ТАМБУР ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭКРАНИРОВАННОГО ПОМЕЩЕНИЯ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА

Полезная модель относится к судостроению, в частности к экранировке помещений от электромагнитных импульсов, и может быть использована при проектировании и строительстве кораблей для защиты их радиоэлектронных средств от электромагнитного импульса (ЭМИ) большой мощности.
Для защиты входа в экранированное помещение от ЭМИ большой мощности используют небольшое промежуточное помещение, изолирующее этот вход от воздействия внешней среды, а именно тамбур, содержащий корпусные конструкции, формирующие экранированное помещение с полом, подволоком и стенами, экранированной дверью в это помещение и экранированной наружной дверью. Пример такого известного технического решения описан, например, в патентной публикации Республики Корея KR 20110043168 МПК E05F 3/04; Е06В 5/18.
Технические решения для защиты экранированных помещений от ЭМИ большой мощности, характеризуемые указанным сочетанием признаков, а именно тамбур, содержащий корпусные конструкции, формирующие экранированное помещение с полом, подволоком и стенами, экранированную дверь в экранированное помещение и наружную экранированную дверь, как правило, стандартизованы. В частности, типовые технические решения приведены в военном стандарте США MIL-STD-188-125-1 17, (July 1998 SUPERSEDING MIL-STD-188-125A 15 February 1994 (http://www.wbdg.org/ccb/FEDMIL/std188_125_1.pdf) стр. 21, фигура 2а, где изображен тамбур для защиты экранированного помещения от электромагнитного импульса, содержащий корпусные конструкции, формирующие экранированное помещение с полом, подволоком и стенами, экранированную дверь в экранированное помещение и наружную экранированную дверь, принятый в качестве аналога.
Однако этот тамбур имеет недостатки, заключающиеся в недостаточной защищенности экранированного помещения от проникновения ЭМИ большой мощности в процессе эксплуатации, обусловленные непрерывным ухудшением защитных параметров узлов электромагнитного уплотнения экранированных дверей.
Это связано ограниченными ресурсными характеристиками конструкционных материалов электромагнитных уплотнений. Установлено, что экранированные двери - самое слабое звено в системе электромагнитной защиты помещений от ЭМИ большой мощности. В частности, в справочнике-руководстве по военным спецификациям и стандартам США MIL-HDBK-1195 30.09.1988 г., отмечается, что в узлах электромагнитной герметизации электрические контакты со временем ухудшаются и скорость их деградации зависит от влажности, вибрации, теплового расширения и сжатия, а также от загрязнения коррозийными материалами, такими как соленые брызги или атмосферные загрязняющие вещества. Окисление контакт-деталей электромагнитного уплотнения вызывает увеличение контактного сопротивления между ними. В упомянутом выше MIL-HDBK-1195 отмечено, что коэффициент экранирования узлов герметизации дверей ухудшается на 15-20 дБ через три года даже в идеальных лабораторных условиях. В корабельной окружающей среде деградация значительно выше и для экранированных дверей снижение эффективности экранирования через 6 месяцев может достигать 40 дБ.
Подавления основной энергетической составляющей частотного спектра ЭМИ большой мощности в этом тамбуре достигается за счет эффекта запредельного волновода, образуемого при увеличении длины тамбура, а для того, чтобы несколько сократить эту длину, экранированному помещению придана Г-образная форма.
Однако для корабля и это решение является нерациональным из за усложнения проектирования корабельных помещений, обусловленного увеличенными габаритами тамбура и соответственно потерями полезного объема. Потери полезного объема на корабле нежелательны, так как они ведут к необоснованному увеличению водоизмещения корабля и соответственно к снижению его тактико-технических характеристик. Для Г-образного тамбура этот недостаток также обострен неудобством, обусловленным удлинением и усложнением пути прохода личного состава корабля в экранированное помещение через тамбур по Г-образной трассе, что является неудобством в нештатных ситуациях.
Это обуславливает необходимость применения структур с характеристиками запредельного волновода для подавления электромагнитного излучения, проникающего через узлы электромагнитной герметизации. Пример такого решения показан на фигуре 2b стандарта MIL-STD-188-125-1 17, (July 1998 SUPERSEDING MIL-STD-188-125A 15 February 1994) (http://www.wbdg.org/ccb/FEDMIL/std188_125_1.pdf) стр. 21, где изображен тамбур для защиты экранированного помещения от электромагнитного импульса, содержащий корпусные конструкции, формирующие экранированное помещение с полом, подволоком и стенами, экранированную дверь в экранированное помещение и наружную экранированную дверь, принятый за прототип.
Эффект запредельного волновода для подавления основной энергетической составляющей частотного спектра ЭМИ большой мощности в этом тамбуре также достигается за счет увеличения его длины.
Однако для корабля и это решение является нерациональным из-за усложнения проектирования корабельных помещений, обусловленного увеличенными габаритами тамбура и соответственно потерями полезного объема. Потери полезного объема на корабле нежелательны, так как они ведут к необоснованному увеличению водоизмещения корабля и соответственно к снижению его тактико-технических характеристик.
Задачей заявляемого технического решения является обеспечение требуемого подавления ЭМИ большой мощности, проникающего через узлы электромагнитной герметизации дверей с уменьшением габаритов тамбура.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в тамбуре для защиты экранированного помещения от электромагнитного импульса, содержащем корпусные конструкции, формирующие экранированное помещение с полом, подволоком и стенами, а также экранированную дверь в смежное экранированное помещение и экранированную наружную дверь, предусмотрено следующее отличие: на внутренние поверхности его корпусных конструкций нанесено покрытие, поглощающее электромагнитное излучение.
Заявляемое техническое решение позволяет за счет нанесения поглощающего покрытия уменьшить габариты тамбура.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами, на которых:
фиг. 1 изображен тамбур для защиты экранированного помещения от электромагнитного импульса, где:
1 - корпусная конструкция тамбура;
2 - внутренняя дверь;
3 - экранированное помещение;
4 - наружная дверь;
5 - поглощающее покрытие;
6 - вертикальные щели;
фиг. 2 - формы импульсов электромагнитного поля, проходящих в экранированное помещение при трех вариантах исполнения тамбура, где
а - корпусные конструкции без покрытия при длине тамбура 5 м;
б - корпусные конструкции без покрытия при длине тамбура 3 м;
в - корпусные конструкции с покрытием при длине тамбура 3 м.
Тамбур для защиты экранированного помещения от электромагнитного импульса содержит корпусные конструкции 1, формирующие экранированное помещение с полом, подволоком и стенами, экранированную внутреннюю дверь 2 в экранированное помещение 3 и экранированную наружную дверь 4. На внутренних поверхностях его корпусных конструкций 1 нанесено покрытие 5, поглощающее электромагнитное излучение. В качестве этого покрытия может быть использовано, например, широкополосное поглощающее покрытие, описанное в статье Alireza Kazemzadeh and Anders Karlsson Nonmagnetic Ultra Wideband Absorber with Optimal Thickness IEEE transactions on Antennas and propogation, vol. 59, no. 1, January 2011. Ha дверях 2 и 4 условно показаны вертикальные щели 6, образованные дефектами электромагнитного уплотнения d (деградацией узлов электромагнитной герметизации), расположенными на расстоянии L от смежной стены, через которые проникает электромагнитное излучение.
При проникновении через щели 6 ЭМИ большой мощности внутрь экранированного помещения 3 формируется несколько фронтов и экспоненциально затухающий «хвост» из гармонических колебаний на одной или нескольких собственных частотах. Такая картина обусловлена дифракцией импульса на отверстии и последующих переотражениях его от стенок. Исходя из представления спектральной плотности электрического поля большой мощности ЯВ, приведенной, например, в книге Б.Б. Акбашева, Н.В. Балюка и Л.Н. Кечиева «Защита объектов телекоммуникаций от электромагнитных воздействий», М.:, Грифон, 1014 г., стр. 71, рис. 2.4 и 2.5, внутри помещения будут доминировать две-четыре частоты, отвечающие собственным частотам тамбура, как соответствующего прямоугольного резонатора. Исходя из необходимости перекрытия диапазона этих частот, выбирается диапазон поглощения электромагнитного излучения поглощающим покрытием.
Возможность осуществления заявляемого технического решения показано следующим рассмотрением характера дифракции электромагнитной волны на узких щелях 6, образованных деградацией узлов электромагнитной герметизации. Так как наиболее существенное проникновение поля через щели 6 происходит в случае поляризации, при которой вектор электрического поля направлен перпендикулярно щели, то рассмотрим случай, когда в экранированном помещении 3 образуются две вертикальные щели 6, представляющие наибольшую опасность электромагнитного воздействия ЭМИ большой мощности на корабельные радиоэлектронные средства.
Воздействие ЭМИ большой мощности можно представить в виде разности двух экспонент
0
-αt
-βt
Е(t)=E(e-e),
где
E(t) - напряженность электрического поля;
0
Е - параметр, отвечающий за интенсивность импульса;
α - параметр, отвечающий за скорость убывания напряженности электрического поля;
β - параметр, отвечающий за крутизну переднего фронта.
6
-1
8
-1
0
Для параметров α и β примем значения, приведенные в статье Giri D.V., Prather W.D. HEMP risetime evolution of technology and standards exclusively for E1 environment. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 55, NO. 3, JUNE 2013 p. 484-491.), а именно α=4⋅10 c, β=4.76⋅10 с. Параметр E выберем так, чтобы амплитуда импульса снаружи тамбура равнялась условной единице.
Для дальнейших расчетов перейдем в частотную область. Напряженность электрического Е(ω) в зависимости от частоты ω тогда примет вид
х
Выберем систему координат (x,y,z) так, чтобы начало координат находилось в основании щели 6, ось х была направленна вдоль щели 6, ось у - перпендикулярно щели 6, а ось z - вглубь экранированного помещения. Как уже отмечалось выше, для рассматриваемой задачи актуальна поляризация падающего поля, при которой вектор магнитного поля имеет только одну составляющую Н, которая в частотной области имеет вид
х
ikx cos θ
Н=e,
где θ - телесный угол;
х
Н - компонента вектора напряженности магнитного поля вдоль оси х;
i - мнимая единица;
k - волновое число,
а h удовлетворяет уравнению и граничным условиям
при y>|d|,
Решение этого уравнения может быть вычислено на основе приближения Рэлея по следующей формуле:
где:
Для дальнейшей сравнительной оценки примем допущение, что пол и потолок тамбура не имеют поглощающего покрытия, то есть идеально отражающие. Тогда зависимость от переменной х будет выражаться множителем sin(πnx/a), зависимость от переменных у и z будет определяться решением двумерной задачи Неймана для прямоугольного резонатора с источником вида h(y, z), рассмотренной в монографии Хёнл X., Мауэ А., Вестпфаль К. «Теория дифракции» М.: МИР, 1964 г. Решение этой задачи основано на представлении функции Грина для уравнения Гельмгольца для прямоугольника с граничными условиями Неймана в виде ряда из функций Грина для свободного пространства.
где R - коэффициент отражения от стенок.
Сравнительная оценка произведена следующих вариантов исполнения тамбуров с поперечным сечением 5,5×2,5:
- тамбур длиной 5 м без поглощающего покрытия, т.е. с идеально отражающими стенами (фиг. 2а);
- тамбур длиной 3 м без поглощающего покрытия, т.е. с идеально отражающими стенами (фиг. 2б);
- тамбур длиной 3 м со стенами, покрытыми поглощающим покрытием (фиг. 2в). Коэффициент поглощения покрытия принят равным 0,4 во всем диапазоне частот.
Во всех вариантах расчета принято расположение щелей 6 на расстоянии L=0,1 м от смежной стены.
На фиг. 2 показан отклик помещений трех вариантов исполнения тамбура на воздействие ЭМИ большой мощности.
При проникновении ЭМИ большой мощности внутрь экранированного помещения 3 через отверстие формируется несколько фронтов и экспоненциально затухающий «хвост» из гармонических колебаний на одной или нескольких собственных частотах. Такая картина обусловлена дифракцией импульса на отверстии и последующих переотражениях его от стенок. В спектральном представлении сигнала внутри помещения будут доминировать, как отмечено выше, две-четыре частоты, отвечающие собственным частотам прямоугольного резонатора соответствующего размерам тамбура. Нанесение на стенки радиопоглощающего покрытия позволяет как уменьшить максимальное значение модуля напряженности электрического поля, так и уменьшить время затухания образующихся стоячих волн.
В таблице приведены результаты сравнительной оценки параметров двух вариантов исполнения тамбура.
Из таблицы видно, что предложенное техническое решение обеспечивает на 25% снижение амплитуды электромагнитного импульса, проходящего через тамбур в защищаемое им экранированное помещение, а также более чем в 2 раза снижает энергию импульса. Крутизна фронта импульса, проходящего через тамбур, снижется, соответственно импульс «размазывается», что упрощает его фильтрацию на входе электронных схем.
Таким образом, при наличии поглощающего покрытия на переборках, образующих тамбур, параметры электромагнитной защищенности экранированного помещения с защищаемыми электромагнитными средствами существенно улучшились при уменьшении занимаемого им объемов судовых помещений. При этом улучшились эксплуатационные характеристики тамбура. В частности, проход от двери до двери осуществляется практически по прямой и не создает препятствий для быстрого перемещения личного состава.
Заявляемое техническое решение позволяет сократить затраты на проектирование и строительство корабля, направленные на обеспечение его защиты от преднамеренных мощных электромагнитных воздействий.