CC BY
29
1п1е11есШа1 Technologies оп ТташроН. 2017. N0 2
Новая угроза безопасной эксплуатации информационно-управляющих комплексов электроподвижного состава
Белов В. П.
Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского Санкт-Петербург, Россия arsenal_belov@mail.ru
Штагер Е. А. Крыловский государственный научный центр Санкт-Петербург, Россия shtager.e@mail.ru
Аннотация. Проанализированы портативные средства электромагнитного излучения, способные нарушить функционирование автоматизированных систем управления движением поездов, в том числе поездов метрополитена. Рассмотрена одна из возможностей защиты персонала, радиоэлектронной аппаратуры систем управления и обеспечения безопасности перевозок с помощью защитных стекол отечественного производства. Проанализированы частотные характеристики эффективности экранирования энергосберегающими стеклами и стеклами, задерживающими преднамеренное электромагнитное излучение. Обоснована эффективность противодействия проникновению электромагнитного импульса через окна заданий путем замены обычных стекол на стекла с металлическим покрытием.
Ключевые слова: эффективность экранирования, электромагнитный терроризм.
1. Электромагнитный терроризм
Научно-технический прорыв в области исследований неидеальной плазмы, взрывного преобразования энергии в электромагнитные импульсы привёл к созданию генераторов мощного электромагнитного излучения (ЭМИ). Стала актуальной защита радиоэлектронных систем (РЭС) и обслуживающего персонала. Это подтверждают результаты локальных конфликтов, где впервые велось широкое применение средств электромагнитного воздействия [1]. ЭМИ как природного, так и техногенного происхождения оказывают решающее влияние на безопасность работы радиоэлектронных средств, средств обеспечения безопасности функционирования [2-4]. В зоне риска оказываются в том числе интеллектуальные системы автоведения поездов различного целевого назначения, оснащённых бортовыми вычислительными устройствами на основе контроллеров. Создаётся угроза безопасной работы городских центров диспетчерского управления (ЦДУ) перевозками, объектов управления городским транспортом и городским хозяйством [5]. Основной принцип действия созданных генераторов заключается в излучении мощных одиночных импульсов или в формировании их последовательности. В результате таких воздействий происходят сбои программ, а иногда и выгорания /»-«-переходов во входных транзисторах. В последнее время появились мощные портативные генераторы электромагнитных волн, используемые в системе электромагнитного терроризма. Эти генераторы могут размещаться в кейсах, багажниках автомашин и в других средствах передвижения. На рис. 1 и 2 показаны такого рода генераторы, которые излучают короткие электромагнитные импульсы длительностью в единицы наносекуд и мощностью более 100 кВ [2].
Рис. 1. Малогабаритный источник ЭМИ разового действия
Рис. 2. Малогабаритный источник ЭМИ
Генератор на рис. 1 может быть включен дистанционно и его не обязательно заносить внутрь помещения.
Другая компания [3] разработала генератор многоразового действия (рис. 2). Малогабаритный генератор (20*16*8 дюй-
1п1е11гс1ыа1 Technologies оп ТгатроМ. 2017. N0 2
мов, масса 62 фунта, включая передающую антенну) имеет следующие характеристики:
• частота излучения 350 МГц;
• напряженность поля 120 кВ/м в ближней зоне от всена-правленной антенны;
• продолжительность работы 30 мин в непрерывном режиме (5 импульсов в секунду) или 3 часа с перерывами.
Мощный генератор ЭМИ может быть расположен и в багажнике легкового автомобиля (рис. 3). При этом стёкла такого автомобиля не должны пропускать электромагнитное излучение внутрь салона. Такие же стёкла должны иметь здания с высокочувствительной аппаратурой и работающими на ней операторами.
Рис. 3. Генератор мощного ЭМИ в багажнике автомобиля
Современные малогабаритные генераторы ЭМИ, включая показанные на рис. 1-3, способны вывести из строя высокочувствительные электронные приборы и системы (аппаратуру управления и централизации, видеокамеры наружного и внутреннего наблюдения, компьютеры и серверы локальных сетей в объеме малоэтажного здания). Попавший под облучение ЭМИ персонал получает сбои сознания, люди перестают понимать свои задачи, совершают неразумные поступки и действия, которые могут приводить к еще более тяжелым технологическим последствиям [2-5]. Один из возможных путей защиты РЭС и персонала от воздействия ЭМИ - применение специализированных стёкол на окнах кабин поездов и рамах зданий ЦДУ [6].
Для оценки эффективности экранирования стеклами используется соотношение
Е
БЕ = 201ё-° , (1)
К
где Е0 - напряженность падающего по нормали на стекло поля; Ег - напряженность прошедшего через экран поля.
Типичная конструкция применяемого защитного стекла показана на рис. 4.
Защитные стекла производят промышленным способом: на поверхность оконного стекла наносят тонкую металлическую пленку или сетку. Различают «мягкую» и «жесткую» форму нанесения металлической пленки [4, 7]. В первом случае из коллоидного раствора, например серебра, осаждают нанопленку толщиной несколько десятков нанометров на одну из сторон стекла. Во втором случае при нанесении используется химическое паровое осаждение, в результате которого создается пленка, например из диоксида олова толщиной в сотни нанометров [8]. Эти же способы используются для создания энергосберегающего стекла. Интересно выяснить частотную зависимость SE защитного стекла, к чему мы и переходим.
2. Частотные зависимости эффективности
ЭКРАНИРОВАНИЯ ЗАРУБЕЖНЫХ ЗАЩИТНЫХ СТЕКОЛ
Электромагнитное оружие работает в диапазоне от 1 до 100 ГГц, что определяет рабочий диапазон защитных стекол, которые должны задерживать до 99 % ЭМИ [2-4]. Эффективность экранирования защитным стеклом измерялась в полубезэховой камере Крыловского государственного научного центра [9]. На рис. 5 представлены результаты измерений для разных стекол, характерной особенностью которых были регулярные изменения величины SE. Согласно теории парциальных волн, эти регулярные измерения SE вызваны многократными отражениями между внешней поверхностью стекла и слоем металла [8, 10]. В отсутствие затухания, как в обычном оконном стекле 5, изменения SE с увеличением частоты практически исчезают. По той же причине отсутствует тренд для частотной зависимости SE сводчатого стекла 4.
Характерно, что «толстая» пленка (зависимость 3) приводит к более низкому уровню экранирования по сравнению с нанопленками серебра (зависимости 1 и 2). В сравниваемых случаях действуют различные механизмы затухания электромагнитных волн. В нанопленках внешнее поле взаимодействует с локальным внутренним полем по законам микроэлектродинамики [2, 5, 11]. Увеличение толщины на-нопленки вдвое не ведет к пропорциональному увеличению затухания. Однако в том и в другом случае эффективность экранирования оказывается выше, чем у пленки, которая в несколько раз толще. Причина в том, что в толстых пленках действуют уже законы макроэлектродинамики, поскольку в них отсутствуют локальные поля. Этот вопрос подробно рассмотрен в [2].
Рис. 4. Конструкция стекла, защищающего от ЭМИ
70
Частота, Гц
Рис. 5. Измеренные частотные зависимости SE различных стекол при падении волны по нормали к их поверхности: 1 - 2Ag, двойное серебряное покрытие; 2 - 1Ag, одинарное
серебряное покрытие; 3 - НС, твердое покрытие; 4 - сводчатое стекло; 5 - чистое стекло
Авторы [9] не смогли полностью объяснить пологие подъемы зависимости 8Б простого стекла в области частот от 4 до 10 ГГц (см. рис. 5). Действительно, на основе повсеместно используемой модели длинных линий такое объяснение невозможно. Напротив, теория парциальных волн дает однозначное объяснение этого подъема 8Б. Подъем связан с ростом коэффициента многократных отражений в области указанных частот, что непременно ведет к росту 8Б [2, 8, 9].
В зарубежной литературе можно найти сведения о более сложных конструкциях из защитных стекол. Одиночные стекла можно соединять в триплексы, когда два одиночных защитных стекла соединены друг с другом, или в стекло-пакеты из двух защитных стекол, помещенных рядом, или создавать другие конструкции [2, 8, 11]. В работе [8] приводятся результаты измерений эффективности экранирования некоторых конструкций (см. рис. 6).
Частотные зависимости 8Б энергосберегающих конструкций (рис. 6, нижняя кривая) имеет характерные максимумы.
Рис. 6. Частотная зависимость эффективности экранирования защитного триплекса
Первый из них обязан своим появлением росту коэффициента отражения на частотах, обеспечивающих сложение сигналов, отраженных от верхней поверхности и от металлического слоя [7]. Понятно, что рост коэффициента отражения сопровождается падением коэффициента прохождения ЭМИ через конструкцию стекла. В свою очередь, на этих частотах поднимается эффективность экранирования. Следующий максимум 8Б будет при двукратном увеличении частоты, т. е. в районе частот 12 ГГц, что мы и наблюдаем в эксперименте (см. рис. 6). Этот максимум оказывается ниже предыдущего, что имеет свое объяснение. Действительно, с ростом частоты уменьшается глубина скин-эффекта, поэтому в «толстом» металлическом покрытии на частотах второго максимума в пленке укладывается вдвое больше величин скин-эффекта, а на глубине каждое поле спадает в 2,4 раза. Тогда понятно, почему второй максимум верхней кривой меньше первого, а третий меньше второго.
3. Частотные зависимости эффективности
ЭКРАНИРОВАНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ЗАЩИТНЫХ СТЕКОЛ
Защитное стекло разработано совместными усилиями авторов публикации и стекольной компании ОАО «АКМА» (Санкт-Петербург) [8, 9, 11]. Промышленная линия этой компании производит защищенный триплекс, образованный двумя защитными стеклами пленками внутрь. Частотные характеристики 8Б одиночного стекла с серебряной нано-пленкой (дуплекса) показаны на рис. 7.
Исходя из физических понятий, эффективность экранирования дуплексов должна быть одинакова с любой стороны наблюдения [2]. Это положение подтверждается экспериментально (рис. 7), что косвенно свидетельствует о правильности измерений.
На этой же измерительной установке определены частотные зависимости коэффициента прохождения через триплекс, образованного двумя дуплексами, обращенными наноплен-ками внутрь (рис. 8).
Измерения выполнялись в пяти точках листа триплекса размером 500*700 мм, что представлялось эквивалентным пяти образцам триплекса. Мы видим, что результаты измере-
ф
m ю —-——!—т—,———
1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Частота, ГГц
Рис. 7. Результаты измерений эффективности экранирования дуплексом со стороны серебряной пленки (side A) и с противоположной стороны (side B)
w
4
s я
•e ■e
£
о
-10 --20 -30 -40
■50
\ — Триплекс, точка Nb1 — Триппекс, точка Мг2
— Тригг — Трипг оке, точка №4 екс, точка №5 >
\
7
100
10
T2, %
0,1
0,01
0,001
10 15 20
Частота, ГГц
25
Рис. 8. Результаты измерений коэффициента прохождения через триплекс на каждом из пяти его участков при нормальном падении поля
ний совпали друг с другом, это свидетельствует как о равномерной толщине пленки на обеих сторонах дуплекса, так и о точности измерений.
Постановка защитного стекла в обычную раму не создает надлежащего эффекта защиты помещения из-за проникновения ЭМИ через рамы и щели, снижающие SE до 10 дБ [11]. Этот недостаток ликвидируется постановкой защитных материалов на сами рамы и щели между ними и стеной. Эти вопросы подробно исследовались в работах [8-11], куда мы и отсылаем заинтересованных читателей.
Заключение
Сравнение электродинамических характеристик зарубежных и отечественных триплексов показало их идентичность в части эффективности экранирования в широком диапазоне частот. Можно надеяться, что и другие характеристики сравниваемых устройств будут на одном уровне.
Вместе с тем, номенклатура защитных стекол не ограничивается дуплексами и триплексами. Большое значение могут иметь частотно селективные защитные стекла. Тому есть примеры из области защитных ограждений антенн и других экранов. Существует и целая область знаний в проектировании частотно селективных экранов [4]. Эти знания могут быть использованы при создании частотно селектив-
ных стекол. Тогда будет решена проблема защиты радиоэлектронной аппаратуры, персонала и энергосберегающих стекол, которыми оснащаются окна поездов и зданий, рубки кораблей, но которые препятствуют каналам мобильной связи.
Литература
1. Wilson C. High Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) and High Power Microwave (HPM) Devices: Threat Assessments / C. Wilson // Congr. Res. Serv. Report for Congress. 21 July 2008. Р. 13. URL: at https://fas.org/sgp/crs/natsec/RL32544.pdf (дата обращения 9 ноября 2010).
2. Фортов В. Е. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока / В. Е. Фортов. М.: Наука, 2002. 399 с.
3. Threat of Radio Frequency Weapons to Critical Infrastructure Facilities. URL: http://emprimus.com/lit/NavyReportRF-Weapons.pdf.
4. Tong X. C. Advanced Materials and Design for Electromagnetic Interference Shielding / X. C. Tong. CRC Press, 2010. 325 p.
5. Celozzi S. Electromagnetic Shielding / S. Celozzi, R. Ara-neo, G. Lovat. NY: IEEE Press, 2014. 355 p.
6. Angskog P. Measurement of Radio Signal Protaction through Windows / P. Angskog, M. Backstrom, B. Vallhagen // IEEE Int. Symp., 2015. Р. 74-79. URL: http://dx.doi.org/10.1109/ ISEMC.2015.7256135.
7. Carafano J. J. Attacks - What the U. S. Must Do Now / J. J. Carafano, R. Weitz // Backgrounder, 2010, Nov. 17, № 2491. Р. 1-12. URL: http://thf_media.s3.amazonaws.com/2010/pdf/ bg2491.pdf.
8. Штагер Е. А. Физические основы стелс-технологии / Е. А. Штагер. СПб.: ВВМ, 2014. 271 с.
9. Белов В. П., Штагер Е. А., Седов А. Н. Заявка на изобретение № 201628687/28 (044746) от 14.12.2016 г. Защитный прозрачный триплекс. СПб., 2015.
10. Белов В. П. Безопасность и экономичность - главные черты системы управления Казанского метрополитена / В. П. Белов, А. П. Голынский, К. Б. Потапов и др. СПб., 2006.
11. Штагер Е. А. Защита помещения с окнами от электромагнитных излучений: докл. на XVIII Всерос. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы защиты и безопасности / Е. А. Штагер. СПб., 2015.
A New Threat to the Safe Operation of Information-Control Systems of Electric Rolling Stock
Belov V. P.
Military Space Academy named after A. F. Mozhaysky St. Petersburg, Russia arsenal_belov@mail.ru
Abstract. Analysis of existing portable means of electromagnetic radiation, which can disrupt the functioning of the automated control systems of movement of trains, including underground trains. Considered one of the possibilities for the protection of personnel, electronic equipment control systems and security traffic -use of safety glasses domestic production. Analyzes frequency characteristics of shielding effectiveness, energy-efficient windows and glass, whuch may check the intentional electromagnetic radiation. Are proved Efficiency of resistance to penetration of an electromagnetic pulse through window jobs by replacing conventional glass on glass with a metallic coating.
Keywords: the shielding efficiency, electromagnetic terrorism.
Reference
1. Wilson C. High Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) and High Power Microwave (HPM) Devices: Threat Assessments, Congr. Res. Serv. Report for Congress, 21 July 2008, pp. 13. Available at: https://fas.org/sgp/crs/natsec/RL32544.pdf (November 9, 2010).
2. Fortov V. E. Explosive Generators of Powerful Pulses of Electric Current [Vzryvnye generatori moshchnyh impulsov ehlektricheskogo toka]. Moscow, Nauka, 2002, 399 p.
3. Threat of Radio Frequency Weapons to Critical Infrastructure Facilities. Available at: http://emprimus.com/lit/NavyRepor-tRFWeapons.pdf.
4. Tong X. C. Advanced Materials and Design for Electromagnetic Interference Shielding. CRC Press, 2010, 325 p.
Shtager E. A.
Krylov state scientific center St. Petersburg, Russia shtager.e@mail.ru
5. Celozzi S., Araneo R., Lovat G. Electromagnetic Shielding. NY, IEEE Press, 2014, 355 p.
6. Ängskog P., Bäckström M., Vallhagen B. Measurement of Radio Signal Protaction through Windows. IEEE Int. Symp. 2015, pp. 74-79. Available at: http://dx.doi.org/10.1109/ ISEMC.2015.7256135.
7. Carafano J. J., Weitz R. Attacks - What the U. S. Must Do Now. Backgrounder, 2010. 17 Nov., no. 2491, pp. 1-12. Available at: http://thf_media.s3.amazonaws.com/2010/pdf/bg2491. pdf.
8. Shtager E. A. Physical Bases of Stealth Technology. [Fi-zicheskie osnovy stels-tekhnologii]. St. Petersburg, VVM, 2014, 271 s.
9. Belov V P., Shtager E. A., Sedov A. N. Application for Invention № 201628687/28 (044746) from 14.12.2016 "Protective transparent triplex". St. Petersburg, 2015.
10. Belov V. P., Golynsky A. P., Potapov K. B., Garkusha M. I., Korenev L. Y. Safety and Cost Effectiveness-basic Features of the Control System of Kazan Metropolitan [Bezopasnost i eh-konomichnost glavnye-cherty sistemy upravleniya kazanskogo metropolitena]. St. Petersburg, 2006.
11. Shtager E. A. Protection of the Premises from Electromagnetic Radiation in the Space with Windows [Zashchita pomeshcheniya s oknami ot ehlektromagnitnyh izluchenij. Report on the XVIII all-Russian scientific-practical conference "Actual problems of protection and security". St. Petersburg, 2015.
