Анарбаев А.Е., Шайхин А.К.

Казахский национальный технический университет им. К. Сатпаева, РК

Методы оценки воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов на локальные вычислительные сети

Воздействующие деструктивные факторы (ВДФ), имеющие место в локальных вычислительных сетях (ЛВС), весьма многообразны и внутри каждого вида в основном различаются по интенсивности, режимам и времени воздействия. Все виды ВДФ могут действовать на объект независимо друг от друга, либо комплексно с различной степенью корреляции. В свою очередь, объекты избирательно воспринимают различные воздействия в зависимости от их структуры.

Чувствительность элементов ЛВС к воздействию сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения (СКИ ЭМИ) в значительной степени зависит от положения ее относительно направления векторов электрического и магнитного полей, геометрических размеров электрических цепей и контуров, их конфигурации, взаимных связей, номиналов электрических нагрузок, величин емкостных и индуктивных связей с элементами конструкций системы и окружающей средой, качества экранирования и способа заземления.[1]

Особенностью СКИ ЭМИ по сравнению с другими поражающими факторами является способность энергии ЭМИ передаваться по соединительным линиям и воздействовать на входные элементы систем и устройств ЛВС.

Особая опасность ЭМИ для ЛВС, кроме наличия возможных протяженных проводящих коммуникаций, обусловлена также сравнительно низкой электрической прочностью их элементов и, напротив, высокой чувствительностью к электрическим помехам.

В общем случае воздействующими факторами на элементы ЛВС при воздействии ЭМИ являются:[2]

- электромагнитные поля (ЭМП), воздействующие элементы ЛВС;

- электромагнитные поля, проникающие через ограждающие конструкции экранированных сооружений (помещений);

- ЭМП, заносимые импульсными токами с внешних кабельных и инженерных коммуникаций внутрь экранированных сооружений;

- импульсные напряжения и токи, наводимые в цепях «жила - экран» кабелей и воздействующие на изоляцию оборудования и аппаратуры, имеющих гальваническую связь с наружными кабельными коммуникациями;

- импульсные напряжения и токи, наводимые в межстоечных кабелях ЭМП, проникающими через неоднородности экранов и ЭМП, заносимыми по внешним инженерным коммуникациям.

Технологическая оборудование ЛВС, как правило, выполняется на микросхемах, имеющих в общем случае достаточно низкую устойчивость к воздействию импульсных токов и напряжений, а в совокупности с межстоечными соединительными линиями критична к воздействующим ЭМИ. Это обстоятельство было экспериментально подтверждено при испытаниях.

Одним из основных требований к ЛВС является обеспечение живучести, т.е. способности выполнить свои функции при воздействии внешних поражающих электромагнитных факторов. Такой показатель живучести, как стойкость к ЭМИ, является одним из основных для современных ЛВС и приобретает все большую значимость для проектируемых систем, учитывая тенденцию перехода на интегральные микросхемы, увеличения быстродействия, уменьшения энергетических уровней сигналов и т.д.

С точки зрения путей воздействия ЭМИ на оборудование ЛВС ее можно разделить на две группы:

- элементы, наружные (вне сооружения) электрические кабели и исполнительные или измерительные элементы;

- элементы, в которые расположены внутри сооружения.

В результате воздействия ЭМИ на элементы ЛВС могут быть следующие типовые повреждения и отказы:

-нарушение функционирования отдельных подсистем или всей системы в целом в результате ложных срабатываний импульсных схем во входных и выходных цепях блоков аппаратуры;

- выход из строя пультов, щитов из-за пробоя изоляции входных или выходных элементов этих блоков;

- выход из строя источников питания ЛВС в результате пробоя изоляции трансформаторов во входных цепях блоков питания, что приводит к отказу аппаратуры автоматики, связанных с данным блоком питания;

- полная потеря работоспособности отдельных подсистем ЛВС в результате пробоя изоляции и выхода из строя кабелей.

При воздействии СКИ ЭМИ соединительные линии, в силу своей протяженности, более всего подвержены воздействию ЭМИ. Способность кабельных коммуникаций передавать электромагнитную энергию на расстояния приводит к тому, что наведенные токи и напряжения могут выводить из строя оборудование и аппаратуру, расположенные вне зоны действия поражающих факторов. Для оценки стойкости к ЭМИ кабельных линий и подключенных к ним оборудования и аппаратуры в настоящее время разработаны различные методы расчета амплитудно-временных параметров токов и напряжений, наводимых в кабелях.

Необходимо отметить, что любой реальный объект чрезвычайно сложен и имеет многочисленные внутренние связи. Поэтому вопрос о реальной стойкости ЛВС к воздействию СКИ ЭМИ может быть решен только путем экспериментальных исследований с использованием излучателей СКИ ЭМИ. Экспериментальная оценка дает более достоверные результаты по сравнению с другими методами.

Проведенный анализ методов экспериментальной оценки показал, что определенные достижения в области воспроизведения параметров СКИ ЭМИ имеются, особенно в части разработки излучателей и измерительных преобразователей, однако методы испытаний на стойкость радиотехнических объектов в субнаносекундной области практически отсутствуют.[3,4]

Расчетно-экспериментальная оценка стойкости аппаратуры предполагает сочетание экспериментальных и расчетных методов. В тех случаях, когда образец не представляется возможным испытать в целом, проводятся испытания составных частей изделия в ЭМП имитаторов, а реакция протяженных элементов изделия оценивается расчетным путем. Расчетные данные используются при выборе нагрузок и генераторов напряжения (тока).

Другой разновидностью использования расчетно-экспериментального метода является оценка стойкости сложных систем и комплексов. При этом оценка стойкости их составных частей выполняется путем испытаний, а работоспособность всего комплекса оценивается с использованием математического моделирования, позволяющего учитывать функциональные связи составных частей при разных условиях применения аппаратуры.[4]

Для достоверной оценки стойкости ЛВС к воздействию СКИ ЭМИ требуется проведение комплекса исследований по разработке новых расчетных моделей оценки воздействия СКИ ЭМИ на элементы ЛВС.

Список литературы

1. Подосенов С.А., Потапов А.А., Соколов А.А. Импульсная электродинамика широкополосных радиосистем и поля связанных структур. Москва, 2003.

2. MIL-STD-461E. Interface Standard. Requirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment. - Department of Defense, 1999. - 252 p.

3. Балюк Н.В. ЭМС. Устойчивость к воздействию импульсных электромагнитных полей большой энергии. Технологии ЭМС, №2, 2003.

4. Зеленин А.Н., Крохалев Д.И., Арчаков О.Н., Ольшевский А.Н. Состояние и направления совершенствования методов расчета воздействия СШП ЭМИ на технические средства. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева JI.H.,2006, с. 22-32.