Zbraně se směrovanou energií
Libor PALÍŠEK
Klíčová slova
DEW, HPM, UWB, elektromagnetický, NEC, zranitelnost
Úvod
Obrázek č. 1 Humvee se systémem ADS (Active Denial System - Systém aktivního odpuzování) (Pramen: [1])
Zbraně se směrovanou energií různých principů se v posledních letech jeví jako atraktivní pro použití na budoucím bojišti. Jsou vyvíjeny speciální optické technologie (lasery), zvukové technologie a také mikrovlnné technologie, které mohou být použity ve speciálních zbraňových systémech k narušení činnosti elektronických systémů nebo k přímému působení na člověka. Příkladem mikrovlnné technologie k působení na člověka je systém aktivního odpuzování (Active Denial System) pracující na kmitočtu 94 GHz (obr. 1). Zbraně DEW jsou v posledních letech zvažovány především jako zbraně neletální.
Současné vyvíjené vojenské systémy sestávají ze zařízení, která jsou stále více sofistikovaná a více závislá na spolehlivé funkci elektroniky. Důležitost elektronických zařízení vojenských systémů je patrná z vývoje nově deklarovaných schopností (Network Enabled Capability - NEC), které se staly prioritou dalšího rozvoje Armády České republiky (AČR) i v rámci zemí Severoatlantické aliance (North Atlantic Treaty Organization - NATO).
Výkonová elektromagnetická pole mohou být generována výkonovými technologiemi a směrována k příslušnému cíli. V této problematice se používají termíny jako např. výkonové mikrovlny (High Power Microwave - HPM), ultraširokopásmové signály (Ultra Wide Bandwidth - UWB), dále pak výkonový elektromagnetismus (High Power Electromagnetics - HPEM) a záměrně generované rušení (Intentional Electromagnetic Interference - IEMI).
Na obrázcích 2-6 jsou uvedeny příklady technologií, které mohou být použity jako zbraň DEW vůči elektronickým zařízením.
|
|
|
|
|
1 Elektromagnetické ohrožení
Obrázek č. 7 Porovnání HPM a UWB s ostatními elektromagnetickými hrozbami (Pramen: [4])
Obrázek č. 8 Šíření vysokofrekvenční energie od zdroje (HPM nebo UWB) k zařízení (systému) (Pramen: vlastní)
Jak bylo zmíněno v úvodu, velmi důležitou skupinou neletálních technologií DEW jsou zbraně využívající ničivých účinků výkonových elektromagnetických polí. Typicky jsou s ohledem na DEW zvažována následující elektromagnetická prostředí (obr. 7):
* výkonové mikrovlny (HPM): úzkopásmové signály v kmitočtové oblasti řádu stovek MHz až jednotek GHz;
* ultraširokopásmové signály (UWB): impulsy s náběžnou dobou typicky řádu stovek ps a s šířkou impulsu typicky řádu několik ns.
Na obr. 7 jsou kromě charakteristických spektrálních hustot prostředí HPM a UWB znázorněny spektrální hustoty prostředí standardizovaného elektromagnetického pole blesku (lihgtning) a rychlé složky exoatmosférického jaderného výbuchu (HEMP). Jedná se o prostředí s nesměrovanou energií. Na následujícím obr. 8 je znázorněn princip směrového šíření energie v prostředí HPM a UWB prostřednictvím směrové vyzařovací antény zdroje.
Jelikož prostředí HPM a UWB je výrazně závislé na vzdálenosti od ohrožující zbraně a navíc mohou signály HPM a UWB být rozličného charakteru, standardizace v této oblasti je velmi obtížná. V současné době existuje pouze několik málo standardů popisujících prostředí HPM a UWB obecně (např. IEC 61000-2-13 [4]). Možný přístup je zvažovat rozličné typy HPM a UWB signálů, které byly produkovány dostupnými technologiemi, a zvažovat jejich možné použití v budoucnu. Při stanovování požadavků na techniku je vždy nutné provést analýzu elektromagnetického prostředí pro nejmenší možnou vzdálenost ohroženého cíle od zdroje HPM, resp. UWB.
1.1 Stanovení intenzity elektromagnetického pole
Jako typický příklad je možné zvažovat zdroj HPM (UWB) s impulsním výkonem P = 1 GW a vysoce směrovou anténou s extrémně úzkým vyzařovacím svazkem (G = 40 dB, resp. D = 8 750). Nyní můžeme vypočítat očekávanou intenzitu elektromagnetického pole v místě ohroženého zařízení (systému) dle následujícího vztahu (1).
(1)
kde P je vyzářený výkon, D je směrovost antény, r je vzdálenost.
Ze vztahu (1) je zřejmé, že pro většinu případů (vzdálenost DEW od zařízení/systému řádu desítek metrů) je možné zvažovat intenzitu elektromagnetického pole řádu desítek až stovek kV/m.
1.2 Stanovení kritických kmitočtů
Obrázek č. 9 Odezva systému v závislosti na kmitočtu (Pramen: [5])
Je velmi užitečné zvažovat přenosovou funkci (T) zkoumaného zařízení/systému pro stanovení kritických kmitočtů (obr. 9 [5]). Z obr. 9 je zřejmé, že nejdůležitější kmitočtovou oblastí z hlediska narušení zkoumaného zařízení (systému) je rezonanční oblast, tedy druhé pásmo. Pro stanovení přenosové funkce (T) je nutné provést příslušná měření (stínicí účinnost krytu, indukované proudy a napětí apod.).
Zvažované kmitočtové spektrum je rozděleno následujícím způsobem [5] (obr. 9).
Pásmo 1: 
(vazby aperturami a krátkými anténami),
Pásmo 2: 
(rezonanční oblast),
Pásmo 3: 
(integrační oblast),
kde l je charakteristický rozměr objektu, c je rychlost světla, f je zvažovaný kmitočet.
2 Vliv HPM a UWB na elektroniku
Elektronické systémy mohou být narušeny výkonovým elektromagnetickým polem, které může způsobit dočasné narušení funkce nebo i trvalé poruchy. V souladu s příslušnými standardy EMC (elektromagnetická kompatibilita) jsou pro hodnocení většinou používána následující kritéria:
A - normální funkce v mezích stanovených výrobcem, žadatelem o zkoušku nebo zákazníkem,
B - dočasná ztráta funkce nebo zhoršení provozu, které přestane po zastavení rušení a normální funkce zkoušeného zařízení se obnovuje sama bez zásahu operátora,
C - dočasná ztráta funkce nebo zhoršení provozu, vyžadující zásah operátora nebo opětné nastavení,
D - ztráta funkce nebo zhoršení provozu, které není obnovitelné, což je způsobeno poškozením technického vybavení nebo programového vybavení nebo ztrátou dat.
Kromě hodnocení chování zařízení dle kritérií uvedených výše je velmi důležitým parametrem důsledek působení výkonového elektromagnetického pole. Pro vyhodnocení důsledků je možné např. použít dělení pomocí termínů jako např.: ,,velmi omezené", ,,omezené", ,,kritické", ,,velmi kritické" a ,,katastrofální" [6].
3 Stanovení zranitelnosti
Nejdříve je nutné provést analýzu, kde je stanoveno elektromagnetické ohrožení (viz kap. 1: maximální hodnoty a frekvenční pásmo intenzity pole ). Dále je nutno zvažovat kritičnost příslušného systému (vyhodnocení důsledků - viz kap. 2: míra důsledků při působení prostředí stanoveného v kap. 1). Následně může být připraven testovací plán a příslušná měření. Nejvhodnější je nejdříve provést měření přenosových funkcí, a to v širokém kmitočtovém rozsahu až do oblasti jednotek GHz, případně výše. Potom na základě analýzy a měření přenosových funkcí následuje stanovení kritických kmitočtů. Vybrané stanovené kmitočty pak mohou být použity pro závěrečné testování HPM a UWB s použitím speciálních simulátorů testovacích laboratoří. Možnosti těchto simulátorů jsou značně omezené, parametry generovaných signálů je možno měnit jen v určitém rozsahu a změna parametrů je v řadě případů časově velmi náročná. Tudíž je velmi důležité stanovení kritických kmitočtů. Pro řádné stanovení zranitelnosti musí být data získaná z analýzy a z testování vyhodnocována společně se stanovením důsledků, které mohou nastat.
4 Praktické výsledky
V rámci řešení několika prakticky realizovaných projektů v minulých letech proběhla řada experimentů týkajících se zranitelnosti elektronických zařízení ve stanovených operačních prostředích. Dále jsou uvedeny charakteristické demonstrační výsledky některých experimentů.
Byla provedena měření přenosových funkcí pro znázornění vazeb elektromagnetického pole do příslušných kabelů. Zkoušené kabely byly ozařovány vertikálně polarizovaným elektromagnetickým polem a indukovaná napětí byla měřena v kmitočtovém pásmu 30 MHz-1 GHz. Jednalo se o nízkoúrovňová měření, kdy intenzita působícího elektromagnetického pole byla přibližně 1 V/m a naměřené výsledky byly přepočteny pro očekávanou ohrožující intenzitu elektromagnetického pole 10 kV/m. Pro tyto experimenty byly použity kabely, které jsou běžně instalovány u výpočetní techniky. Několik příkladů je uvedeno na obrázcích 10-12. Na základě naměřených výsledků je možné očekávat úrovně indukovaných napětí u běžných kabelů až 1 kV při působení ohrožující intenzity elektromagnetického pole 10 kV/m. K nejvyšším indukovaným úrovním napětí na kabelech dochází v případě, kdy jejich délka je porovnatelná se čtvrtinou vlnové délky působícího signálu (rezonanční oblast, resp. pásmo 2 dle obr. 9, obr. 10-12).
|
|
|
Další oblastí je přímé testování odolnosti elektronických zařízení výkonovými elektromagnetickými poli a vyhodnocení příslušných účinků.
Vybrané příklady zkoušených sestav jsou uvedeny na obrázcích 13-15. Bylo ověřeno, že signál HPM může být použit k zastavení vozidla (obr. 13) i pro účinné narušení výpočetní techniky, případně datových přenosů (obr. 14-16). Pro vyhodnocení chování zařízení v průběhu testů byla použita standardní kritéria chování (viz kap. 2). Z provedených experimentů bylo zřejmé, že intenzita elektromagnetického pole řádu jednotek kV/m může být dostatečná k účinnému narušení elektroniky.
U některých poruch dočasného charakteru byl pozorován vliv opakovacího kmitočtu signálu HPM a UWB na účinnost narušení (obr. 16). Přehled odolnosti vybraných elektronických zařízení vůči účinkům HPM a UWB je uveden na obr. 17. Elektronická zařízení byla testována na odolnost vůči účinkům HPM s frekvencemi nosné 3 GHz, 6 GHz, 9 GHz (šířky impulsů řádu stovek ns, opakovací kmitočty řádu stovek Hz) a vůči účinkům signálu UWB (náběžná doba 0,5 ns, šířka impulsu 3 ns). V řadě případů byla úroveň odpovídající dočasné poruše velmi blízko úrovni dostačující pro vyvolání trvalého poškození (obr. 17). Pro signál UWB bylo spíše typické vyvolání dočasné poruchy než trvalého zničení. Výsledky experimentů ukázaly, že nejzranitelnější částí současných systémů je výpočetní technika včetně datových přenosů.
|
|
|
|
|
Závěr
V článku bylo definováno elektromagnetické ohrožení technických zařízení (systémů) impulsy HPM a UWB jako nezbytná součást problematiky DEW. Byl představen způsob stanovení elektromagnetického ohrožení a stanovení zranitelnosti techniky. Na příslušných příkladech byla prezentována zranitelnost elektronických zařízení vlivem působení HPM a UWB. V případech, kdy jsou citlivá elektronická zařízení použita v aplikacích, které je možno hodnotit jako kritické, je žádoucí vyhodnotit zranitelnost těchto systémů vůči zvažovaným elektromagnetickým hrozbám.
Výsledky získané v minulých letech u zkušebny EMC Odboru zkoušení techniky - Akreditované zkušební laboratoře č. 1103 ve Vyškově vedly k zahájení projektu pro Ministerstvo obrany ČR (OSPROZ-DEW1) zaměřeného na stanovení zranitelnosti zbraňových systémů a částí komunikačních a informačních systémů integrovaných v NEC, které jsou v současné době instalovány do výzbroje AČR. Stanovení zranitelnosti bylo provedeno na základě příslušných analýz a experimentálních měření.
Literatura
[1] Wikipedia [online]. Wikipedia, The Free Encyclopedia. [vid 2009-09-15]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Active_Denial_System.
[2] DIEHL Defence [online]. DIEHL Defence. [vid 2009-09-15]. Dostupné z: http://www.diehl-bgt-defence.de.
[3] GIRI, D. V. High - Power Electromagnetic Radiators. Cambridge, Massachusetts, and London: Harvard University Press, 2004. 184 p. ISBN 0-674-01569-X.
[4] IEC 61000-2-13: 2005, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-13: Environment - High-power electromagnetic (HPEM) environments - Radiated and conducted.
[5] TAYLOR, C. D., GIRI, D. V. High-Power Microwave Systems and Effects. Washington: Taylor and Francis, 1994. 199 p. ISBN 1-56032-302-7.
[6] MANSSON, D, THOTTAPPILLIL, R, BACKSTROM, M. Methodology for Classifying Facilities With Respect to Intentional EMI. IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, 2009, vol. 51, p. 46-52. ISSN 0018-9375.