Способ испытания крупногабаритных объектов, содержащих протяженные кабельные линии, на соответствие требованиям по стойкости к воздействию электромагнитного импульса
METHOD FOR TESTING LARGE-SIZED OBJECTS CONTAINING LONG CABLE LINES FOR COMPLIANCE WITH REQUIREMENTS FOR RESISTANCE TO ELECTROMAGNETIC PULSE

Изобретение относится к области электромагнитных испытаний для оценки соответствия крупногабаритных технических систем, имеющих в своем составе протяженные кабельные линии (далее - объект испытаний, ОИ), заданным требованиям по стойкости к воздействию электромагнитного импульса (ЭМИ) субнаносекундного временного диапазона.
Известны прямые и косвенные методы испытаний ОИ на действие ЭМИ [1].
При реализации прямых методов испытаний приведенные в рабочее состояние ОИ целиком размещаются в рабочих объемах испытательных установок и облучаются импульсными ЭМП. Испытательные установки представляют собой имитаторы, воспроизводящие импульсные ЭМП наносекундного и субнаносекундного диапазона. К имитаторам наносекундного диапазона относятся установки «Артерит», «Орион», ЭРУ-2М. Эти установки имеют рабочие объемы с линейным размером до 40 м. К особенностям указанных установок относятся большие время нарастания (фронта) и длительность воспроизводимого импульсного ЭМП, составляющие единицы - десятки наносекунд, и их малые амплитуды (не более 100 кВ/м). К установкам субнаносекундного диапазона относятся установки «Разряд-М», ЭРУ-2МС, «СЭМИ», в которых применено устройство для формирования субнаносекундных импульсов [2]. Данные имитаторы способны воспроизводить импульсные электромагнитные поля амплитудой до 300 кВ/м. Особенностью указанного класса установок являются сравнительно небольшие размеры рабочих объемов, которые не превышают 6-7 м в одном направлении. Соответственно полномасштабные испытания (облучение одновременно всего ОИ) прямым методом крупногабаритных объектов (продольный размер более 10 метров) существующими имитаторами на действие импульсных ЭМП субнаносекундного временного диапазона на практике нереализуемы.
При реализации косвенных методов имитируют первичный эффект действия импульсных ЭМП на объект испытаний в виде наведенных токов и напряжений с определенными расчетно-экспериментальным путем [3] амплитудно-временными характеристиками. Однако, применительно к ЭМП субнаносекундного временного диапазона, обладающим высокой проникающей способностью (их действие определяется не только токами и напряжениями в кабельных линиях, но и полями внутри экранированных блоков объектов испытаний), такие способы труднореализуемы. Также в настоящее время отсутствуют испытательные установки, воспроизводящие одновременно электромагнитные поля, токи и напряжения с разными параметрами и в нескольких точках приложения воздействий.
На пересечении прямых и косвенных методов находится способ электромагнитных испытаний объекта и система для его реализации [4], предполагающий воспроизведение на аппаратуру, размещенную внутри экранированных блоков крупногабаритных объектов, электромагнитных полей малой амплитуды, рассчитанных из условий ослабления поля корпусом экранированного блока. Однако указанный способ не может обеспечить необходимые уровни воздействия на внешние кабельные линии и обеспечить в них требуемые характеристики действующих непосредственно на аппаратуру токов и напряжений, как это происходит при полномасштабном воздействии на ОИ.
Наиболее близким для достижения указанного ниже технического результата является способ испытания объектов на воздействие электромагнитного импульса [5], в котором путем создания импульсных ЭМП, имитирующих ЭМИ, воздействию подвергают модель ОИ с размещенными внутри и снаружи нее блоками аппаратуры. Указанный способ принят за прототип.
Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного способа, принятого за прототип, является то, что при проведении испытаний объектов на соответствие требованиям по стойкости к действию ЭМИ субнаносекундного диапазона масштабному моделированию подвергается только корпус объекта, а блоки аппаратуры масштабировать при этом невозможно. Воздействие же импульсных ЭМП с пропорционально измененными временными характеристиками на реальную аппаратуру, размещенную в модели ОИ, не позволит получить достоверную оценку ее требованиям стойкости к ЭМИ с требуемыми временными характеристиками. Кроме того, реализация импульсных ЭМП с измененными пропорционально размерам модели объекта временными параметрами, предполагаемая в способе-прототипе, технически весьма затруднительна.
Таким образом, вариантами решения задачи испытания крупногабаритных объектов, содержащих протяженные кабельные линии, на соответствие требованиям по стойкости к действию ЭМИ субнаносекундного диапазона могут являться:
1. Воспроизведение испытательного воздействия импульсного ЭМП на ОИ в целом (размер ОИ не превышает размеры рабочего объема испытательного оборудования).
2. Локальное воспроизведение испытательного воздействия импульсного ЭМП последовательно на блоки с аппаратурой ОИ. При этом в подключенных к блокам кабельных линиях необходимо обеспечить токи и напряжения с амплитудой, соответствующей случаю полномасштабного нагружения.
Поскольку в настоящее время размеры рабочих объемов имитаторов импульсного ЭМП субнаносекундного диапазона не превышают 7 м в одном направлении, испытания крупногабаритных ОИ с протяженными кабельными линиями предлагается проводить по варианту 2.
Сущность предлагаемого способа заключается в последовательном локальном облучении блоков с аппаратурой и определенных частей подключенных к ним кабельных линий, помещающихся в рабочем объеме имитатора, при котором обеспечиваются соответствующие случаю полномасштабного нагружения и действующие непосредственно на аппаратуру внутриблочные электромагнитные поля, а также токи и напряжения, наведенные в подключенных к блокам кабельных линиях.
Необходимые длины облучаемых частей линий определяются по формуле:
где:  - длина облучаемой части кабельной линии, м;
- длина объекта испытаний, м;
m - число учитываемых дополнительных резонансных частот, определяемое как отношение полосы пропускания кабельной линии к основной резонансной частоте ОИ,
или по графику, приведенному на фиг. 1.
Технический результат заключается в определении минимальных облучаемых длин протяженных кабельных линий, входящих в состав ОИ и помещающихся в рабочий объем испытательного оборудования, для обеспечения проведения испытаний на соответствие требованиям по стойкости к действию ЭМИ субнаносекундного диапазона, при облучении которых реакция аппаратуры и блоков ОИ будет соответствовать случаю полномасштабного воздействия.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе испытаний электромагнитному воздействию, имитирующему ЭМИ, подвергают уменьшенную модель ОИ, новым является то, что электромагнитному воздействию в локальном объеме подвергают последовательно все части ОИ, включающие в себя блоки с аппаратурой, а также определенные по эмпирической зависимости (формуле) части подключенных к ним протяженных кабельных линий минимально необходимой длины. Таким образом, при локальном облучении кабельной линии импульсным электромагнитным полем субнаносекундного диапазона, в ее экране наводятся токи, имеющие форму затухающих колебаний на основных частотах, соответствующих случаю полномасштабного облучения (амплитуды каждой гармоники этих токов снижаются с уменьшением длины облучаемой части), и на дополнительных более высоких резонансных частотах, которых не наблюдается при полномасштабном облучении. За счет учета этого эффекта, токи во внутренних проводниках и напряжения между внутренними проводниками и экраном в рассматриваемой кабельной линии будут определяться результатом взаимодействия тока в экране и напряжения экрана относительно земли (нормального к его поверхности электрического поля при больших удалениях линии от земли) с сопротивлением и проводимостью связи кабеля, и соответствовать по амплитуде случаю полномасштабного облучения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
исключение какой-либо части (элемента, действия) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и пр.);
увеличение количества однотипных элементов, действий, для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;
выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.
Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.
Таким образом, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Перечень фигур.
На фиг. 1 представлена эмпирическая зависимость для определения необходимой длины облучаемой части кабельных линий ОИ (m - отношение полосы пропускания кабельной линии к основной резонансной частоте ОИ).
На фиг. 2 изображена схема воспроизведения испытательного воздействия имитатором импульсных ЭМП субнаносекундного диапазона (1) (продольный размер рабочего объема обозначен пунктирными линиями), на крупногабаритный ОИ (2), имеющий в своем составе экранированный блок (3) с аппаратурой (4), дополнительные блоки (5), протяженные кабельные линии (6), проходные разъемы (7), внутриблочные цепи (8).
На фиг. 3 представлено распределение тока по экрану (9) одиночного экранированного проводника (10), подвергаемого полномасштабному облучению импульсным ЭМП (11), на основной резонансной частоте (12), втрое большей резонансной частоте (13), и впятеро большей резонансной частоте (14).
На фиг. 4 представлено распределение тока по экрану (9) одиночного экранированного проводника (10), локально облучаемого импульсным ЭМП (11), на основной резонансной частоте (12), вдвое большей резонансной частоте (15), и вчетверо большей резонансной частоте (16).
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата.
Анализ структуры ОИ показывает, что их аппаратура, как правило, компактно сгруппирована в отдельных экранированных блоках и соединена с дополнительными блоками кабельными линиями разных протяженности и типов. Результат воспроизведения испытательного воздействия ЭМИ на такие ОИ будет определяться прямым действием электромагнитного поля на аппаратуру, а также действием токов и напряжений, формируемых в соединительных кабельных линиях. В ходе испытаний воздействие на блоки с аппаратурой реализуется за счет того, что они поочередно полностью помещаются в рабочий объем испытательной установки, а воздействие на протяженные кабельные линии осуществляется локально на ту их часть, которая находится (умещается) в рабочем объеме. При этом минимально необходимая длина облучаемой части протяженных кабельных линий определяется следующим образом.
Известно, что при воздействии импульсного ЭМП на кабельную линию в ее экране наводятся токи и напряжения относительно земли, имеющие форму затухающих колебаний [6]. Распределения их амплитуд по длине экрана линии описываются формулами:
z
где: E - напряженность воздействующего электрического поля (постоянна вдоль всей линии), В/м;
в
Z - волновое сопротивление экрана линии, Ом;
β - коэффициент фазы, рад/м;
z - координата точки определения амплитуды тока (напряжения), м (z=0 - начало линии,  - конец линии);
- длина кабельной линии, м.
Частоты, при которых знаменатели формул (1) и (2) равны нулю, то есть ток (напряжение) устремляются в бесконечность, называются резонансными:
тогда:
Учитывая, что:
где: ω=2πƒ - круговая частота, рад/с;
ƒ - частота, Гц;
8
с=3⋅10 м/с - скорость распространения волн в линии, определим резонансные частоты:
рез
где: ƒ - резонансная частота, Гц;
k=0, 1, 2…
рез
Основная резонансная частота ƒ колебаний (при к=0) определяется суммарными геометрическими размерами кабельной линии и подключенных к ней блоков. Кроме того, спектр токов в экране и напряжений экрана кабеля (как при полномасштабном, так и при локальном облучении) имеет более высокие, кратные основной в 3, 5, 7 и т.д. раз, резонансные частоты. Амплитуды токов (напряжений) на этих частотах уменьшаются относительно основной резонансной частоты пропорционально их кратности ей. На фиг. 3 представлено распределение тока по экрану проводника, полностью облучаемого импульсным ЭМП, на основной резонансной частоте, втрое и впятеро больших резонансных частотах.
При локальном облучении кабельной линии импульсным ЭМП, амплитуды токов в ее экране на основной резонансной и кратных ей резонансных частотах уменьшаются. Их соотношение с амплитудами токов, наводимых при полномасштабном облучении (на каждой резонансной частоте), определяется по формуле:
полн
где: I - амплитуда тока в экране кабеля при полномасштабном нагружении, А;
лок
I - амплитуда тока в экране кабеля при локальном облучении, А;
n - длина облучаемой части кабельной линии, м.
Аналогичным образом можно оценить соотношение амплитуд напряжений экрана (нормальных электрических полей), имеющих место при полном и локальном облучении (на каждой резонансной частоте):
полн
где: V - амплитуда напряжения экрана кабеля при полномасштабном нагружении, В;
лок
V - амплитуда напряжения экрана кабеля при локальном облучении, В.
Так, при облучении половины длины кабельной линии, токи и напряжения в ее экране уменьшаются в 2 раза, а при облучении четверти ее длины - в 6,8 раза. Однако эффект появления дополнительных резонансных частот при локальном облучении позволяет скомпенсировать это уменьшение.
При локальном облучении кабельной линии распределение амплитуд наводимых в ее экране токов и напряжений по длине описываются формулами:
Из приведенных формул видно, что в случае локального облучения меняется условие устремления тока (напряжения) к бесконечности:
Используя соотношение (5), получим:
и определим резонансные частоты:
рез
где: ƒ - резонансная частота, Гц;
k=0, 1, 2…
То есть при локальном облучении имеет место эффект появления дополнительных резонансных частот тока и напряжения в экранах кабельных линий, кратных в 2, 4, 6 и т.д. раз основной резонансной частоте. Их амплитуда также падает пропорционально их кратности основной резонансной частоте. Соответствующие распределения амплитуды тока для кабеля, у которого облучается половина его длины, представлены на фиг. 4.
Однако, за счет практически линейного увеличения сопротивления связи экранированных кабелей с ростом частоты [6]:
св
где: Z - сопротивление связи, Ом;
М - величина, определяемая конструктивными особенностями оплетки, Ом⋅с,
и строго линейного увеличения с ростом частоты их проводимости связи:
св
где: Y - проводимость связи, См;
С - величина, определяемая конструктивными особенностями оплетки, См⋅с,
токи и напряжения экрана создают равные по амплитудам токи в центральном проводнике и напряжения между центральным проводником и экраном на всех резонансных частотах. То есть дополнительные резонансные частоты тока и напряжения экрана на резонансных частотах, кратных основной в 2, 4, 6 и т.д. раз компенсируют снижение воздействия на аппаратуру при локальном облучении на основной и кратных ей в 3, 5, 7 и т.д. раз резонансных частотах. Условие такой компенсации определяется числом резонансных частот, токи и напряжения на которых не затухают в кабельной линии, то есть ее полосой пропускания.
Проведенные по методике, изложенной в [6] расчеты позволили определить зависимость минимально необходимой длины облучаемой части кабельной линии от отношения ее полосы пропускания к основной резонансной частоте, при воспроизведении импульсного электромагнитного воздействия на которую, токи в проводниках и напряжения между проводниками и экраном, непосредственно действующие на подключенную аппаратуру, будут соответствовать случаю полномасштабного облучения ОИ (см. фиг. 1). Указанная зависимость может быть описана эмпирической формулой:
где:  - длина облучаемой части кабельной линии, м;
- длина объекта испытаний, м;
m - отношение полосы пропускания кабельной линии к основной резонансной частоте ОИ.
Например, в состав ОИ, размеры которого составляют 20*1*1 м, входят экранированный блок с аппаратурой, подключенные к нему кабельные линии, проложенные по всей длине ОИ, дополнительные блоки. Остальные части его конструкции являются диэлектрическими и при подготовке испытаний не учитываются. Схема ОИ представлена на фиг. 2.
Для ОИ, продольный размер которого много больше поперечных размеров, основная резонансная частота определяется по соотношению (6) для к=0 и для рассматриваемого ОИ будет составлять 7,5 МГц.
Для ОИ сложной конфигурации резонансная частота может быть определена экспериментально при воздействии на них произвольного импульсного электромагнитного воздействия и измерении при этом параметров тока в экране кабельной линии, например с помощью пояса Роговского.
Предположим, что протяженные линии ОИ изготовлены из проводников трех типов, имеющих полосы пропускания 20, 30, и 40 МГц. Тогда полосы пропускания кабельных линий больше основной резонансной частоты в m=2.7, 4, и 5.3 раза соответственно. По эмпирической зависимости фиг. 1 или по формуле (16) определяют для рассматриваемых кабельных линий необходимые для нагружения части их длин: 0.22, 0.17 и 0.14 соответственно.
Таким образом, при испытаниях в рабочем объеме имитатора должен размещаться блок с аппаратурой, а также не менее 0.21 длины первой, 0.17 длины второй и 0.14 длины третьей линий.
При такой схеме испытаний токи и напряжения в кабельных линиях по амплитуде будут соответствовать случаю полномасштабного облучения всего объекта испытаний, а сохранение (несохранение) работоспособности его аппаратуры - позволит судить о соответствии (несоответствии) его требованиям стойкости к действию импульсных электромагнитных полей субнаносекундного диапазона.
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения (способа) следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в оборонной;
для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Лоборев В.М., Замышляев Б.В., Маслин Е.П., Шилобреев Б.А., Физика ядерного взрыва, т. 3 Воспроизведение факторов взрыва, М.: Физматлит, 2013 г. - 472 с.
2. Никифоров М.Г., Балдыгин В.А., Устройство для формирования субнаносекундных импульсов. Патент РФ на изобретение №2206175 от 19.11.2001 г.
3. Сазонов Н.Н., Исаков С.В., Способ испытаний систем, содержащих электровзрывные устройства, на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей в составе объектов и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2593521 от 19.05.2015 г.
4. Горшков А.И., Городецкий Б.Н., Вишневский A.M., Способ электромагнитных испытаний объекта и система для его реализации. Патент РФ на изобретение №2647211 от 22.08.2016 г.
5. Дудка В.Д., Олейников Ю.Х., Родионов Е.В., Способ испытания объектов на воздействие электромагнитного импульса. Патент РФ на изобретение №2235314 от 26.11.2001 г.
6. Вэнс Э.Ф., Влияние электромагнитных полей на экранированные кабели: Пер. с англ. / Под ред. Л.Д. Разумова. - М.: радио и связь, 1982. - 120 с.