автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Обеспечение стойкости бортовых цифровых вычислительных машин к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов

На правах рукописи

Михайлов Виктор Алексеевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТОЙКОСТИ БОРТОВЫХ ЦИФРОВЫХ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН К ВОЗДЕЙСТВИЮ СВЕРХКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

О о п .. _

О.ц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационнь: устройства и системы» Московского государственного института электроник и математики (Технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук БутинВ.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Балкж Н.В кандидат технических наук Алешин А.В.

Ведущая организация:

ФГУП «Московский научно-исследовательский радиотехнически институт».

Защита-состоится « 19 » ноября 2009 г. в 16.00 часов на заседали диссертационного совета Д 122.133.06 Московского государственног института электроники и математики по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3, зал Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московског государственного института электроники и математики (технического университета).

Автореферат разослан « » октября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного

совета,

кандидат технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

В последние годы появились новые стационарные и подвижные генераторы, излучающие периодические и однократные сверхширокополосные электромагнитные импульсы. Такие устройства обладают новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников преднамеренных помех - широкой полосой частот и большой амплитудой излучаемых электромагнитных полей. Одной из возможных областей применения таких излучателей является функциональное поражение электронных компонентов телекоммуникационных, информационно-управляющих систем различного назначения. Уровни плотности потоков электромагнитного излучения этих генераторов таковы, что могут приводить к сбоям в работе радиоэлектронной аппаратуры, а в ряде случаев, к отказам. Кроме того, электронные компоненты, такие как микропроцессоры, память и программируемая логика (ПЛИС), составляющие сегодня основную часть используемых элементов, работают на высоких частотах и низких напряжениях и, таким образом, становятся все более восприимчивыми к электромагнитным излучениям.

Данные тенденции в развитии генераторов мощных электромагнитных полей обуславливают необходимость проведения исследований, направленных на обеспечение стойкости бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ) к электромагнитным воздействиям.

Современные БЦВМ занимают особое место в автоматизированных системах управления (АСУ) и контроля, а проблема обеспечения стойкости является одной из сложнейших задач, решаемых при проектировании таких систем. Сложность задачи многократно увеличивается при размещении АСУ в ограниченном пространстве на борту космического, авиационного либо мобильного объекта, сбои и отказы аппаратуры в котором, как правило, не допускаются, так как приводят к необратимым последствиям. В связи с этим, оценка стойкости БЦВМ к воздействию мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) является исключительно актуальной, поскольку БЦВМ - центральное звено АСУ, во многом определяющее тактико-технические характеристики объектов. Тем более, что за последнее десятилетие произошло качественное переоснащение отечественных систем управления современной вычислительной техникой, а устойчивость их к мощным ЭМИ, с учётом значительного роста уровня интеграции элементной базы, стремительно падает.

Международной электротехнической комиссией (МЭК) установлена следующая классификация электромагнитных явлений:

- электромагнитные помехи малой энергии (Е до 100 В/м);

- мощные электромагнитные поля (Е свыше 100 В/м).

Применительно к БЦВМ, наибольшую опасность представляют мощные

импульсные электромагнитные поля и, в частности, сверхкороткий электромагнитный импульс. С точки зрения проектирования, повышение стойкости оборудования для защиты от воздействия сверхкоротких ¡электромагнитных импульсов (СК ЭМИ) представляет собой целую техническую проблему. Это приводит к тому, что в современных условиях проблема воздействия мощных

электромагнитных импульсов на БЦВМ, средства связи и управления становится одной из ключевых.

Поэтому, особенно актуально, на настоящий момент, стоит вопрос о защите БЦВМ от воздействия мощных импульсных электромагнитных полей. При воздействии СК ЭМИ снижается эффективность применяемых экранов, усиливается проникновение электромагнитных полей через неоднородности в корпусах и амплитуды наведенных токов и напряжений в бортовой кабельной сети, в проводниках, расположенных вне экранов достигают больших значений, что приводит к ложным срабатываниям или отказам аппаратуры.

С учетом изложенного следует, что в настоящее время электромагнитные помехи большой энергии являются новой серьезной угрозой для БЦВМ.

Проблема оценки и обеспечения стойкости БЦВМ к воздействию мощных СК ЭМИ представляет собой сложный многоэтапный процесс. По данной проблеме в нашей стране и за рубежом можно выделить следующие направления исследований:

- методы расчета параметров электромагнитного импульса;

- исследование воздействия ЭМИ на БЦВМ с учетом условий эксплуатации и конструктивных особенностей объекта применения;

- разработка методов расчета воздействия ЭМИ на БЦВМ и установление перечня параметров, определяющих поражающее действие ЭМИ;

- разработка методов и средств воспроизведения воздействия ЭМИ с целью определения критических электромагнитных нагрузок на элементы БЦВМ;

- разработка методов и средств защиты от воздействия ЭМИ.

Проблема стойкости технических средств к воздействию ЭМИ решается

сегодня благодаря усилиям ряда научных коллективов. В результате проведенных исследований в значительной степени выяснена природа формирования полей, разработаны физические модели и математические методы расчета параметров ЭМИ. Это позволило НИУ, техническому комитету Госстандарта РФ и международной электротехнической комиссии обобщить результаты исследований и сформировать требования по оценке стойкости к ЭМИ высотного ядерного взрыва и сверхширокополосного ЭМИ объектов гражданского назначения. Работа в этом направлении завершилась согласованием с 18 государствами - членами МЭК, разработкой и изданием серии стандартов МЭК - 61000.

Об актуальности данного направления работ свидетельствует также программа перспективных работ МЭК на 2009-2012г.г. В направлениях дальнейших работ рассматриваются предложения и рабочие проекты, представляющие интерес для решения практических задач: методы и средства расчета воздействия ЭМИ на системы, методы и средства измерений ЭМИ, испытания объектов на воздействие ЭМИ в широком диапазоне частот и амплитуд.

На этой основе, практически параллельно, велись исследования механизмов взаимодействия ЭМИ с объектами различного назначения. Для этого использовались теоретические и экспериментальные методы. Были достигнуты определенные успехи в решении задач анализа стойкости различных систем, создании методов измерений и экспериментальной проверки методик расчета, наведенных ЭМИ токов и напряжений в кабельных линиях, экранах и антеннах. Крупный вклад в эту проблему внесли ученые: Балюк Н.В., Мырова Л.О.,

Кечиев JI.H., Соколов А. А., Сахаров К.Ю., Степанов П.В., Михеев О.В., Туркин В.А., Кириллов В.Ю., Фоминич Э.Н., Тухас В.А., Комягин С.И., Кро-халев Д.И. и др. и цикл исследований, выполненных в ФГУ 12 ЦНИИ МО, БИТУ, ФГУП «МНИРТИ», ФГУП «ВНИИОФИ», МИЭМ, НИИ «АРГОН», МАИ.

Среди специалистов, внесших большой вклад в создание БЦВМ, известные в стране и за рубежом специалисты в области вычислительной техники: д.т.н. Крутовских С.А., д.т.н. Карасик В.М, к.т.н. Штейнберг В.И., к.т.н. Еремин А.Т., Ларионов A.M., Пржиялковский В.В., Власов Ф.С., Шпиев В.А. и др.

Анализ состояния исследований за рубежом, проведенный автором, свидетельствует, что научные организации США, Франции, Германии, Индии, Китая и др. стран уделяют этому вопросу также большое внимание: имеются модели взаимодействия ЭМИ с техническими средствами и методы расчета, доведенные до машинных программ (применительно к системам связи различных гражданских объектов).

Таким образом, в настоящее время получены определенные научные результаты по отдельным направлениям оценки стойкости технических средств.

В то же время, оценка стойкости сложных структурно-разветвленных систем, какими являются, в частности, БЦВМ представляют практически малоисследованную научную задачу. Систематизация и обобщение этих результатов, которые бы определили методологию оценки стойкости бортовых вычислительных машин к воздействию мощных электромагнитных полей с учетом требований международных стандартов, прогноза параметров воздействия, средств защиты до сих пор отсутствует. Кроме того, существующие ориентировочные методы оценки воздействия сверхкороткого импульсного электромагнитного поля не позволяют проводить достоверную оценку воздействия СК ЭМИ на БЦВМ. Это в значительной мере обусловлено отсутствием совершенных методов расчета воздействия СК ЭМИ на системы БЦВМ и экспериментальных исследований стойкости.

Таким образом актуальность поставленной задачи определяется:

• необходимостью создания и совершенствования БЦВМ, соответствующих современным требованиям к устойчивости их в условиях воздействия мощных ЭМИ;

• слабой теоретической и экспериментальной изученностью воздействия сверхкоротких электромагнитных полей на БЦВМ и ее элементы;

• отсутствием рекомендаций по техническим средствам защиты оборудования БЦВМ от СК ЭМИ.

Именно все это и определило важность и практическую значимость решаемой в диссертации научно-технической задачи - разработка методов оценки стойкости БЦВМ в условиях воздействия преднамеренных СК ЭМИ.

Объектами исследования в работе выбраны БЦВМ, разработанные в НИИ «Аргон», которые сегодня вообще не исследованы на воздействие СК ЭМИ. Выбранные БЦВМ являются наиболее перспективными для использования в авиационных и космических комплексах при решении задач управления и контроля.

Цель и задачи исследований

Основной целью диссертационной работы является обеспечение стойкости бортовых вычислительных машин в условиях воздействия преднамеренных мощных сверхкоротких электромагнитных импульсов.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Анализ состояния-работ по разработке национальных и международных стандартов в части задания требований к техническим средствам по параметрам мощных ЭМИ, методам и средствам испытаний.

2. Обобщение существующих методов и средств оценки стойкости БЦВМ к воздействию ЭМИ.

3. Обоснование требований к БЦВМ по стойкости к электромагнитным факторам, средствам измерений и генерации СК ЭМИ для проведения исследований воздействия полей на БЦВМ.

4. Совершенствование математической модели, для оценки воздействия СК ЭМИ на типовые элементы БЦВМ.

5. Разработка методического обеспечения испытаний БЦВМ с помощью излучателей сверхкоротких электромагнитных импульсов с целью оценки воздействия СК ЭМИ на БЦВМ.

6. Проведение экспериментальных исследований устойчивости и стойкости БЦВМ к воздействию сверхкоротких ЭМИ.

7. Разработка программы обеспечения стойкости и рекомендаций по защите БЦВМ от воздействия СК ЭМИ.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования, принципы математического моделирования и теория электромагнитного поля.

На защиту выносятся:

1. Требования к БЦВМ в условиях воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей.

2. Результаты расчета взаимодействия внешнего импульсного электромагнитного поля с системой линейных проводников и экранами.

3. Методики испытаний современных БЦВМ в полях излучателей сверхкоротких электромагнитных импульсов.

4. Результаты экспериментальных исследований воздействия мощных ЭМИ на БЦВМ с учетом их конструктивных особенностей.

5. Программа и технические решения по обеспечению стойкости БЦВМ в сложной электромагнитной обстановке.

Научная новизна

Получены следующие основные научные результаты:

1. Обоснованы методы расчета воздействия ЭМИ на БЦВМ, позволяющие оценивать электромагнитную обстановку внутри и вне реального объекта, прогнозировать характеристики воздействия СК ЭМИ на БЦВМ различного назначения.

2. Разработаны методики проведения испытаний БЦВМ в условиях воздействия СК ЭМИ.

3. Получены новые экспериментальные данные по устойчивости и стойкости БЦВМ к воздействию СК ЭМИ.

4. Разработаны научно-обоснованные мероприятия по повышению стойкости БЦВМ к намеренным силовым электромагнитным воздействиям.

Практическая значимость работы состоит:

1. В уточнении расчетных методик по оценке воздействия ЭМИ на кабельные линии и экраны БЦВМ.

2. В новых результатах экспериментальных исследований воздействия импульсных электромагнитных полей на БЦВМ, позволяющие определять предельные значения уровней полей и частот повторения импульсов, при которых сохраняется нормальное функционирование БЦВМ.

3. В разработке практических рекомендаций по защите БЦВМ от СК ЭМИ, на основе которых обеспечивается требуемая стойкость БЦВМ в сложной электромагнитной обстановке.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

• корректностью использования математического аппарата, методов испытаний и современных средств измерений;

• апробацией и публикациями основных результатов исследований;

• согласованностью полученных априорных результатов с экспериментальными данными;

• сравнением полученных данных с результатами других исследований;

• результатами внедрения разработанных методов и рекомендаций в практику.

Реализация и внедреппе результатов работы:

Основные теоретические и практические результаты диссертации реализованы при непосредственном участии автора при разработке унифицированных БЦВМ информационно-управляющих систем авиационных объектов в ОКР «Конверт», «Форейтор» и «Окно», вычислительной системы телекоммуникационных спутников серии «Ямал», средств комплексирования бортовой системы управления космического аппарата «Фобос-грунт».

Разработанные методики, программы, технические решения нашли практическое применение в НПО «ОРИОН», НТЦ «Модуль», НПО «Полет», ФГУП «НИИТ» при разработке стойких к воздействию СК ЭМИ перспективных систем, а также при разработке технических заданий на создание БЦВМ нового поколения. Использование результатов данной работы позволило повысить показатели стойкости БЦВМ к воздействию мощных ЭМИ на этапах проектирования и разработки современных вычислительных комплексов.

Результаты диссертационной работы также внедрены в учебный процесс Московского института электроники и математики на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» по дисциплине «Сверхширокополосные импульсные электромагнитные воздействия на РЭС ».

В деле имеется Акты о внедрении полученных автором результатов.

Апробация работы

Работа в целом и отдельные ее результаты опубликованы в виде статей в научно-технических журналах по проблеме ЭМИ, докладывались и обсуждались на: 10-ой Российской НТК «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность», г. С.-Петербург, 2008г.; НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2008г.; 6 международной конференции по информационным и телекоммуникационным технологиям в интеллектуальных системах, Греция, 2-6 июня 2008г.; научно-технических семинарах кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МГИЭМ с 2007г. по 2009г.;

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 16 научных работ, в том числе 6 статей в журнале ТЭМС, включенного в перечень ведущих журналов и изданий ВАК РФ. Получено 2 патента по теме диссертации: № 2132598 от 20.08.98г., № 2138931 от 09.10.98г.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 42 рисунка. Список литературы включает 87 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

"Во введении обоснована актуальность исследований воздействия мощных ЭМИ на БЦВМ, определены цель работы, задачи исследования и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дана общая характеристика параметров и поражающего действия ЭМИ на БЦВМ как объектов, подверженных воздействию электромагнитных излучений.

В общем случае воздействующими факторами на элементы БЦВМ при воздействии ЭМИ являются:

• электромагнитные поля, проникающие через экраны;

• импульсные напряжения и токи, наводимые в цепях «жила-экран» кабельной линии и воздействующие на входы аппаратуры;

• импульсные напряжения и токи, наводимые в печатных платах электромагнитными полями, проникающими через неоднородности экранов.

На основе анализа результатов отечественных и зарубежных экспериментальных исследований воздействия сверхкоротких электромагнитных полей напряженностью Е={2-10) кВ/м.на ПЭВМ показано, что уровни наводимых напряжений приводят к их отказам и ложньм срабатываниям. Это требует проведения комплекса исследований по оценке поражающего действия ЭМИ на данные системы и разработки специальных средств защиты.

Эти обстоятельства имеют принципиальное значение при оценке наведенных токов и напряжений в различных элементах БЦВМ, так как приводят к

необходимости уточнения расчетных моделей и требований к средствам защиты.

Рассмотрено современное состояние расчетных методов оценки воздействия ЭМИ на элементы БЦВМ. В настоящее время для определения токов и напряжений, наводимых в кабельных линиях ЭМИ, используются различные методы, основанные на решении уравнений Максвелла, как в строгой постановке, так и с различной степенью допущений и упрощений.

Однако применение данных методов для расчетов воздействия ЭМИ на элементы БЦВМ требует своего обоснования. На основе проведенного анализа существующих методов оценки стойкости показана необходимость совершенствования существующих методов оценки стойкости БЦВМ к воздействию ЭМИ и показаны основные направления развития этих методов с учетом современных требований. В частности:

- расчетную оценку стойкости аппаратуры проводят с использованием математических моделей, которые учитывают-'зависимость ее характеристик (параметров) от параметров воздействующего электромагнитного поля. При расчетной оценке стойкости:

определяются количественные параметры для прогнозирования возможности создания аппаратуры с заданной стойкостью и сравнительной оценки различных вариантов построения аппаратуры и ее составных частей;

определяются показатели стойкости входных устройств подсистем аппаратуры, связанных с кабельными и проводными линиями, отдельных цепей и схем аппаратуры;

оценивается экранирующее действие элементов конструкции аппаратуры и объекта применения;

определяется влияние на стойкость аппаратуры, ее ориентация по отношению к векторам составляющих электромагнитных полей;

обосновывается выбор составных частей аппаратуры для экспериментальных оценок стойкости к действию электромагнитных полей.

- экспериментальная оценка стойкости осуществляется путем проведения испытаний на моделирующих установках, создающих импульсные электромагнитные поля с характеристиками, соответствующими заданным требованиям или близким к ним. Экспериментальная оценка дает более достоверные результаты по сравнению с другими методами (полнее учитывает функциональные связи, конструктивные особенности), поэтому, если представляется возможность испытать объект в целом, то она является определяющей.

- расчетно-экспериментальная оценка стойкости аппаратуры предполагает сочетание экспериментальных и расчетных методов. В тех случаях, когда образец (ввиду его протяженности, больших габаритов) не представляется возможным испытать в целом, проводятся испытания составных частей изделия в электромагнитных полях имитаторов, а реакция протяженных элементов изделия (кабельных линий, антенно-фидерных устройств и др.) оценивается расчетным путем. Расчетные данные используются при выборе нагрузок и генераторов напряжения (тока).

Дана общая характеристика БЦВМ как объектов, подверженных воздействию электромагнитных излучений. Показано, что проблема защиты этих сис-

тем от воздействия электромагнитных импульсов стала особенно актуальной в связи с разработкой новых типов источников электромагнитной энергии - генераторов сверхширокополосных электромагнитных импульсов, которые характеризуются более высокими значениями электромагнитных полей и более короткими временными характеристиками, лежащими в наносекундаой области.

Рассмотрены особенности построения БЦВМ комплекса «Аргон» (рис. 3) с точки зрения поражающего действия сверхширокополосных электромагнитных импульсов различных видов. Анализ устойчивости элементов БЦВМ показал, что для обеспечения надежного функционирования этих систем в условиях воздействия сверхширокополосных электромагнитных импульсов необходимо проведение комплекса исследований по оценке этого воздействия и разработке методов и средств оценки стойкости.

БЦВМ М20 - двухканальная вычислительная машина

Предназначена для применения в бортовом комплексе управления КА. Разработчик ФГУП "НИИ "Аргон". Каждый канал имеет следующие характеристики: Микропроцессор - 1890ВМ1Т (24-66) МГц; емкость ОЗУ, Мбайт - 2; емкость ЭП-ПЗУ, Мбайт - 4; скорость обмена по системной шине, Мбайт/с - 16.

Многофункциональный БВК ЕА-102

Используется в качестве рабочего места оператора в БВС авиационных и мобильных объектов. Разработчик: ФГУП "НИИ "Аргон".Стандартная конфигурация: системный блок, ЖК-монитор, клавиатура, принтер, табло текущего времени. Микропроцессор: К6-И, 400 МГц. Емкость ОЗУ: 32-128 МБ. Емкость флэш-памяти - 13 Г'Б

Рис 1. Бортовые цифровые вычислительные комплексы

На основе анализа международных и национальных стандартов по ЭМИ и мощным импульсным электромагнитным полям показано, что методы оценки стойкости БЦВМ и требования к средствам их защиты от сверхкоротких элек-

тромагнитяых импульсов должны разрабатываться, исходя из характеристик электромагнитной обстановки с учетом характеристик объекта применения.

Проведен анализ механизмов воздействия сверхширокополосных электромагнитных импульсов на БЦВМ и ее элементы. Установлено, что оценку влияния сверхширокополосных электромагнитных импульсов на БЦВМ необходимо осуществлять комплексным методом, включая такие направления, как проникновение электромагнитных импульсов в экраны, воздействие наведенных в соединительных линиях токов на входы-выходы аппаратуры и печатные платы.

На основе результатов анализа состояния вопроса по теоретическим и экспериментальным методам воздействия ЭМИ на БЦВМ и методам оценки их устойчивости сделаны следующие выводы:

- в последние годы исследования в ведущих странах мира направлены на поиск новых путей снижения эффективности радиоэлектронных систем (РЭС). Эффект воздействия ЭМИ, приводящий к ухудшению характеристик РЭС, необратимому или временному выводу их из строя получил название функционального поражения;

- среди различных средств для функционального поражения наибольшее распространение получили излучатели ЭМИ различного назначения. В литературе используются различные термины: сверхвысокочастотное, микроволновое, электромагнитное оружие. По оценкам отечественных и зарубежных экспертов, использование комплексов электромагнитного излучения против автоматизированных систем связи, управления, контроля и разведки в перспективе будет более эффективным и экономичным способом их поражения по сравнению с ЭМИ ядерного взрыва;

- электромагнитные комплексы многоразового применения могут размещаться на разных платформах: на космических аппаратах, самолетах, вертолетах, кораблях, танках, дистанционно управляемых летательных аппаратах и иных транспортных средствах;

- существующие методы и средства обеспечения устойчивости БЦВМ в основном ориентированы на решение проблемы ЭМС и не затрагивают сложнейший комплекс задач по оценке стойкости БЦВМ к воздействию преднамеренных мощных сверхкоротких ЭМИ.

На основании изложенного в главе материала обоснована актуальность диссертационной работы, поставлены цель и задачи исследований.

Во второй главе обоснованы требования к БЦВМ, средствам измерений, излучателям ЭМИ для обеспечения испытаний БЦВМ к воздействию сверхкоротких ЭМИ. При этом учтено то, что современные бортовые цифровые вычислительные машины характеризуют следующие основные особенности:

• минимальные удельные массогабаритные характеристики;

• длительный срок эксплуатации;

• сложный алгоритм функционирования;

• устойчивость к широкому спектру механических и климатических воздействий; электрических, магнитных, электромагнитных полей; ионизирующих излучений;

• наличие в составе аппаратных средств, наряду с цифровыми, аналоговых и гибридных устройств, работающих в широком интервале частот, напряжений и токов;

• широкий спектр реализации конструкторско-технологических решений, с учётом достижений микроэлектроники;

• специальные схемотехнические решения, направленные на обеспечение отказоустойчивости, радиационной стойкости, теплоустойчивости, стойкости к электромагнитным полям;

• необходимость реализации многоступенчатого комплекса специальных исследований и испытаний, объективно подтверждающих заданные тактико-технические характеристики.

Таким образом, БЦВМ, как объект проектирования, представляет собой сложную систему, подвергающуюся широкому спектру воздействий дестабилизирующих факторов при неуклонной тенденции повышения требований к надёжности и качеству.

Определено, что СК ЭМИ являются одним из видов преднамеренных силовых электромагнитных воздействий, под которыми понимается создаваемые с использованием излучателей электромагнитные поля, вызывающие нарушения в работе электронных устройств. При этом они могут осуществляться открыто или скрытно («закамуфлированным» под действие электромагнитных помех), дистанционным (по эфиру) или контактным (по сети) способами с целью вызвать отказ электронных систем.

Проведенный автором анализ стандартов МЭК и возможностей существующих отечественных и зарубежных излучателей СК ЭМИ показал, что основные требования к БЦВМ, средствам метрологического обеспечения испытаний БЦВМ на стойкость к преднамеренным ЭМИ должны разрабатываться с учетом следующих параметров: напряженность электрического поля в диапазоне от 1 кВ/м до 150 кВ/м; длительность фронта импульса - от 0,1 не до 0,5 не; длительность импульса - доли и единицы наносекунд; частота повторения импульсов - от 1 кГц до 1 МГц.

Требования разработаны с целью нормативного обеспечения исследовательских испытаний устройств радиоэлектронного управления, вычислительной техники и преобразования напряжения на стойкость к воздействию сверхкороткого импульсного электромагнитного поля.

В настоящей работе регламентированы требования к БЦВМ по стойкости к излученным СК ЭМИ, установлены параметры испытательных воздействий, виды испытаний и степени жёсткости воздействий, методы и средства испытаний, определены порядок проведения испытаний и критерии оценки стойкости изделий.

Обосновано, что для измерения полей излучения наиболее подходит по-лосковый измерительный преобразователь ВНИИОФИ со ступенчатой переходной характеристикой, позволяющий осуществлять преобразование сигнала

электрического поля в сигнал напряжения той же формы с минимальными искажениями. При этом показано, что для решения задачи исследования электромагнитной обстановки в более длинном диапазоне времени целесообразно использовать первичный измерительный преобразователь (ИП) в виде меандрической полосковой линии.

Кроме того, показано также, что при решении задач регистрации СК ЭМИ важнейшей числовой характеристикой сигнала является максимальное значение напряженности импульсного поля, поэтому в качестве аппаратуры контроля целесообразно использовать индикатор амплитуды ЭМИ. При этом в соответствии с решаемой задачей основные требования, которые предъявляются к индикатору амплитуды - малогабаритность и автономность прибора.

Конструкция средств измерений (СИ) полей выбирается из условий минимизации габаритов и веса, обеспечения механической прочности и надежности, возможности быстрой сборки, подключения, настройки и поверки СИ.

Эксплуатационные характеристики СИ должны обеспечивать возможность проводить измерения в любой точке исследуемого испытательного объема, безопасную работу обслуживающего персонала, нормальную работу в заданных климатических условиях, малое потребление энергии активными элементами СИ.

Обоснованы требования к характеристикам мощных излучателей сверхкоротких электромагнитных импульсов, разработанных в ВНИИОФИ.

Определены основные требования по метрологическим характеристикам к лабораторным переносным излучателям сверхкоротких ЭМИ на основе полупроводниковых генераторов, производства ЗАО «НПАО «ФИД - Технология».

Установлено, что основным эксплуатационным требованием к лабораторным излучателям является его компактность, возможность размещения на любом расстоянии от объекта и достаточно высокая напряженность излученных импульсов поля, которая позволяет моделировать ситуацию воздействия мощных передвижных излучателей сверхкоротких ЭМИ на БЦВМ.

В третьей главе обоснованы расчетные методы оценки воздействия ЭМИ на кабельные линии и экраны БЦВМ.

Для проведения исследований воздействия СК ЭМИ на БЦВМ разработана соответствующая система исходных данных по параметрам СК ЭМИ. Исходные данные по амплитудно-временным параметрам ЭМИ в работе получены из анализа известных характеристик генераторов СК ЭМИ, международного стандарта МЭК 61000-2-13, средств измерений и эталонов электромагнитных полей наносекундного диапазона.

В качестве объектов воздействия рассматриваются проводящие структуры из проводников круглого сечения, находящиеся в однородной непроводящей среде. Диаметр сечения проводников и погонное сопротивление могут изменяться в зависимости от локальной продольной координаты. Направление распространения воздействующего электромагнитного поля - произвольное.

Исходными данными при расчете определены характеристики воздействующего сверхкороткого импульса поля (форма, амплитуда, направление распространения), а также геометрические и электрические параметры проводни-

ков. В работе выбран метод расчета токов в проводниках на основе интегрального уравнения электрического поля (ИУЭП).

На основе интегрального уравнения электрического поля и метода моментов обоснованы физико-математические модели, описывающие процесс взаимодействия электрического поля с проволочными структурами и проводящими поверхностями. В моделях используется аппроксимация геометрии линейными проволочными элементами произвольной ориентации и треугольными элементами поверхности, что позволяет моделировать сложные проводящие объекты. Типичная форма импульса, принятая в расчетах, показана на рис.2.

и не

Рис.2. Типичная форма импульса излучателя

Расчет токов и напряжений, наведенных внешним электромагнитным полем на поверхности проводящего объекта, осуществляется с использованием ИУЭП в частотном представлении:

0озА(?) + УФ(г))1ап=Ё;ап-257(г),

где ю - частота падающего поля;

А(Г) = — [7(Г') —сШ' - векторный магнитный потенциал; 4тт:| К.

Ф(?) =---— |У57(г')еХ^ - скалярный электрический потенциал;

4я]ше' К

Т(Г) - токи на поверхности проводника 8; Т - радиус-вектор точки пространства; к=2я/Х - волновое число; Я = (г - - расстояние между произвольно расположенной точкой наблюдения г и точкой источника г' на поверхности проводника 8; Е|ал(Г) - касательная к Б составляющая падающего электрического поля; - поверхностный импеданс металла; ц, г - параметры окружающей среды; У5 • 1 - поверхностная дивергенция вектора Т.

Уравнение решается методом моментов с использованием тонкопроволочного формализма, который наиболее подходит для моделирования проволочных структур. При этом исследуемый объект моделируется участками

проводников круглого сечения, и делаются следующие приближения: ток течет только в направлении оси проводника; плотности тока и заряда представлены нитями тока и заряда на оси проводника. С целью численного решения уравнения геометрия объекта выбрана в виде прямолинейных проволочных отрезков. Разрешая систему относительно неизвестных коэффициентов разложения получаем распределение токов на заданной частоте. Временная форма импульсов тока находится обратным преобразованием Фурье для свертки частотного представления токов со спектром воздействующего импульса поля.

Правильность расчетных соотношений и программы проверялась путем сравнения результатов тестовых расчетов для коротких линий с данными известной программы РОИ) (расчет взаимодействия поля методом конечных разностей во временной области) и экспериментальными данными. С использованием программы решена модельная задача о наводке на прямой провод. На рис. 3 приведены результаты расчетов максимальных значений наводимых токов падающим внешним электромагнитным полем (ЭМП) в проводниках раз-

а) Ь=12 м, 0=84° б) Ь=20 м, 0=76°

Рис.3. Расчетные значения тока в проводнике при воздействии ЭМП напряженностью 1 В/м

Максимальная амплитуда тока при амплитуде воздействующего импульса 1 В/м составила 4 мА. Соответствующее этому току напряжение на нагрузке 50 Ом (при условии, что сопротивление нагрузки расположено в точке, где достигается максимальная амплитуда тока) составило около 0,2 В.

Рассмотрены также расчетные методы оценки эффективности экранов БЦВМ. На основе общей теории экранирования уточнены показатели эффективности экранирования при наличии щелей и экранов, что является типичным для конструкций БЦВМ.

Разработанные расчетные методы носят общий характер и использовались при разработке рекомендаций по обеспечению устойчивости БЦВМ к воздействию СК ЭМИ.

Все расчеты эффективности экранирования в работе выполнены с применением пакета Ммкетайса.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей на БЦВМ различных модификаций.

Для проведения этих исследований разработаны программы и методики экспериментальных исследований, согласно которым определена стойкость БЦВМ. Регистрация амплитуды воздействующих сверхкоротких импульсных электромагнитных полей (СКИ ЭМП) проводилась в дальней зоне излучателя в соответствии с рис. 4.

Рис. 4. Схема определения параметров воздействующих СКИ ЭМП

Осциллограмма воздействующего сверхкороткого импульса напряженности электромагнитного поля показана на рис.5.

БЦВМ устанавливались и подключались к сети электропитания, линиям ввода-вывода, контурам защитного и сигнального заземления в соответствии с технической документацией на БЦВМ. Контроль работоспособности БЦВМ осуществлялся до воздействия, при воздействии и после воздействия СКИ ЭМП в соответствии с методикой испытаний конкретного изделия.

Параметры испытательных импульсов поля, виды испытаний, степени жёсткости воздействий, методы и средства испытаний, критерии оценки устойчивости БЦВМ соответствовали требованиям международных и национальных стандартов по СКИ ЭМП.

Схема рабочего места испытаний показана на рис.6. Приводятся результаты экспериментальных исследований БЦВМ в различных условиях воздействия СКИ ЭМП, в частности:

к однократным преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52962 - 2007.

Рис.5. Осциллограмма воздействующего сверхкороткого импульса напряженности электрического поля. Расстояние от излучателя 4 м. Длительность фронта 0,19 не, длительность импульса 0,27 не, амплитуда напряженности электрического поля 3,5 кВ/м

Рис. 6. Схема рабочего места испытаний

В результате исследований устойчивости БЦВМ к воздействию сверхкоротких импульсных электромагнитных полей установлено, при воздействии однократных наносекундных импульсов электрического поля напряженностью (1-10) кВ/м и длительностью 100 не БЦВМ с подключенными кабельными линиями не имели сбоев, отказов и нормально функционировали. Время воздействия поля в экспериментах - 100с.

» к многократным преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52962 - 2007 (рис.7).

БЦВМ М20 в условиях воздействия СКИ ЭМП напряженностью 80 кВ/м. Произошли сбои в работе при загрузке параметров. Длительность импульса 0,27 не, частота повторения 1кГц.

БВК ЕА-102. Проведение экспериментальных исследований воздействия СКИ ЭМП напряженностью 50 кВ/м. Длительность импульса 0,27 не, частота повторения 1кГц. Схема нагружения: генератор, рупорная антенна, БЦВМ и экранированная кабина.

Рис.7. Экспериментальные исследования воздействия сверхкоротких импульсных полей на БЦВМ М20 и БВК ЕА-102

В результате исследований устойчивости БЦВМ к воздействию сверхкоротких многократных периодических наносекундных импульсов электромагнитного поля напряженностью (0,3 - 30) кВ/м.с частотой повторения 1кГц, напряженностью (0,02 - 0,2) кВ/м с частотой повторения 1МГц и длительностью импульса 0,27 не установлено, что БЦВМ с подключенными кабельньми линиями не имели сбоев, отказов и нормально функционировали.

Исследования стойкости БЦВМ к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям проводились на повышенных уровнях СКИ ЭМП согласно разработанной методике:

• напряженность электромагнитного поля плавно или ступенчато увеличивалась по мере уменьшения расстояния между антенной излучателя и объектом испытаний. В момент наступления сбоя или отказа в БЦВМ для вертикальной или горизонтальной поляризации воздействующего поля регистрировались форма и амплитуда электрического поля;

• БЦВМ подвергались воздействию СКИ ЭМП без кабельных линий. Контроль работоспособности проводился после воздействия СКИ ЭМП; БЦВМ подвергались воздействию СКИ ЭМП с подключенными штатными кабельными линиями и с дополнительной экранировкой кабельных линий. Контроль работоспособности проводился в момент воздействия СКИ ЭМП.

В результате исследований БЦВМ к воздействию сверхкоротких импульсных электромагнитных полей установлено следующее:

1. При отключенных кабельных линиях определен уровень стойкости БЦВМ М20 и БВК ЕА -102 к воздействию импульсных электрических полей равный 150 кВ/м при частоте повторения 1 кГц и 2 кВ/м при частоте повторения 1 МГц. БЦВМ нормально функционировала после воздействия СКИ ЭМП для вертикальной и горизонтальной поляризации воздействующего поля.

2. С подключенными штатными кабельными линиями сбои и отказы в работе БЦВМ М20 возникали при воздействии импульсных электрических полей напряженностью 80 кВ/м при частоте повторения 1 кГц и 2 кВ/м при частоте повторения 1 МГц. Сбои происходили при тестировании системы, как во время перезагрузки, так и в рабочем режиме.

Отмечено влияние поляризации поля на работу БЦВМ М20 при частоте повторения 1 кГц. Сбои возникали при вертикальной поляризации электрического поля. При горизонтальной поляризации эффектов не обнаружено.

3. С подключенными штатными кабельными линиями сбои и отказы в работе БВК ЕА-102 возникали при воздействии импульсных электрических полей напряженностью электрического поля в диапазоне (35-50) кВ/м при частоте повторения импульсов 1кГц и 2 кВ/м при частоте повторения 1 МГц. Причиной широкого диапазона воздействия поля явилась зависимость сбоев от вида поляризации и от наличия неоднородностей в экране корпуса БЦВМ.

4. С дополнительной экранировкой кабельных линий БЦВМ сохраняли работоспособность при воздействии импульсных электрических полей 150 кВ/м при частоте повторения 1кГц и 2 кВ/м при частоте повторения 1МГц для вертикальной и горизонтальной поляризации воздействующего поля.

5. За критерий оценки стойкости БЦВМ принимались амплитудно-временные параметры электромагнитного импульса и частота их следования в условиях выполнения штатных тестов без сбоев. Все БЦВМ выдержали испытания в соответствии с ГОСТ Р 52962-2007, коэффициент запаса по стойкости экспериментально исследованных БЦВМ при дополнительной экранировке входных кабельных линий составил величину 5.

На основе проведенного анализа результатов эксперимента

предложены следующие практические рекомендации:

- в целях уменьшения электромагнитных помех целесообразно задавать требования к экранам кабельных линий и проверять эффективность экранирования бортовой кабельной сети экспериментальным путем в связи с тем, что сбои в работе БЦВМ при воздействии СК ЭМИ происходили из-за недостаточной эффективности экранирования кабельных линий и наличия неоднородностей в экранах;

- проводить априорную оценку эффективности экранирования на этапе проектирования;

- выполнять бортовую кабельную сеть экранированными кабельными линиями и экранировать места соединений кабельных линий с БЦВМ для исключения возникновения электромагнитных помех на входах аппаратуры, так как эксперименты показали, что наиболее простым и эффективным способом защиты БЦВМ от воздействия ЭМИ - остаются различные типы экранов;

- предусматривать обеспечение устойчивой работы вычислительного комплекса совместно с радиосредствами, так как это является одной из отправных точек при выставлении требований на приборы или систему в целом, в связи с тем, что приборы бортового вычислительного комплекса часто устанавливаются и совместно используются с радиостанциями различного назначения.

Предложены обобщенные основные мероприятия по обеспечению электромагнитной стойкости при разработке бортовых вычислительных комплексов (БВК).

1. Организационно-технические: обеспечение взаимодействия приборов вычислительного комплекса с радиосредствами, с удаленными приемниками и источниками информации и с системой электропитания; разработка требований к БВК по стойкости и проведение сертификационных исследований.

2. Конструктивно-технологические: оптимальная компоновка приборов, блоков, устройств; эффективное экранирование приборов; рациональная система заземления; прокладка помехоустойчивых линий связи.

3. Схемотехнические: разработка помехоподавляющих узлов; применение ограничивающих и поглощающих элементов; разработка помехоустойчивых элементов и узлов.

Таким образом, разработанный научно-методический аппарат и методы экспериментальных исследований позволили оценить стойкость БЦВМ комплекса «Аргон» при воздействии преднамеренных импульсных электромагнитных полей и разработать необходимые методы и средства обеспечения их стойкости к воздействию СК ЭМИ.

Разработанные в диссертации модели, программы расчета и методы обеспечения стойкости БЦВМ проверялись на специально созданных образцах, серийных изделиях, а также в процессе разработки и внедрения реальных образцов БЦВМ в НИИ «Аргон».

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основным результатом, определяющим научную и практическую значимость, выполненных в работе исследований, является разработка научно -методических основ оценки стойкости БЦВМ при внешних мощных электромагнитных воздействиях, включающих в себя:

• обоснование требований к БЦВМ в условиях воздействия преднамеренных сверхкоротких импульсных электромагнитных полей;

• расчеты взаимодействия мощных импульсных электромагнитных полей с экранами и кабельными линиями;

• результаты экспериментальных исследований воздействия электромагнитных полей наносекундного диапазона на БЦВМ, бортовую кабельную сеть и экраны с неоднородностями;

• разработку программы обеспечения стойкости БЦВМ к импульсным электромагнитным полям.

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие наиболее значимые научные и практические результаты:

1. Проведен анализ состояния направлений исследований стойкости БЦВМ при воздействии мощных импульсных ЭМП:

- выполнен анализ состояния работ по разработке национальных и международных стандартов в части задания требований к техническим средствам по параметрам мощных импульсных электромагнитных полей, методам и средствам испытаний;

- установлено, что основным каналом проникновения в современные БЦВМ мощных импульсных наводок являются кабельные линии и неоднородности в экранах;

- рассмотрены современные расчетные, расчетно-экспериментальные и экспериментальные методы оценки стойкости БЦВМ к различным видам электромагнитных полей.

2. Разработаны требования к БЦВМ по стойкости к воздействию СК ЭМИ и требования к методам и средствам испытаний:

- требования к БЦВМ обоснованы с учетом основных положений современных национальных нормативно-технических документов по СК ЭМИ и стандартов МЭК;

- обоснованы требования к метрологическим и конструктивным характеристикам излучателей. На основе обоснованных требований для экспериментальных исследований стойкости БЦВМ определен тип излучателей - полупроводниковые излучатели, разработанные в ВНИИОФИ.

3. Проведены теоретические исследования и предложены современные численные методы оценки воздействия мощных электромагнитных импульсов на кабельные линии и экраны БЦВМ:

- проведен анализ характеристик БЦВМ и установлено, что источниками значительных помех и причиной возникновения различных электромагнитных эффектов в БЦВМ являются токи в кабельных линиях и поля, проникающие

через неоднородности в экране. При этом установлено, что стойкость БЦВМ существенно зависит от спектрально-временных параметров воздействующего СК ЭМИ, амплитуды напряженности, частоты повторения импульсов, времени воздействия и поляризации поля;

- установлено, что оценка стойкости БЦВМ к ЭМИ тесно связаны с выявлением путей проникновения электромагнитных полей, основными из которых являются: линии передачи информации, линии электропитания, органы управления и индикации;

- расчетными методами и экспериментально показана низкая эффективность экранов кабельных линий, что делает этот механизм воздействия СК ЭМИ опасным для элементов, устанавливаемых на входах БЦВМ.

4. Разработано методическое обеспечение экспериментальных исследований воздействия мощных сверхкоротких ЭМИ на БЦВМ:

- обоснован выбор БЦВМ для экспериментальных исследований с учетом перспектив их применения в системах контроля и управления космических аппаратов, авиационных и мобильных объектов. Результаты испытаний этого вида воздействия на БЦВМ практически отсутствуют;

- разработаны программы и методики экспериментальных исследований и проведены испытания БЦВМ М20 и БВК ЕА-102;

- реализован подход к прогнозированию стойкости БЦВМ, основанный на использовании метода испытаний на повышенных уровнях воздействия СКЭМИ;

- проведены экспериментальные исследования воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов наносекундного диапазона, которые показали, что бортовая кабельная сеть, подключаемая к БЦВМ, является основным источником помех и не удовлетворяют требованиям по эффективности экранирования;

- получены данные по параметрам воздействия ЭМП, при которых наступают отказы и сбои БЦВМ. Это позволяет создать базу данных по пороговым уровням стойкости БЦВМ и является основой для задания требований в ТЗ на проектирование перспективных БЦВМ;

- показано, что существующие конструктивные методы защиты требуют своего совершенства для обеспечения высокой эффективности экранирования БЦВМ в условиях действия сверхкоротких электромагнитных импульсов, при этом выявлено влияние частоты воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов и поляризации электромагнитного поля на устойчивость БЦВМ.

5. Разработаны программа обеспечения стойкости, предложения и рекомендации по совершенствованию защиты БЦВМ от воздействия сверхкоротких ЭМИ, в том числе:

- показано, что создание БЦВМ с высоким уровнем стойкости к электромагнитным полям невозможен без изменения традиционной методологии работ в области разработки, испытаний БЦВМ;

- установлено, что для современных БЦВМ, работающих в условиях воздействия ЭМИ, использование неэкранированных кабельных линий недопустимо, так как при длительном воздействии ЭМИ не обеспечивается достаточный уровень защиты входов БЦВМ;

показано, что наиболее простым и эффективным способом защиты БЦВМ является экранировка всех подверженных воздействию объектов. В качестве эффективных экранов для защиты от сверхкоротких электромагнитных полей и могут бьггь использованы металлические сетки, сплошные металлические тонкостенные экраны;

- предложен экспериментальный метод определения стойкости путем испытаний на повышенных уровнях воздействия СК ЭМИ, позволяющий производить выбор БЦВМ с заданным показателем стойкости для установки их в бортовые системы.

Предложенные методы, программные средства и технические решения являются методической основой для научно-обоснованных мероприятий по обеспечению стойкости БЦВМ и повышению помехозащищенности, отвечающей требованиям национальных и международных стандартов МЭК.

6. Личный вклад автора. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве [2-11,15-16], диссертантом внесен следующий вклад: поставлены и решены задачи выбора методов расчета воздействия, элементов БЦВМ и вида электромагнитных воздействий [2, 3, 4]; решены задачи метрологического и инструментального обеспечения исследований [5, 6]; сформулированы требования к методам оценки стойкости [7, 8]; проведен анализ факторов и эффектов воздействия ЭМИ на системы БЦВМ - кабельные линии и экраны с неоднородностями [9,10,11]; разработаны технические решения по обеспечению стойкости БЦВМ к воздействию СК ЭМИ [15]; обоснованы рекомендации по защите [16].

Основные положения, полученные научные и практические результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ТЭМС. включенного в перечень журналов ВАК РФ.

1. Михайлов В.А. Обеспечение ЭМС и устойчивости печатных плат БЦВМ в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех. Технологии ЭМС, №2(25), 2008. - с. 33-39.

2. Михайлов В.А., Шпиев В.А., Штейнберг В.И. Построение высоконадежных бортовых вычислительных комплексов. Технологии ЭМС, № 4 (27), 2008, - с. 20-23.

3. Бутин В.И., Михайлов В.А. Особенности применения метода сравнительного анализа при подтверждении стойкости РЭА к воздействию сверхвысокочастотного импульсного электромагнитного излучения. Технологии ЭМС, № 4(27),2008. - с. 43-47.

4. Михайлов В.А., Штейнберг В.И. Гонка без финиша. Технологии ЭМС, №4 (27), 2008.-с. 3-11.

5. Власов Ф.С., Михайлов В.А., Тищенко А.К., Поспелов В.Н. Средства измерения параметров и управления режимами в аппаратуре регулирования и контроля электроснабжения космических аппаратов. Технологии ЭМС, № 4 (27), 2008. - с. 24-33.

6. Михайлов В.А., Сахаров К.Ю., Туркин В.А., Михеев О.В., Симакин С. В., Ларионеико А.В.Оценка стойкости бортовых вычислительных машин в условиях воздействия CK ЭМП. Технологии ЭМС, № 4 (27), 2008. - с. 12-19.

Сборники научных трудов, материалы конференций.

7. Акбашев Б.Б., Михайлов В.А. Требования стандартов по параметрам мощных импульсных электромагнитных полей. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н., 2008.-с. 7-12.

8. Акбашев Б.Б., Комягин С.И., Михайлов В.А. Определение состава и видов электромагнитных воздействий на технические средства. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н., 2008. - с. 26-27.

9. Комягин С.И., Михайлов В.А. Беспилотные летательные аппараты в условиях электромагнитного воздействия. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н., 2008. - с. 60-64.

10. Крохалев Д.И., Михайлов В.А. Оценка воздействия сверхширокополосных импульсных электромагнитных полей на системы обработки информации. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н., 2008. - с.100-105.

11. Зеленин А.Н., Михайлов В.А. Метод FDTD. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н., 2008. - с. 28-30.

12. Михайлов В.А. Актуальные вопросы повышения стойкости бортовых цифровых вычислительных машин к электромагнитным воздействиям. Сборник докладов 10 НТК по ЭМС и электромагнитной безопасности. ЭМС-2008. - С.-Пб, ВИГУ, 2008. - с. 358 - 360.

13. Михайлов В.А. Методическое обеспечение испытаний БЦВМ на стойкость к воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов. Сборник докладов 10 НТК по ЭМС и электромагнитной безопасности. ЭМС-2008. - С.-Пб, ВИТУ, 2008. - с. 553 - 556.

14. Михайлов В.А. Вопросы электромагнитной совместимости бортовых вычислительных средств в интеллектуальных комплексах автоматизации и связи. Михайлов В.А. Сборник трудов 6 Международной конференции по информационным и телекоммуникационным технологиям в интеллектуальных системах. Греция, 2-6 июня 2008.- с. 43 - 48.

15. Бутан В.И., Михайлов В.А. Технические решения по обеспечению помехоустойчивости аппаратуры к воздействию электромагнитных помех. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н., 2009, с.5-11.

16. Бутин В.И., Михайлов В.А. Обеспечение ЭМС и оценка стойкости технических средств в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех. Учебное пособие. М: МИЭМ, 2009.- с. 100.

17. Власов Ф.С., Грошев A.C., Дьяченко А.М., Лунев Г.Г., Михайлов В.А., Осипов В.М. Радиоэлектронный блок. Патент РФ № 2132598, от 20.08.98 г.

18. Власов Ф.С., Грошев A.C., Дьяченко A.M., Корнилов Е.В., Крылов С.А., Михайлов В.А. Способ изготовления двусторонней печатной платы и двусторонняя печатная плата. Патент РФ № 2138931 от 09.10.98 г.

Подписано в печать 06.10.2009. Формат 60x84/8. Бумага типографская № 2. Печать - ризография. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 110 экз. Заказ ЛШ.

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3.

Центр оперативной полиграфии (495) 916-88-04, 916-89-25

Перечень условных обозначений.

Введение.

Глава 1 Анализ состояния проблемы испытаний и выбор направлений исследований стойкости бортовых цифровых вычислительных машин при воздействии мощных импульсных электромагнитных полей.

1.1 Анализ состояния работ по разработке национальных и международных стандартов по импульсным электромагнитным полям.

1.1.1 Международные и национальные стандарты по мощным импульсным электромагнитным полям.

1.1.2 Сравнение параметров электромагнитного импульса ядерного взрыва и полей источников природного и техногенного происхождения.

1.2 Динамика развития БЦВМ комплекса «Аргон».

1.3 Общая характеристика БЦВМ как объектов, подверженных воздействию мощных электромагнитных полей.

1.4 Анализ современных методов оценки стойкости объектов к электромагнитным полям.

1.4.1 Расчетные методы.

1.4.2 Экспериментальные методы.

1.4.3 Расчетно - экспериментальные методы.

1.5 Анализ методов и результатов испытаний технических средств на воздействие ЭМИ различных источников.

1.6 Выбор направлений исследований и постановка задач.

Глава 2 Обоснование требований к бортовым цифровым вычислительным машинам по стойкости к электромагнитным полям и требований к методам и средствам испытаний:.

2.1 Требования к БЦВМ в условиях воздействия импульсных электромагнитных полей.

2.1.1 Требования для бортового авиационного оборудования в условиях электромагнитных воздействий.

2.1.2 Требования к параметрам внешних электромагнитных полей.

2.1.3 Требования к параметрам внутренних электромагнитных полей при воздействии на объект электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва.

2.1.4 Требования к параметрам испытательных импульсов тока и напряжения при воздействии электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва.

2.1.5 Требования по эффективности экранирования.

2.2 Требования к методам и средствам испытаний БЦВМ.

2.3 Требования к метрологическому обеспечению испытаний БЦВМ.

2.4 Требования к конструктивным и эксплуатационным характеристикам средств измерений и генерирования полей

Выводы по главе.

Глава 3 Численные методы оценки воздействия мощных импульсных электромагнитных полей на типовые элементы бортовых цифровых вычислительных машин

3.1 Обоснование численных методов расчета токов в проводниках в условиях воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей.

3.2 Физико-математическая модель взаимодействия электромагнитного поля с проводящими объектами.

3.3 Сравнение расчетных и экспериментальных данных воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов на интегральные микросхемы и кабельные линии.

3.4 Разработка расчетных методик оценки эффективности экранирования.

3.5 Рекомендации по экранированию печатных плат БЦВМ в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех.

Выводы по главе.

Глава 4 Программа, методики и результаты экспериментальных исследований стойкости бортовых цифровых вычислительных машин к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов.

4.1 Методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований.

4.1.1 Выбор БЦВМ и средств воспроизведения сверхкоротких импульсных электромагнитных полей для проведения экспериментальных исследований стойкости.

4.1.2 Программа проведения эксперимента.

4.1.3 Методики экспериментальных исследований.

4.2 Разработка программы - методики проведения экспериментальных исследований стойкости БЦВМ к воздействию мощных сверхкоротких импульсных электромагнитных полей.

4.3 Результаты экспериментальных исследований устойчивости и стойкости БЦВМ в условиях воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей.

4.4 Разработка программы по обеспечению стойкости БЦВМ к воздействию электромагнитных полей различных источников

В ыводы по главе

Актуальность работы; Современные бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ) занимают особое место в системах управления и контроля и все в большей степени оснащаются электронными элементами, чувствительными к электромагнитным воздействиям. Повышение степени интеграции элементной базы электроники, и, как следствие, снижение электрической прочности отдельных компонентов аппаратуры приводит к снижению устойчивости БЦВМ к воздействию электромагнитных факторов различного происхождения.

Проблема оценки стойкости БЦВМ к воздействию мощных импульсных электромагнитных полей (ЭМП) представляет собой сложный* многоэтапный процесс. .

По данной проблеме в нашей стране и за рубежом можно выделить следующие направления исследований:

- методы-расчета.параметров электромагнитногоимпульса (ЭМИ);

- исследование воздействия ЭМИ на БЦВМ с учетом условий эксплуатации и конструктивных особенностей объекта применения;

- разработка методовграсчета, воздействия ЭМИ на БЦВМ и установление перечня параметров, определяющих поражающее действие ЭМИ;

- . разработка методов и средств воспроизведения врздействия ЭМИ с целью определения критических электромагнитных нагрузок на элементы БЦВМ;

- разработка методов и средств защиты.

Проблема стойкости технических средств к воздействию ЭМИ; решается благодаря усилиям научных коллективов ФРУ 12 ЦНИИ МО, ФГУП «ВНИИОФИ», ВИКА, ФГУП «МНИРТИ»., В результате исследований в-значительной степени выяснена природа формирована: физические модели и математические методы расчета параметров ЭМИ. Это позволило НИУ, техническому комитету Госстандарта РФ и международной электротехнической комиссии (МЭК) обобщить результаты исследований и сформировать требования по оценке стойкости к ЭМИ ВЯВ и сверхширокополосного ЭМИ объектов гражданского назначения. Работа в этом направлении завершилась согласованием с 18 государствами — членами МЭК, разработкой и изданием серии стандартов МЭК - 61000=

На этой основе, практически параллельно с этой работой, велась разработка механизмов взаимодействия ЭМИ с объектами, которые предполагают установление связей между внешними по отношению к БЦВМ электромагнитными полями и токами, напряжениями внутри корпуса БЦВМ. Для этого использовались теоретические и экспериментальные методы.

Были достигнуты определенные успехи в решении задач анализа стойкости различных систем, создании методов измерений и экспериментальной проверки методик расчета токов и напряжений, наведенных ЭМИ, в кабельных линиях, экранах и антеннах. Крупный вклад в эту проблему внесли ученые: Мырова Л.О., Кечиев JI.H., Соколов А.А., Сахаров К.Ю., Степанов П.В., Михеев О.В;, Туркин В.А., Чеков Г.Н., Комягин С.И., Крохалев Д.И. и цикл исследований, выполненных в ФГУ 12 ЦНИИ МО, ВИТУ, ФГУП «МНИРТИ», ФГУП «ВНИИОФИ», МИЭМ, НИИ «АРГОН», МАИ: ,

Созданию БЦВМ предшествует, как правило, значительный комплекс научно-исследовательских и экспериментальных работ,; в которых участвуют специалисты различных профессий, объединенных общими целями и задачами, обобщенными в тактико-технических заданиях на разработку конкретного комплекса. Завершенное в разработке, освоенное в серийном производстве и принятое в штатную эксплуатацию изделие, как вершина айсберга, базируется на мощном основании — научно-техническом заделе в смежных областях науки и техники.

Помимо собственно разработчиков архитектуры и структуры бортовых ЭВМ, математиков-программистов, обеспечивающих разработку общего и специального программного обеспечения, конструкторов и технологов, работающих в тесном контакте с электронщиками, важнейшую роль в создании изделий играют разработчики элементной базы, новых материалов, специалисты в области автоматизации проектирования.

Велика роль специалистов конструкторских бюро опытных и серийных заводов, обеспечивающих подготовку, аттестацию и организацию производства новых изделий, отработку конструкторской документации опытных образцов.

Среди сотрудников НИИ «АРГОН», внесших свой неоценимый вклад в создание БЦВМ, известные в стране и за рубежом специалисты в области вычислительной техники:

- главные конструкторы комплекса БЦВМ «Аргон» на разных этапах его развития доктора технических наук Крутовских С.А., Ларионов A.M., Пржиялковский В.В., кандидат технических наук Штейнберг В.И.

- главные конструкторы разработок доктора технических наук Карасик В.М., Китович В.В., Кондрашев А.Ф., Терещенко М.А., кандидаты технических наук Еремин А.Т., Левшин В.И., Монахов Г.Д., Смирнов Р.В., Соловьев А.А., Власов Ф.С., Черкесов В.Г.

- инженеры Белов В.А., Власов Ф.С., Перешивкин А.А., Погорелец Г.П., Попов С.О., Прокудаев Г.М., Румянцев В.И., Шпиев В.А.

Практически все основные разработки, выполненные в разные годы НИИ «Аргон», освещались в статьях отраслевых научно-технических сборников i радиопромышленности «Вопросы радиоэлектроники» и «Вопросы специальной радиоэлектроники», в других изданиях оборонных отраслей промышленности и Минобороны, в научно-технических отчетах и в диссертациях сотрудников института. Значительная часть научных достижений отражена в авторских свидетельствах и патентах на изобретения. Большая группа создателей бортовых ЭВМ и комплексов в разные годы отмечена высокими государственными наградами и почетными званиями СССР и России, в том числе 20 специалистов института Государственными премиями и премией Ленинского комсомола в области науки и техники.

Анализ состояния исследований за рубежом свидетельствует, что научные организации США, Франции, Германии, Индии, Китая и др. стран уделяют этому вопросу большое внимание: имеются модели взаимодействия ЭМИ с техническими средствами и методы расчета, доведенные до машинных программ (применительно к кабельным линиям, системам связи различных гражданских объектов).

Об актуальности данного направления работ свидетельствует также программа перспективных работ МЭК на 2009-2012 г.г. В направлениях дальнейших работ рассматриваются предложения и рабочие проекты, представляющие интерес для решения практических задач: методы и средства расчета воздействия ЭМИ, методы и средства измерений ЭМИ, испытания объектов на воздействие ЭМИ.

Для воспроизведения воздействия ЭМИ в нашей стране и за рубежом были разработаны и использованы прямые и косвенные методы. С использованием прямых методов воспроизводят электромагнитные поля, параметры которых соответствуют ЭМИ. Косвенные методы основаны на воспроизведении расчетных значений токов и напряжений на элементах технических средств. Таким образом, в настоящее время получены научные результаты по отдельным направлениям оценки стойкости технических средств.

В то же время, оценка стойкости сложных структурно-разветвленных систем, какими являются, в частности, БЦВМ представляют пока малоисследованную научную задачу. Систематизация и обобщение этих результатов, которые бы определили методологию оценки стойкости бортовых вычислительных машин к воздействию мощных электромагнитных полей с учетом требований международных стандартов, прогноза параметров воздействия, средств защиты до сих пор не проведено.

В работе рассмотрены современное состояние исследований по воздействию на комплекс БЦВМ сверхкоротких импульсных электромагнитных полей, международные стандарты по токам и напряжениям, существующие методы расчета, накопленные экспериментальные данные по поражающему действию ЭМИ, методам и средствам обеспечения стойкости БЦВМ.

С учетом изложенного следует, что в настоящее время электромагнитные помехи большой энергии являются новой серьезной угрозой для БЦВМ. Тем более, что за последнее десятилетие быстро возросла оснащенность различных объектов БЦВМ, а устойчивость этих вычислительных систем к электромагнитным помехам стремительно падает.

Качественное переоснащение отечественных систем управления» современной вычислительной техникой, повышение требований по стойкости радиоэлектронной аппаратуры к действию различных электромагнитных полей приводит к тому, что в современных условиях проблема воздействия электромагнитных импульсов на БЦВМ, средства связи и управления становится одной из ключевых.

Поэтому, особенно актуально, на настоящий момент, стоит вопрос о защите БЦВМ от воздействия мощных импульсных электромагнитных полей. При отсутствии защиты от ЭМИ снижается эффективность применяемых экранов, усиливается проникновение электромагнитных полей через неоднородности в корпусах и увеличиваются амплитуды наведенных токов и напряжений в бортовой кабельной сети, в проводниках, расположенных вне экранов, что приводит к ложным срабатываниям или катастрофическим отказам аппаратуры.

В связи с этим, важным этапом при решении задач, направленных на обеспечение стойкости БЦВМ к действию электромагнитных факторов, является проведение исследований с использованием математических моделей взаимодействия ЭМИ с элементами БЦВМ. Для проведения исследований воздействия ЭМИ на БЦВМ необходимо создание соответствующей системы исходных данных по параметрам ЭМИ на основе анализа стандартов и существующих экспериментальных методов оценки воздействия ЭМИ на элементы БЦВМ.

Наряду со значительными достижениями в области обеспечения стойкости БЦВМ существующие методы оценки воздействия сверхкороткого электромагнитного импульса (СК ЭМИ) не позволяют проводить достоверную оценку воздействия ЭМИ на БЦВМ. Это в значительной мере обусловлено отсутствием совершенных методов расчета воздействия ЭМИ на системы БЦВМ и экспериментальных исследований стойкости.

Следовательно, задача разработки и совершенствования методов расчета воздействия преднамеренных СК ЭМИ на БЦВМ, а также разработка и уточнение методов оценки стойкости БЦВМ к электромагнитным воздействиям, является в настоящее время особенно актуальной.

Настоящая работа посвящена решению научной задачи имеющей важное значение для укрепления обороноспособности страны, а именно, разработке научно-методических основ обеспечения стойкости БЦВМ в условиях воздействия мощных импульсных электромагнитных полей.

Актуальность поставленной задачи определяется: необходимостью создания и совершенствования БЦВМ, соответствующих современным требованиям, предъявляемым к их надежности и устойчивости в условиях воздействия ЭМП; слабой теоретической и экспериментальной изученностью воздействия наносекундных электромагнитных полей на БЦВМ и ее элементы; отсутствием рекомендаций по техническим средствам защиты оборудования БЦВМ от ЭМП.

Именно все это и определило важность и практическую значимость решаемой в диссертации научно-технической задачи - разработка методов оценки стойкости БЦВМ в условиях воздействия преднамеренных сверхкоротких импульсных электромагнитных полей (СКИ ЭМП).

Объектами исследования в работе выбраны БЦВМ, разработанные в НИИ «Аргон», которые сегодня вообще не исследованы на воздействие ЭМП наносекундного диапазона. Выбранные БЦВМ являются наиболее перспективными для использования в авиационных и космических комплексах при решении задач управления и контроля на подвижных объектах.

Основной целью диссертационной работы является обеспечение стойкости бортовых цифровых вычислительных машин в условиях воздействия преднамеренных мощных сверхкоротких электромагнитных импульсов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• Анализ состояния работ по разработке национальных и международных стандартов в части задания требований к техническим средствам по параметрам мощных импульсных ЭМП, методам и средствам испытаний.

• Обобщение существующих методов и средств оценки стойкости БЦВМ к воздействию ЭМП.

• Обоснование требований к БЦВМ по стойкости к электромагнитным факторам, средствам измерений и генерации ЭМП для проведения исследований воздействия полей на БЦВМ.

• Совершенствование физико-математической модели для оценки воздействия импульсных ЭМП наносекундного диапазона на кабельные линии и экраны БЦВМ.

• Разработка методического обеспечения испытаний БЦВМ с помощью излучателей сверхкоротких электромагнитных импульсов с целью оценки воздействия импульсных ЭМП на БЦВМ.

• - Проведение экспериментальных. исследований стойкости БЦВМ к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов.

• Разработка программы обеспечения стойкости и рекомендаций по защите . БЦВМ. К основным научным результатам, которые получены лично автором, включенным в диссертацию и представляемых к защите, относятся:

• требования к БЦВМ в условиях электромагнитного воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей;

• результаты расчета взаимодействия внешнего импульсного электромагнитного поля с системой линейных проводников и экранами;

• методики испытаний современных БЦВМ в условиях воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей;

• результаты экспериментальных исследований воздействия мощных ЭМИ на БЦВМ с учетом их конструктивных особенностей;.

• программа и технические решения по обеспечению стойкости БЦВМ в . сложной электромагнитной обстановке.

В первой главе дана общая характеристика параметров и поражающего действия ЭМИ на БЦВМ как объектов, подверженных воздействию электромагнитных излучений. Рассматриваются возможные электромагнитных воздействия на БЦВМ, требования стандартов и методология их учета на всем жизненном цикле объекта. Подчеркивается особенность настоящего момента развития электронных средств, при которой возникли новые угрозы нападения на информационные ресурсы в виде мощных электромагнитных воздействий.

Во второй- главе обоснованы требования к БЦВМ по стойкости к деструктивным электромагнитным воздействиям. С целью проведения испытаний и измерений параметров внешних воздействующих сверхкоротких ЭМИ обоснованы требования к средствам измерений и методам испытаний.

В третьей главе обоснованы расчетные методы оценки воздействия ЭМИ на БЦВМ. Приводятся результаты теоретических исследований воздействия мощных электромагнитных импульсов на кабельные линии и экраны. Эти объекты моделируются в виде тонкопроволочных структур, для которых развиваются расчетные методики и оцениваются наведенные токи для модельной геометрии и оценивается эффективность поражающего действия электромагнитных импульсов.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных полей? на БЦВМ различных модификаций. Определены условия проведения экспериментальных исследований, которые выполнялись на уникальной экспериментальной базе ВШ1ИОФИ. Для экспериментов использовались наиболее совершенные на сегодняшний день отечественные генераторы, излучатели и преобразователи мощных сверхкоротких электромагнитных импульсов. !

Диссертация подготовлена на основании работ, выполненных автором с 1998 г. по настоящее время, и завершена на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" Московского государственного института электроники и математики.

Материалы, представленные в диссертации, характеризуются общей направленностью разработок. Они содержат совокупность новых научных обобщений и отвечают задачам современного развития теории и практики в области обеспечения стойкости БЦВМ на физическом уровне. . '

8. Результаты работы могут быть использованы: в НИУ, занимающимися проектированием и испытанием БЦВМ на действие электромагнитных импульсов; для получения типовых параметров воздействия сверхкоротких электромагнитных полей на телекоммуникации офисов, интеллектуальных зданий; при разработке методик нагружения при испытании оборудования и систем и обосновании требований на средства защиты; для использования при разработке рабочих проектов международных стандартов по методам расчета воздействия электромагнитных импульсов на технические средства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом, определяющим научную и практическую значимость, выполненных в работе исследований, является разработка научно - методических основ оценки стойкости БЦВМ при внешних мощных электромагнитных воздействиях, включающих в себя:

- обоснование требований к БЦВМ в условиях воздействия преднамеренных сверхкоротких импульсных электромагнитных полей;

- расчеты взаимодействия мощных импульсных электромагнитных полей с экранами и системой проводников БЦВМ; результаты экспериментальных исследований воздействия электромагнитных полей наносекундного диапазона на БЦВМ, бортовую кабельную сеть и экраны с неоднородностями;

- разработку программы обеспечения стойкости БЦВМ к импульсным электромагнитным полям.

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие наиболее значимые научные и практические результаты:

1. Проведен анализ состояния проблемы и направлений исследований стойкости БЦВМ при воздействии мощных импульсных ЭМП:

- выполнен анализ состояния работ по разработке национальных и международных стандартов в части задания требований к техническим средствам по параметрам мощных импульсных электромагнитных полей, методам и средствам испытаний;

- установлено, что основным каналом проникновения в современные БЦВМ мощных импульсных наводок являются кабельные линии и неоднородности в экранах; рассмотрены современные расчетные, расчетно-экспериментальные и экспериментальные методы оценки стойкости БЦВМ к различным видам электромагнитных полей.

2. Обоснованы требования по параметрам электромагнитных полей, к методам и средствам испытаний БЦВМ на стойкость к воздействию преднамеренных СК ЭМИ:

- требования к БЦВМ обоснованы с учетом основных положений современных национальных нормативно-технических документов по СК ЭМИ и стандартов МЭК;

- на основе обоснованных требований к метрологическим и конструктивным характеристикам средств измерений и требований к методам и средствам экспериментальных исследований стойкости БЦВМ определен тип излучателей -полупроводниковые излучатели, разработанные во ВНИИОФИ.

3. Проведены теоретические исследования и предложены современные численные методы оценки воздействия мощных электромагнитных импульсов на кабельные линии и экраны БЦВМ:

- проведен анализ характеристик БЦВМ и установлено, что источниками значительных помех и причиной возникновения различных электромагнитных эффектов в БЦВМ являются токи в кабельных линиях и поля, проникающие через неоднородности в экране. При этом установлено, что стойкость БЦВМ существенно зависит от спектрально-временных параметров воздействующего СК ЭМИ, амплитуды напряженности, частоты повторения импульсов, времени воздействия и поляризации поля;

- установлено, что оценка стойкости БЦВМ к ЭМИ тесно связаны с выявлением путей проникновения электромагнитных полей, основными из которых являются: линии передачи информации, линии электропитания, органы управления и индикации;

- предложен подход к прогнозированию стойкости БЦВМ, основанный на использовании метода испытаний на повышенных уровнях воздействия СК ЭМИ;

- показана низкая эффективность экранов кабельных линий, что делает этот механизм воздействия опасным для элементов, устанавливаемых на входах БЦВМ.

4. Разработано научно-методическое обеспечение экспериментальных исследований воздействия мощных сверхкоротких ЭМИ на БЦВМ:

- обоснован выбор БЦВМ для экспериментальных исследований с учетом перспектив их применения в системах контроля и управления космических аппаратов, авиационных и мобильных объектов. Результаты испытаний этого вида воздействия на БЦВМ практически отсутствуют;

- разработаны программы и методики экспериментальных исследований и проведены испытания БЦВМ М20 и БВК EA-I02;

- проведены экспериментальные исследования воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов наносекундного диапазона, которые показали, что бортовая кабельная сеть, подключаемая к БЦВМ, является основным источником помех и не удовлетворяют требованиям по эффективности экранирования;

- получены данные, на основе которых определены уровни воздействия ЭМП, при которых наступают отказы и сбои БЦВМ. Это позволяет создать базу данных по пороговым уровням стойкости БЦВМ и является основой для задания требований в ТЗ на проектирование перспективных БЦВМ;

- показано, что существующие конструктивные методы защиты требуют своего совершенства для обеспечения высокой эффективности экранирования БЦВМ в условиях действия сверхкоротких электромагнитных импульсов, при этом выявлено влияние частоты воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов и поляризации электромагнитного поля на устойчивость БЦВМ.

5. Разработаны программа обеспечения стойкости, предложения и рекомендации по совершенствованию средств защиты БЦВМ от воздействия сверхкоротких ЭМИ, в том числе:

- показано, что создание БЦВМ с высоким уровнем стойкости к электромагнитным полям невозможен без изменения традиционной методологии работ в области разработки, испытаний БЦВМ;

- установлено, что для современных БЦВМ, работающих в условиях воздействия ЭМИ, использование неэкранированных кабельных линий недопустимо, так как при длительном воздействии ЭМИ не обеспечивается достаточный уровень защиты входов БЦВМ;

- разработаны технические решения по обеспечению стойкости БЦВМ в условиях воздействия ЭМП и показано, что наиболее простым и эффективным способом защиты БЦВМ является экранировка всех подверженных воздействию объектов. В качестве эффективных экранов для защиты от сверхкоротких электромагнитных полей и могут быть использованы металлические сетки, сплошные металлические тонкостенные экраны;

- предложен экспериментальный метод определения стойкости путем испытаний на повышенных уровнях воздействия СК ЭМИ, позволяющий производить выбор БЦВМ с заданным показателем стойкости для установки их в бортовые системы.

Предложенные методы, программные средства и технические решения являются методической основой для научно-обоснованных мероприятий по обеспечению стойкости БЦВМ и повышению помехозащищенности, отвечающей требованиям национальных и международных стандартов МЭК.

6. Личный вклад автора. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, диссертантом внесен следующий вклад: поставлены и решены задачи выбора методов расчета воздействия, элементов БЦВМ и вида электромагнитных воздействий [82-84]; сформулированы требования к методам оценки стойкости [42,77]; разработаны программа и методика испытаний на стойкость к воздействию СК ЭМИ [45,87]; решены задачи метрологического и инструментального обеспечения исследований [76, 85]; обоснованы рекомендации по защите [86]; проведен анализ факторов и эффектов воздействия ЭМИ на системы БЦВМ - кабельные линии и экраны с неоднородностями [56,78].

7. Направления перспективных исследований.

Дальнейшие исследования целесообразно провести по следующим направлениям:

1. В области расчета токов и напряжений в технических средствах при воздействии сверхширокополосных электромагнитных импульсов:

• разработка приближенных методов расчета воздействия сверхширокополосных электромагнитных импульсов на протяженные проводники для оценки импульсных наведенных токов и напряжений в кабельных линиях;

• проведение расчетов для более сложных геометрий проводника.

2.Развитие косвенных методов испытаний.

3. Совершенствовать методы и средства защиты.

1. Уильяме Т. ЭМС для разработчиков продукции. М., Издательский Дом «Технологии», 2003 - 540 с.

2. Уильяме Т., Армстронг К. ЭМС для систем и установок. М., Издательский Дом «Технологии», 2004 - 508 с.

3. Кечиев J1.H., Пожидаев Е.Д., Защита электронных средств от воздействия статического электричества — М., Издательский Дом «Технологии»,2005 — 352 с.

4. Кечиев J1.H. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. -М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.

5. Комягин С.И. Основы методологии электромагнитной стойкости беспилотных летательных аппаратов. МИЭМ, М.:,2007, -150 с

6. Сахаров К.Ю. Излучатели сверхкоротких электромагнитных импульсов и методы измерений их параметров. Монография, Москва, 2006.

7. Балюк Н.В., Кечиев Л.Н., Степанов П.В. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на электронные средства и методы защиты. М., 2008, -478 с

8. ГОСТ Р 52962 — 2007 «Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Испытания на устойчивость к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям».

9. Стандарт МЭК 61000-2-11 «Electromagnetic compatibility (EMC) Part 2-11: Environment - Classification of HEMP environments», 1 ed, IEC Central Office, Geneva, Switzerland, 10-1999

10. МЭК 61000-1-3. Электромагнитная совместимость ( ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯ В). Воздействие ЭМИ ВЯВ на оборудование и системы гражданского сектора, 2003.

11. МЭК 61000-2-13. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к СШП-ЭМИ, 2004.

12. МЭК 61000-4—23. Электромагнитная совместимость ( ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Методы испытаний средств защиты. Излученные помехи", 2000.

13. МЭК 61000-4-24. Электромагнитная совместимость ( ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Методы испытаний средств защиты. Наведенные помехи", 1997.

14. МЭК 61000-4-32. Электромагнитная совместимость ( ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ) Методы и средства измерений. Имитаторы ЭМИ , 2002.

15. МЭК 61000-5-3. Электромагнитная совместимость ( ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Концепция (классы) защиты оборудования",1999.

16. МЭК 61000-5-4. Электромагнитная совместимость ( ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Общие технические требования к средствам защиты. Излученные помехи",1995.

17. МЭК 61000-5-5. Электромагнитная совместимость ( ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Общие технические требования к средствам защиты. Наведенные помехи", 1995.

18. МЭК 61000-5-6. Электромагнитная совместимость ( ЭМС) ."Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Смягчение уровней внешних электромагнитных воздействий.", 2002

19. МЭК 61000-5-7. Электромагнитная совместимость ( ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Степени защиты от электромагнитных помех. Методы расчета защищенности." , 1997

20. Стандарт МО США MIL-STD-461E «Department of Defense Interface Standard. Requirements For The Control Of Electromagnetic Interference Characteristics Of Subsystems And Equipment», 20.08.1999

21. Стандарт МО США MIL-STD-188-125-1 «Department of Defense Interface Standard. HEMP Protection for Ground-Based C4I Facilities Performing Critical, Time-Urgent Missions, Part 1. Fixed Facilities», 17.07.1998

22. Стандарт МО США MIL-STD-188-125-2 «Department of Defense Interface Standard. HEMP Protection for Ground-Based C4I Facilities Performing Critical, Time-Urgent Missions. Part 2. Transportable Systems», 3.03.1999

23. MIL-HDBK-235. Military Handbook. Electromagnetic (Radiated) Environment Considerations for Design and Procurement of Electrical and Electronic Equipment, Subsystems and Systems. General Guidance. 1993. -20 p.

24. Стандарт МО США MIL-STD-464A «Department of Defense Interface Standard. Electromagnetic Environmental Effects for Systems», 19.12.2002

25. Балюк H.B., Болдырев В.Г., Булеков В.П., Кечиев Л.Н., Кириллов В:Ю., Литвак И.И., Постников В.А., Резников С.Б. Электромагнитная совместимость технических средств подвижных объектов. Учебное пособие. М.: МАИ, 2004 -648 с.

26. Штейнберг В.И. Принципы организации и разработки ряда совместимых бортовых вычислительных машин.//Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада, НИИАА, М.1988.

27. Терещенко М.А., Кондрашев А.Ф., Штейнберг В.И. Вехи полувекового пути НИИ «Аргон».//Журнал «Проблемы информатизации», вып. 3-4, М.1998.

28. Штейнберг В.И. Комплекс БЦВМ «Аргон» за 40 лет динамика развития.//Материалы Международной конференции SORUCOM.2006, 3-7 июля 2006 г., «Развитие вычислительной техники в России и странах бывшего СССР: история и перспективы», Петрозаводск 2006.

29. Сарафанов А.В. Разработка научных основ проектирования радиотехнических устройств на базе GALS-технологий. Докторская диссертация. МИЭМ. 2001, -371 с

30. Кириллов В.Ю. Электромагнитная совместимость элементов и устройств бортовых систем летательных аппаратов при воздействии электростатических разрядов. Докторская диссертация. МАИ.2002, 293 с

31. Крохалев Д.И. Методы расчета импульсных электромагнитных процессов, методическое пособие, МИЭМ,2007, -52 с.

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

33. Туркин В. А. Разработка излучателей сверхкоротких электромагнитных импульсов для испытаний радиотехнической аппаратуры, кандидатская-диссертация, МИЭМ ,2006, -163 с.

34. Михеев О. В. Средства измерений и методы испытаний телекоммуникационных систем в условиях воздействия электромагнитных импульсов с субнаносекундной длительностью фронта, кандидатская диссертация, МИЭМ ,2006, -148 с.

35. Ольшевский А.Н. Влияние мощных электромагнитных полей на системы видеонаблюдения. 7 международный симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии, ЭМС-2007, Санкт-Петербург, 2007, с.144-145.

36. Слюсар В.И. Генераторы супермощных электромагнитных импульсов в информационных войнах. Обзор. Электроника: наука, технология, бизнес, N5, 2002.

37. Квалификационные требования KT-160D и RTCA/EUROCAE D0-160D/ED-14D. Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования. Внешние воздействующие факторы. Требования, нормы и методы испытаний. 2004г.-170с

38. Акбашев Б.Б., Михайлов В.А. Требования стандартов по параметрам мощных импульсных электромагнитных полей. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н., 2008, с.7-12.

39. Стржелинский О.А.Требования зарубежных нормативно-технических документов по стойкости к воздействию высокочастотной сотавляющей ЭМИ высотного ядерного взрыва. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н.,2008, с. 37-45.

40. Стржелинский О.А. Методология оценки электромагнитной стойкости авиационной техники за рубежом. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н.,2008, с. 31-35.

41. Зеленин А.Н., Михайлов В.А. Метод FDTD. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н., 2008, с.28-31.

42. 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 Л.Н.,2006, с. 22-32.

43. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М., Связь, 1971.

44. Гольдыггейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. М., Советское радио, 1971.

45. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. М.-Л., Энергия, 1965.

46. Самарский А.А. Теория разностных схем. М., Наука, 1977.

47. Калиткин Н.Н. Численные методы. М., Наука, 1978.

48. Балюк Н.В., Крохалев Д.И., Фарафонов О.А. Метод расчета воздействия импульсных электромагнитных полей на проволочные структуры. Технологии ЭМС, №2 (9), 2004.

49. Крохалев Д.И., Ольшевский А.Н. Оценка воздействия сверхширокополосных импульсов электромагнитного поля на печатные платы. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н.2007, с. с. 19-23.

50. Марков Г.Т., Васильев Е.Н. Математические методы прикладной электродинамики. М., Сов. Радио, 1970, 117 стр.

51. Решение уравнений Максвелла методом FDTD. http://zfdtd.narod.ru.

52. Крохалев Д.И., Михайлов В.А. Оценка воздействия сверхширокополосных импульсных электромагнитных полей на системы обработки информации. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н., 2008, с. 100-105.

53. Сахаров К.Ю., Туркин В.А., Михеев О.В., Корнев А.Н., Акбашев Б.Б. Исследования СК ЭМИ на персональные компьютеры // Технологии электромагнитной совместимости №2(17). М., Издательский Дом «Технологии», 2006.

54. Акбашев Б.Б.Теоретические и экспериментальные методы оценки устойчивости терминалов к воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов, кандидатская диссертация, МИЭМ ,2005, -154 с.

55. Акбашев Б.Б., Кечиев Л. Н. Мазуренко М.Н. Экранирование шкафов и стоек аппаратуры, МИЭМ, 2005.

56. Акбашев Б.Б., Захарьина О.С.,Кечиев Л. Н. Экранирование оптически прозрачных апертур. МИЭМ, 2005.

57. Кечиев Л. Н., Тумковский С. Р., Шевцов М. А., Шевчук А. А. Расчет электрофизических параметров линий связи в среде Mathematica/Учебное пособие. М.: МИЭМ, 2002. 84 с.

58. Михайлов В.А. Обеспечение ЭМС и устойчивости печатных плат БЦВМ в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех. Технологии ЭМС, № 2(25), 2008, с. 33-40.

59. Власов Ф.С., Грошев А.С., Дьяченко A.M., Лунев Г.Г., Михайлов В.А., Осипов В.М. Радиоэлектронный блок. Патент РФ №2132598, от 20.08.98 г.,

60. Власов Ф.С., Грошев А.С., Дьяченко А.М., Корнилов Е.В., Крылов С.А., Михайлов В.А. Способ изготовления двусторонней печатной платы и двусторонняя печатная плата. Патент РФ №2138931 от 09.10.98 г.

61. Ольшевский А.Н., Разработка методического обеспечения оценки устойчивости систем видеонаблюдения при внешних мощных электромагнитных воздействиях, кандидатская диссертация, МИЭМ ,2007, -146 с.

62. Мырова Л.О.,Попов В.Д., Верхотуров В.И. Анализ стойкости систем связи к воздействию излучений. М.: "Радио и связь", 1993.-268 с.

63. Воскобович В.В., «Методы обеспечения стойкости перспективных систем радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи к воздействию мощных импульсных электромагнитных помех», кандидатская диссертация, ФГУП, 2002.

64. Воскобович В.В., Мырова Л.О., «Некоторые вопросы создания систем связи, устойчивых к воздействию МЭМП», Технологии ЭМС №>2,2002.

65. Курочкин В.Ф., Мырова Л.О. Прогнозирование тактики применения современных СШП источников ЭМИ, определение перечня возможных угроз и методов защиты от них средств связи, автоматизации и управления. Технологии ЭМС, №4(15), 2005.

66. Тяпин М.С. Экспериментальные исследования радиотехнических средств на воздействие СШП ЭМИ и разработка рекомендаций по обеспечению их стойкости, кандидатская диссертация, МИЭМ ,2007.

67. Курочкин В.Ф.Исследование воздействия сверхширокополосных электромагнитных импульсов на кабельные коммуникации систем связи, кандидатская диссертация, МИЭМ ,2007, 217 с.

68. Михайлов В.А., Сахаров К.Ю., Туркин В.А., Михеев О.В., Симакип С. В., Ларионенко А.В. Оценка стойкости бортовых вычислительных машин в условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных полей. Технологии ЭМС, № 4(27), 2008, с. 12-19.

69. Акбашев Б.Б., Комягин С.И., Михайлов В.А. Определение состава и видов электромагнитных воздействий на технические средства. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н., 2008, с.26-28.

70. Комягин С.И., Михайлов В.А. Беспилотные летательные аппараты в условиях электромагнитного воздействия. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н., 2008, с.60-64.

71. Михайлов В.А. Актуальные вопросы повышения стойкости бортовых , цифровых вычислительных машин к электромагнитным воздействиям. Сборник докладов 10 НТК по ЭМС и электромагнитной безопасности. ЭМС-2008. С.-Пб, БИТУ, 2008. - с. 358 - 360.

72. Михайлов В.А. Методическое обеспечение испытаний БЦВМ на стойкость к воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов. Сборник докладов 10 НТК по ЭМС и электромагнитной безопасности. ЭМС-2008. С.-Пб, БИТУ, 2008. - с. 553 - 556.

73. Михайлов В.А., Шпиев В.А., Штейнберг В.И. Вопросы построения высоконадежных бортовых вычислительных комплексов. Технологии ЭМС, № 4(27), 2008, с. 20-33.

74. Бутин В.И., Михайлов В.А. Особенности применения метода сравнительного анализа при подтверждении стойкости РЭА к воздействию сверхвысокочастотного импульсного электромагнитного излучения. Технологии ЭМС, № 4(27), 2008, с. 43-47.

75. Михайлов В.А., Штейнберг В.И. ГОНКА БЕЗ ФИНИША. Технологии ЭМС, № 4(27), 2008, с. 3-11.

76. Власов Ф.С., Михайлов В.А., ТищенкоА.К., Поспелов В.Н. Средства измерения параметров и управления режимами в аппаратуре регулирования и контроля электроснабжения космических аппаратов. Технологии ЭМС, № 4(27), 2008, с. 24-33.

77. Бутин В.И., Михайлов В.А. Обеспечение ЭМС и оценка стойкости технических средств в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех. Учебное пособие, МИЭМ, 2009 -100 с

78. Бутин В.И., Михайлов В.А. Технические решения по обеспечению помехоустойчивости аппаратуры к воздействию электромагнитных помех. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева JI.H., 2009, с.5-11.