Защита от проникновения электромагнитного импульса через иллюминатор: аналитика, расчеты, эксперимент

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ КОРАБЛЯ

А.Ю. Андреев, В.А. Вялов, Б.Н. Городецкий, В.В. Залипаев, М.С. Сидоренко

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

ЗАЩИТА ОТ ПРОНИКНОВЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА ЧЕРЕЗ ИЛЛЮМИНАТОР: АНАЛИТИКА, РАСЧЕТЫ, ЭКСПЕРИМЕНТ

Объект и цель научной работы. Обеспечение зашиты корабельной радиоэлектронной аппаратуры от электромагнитных воздействий. Для проведения дальнейших оценок была выбрана модель рубки корабля в форме куба с круглым отверстием (элюминатором).

Материалы и методы. В работе рассмотрены два подхода к решению задачи: аналитический и численный. Аналитический подход основан на коротковолновом приближении в рамках физической теории дифракции. Численная оценка параметров электромагнитной обстановки внутри резонатора выполнялась с использованием программного пакета CST Studio Suite 2013 (разработка компании Computer Simulation Technology). Для верификации полученных расчетных алгоритмов были выполнены экспериментальные исследования.

Основные результаты. Приведена численная оценка параметров электромагнитной обстановки внутри рубки при его возбуждении внешним электромагнитным импульсом (ЭМИ) и оценена эффективность различных способов снижения его уровня. Полученные в работе результаты аналитических, численных и экспериментальных оценок параметров электромагнитной обстановки внутри рубки (каюты) корабля показали совпадение как по форме проникаюшего через отверстие импульса, так и по характеру изменения его амплитуды по мере удаления от отверстия внутри оболочки. При этом результаты расчета с использованием численных методов (программного пакета CST) по сравнению с аналитическими методами дает лучшее совпадение с результатами эксперимента.

Заключение. Результаты работ позволяют в дальнейшем оценить степень защиты корабельного радиоэлектронного оборудования с использованием стандартных компьютерных программ.

Ключевые слова: электромагнитное поле, электромагнитная обстановка, математическое цифровое моделирование. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Андреев А.Ю., Вялов В.А., Городецкий Б.Н., Залипаев В.В., Сидоренко М.С. Защита от проникновения электромагнитного импульса через иллюминатор - аналитика, расчеты, эксперимент. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 2(380): 121-127.

УДК 537.8:629.5.023.71 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-2-380-121-127

SHIP SIGNATURES

A.Yu. Andreev, V.A. Vyalov, B.N. Gorodetsky, V.V. Zalipaev, M.S. Sidorenko

Krylov State Research Centre, Moskovskoe shosse 44, St. Petersburg, Russia

PROTECTION AGAINST ELECTROMAGNETIC

PULSE PENETRATION VIA THE VIEWPORT: ANALYSIS,

CALCULATION, EXPERIMENT

Object and purpose of research: Electromagnetic protection of ship radioelectronics. For further assessment, the shape of a ship wheelhouse model was selected as cubical, with round opening (viewport).

Materials and methods: The paper investigates two approaches to this issue: analytical and numerical. The analytical approach is based on the short-wave approximation within the framework of the physical diffraction theory. The numerical assessment of electromagnetic parameters inside the resonator was performed in Computer Simulation Technology CST Studio Suite 2013 software package. The obtained calculation algorithms were validated by experimental studies.

Main results: This paper numerically assesses the electromagnetic parameters inside the wheelhouse affected by an external electromagnetic pulse (EMP), as well as provides efficiency estimates for various ways of EMP effect mitigation. The analytical, numerical and experimental estimates of the electromagnetic environment inside the wheelhouse (cabin) obtained in this work proved to agree regarding both the shape of the pulse penetrating via the opening and how its amplitude changes as the pulse penetrates farther into the shell. As compared to the analytical methods, the numerical calculation results obtained in CST software package were closer to the test data.

Conclusion: The results of this work could further be used to assess the electromagnetic protection level of ship radioelec-tronics by means of standard software.

Keywords: electromagnetic field, electromagnetic environment, mathematical digital simulation. Author declares lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Andreev A.Yu., Vyalov V.A., Gorodetsky B.N., Zalipaev V.V., Sidorenko M.S. Protection against electromagnetic pulse penetration via the viewport: analysis, calculation, experiment. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 2

УДК 537.8:629.5.023.71 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-2-380-121-127

Значительное число практических задач, связанных с обеспечением стойкости радиоэлектронной аппаратуры при внешних электромагнитных воздействиях, сводится к определению параметров электромагнитной обстановки в местах ее размещения в судовых помещениях, имеющих иллюминаторы или окна [1]. Аналогичная ситуация возникает в металлических корпусах аппаратурных стоек, которые представляют собой тонкостенные металлические оболочки, имеющие сквозные отверстия (вентиляция, технологические отверстия органов управления и пр.).

Указанные металлические оболочки являются, по существу, резонаторами, возбуждение которых внешним электромагнитным импульсом (ЭМИ) происходит, как правило, через имеющиеся отверстия. При этом с точки зрения формирования внутренней электромагнитной обстановки наиболее опасной является ситуация, когда внутри экранированного объема за счет переотражения от внутренних стенок происходит образование так называемых «стоячих волн», приводящих к существенному увеличению уровня электромагнитного поля в «пучностях» на некоторых частотах, определяемых геометрическими параметрами резонаторов.

Анализ конструктивных особенностей этих экранирующих оболочек показал, что в практически важных случаях они имеют сопоставимые значения геометрических параметров. В этой связи для проведения дальнейших оценок была выбрана модель помещения (оболочки) в форме куба с ребром 3 м (рис. 1) и круглым отверстием диаметром 30 см. Основные оценки были выполнены для сверхширокополосного (СШП) гауссова импульса длительностью 100 пс (рис. 2).

Как было показано в [1], задача возбуждения металлических резонаторов электромагнитным импульсом через отверстие в поверхности может быть решена с помощью преобразования Фурье в частотной области. В качестве геометрического масштаба выбирается длина ребра резонатора и задача приводится к безразмерному виду. При этом останется только один геометрический параметр - безразмерный диаметр отверстия.

Рассмотрим математическую формулировку электродинамической задачи. С этой целью запишем уравнения Максвелла для электрической и магнитной компонент электромагнитного поля [2, 3]:

V, 1 QH yj 1 9Е

rotE =---, rotH =--,

c Qt c Qt

divH = 0, divE = 0.

В случае гармонической от времени зависимости электромагнитного поля

Е

где к = ю / с, ю = 2я/, - волновое число.

На поверхности из идеально проводящего металла касательная составляющая электрической компоненты поля определяет граничное условие

EI

0.

S

iy

Рис. 1. Прямоугольный металлический резонатор с круглым отверстием в боковой стенке

Fig. 1. Rectangular metal resonator with a round opening in the side wall

0,1 02 03 Время, не

Рис. 2. Вид сверхширокополосного гауссова электромагнитного импульса

Fig. 2. An ultra-broadband Gaussian electromagnetic pulse

Важной деталью в постановке задачи является описание электромагнитного импульса, падающего извне на идеально-проводящий экран с отверстием. По отношению к плоскости ХУ (г = 0) рассмотрим одну линейную поляризацию нормально падающей нестационарной плоской волны с амплитудой А1п во временной и частотной областях:

En = Ae„f(t- —), En = АёЯш)ё"2.

Электромагнитный радиоимпульс представим гауссовой функцией

1

t2

f (t) =— exp(-ira0f -—) т Р 4т1

; 0,6006т ; т - длительность им-

2 J | F(ю)|2 dra = 8" J еЧшт')4 dm, ю

2

В дальней зоне по отношению к отверстию в экране (на расстоянии порядка десяти диаметров отверстия) рассеянное поле вперед в частотной области представляется коротковолновой асимптотикой для двух компонент поля шаровой волны с диаграммой, полученной, например, методом физической теории дифракции [4]:

E (ю г) = - нв =

iaA. J. {ka sin 9) . J2 (ka sin 9) _ eikR

=-[—:-^--i—-^-]cos m-

2 .9 9 R

sin — 2

cos— 2

E0 r) = Hm =

iaA ,J, (ka sin 0) ,J2(ka sin 9). . ékR

-[—-к-+i—-к-] sin m-

2 .9 9 R

Sin —

2

cos— 2

27^(2)'

пульса (ширина колокола на половине высоты); ю0 = 2л^0 - несущая частота. Соответствующий спектр есть снова гауссова функция

¥ 2 2 ^И = / /

Для случая видеоимпульса имеем ю0 = /0 = 0. Тогда главная часть энергии спектра определяется следующим образом:

где а - радиус отверстия в экране.

Для описания решения во временной области вычисляем интеграл преобразования Фурье

1 ¥

Em (t,Г) = J Еф (ю, r)F(m)e-imtdю =

2 л -¥

1 ¥

= — Re J Еф (ю, r)F(ю) e-imtdю.

E9 (t,r) = — J E9 (ю,r)F(ю)e-iюtdю = 2" -¥

¥

= --Re J E9 (ю,r)F{ю)e-^'dю.

0

т

0

o

Р

1

Еф (t, r) =- Re J Еф (ю, r) F(a)e-iatda, ж 0

1 Mm>x

Ee (t, r) = ж Re J Ee (ю, r) F(ю) e-iat da.

Верхний предел в численном интегрировании следует оценивать приближенно из выражения (8). При вычислении компонент поля с помощью интегралов (13), (14) используем коротковолновые приближения в аналитической форме (9), (10), которые справедливы для высоких частот.

Интегрирование коротковолнового приближения (9), (10) в интегралах (13), (14) оправдано. Это связано с тем, что хотя на низких и средних частотах мы не имеем приближения в аналитической форме, аналогичной (9), (10), однако известно, что решение в области низких частот дает в интегралы (13), (14) малый вклад. С другой стороны, и коротковолновое приближение (9), (10) на низких частотах также вносит в результирующее поле малый вклад.

Заметим, что подобная приближенная процедура традиционно использовалась в теории распространения сигналов.

Следует отметить, что в точках на оси 7 (х = у = 0) формулы (9), (10) существенно упрощаются (6 = 0):

E ( J) H ika2 A ekR

Еф К r) =- He =—— cos Ф-R"

E ( r) H ika2 A . ekR

Ee К r) = Hф = ——sin Ф-R-,

и соответствующие интегралы (11), (12) для представления компонент поля вычисляются строго:

J e

-iwf-(w-w0)2 х2

ada =

ю0

it л -4x2,

х 2Х

Lp

Рис. 3. Форма сверхширокополосного видеоимпульса, вычисленного с помощью преобразования Фурье

для поля на оси

Fig. 3. An ultra-broadband video pulse, as calculated through

Fourier transformation for the field on axis (-) and

as per Formula

Для получения численных оценок характеристик поля после его прохождения через отверстие в экране видеоимпульса приближенные выражения имеют вид

В результате для видеоимпульса мы получаем значения поля в точках на оси Z (x = y = 0) в виде

Еф (i, r) = -He (t, r) =

a2 A . t ia^ -i2*/0t-(18) -cosф[—- + —-Je p,

2 zc

2x3 x

p p

Ee

a2 A

<

2 zc

iff>0

———sin ф[—V + e

О T L о 3 J

2x3 x

p p

Таким образом, полученные результаты позволяют оценить достоверность результатов приближенных расчетов и вычислений по формулам

(13), (14).

Ниже приводятся графики, демонстрирующие динамику изменения формы гауссова импульса, прошедшего сквозь отверстие в экране для случая а = 0,15 м напряженности поля Ех = Еф в плоскости

XX (у = 0) для видеоимпульса с длительностью т = 100 пс. На рис. 3 для сравнения показана форма видеоимпульса, прошедшего через отверстие, и вычисленного с помощью интеграла Фурье (13) и по формуле (18). На рис. 4 показаны формы видеоимпульса в точках на оси X (х = у = 0), для значений г от 1 до 6 м (рис. 4а), и в точках г = 1 м, у = 0 для значений х от 0,5 до 3 м (рис. 46).

На рис. 5 (см. вклейку) показана динамика распространения СШП гауссова видеоимпульса внутри оболочки с помощью диаграмм, построенных во временной области в прямоугольнике -200 < х< 200, 0 < г< 100 см в последовательные моменты времени 2 нс и 6 нс.

Для верификации полученных расчетных алгоритмов были выполнены специальные экспериментальные исследования. Соответствующие измерения выполнялись в экранированной безэховой камере ФГУП «Крыловский государственный научный центр». В качестве экрана использовался лист ме-

0

талла толщиной 1 см, имеющий отверстие диаметром 30 см. Внешний электромагнитный импульс имел длительность 100 пс (рис. 6) и воспроизводился с помощью генератора производства НПП «ТРИМ». В качестве излучающей и приемной антенн были использованы две антенны типа АБ-150 фирмы «Гера». Регистрация сигнала осуществлялась осциллографом Agilent DSA91304A с полосой частот до 13 ГГц. На рис. 7 вместе с импульсом, параметры которого рассчитаны по формуле (18), показан зарегистрированный на осциллографе импульс, прошедший через отверстие в экране на расстоянии 1 м от отверстия.

Численная оценка параметров электромагнитной обстановки внутри резонатора при его возбуждении внешним электромагнитным импульсом выполнялась с использованием программного пакета CST Studio Suite 2013 разработки компании Computer Simulation Technology. Результаты расче-

тов приведены на рис. 8 (см. вклейку), где показаны картины распределения характеристик поля внутри оболочки с отверстием в различные моменты времени после воздействия ЭМИ при нормальном падении волны на вертикальную стенку (кх = ку = 0). Характер распределения энергии внутри оболочки определялся по результатам интегрирования по времени характеристик поля. На рис. 9 (см. вклейку) приведены распределения энергии электромагнитного поля для случаев нормального падения внешнего ЭМИ и угле падения 28°.

При проведении исследований была оценена эффективность различных способов снижения уровня ЭМИ внутри резонатора. С этой целью рассматривались варианты закрытия отверстия специальным стеклом и металлической сеткой, а также вариант нанесения на внутренние стенки резонатора радио-поглощающего покрытия (рис. 10, см. вклейку).

Рис. 4. Формы с помощью преобразования Фурье видеоимпульса в точках: а) на оси Z (x = y = 0) для значений zот 1 до 6 m; б) в точках z = 1 m, y = 0 для значений x = 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 и 3 m

Fig. 4. Shapes obtained through Fourier transformation of the video pulse at the following points: a) at Z axis (x = y = 0) for z from 1 to 6 m; б) at points z = 1 m, y = 0 for x = 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 and 3 m

Рис. 6. Вид сверхширокополосного импульса, излученного антенной АБ-150

Fig. 6. An ultra-wideband pulse emitted by AB-150 antenna

Рис. 7. Вид сверхширокополосного импульса на расстоянии 1 м от отверстия на его оси

Fig. 7. View of the ultra-wideband pulse at the distance of 1 m from the opening at its axis

-0,2 -0,1 0 0,1 0,2 03 Время, не ФГУП «Крыловский государственный научный центр»

0,1 0,2 0,3 0,4 Время, не

О ОД 0,2 0,3 0,4 Время, не

Рис. 11. Вид сверхширокополосного импульса на расстоянии 1 м от отверстия:

-эксперимент; — расчет с использованием

программного пакета CST

Fig. 11. View of an ultra-wideband pulse at the distance

of 1 m from the opening:---experiment;----calculation

in CST software package

На рис. 11 показан зарегистрированный на осциллографе импульс, прошедший через отверстие, вместе с импульсом, параметры которого были рассчитаны с использованием программного пакета CST Studio Suite 2013 на расстоянии 1 м от отверстия внутри резонатора.

Изменение формы измеренного импульса по мере удаления от отверстия показано на рис. 12 для расстояния от отверстия до 4 м.

Таким образом, полученные результаты аналитических, численных и экспериментальных оценок параметров электромагнитной обстановки внутри оболочки показали хорошее совпадение как по форме проникающего через отверстие СШП импульса, так и по характеру изменения его амплитуды по мере удаления от отверстия внутри оболочки. При этом результаты расчета с использованием численных методов (программного пакета CST) по сравнению с аналитическими методами дает лучшее совпадение с результатами эксперимента.

Библиографический список

Reference

1. Вялов В А, Городецкий Б.Н., Залипаев В.В. Оценка характеристик электромагнитного поля внутри пер-форированной металлической оболочки при внешних электромагнитных воздействиях. Технологии электромагнитной совместимости. 2016. № 1. С. 55-67.

-0Д5 ______

О ОД 0,2 0,3 0,4 Время, не

Рис. 12. Измеренный сверхширокополосный импульс после прохождения через отверстие на расстояниях: -1 м;-------2 м;-----4 м

Fig. 12. Ultra-wideband pulse passed via the opening, as measured at the following distances: --1 m;-------2 m;.....4 m

2. Вайнштейн Л А. Электромагнитные волны. М., Радио и связь, 1983.

3. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. М.:Радио и связь, 1983.

4. Уфимцев П.Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции. М.: Советское радио, 1962.

Сведения об авторах

Андреев Александр Юрьевич, к.т.н., начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-47-41. E-mail: krylov@krylov.spb.ru

Вялов Виктор Андреевич, к.ф.-м.н., научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-46-78. E-mail: vyalov@gmail.com, krylov@krylov.spb.ru

Городецкий Борис Николаевич, к.т.н., начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-46-78. E-mail: bngor@gmail.com, krylov @ krylov.spb.ru

ptfs« propagation ptise propagation

a) 6)

Рис. 5. Динамика распространения прошедшего через иллюминатор сверхширокополосного импульса в области -200 см < х < 200 см; О < z < 200 см в последовательные моменты времени: а) 2 не; б) 6 не

Fig. 5. Propagation dynamics of the ultra-broadband pulse passed via the viewport in the domain of -200 cm < x < 200 cm; 0 < z < 200 cm at subsequent moments of time: a) 2 ns; б) 6 ns

Л

I

J

Рис. 8. Распространение электромагнитного импульса в оболочке с отверстием Fig. 8. Electromagnetic pulse propagation in a shell with an opening

0.649-1 0.578-1 0.507—1 0.436 Ч 0.365—| 0-2^4 —|

о^гэ—I

0.152 —| 00*t2 H

0.7»-j

Ой«-J

0.577-J 0.506—j 0.436-1 0.365-1 02W-J

Рис. 9. Распределение энергии внутри оболочки с размерами 3 х 3 м2 с отверстием при нормальном падении электромагнитного импульса и при угле падения 28°

Fig. 9. Energy distribution within the 3 x 3 m2 shell with an opening for the electromagnetic pulses falling normally and at the angle of 28°

a)

0.649-1 0.578-1 0.507—j 0.436 —j 0.365-1

<У32>-\ 0.l5i-| 00№H

6)

0.971-J 0SÏ7-J 0-823—1

0.749 —I CL675-J 0401-j 0.528-j 0.454-1

Рис. 10. Распределение энергии внутри оболочки 3x3 м при нормальном падении электромагнитного импульса: а) с открытым отверстием; б) с отверстием, закрытым специальным стеклом; в) с отверстием, закрытым стеклом с металлической сеткой; г) с дополнительным покрытием внутренних поверхностей резонатора радиопоглощающим покрытием с поглощением 10 дБ

Fig. 10. Energy distribution within 3x3 m shell at normal incidence of the electromagnetic pulse:

a) opening without cover; b) opening covered by a special glass; c) opening covered by a glass with a metal net;

d) internal surfaces of the resonator are additionally covered by the radar-absorbing ccating with the absorption of 10 dB

Залипаев Виктор Васильевич, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-47-41. E-mail: mavzal@mail.ru, krylov @krylov. spb.ru

Сидоренко Михаил Сергеевич, научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-47-41. E-mail: krylov@krylov.spb.ru

About the authors

Andreev, Alexander Yu., Candidate of Technical Sciences, Head of Sector, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-4741. E-mail: krylov@krylov.spb.ru

Vyalov, Viktor A., Candidate of Physical & Mathematical Sciences, Researcher, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh.,

St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-46-78. E-mail: vyalov@gmail.com, krylov@krylov.spb.ru

Gorodetsky, Boris N., Candidate of Technical Sciences, Head of Sector, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-46-78. E-mail: bngor@gmail.com, krylov @ krylov.spb.ru

Zalipaev, Viktor V., Candidate of Physical & Mathematical Sciences, Senior Researcher, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-47-41. E-mail: mavzal@mail.ru, krylov@krylov.spb.ru

Sidorenko, Mikhail S., Researcher, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-47-41. E-mail: krylov@krylov.spb.ru

Поступила: 09.02.17 Принята в печать: 10.04.17 © Коллектив авторов, 2017