отличаются по скорости срабатывания, величинам нарастания тока или напряжения, по остаточным значениям воздействующих факторов после прохождения через средства защиты.

В настоящее время для защиты от наведенных напряжений и токов с наносекундными длительностями и фронтами импульсов используются варисторы. Время срабатывания варистора может составлять менее 10 нс. Варистор является устройством защиты

ограничивающего типа, поэтому в схемах защиты между разрядником и варистором ставится элемент, ограничивающий ток варистора на время пока сработает разрядник. Для защиты от оставшейся части импульса наносекундной длительности используются фильтры, а в слаботочных цепях - стабилитроны и диоды.

В качестве универсального средства защиты оборудования от электромагнитных воздействий в настоящее время используется УЗИП, в котором объединяются газонаполненные разрядники, варисторы и ограничительные диоды (рисунок 4) [2].

Рис. 4. Трехступенчатое защитное устройство: Р - разрядник, В - варистор, D - стабилитрон

Работа УЗИП основывается на принципе рассеивания энергии при воздействии импульса перенапряжения. Такое сочетание элементов (рисунок 4) позволяют значительно снизить амплитуды воздействующих импульсов. Использование такой схемы защиты позволяет обеспечить уменьшение амплитудной величины воздействующего импульса перенапряжения до значений ~ 10.20 В при входном импульсном напряжении порядка киловольта.

Для защиты от мощных электромагнитных воздействий используются комплексы специальных устройств защиты. К ним относятся защитные устройства со взрывными приводами, нелинейные ограничители перенапряжения с тиристорными коммутаторами, нелинейные ограничители перенапряжений повышенной пропускной способности. Принципиально такие устройства состоят из двух ступеней защиты. Первая ступень защиты выполнена на нелинейных резисторах, вторая - на силовых тиристорах. Данные устройства способны замыкать жилы кабелей электроснабжения за время 100 мкс после прихода на устройства опасного перенапряжения. В таблицах 4-8 приведены технические характеристики наиболее распространенных в настоящее время средств защиты технических средств от электромагнитных воздействий различного рода и происхождения.

Таблица 4. Технические характеристики искровых газонаполненных

Тип разрядни ка Статическ ое напряжени е пробоя, В Динамическ ое напряжение пробоя, В, при du/dt=1 кВ/мкс Время запаздыван ия пробоя, мкс, при du/dt=1 кВ/мкс Длительнос ть импульса тока анода, мкс, на уровне 0,1 Imax Длительнос ть фронта импульса, мкс Амплиту да тока в импульсе, кА

Р-92 80.120 800 0,15 125 50 1,0

Р-93 130.160 800 0,15 125 50 1,0

Р-94 200.300 800 0,15 125 50 1,0

Р-95 250.350 800 0,15 125 50 1,0

Р-100 165.225 650 0,05 - - -

разрядников

Таблица 5. Технические характеристики варисторов

Тип варистора Параметры

Классификационный ток, мА Классификационное напряжение, В Допустимая амплитуда тока, А (Ю,1=20 мкс, N=20) Допустимая амплитуда тока, А

Ю,1=25 мкс Ю,1=2,5 мс

СН2-2А 1 300, 360 - 2000 120

ВР-4 1 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68 200-500 - -

Таблица 6. Технические характеристики стабилитронов

Тип стабилитрона Напряжение стабилизации, В Предельный ток стабилизации, А Перегрузка по току стабилизации в течение 1 с, А Однократный разрушающий ток стабилитрона, А, при форме импульса, мкс/мкс

1,5/40 40/150 100/400

Д 815 А 5.6,2 1,4 2,8 1600 650 500

Д 817 Г 90.110 0,05 0,1 50 30 17

Таблица 7. Технические хар актеристики защитных устройств с взрывным приводом

Тип защитного устройства

Характеристики Взрывной Взрывной

переключатель предохранитель

Номинальное напряжение, кВ 0,4 до 0,4

Номинальная частота, Гц 50 0-400

Номинальный ток, А 630 5

0,5-0,6

Напряжение срабатывания, кВ 4,8-5,5 1,0-1,2 1,5-2,0

Максимальная скорость нарастания напряжения, кВ/мкс 10 10

Амплитуда воздействующего тока на одну фазу, кА 200 5

Максимальная скорость нарастания тока, кА/мкс 5 5

Длительность импульса тока до 10 10

полуспада, мс

Продолжительность замыкания жил 15

кабеля на землю, мкс

Продолжительность отключения 100 30

нагрузки, мкс

Исполнение 4-полюсное на 14,27,37 полюсов

Таблица 8. Технические характеристики нелинейного ОН 15Р 169.1

Наименование характеристик Номинальное значение

Длительность импульса тока через изделие на уровне 0,1 амплитуды, с (6,5+1,5).10-3

Длительность фронта импульса тока на уровне 0,1^0,9 (1+0,5).10-6

Скорость нарастания напряжения на входе устройства, В/мкс, не более 10000

Скорость нарастания тока на входе устройства, А/мкс, не более 5000

Наименование характеристик Номинальное значение

Максимальный ток в многократном режиме, А 500+50

Длительность импульса тока на уровне 0,1 амплитуды, с (100+10).10-6

Длительность фронта импульса тока на уровне 0,1^0,9 амплитуды, с (0,5+0,1).10-6

Как видно из таблиц 2-8 современные средства защиты предназначены для защиты технических средств от электромагнитных воздействий, направленных на пробой изоляции, в то время как современные генераторы электромагнитных воздействий обладают субнаносекундным временным диапазоном формируемого фронта импульса, что переводит воздействие из разряда, разрушающего в разряд нарушающего воздействия.

В таблице 9 приведены параметры зарубежных генераторов электромагнитных воздействий субнаносекундного временного диапазона.

Таблица 9. Зарубежные генераторы электромагнитного воздействия

Разработчик Напряжение (кВ)/фронт (нс) Е(кВ/м^(м) Поле фронт/ длительн. (нс) Частота следования

AFRL США 120/0,1 4,6 х 305 0,085/0,13 &епрер.=10 Гц ^раткр.=200 Гц

Сиань 200/0,37 нет данных нет данных f = 100 Гц

Наука видит новую опасность, предупреждает о ней и предлагает пути выхода из положения для максимального снижения возникшей угрозы. Подводя итог, следует сказать, что соответствие технических средств требованиям ГОСТ Р 52863-2007 является не только обязательным на всей территории Российской Федерации, но и призвано обеспечить защиту оборудования и технических средств особо важных систем от «электромагнитного терроризма».

Таким образом, на основании анализа средств защиты и сравнения их с параметрами современных и перспективных генераторов электромагнитных воздействий следует сделать вывод о том, что требуется продолжение работы в области разработки принципиально новых средств защиты, обеспечивающих защиту технических средств от воздействий со спектральной плотностью лежащей в гигагерцовом частотном диапазоне при субнаносекундных временах фронтов и длительностей воздействующих импульсов.

Список литературы:

1. Лоборев В. Электромагнитный терроризм / В. Лоборев // Военные знания, 2000. -№ 8. - С. 44-45.

2. Тибен М. Трехступенчатая схема защиты от импульсных перенапряжений / М. Тибен // Компоненты и технологии, 2003.

3. Пименов П. Н. Сравнительный анализ влияния сверхкороткого электромагнитного импульса на узкополосные, широкополосные, сверхширокополосные системы радиосвязи / П.Н. Пименов // Технологии ЭМС, 2015. - № 1 (52).

4. Туркин В. А. Генератор мощных электромагнитных импульсов с субнаносекундным фронтом / В.А.Туркин, С.В.Альбетков, К.Ю.Сахаров // ТЭ, 1993. - № 6.

5. [Электронный ресурс]. Режим доступа свободный: http://www.mk.ru/science/article (Дата обращения 25.10.2012).

6. Петровский В. И. Помехи в технологии обеспечения информационной безопасности / В.И. Петровский, В.В. Петровский. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2004.

7. Балюк Н. В. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на электронные средства и методы защиты / Н.В. Балюк, Л.Н. Кичиев, П.В. Степанов. М.: ИД Технологии, 2008 г.

8. ГОСТ Р 52863-2007 «Защита информации. Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Испытания на устойчивость к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям».