Разработка и исследование генератора электромагнитных импульсов для диагностики стойкости информационных систем безопасности

Актуальность темы

В настоящее время все актуальнее становится проблема защиты инженерных, информационных и технических систем. Информационные кабельные линии являются неотъемлемой составной частью любого электротехнического комплекса или системы. Диапазон применения информационных слаботочных линий связи функционально весьма широк, начиная с передачи простых сигналов оповещения и кончая передачей криптографических шифрованных сигналов. Проблема помехозащищенности кабельных линий постоянно изучается и широко отражена в многочисленных публикациях. Однако все более мощными становятся генераторы преднамеренных электромагнитных помех, различные импульсные генераторы и др. в связи с быстрыми темпами развития электроники и компонентов. Генераторы в свою очередь влияют на кабельные линии, передающие информационные сигналы между элементами всевозможных электротехнических систем. При этом усилия разработчиков и научных исследований направлены на обеспечение нормального функционирования кабельных линий в условиях действия электромагнитных помех непреднамеренного характера — как природного, так и техногенного происхождения. Основными источниками промышленных помех (ЭМП) являются: мощные радиопередающие станции и сети, радиолокационные станции, высоковольтные линии электропередачи, контактная сеть железных дорог, электросварка, работа коммутируемых электродвигателей. Среди природных источников помех наибольшую помеховую опасность представляют грозовые разряды, удары молнии, создающие мощные и сверхмощные электромагнитные импульсы (ЭМИ и СЭМИ).

Большинство проблем, связанных с защитой кабельных линий от помех и ЭМИ, вызываемых техногенными и природными источниками, достаточно широко исследованы и проработаны [1−4].

Тем не менее в последние годы приобрела актуальность проблема защиты инженерных систем от преднамеренных ЭМИ. Появился целый раздел науки по данной проблематике и новые термины, в частности термин «электромагнитный терроризм». Это явилось следствием того, что появились источники генерации сверхмощных электромагнитных воздействий (СЭМИ), которые вызывают деструктивные (разрушительные) последствия. К ним относятся генераторы, создающие сверхмощные ЭМИ которые мгновенно поражают работу информационных систем.

Вследствие развития исследования данной темы появились целые отделы и лаборатории, занимающиеся анализом сверхмощных техногенных ЭМИ. Все эти меры и исследования положили начало новой проблеме техногенного человечества — электромагнитному терроризму.

Кабельные линии весьма восприимчивы к сверхмощным ЭМИ как в силу своей коммуникативной протяженности, так и в следствие несовершенства экранирования отдельных проводящих линий. Исследованию проблемы взаимодействия кабельных линий с электромагнитными полями высокой интенсивности, а также разработке методов и средств защиты, повышению их помехозащищенности посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученных: Н. В. Балюка, Дж.Э. Бриджеса, Э. Ф. Вэнса, Л. Н. Кечиева, В. М. Кондратьева, К. Коппа, В. И. Кравченко, В. М. Куприенко, A.A. Любомудрова, Дж. Майлетты, А. К. Михайлова, Л. О. Мыровой, P.M. Остафийчука, В. Д. Попова, Л. У. Рикетса, В. А. Сикарева, Т. Тэйлора, Д. А. Фулхэма, А. З. Чепиженко, A.A. Шведова, и др.

В настоящее время разработан комплекс стандартов МЭК 61 000 IEC, в котором определены параметры электромагнитных полей высотного ядерного взрыва, заданы требования к защите электротехнических систем, рассмотрены методы и средства защиты.

Также утвержден стандарт МЭК ГОСТ Р 50 571.20−2000.

МЭК 60 364−4-444−96), в котором определяются параметры ЭМИ и возможность их воздействия на электротехнические комплексы и системы, а также методы по уменьшению этого воздействия.

Информационные кабельные линии являются особенно уязвимым звеном в любой инженерной, информационной или коммуникационной системе по отношению к поражающему действию сверхмощных ЭМИ. Если сами системы и небольшие объекты, в которых установлены инженерные системы безопасности, можно полностью заключить в защитные экраны, то кабели, проложенные на местности, а также соединяющие отдельные контрольные приборы, либо элементы, представляют достаточно протяженную цепь для проникновения электромагнитного поля высокой мощности. В свою очередь, токи и напряжения, наведенные мощными ЭМИ в оболочках и жилах кабеля, могут оказать деструктивное воздействие на чувствительную аппаратуру, которая нуждается поэтому в устройствах защиты.

К сожалению, несмотря на большой практический интерес вопросы повышения стойкости кабельных цепей к воздействию сверхмощных ЭМИ в конкретной постановке до настоящего времени не нашли должного отражения в технической литературе. Сложность исследования данной проблемы проявляется также и в том, что проделанные теоретические исследования трудно поддаются экспериментальной проверке вследствие высокой стоимости эксперимента и больших территориальных объемов самого эксперимента. В нашем случае, при использовании миниатюрных имитаторов сверхмощных ЭМИ, упрощенный вариант выхода из этого положения — это проведение имитационного физического моделирования электромагнитной обстановки с помощью мощных импульсных разрядников, подключаемых непосредственно к кабелю. Однако, такое подключение не всегда возможно, а главное — не может адекватно и с достаточной точностью повторить кондуктивные импульсные возмущения, возникающие в кабеле при индукционном (электромагнитно-полевом) воздействии вышеперечисленных реальных источников ЭМИ и необратимо разрушающие слаботочные элементы современного информационного оборудования, высокочувствительного к импульсным перенапряжениям.

Таким образом, становится особо острой проблема создания относительно недорогих, мобильных испытательных имитаторных источников индукционных СЭМИ в кабельных линиях, способных индуцировать в небольших участках реальных кабельных линий такие же, что и реальные источники СЭМИ, по общему разрушающему воздействию, кондуктивные импульсы перенапряжений.

Имитатор источников индукционных СЭМИ (переносной) состоит из:

1) небольшой разборной экранированной электромагнитной камеры (ЭЭК), надеваемой поверх изоляции на исследуемый кабель;

2) соответствующего комплекса генераторов импульсного тока и напряжения (ГИТ и ГИБ), питаемых от промышленной сети или от автономного источника электроэнергии и.

3) контрольно-измерительной аппаратуры (КИА).

Исследования и разработки подобных переносных имитаторов источников индукционных СЭМИ в кабельных линиях в отечественной и зарубежной литературе не освещены. Однако в создании и исследовании отдельных устройств, подобных перечисленным (ГИТ, ГИН, КИА) приняли достойное участие многие отечественные организации и фирмы, в частности: ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва), ФГУП ВЭИ (г. Москва), МЭИ (г. Москва), РТИ им. академика А. Л. Минца (г. Москва), ФГУП НПО «Астрофизика» (г. Москва), ОАО «ПО «УОМЗ» (г. Екатеринбург), ФГУП ЦКБ «Геофизика» (г.Москва), ОАО НПК НИИДАР (г.Москва), ЫИИПМЭ МАИ (г.Москва), ОАО «ОКБ «Гранат» им. В. К. Орлова и др., а также многие отечественные и зарубежные ученые, в частности вышеперечисленные, а также С. Б. Резников, В. И. Владимиров, В. И. Дмитриев, М. В. Костенко, М. И. Михайлов, Н. М. Царьков, Ю. Е. Сидельников, А. Д. Князев, И. П. Харченко, Ю. А. Комиссаров, А. Ф. Апорович, С. С. Родионов, Н. И. Калашников, Е. М. Виноградов, В. И. Винокуров, В. Г. Хромых, А. Н. Селяев, М. В. Максимов, С. А. Лютов, В. Ю. Кириллов, В. П. Булеков, С. Р. Мизюрин, В. М. Романов, R.F. Heoberling, M.V. Fazio, Дж. Барнс, Д. П. Бикфорд и др.

Значительное количество публикаций по отдельным вопросам и различным успешным разработкам, появившимся к настоящему времени, не отражают создания переносных имитаторов источников индукционных СЭМИ в кабельных линиях электротехнических комплексов. Это объясняется сложностью генерирования СЭМИ (подобного молнии) при удовлетворительной компактности и стоимости установки. Для этого очевидно требуются новые нетрадиционные принципы соблюдения критериев подобия при имитации, а также новые схемотехнические и конструкторские решения.

В связи с вышесказанным разработка и исследование указанного имитатора представляются актуальными и способствующими решению проблем, связанных с созданием перспективных высокоэффективных средств защиты электротехнических комплексов и информационных систем безопасности от СЭМИ.

Цель диссертационной работы — разработка на базе нового принципа имитации и новых схемотехнических и конструкторских решений высокоэффективного переносного испытательного генератора источников сверхмощных индукционных электромагнитных импульсов в кабельных линиях электротехнических комплексов, а также исследование его эффективности и предложение рекомендаций по проектированию узлов.

Объект исследования — имитационный генератор электромагнитных импульсов для диагностики стойкости информационных систем безопасности.

Предмет исследования — меры и средства повышения эффективности испытаний на стойкость к воздействию мощных ЭМИ информационных систем безопасности.

Задачи диссертационной работы:

1. Анализ вариантов и принципов имитации сверхмощных ЭМИ.

2. Выбор схемно-конструктивного решения и технических требований имитатора.

3. Выбор критериев оценки эффективности имитатора.

4. Моделирование и оценка сверхмощных электромагнитных импульсов воздействующих на инженерные системы.

5. Экспериментальные исследования эффективности имитатора и средств защиты от СЭМИ.

Методы исследования. При решении указанных задач нашли применение методы теории цепей, теории электромагнитной совместимости, теории поля, линий передач, математический аппарат теоретической электродинамики, уравнений Максвелла, прямого и обратного преобразования Фурье, элементы теории автоматического регулирования, а также методы математического и физического моделирования с учетом критериев подобия. Результаты экспериментальных исследований, полученные в ходе работы, сравнивались с результатами теоретических исследований и расчетных параметров.

Научная новизна: — выявлены условно типовые параметры основных сверхмощных ЭМИ, рекомендуемые для имитации наиболее опасных для электронной аппаратуры (ЭМИ молнии, ЭМИ ядерного взрыва), а также обобщены критические параметры стойкости элементов к их деструктивным воздействиям;

— модернизирован и реализован принцип имитации деструктивного воздействия сверхмощных ЭМИ: принцип «интегрального импульса», основанный на эквивалентной по результату замене реального ЭМИ последовательностью из «п» менее мощных подобных индукционных ЭМИобоснованы базисные критерии подобия;

— предложена методика расчета составляющих полей ЭМИ в электромагнитно — индукционной камере, основанная на анализе передаточных функций для схем замещения уравнений Максвелла;

— разработаны способы расчета и моделирования процессов преобразования в кондуктивные импульсные помехи индукционных ЭМИ, основанные на введении фиктивных эквивалентных источников тока и напряжения, а также на упрощении телеграфных уравненийразработана программа расчета токов и напряжений, наводимых наносекундными ЭМИ в одиночных кабелях и в системах кабельных линий;

— получены соотношения для процесса распространения кондуктивных импульсных возмущений с учетом влияния стыковочных узлов кабельных соединений;

Практическая ценность работы.

Обобщенным практическим результатом является разработка новых схемотехнических и конструкторских решений для реализации высокоэффективного переносного испытательного имитатора источников СЭМИ на кабельные линии, исследование его эффективности и выработка рекомендаций по проектированию узлов. При этом, в частности:

— разработан компактный и относительно недорогой переносной испытательный имитатор;

— предложена и защищена патентом РФ конструкция разборно-составной электромагнитно-индукционной камеры с новым типом комбинированного испытательного концентратора полей, обладающая большим индукционным эффектом;

— разработаны два типа совмещенных генераторов импульсного тока и напряжения с общим емкостным накопителем и раздельными цепями регулирования, обеспечивающие высокие пиковые значения импульсов в широком спектральном диапазоне (мс, мкс и не);

— исследованы и применены высокоэффективные вторичные источники импульсного питания (ВИИП), обеспечивающие сохранение качества электроэнергии первичной сети при удовлетворительных массо-энергетических характеристиках;

— разработаны индукционные датчики ЭМИ, позволяющие с достаточной для исследовательской практики точностью измерять параметры векторов импульсного поля в камере имитатора;

— предложена приближенная методика расчета составляющих полей ЭМИ в камере имитатора, адекватная задачам проектирования;

— результаты программных расчетов токов и напряжений, наводимых в кабельных линиях наносекундными СЭМИ обобщены, систематизированы и представлены в виде графиков;

— модернизированы методики расчета индукционных магнитометрических и электрометрических датчиков с целью обеспечения заданных метрологических характеристик при их проектировании;

— проведены экспериментальные исследования эффективности макетных образцов имитатора и средств защиты от СЭМИ, показавшие справедливость основных теоретических положений и удовлетворительную точность математического моделирования (с погрешностью до 10−15%).

Основные схемотехнические и конструкторские решения защищены патентами РФ. Акты о внедрении результатов работы в НИР и в учебном процессе приведены в Приложении.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований использованы: а) при разработке на каф. 309 и 310 МАИ ряда макетных и серийных образцов ВИИП в рамках НИР и НИОКР для предприятий ОАО «АКБ «Якорь» и ФГУП ПО «УОМЗ" — б) в рамках НИОКР каф. 310 МАИ при разработке, изготовлении и всесторонних испытаниях вариантов макетов и опытных образцов трансформаторных конверторных модулей, входящих в состав конверторных преобразователейв) в учебном процессе кафедры «Теоретическая электротехника» МАИ в рамках курса «Электромагнитная совместимость комплексов ЛА" — г) в инициативном проекте «Фундаментальное исследование: Новые принципы и методы имитации источников мощных электромагнитных импульсов с поражающим воздействием на информационные линии систем управления» РФФИ, 2007 г. д) в проекте по гранту РФФИ 2008;2010 гг. № 08−08−12 245 «Исследование новых принципов и средств обеспечения электромагнитной совместимости сверхмощных источников импульсного питания» Руководитель проекта: д.т.н., профессор Резников С. Б.:

Соответствующие акты о внедрении приведены в Приложении.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа наиболее опасных для электронной аппаратуры СЭМИ и индуцируемых ими перенапряжений в кабельных линиях, рекомендуемых для испытательных имитаций, а также выбранные базисные критерии подобия.

2. Модернизированный принцип имитации деструктивного воздействия СЭМИ на электронную аппаратуру через кабельные линии — принцип «интегрального импульса».

3. Разработанная, теоретически и экспериментально исследованная конструктивная и принципиальная схема переносного имитатора СЭМИ на базе разборно-составной экранированной камеры, комбинированных генераторов импульсных токов и напряжений и индукционных датчиков ЭМИ.

4. Методики расчета и моделирования процессов индуцирования и распространения кондуктивных импульсных возмущений в кабельных линиях.

Апробация работы. Полученные теоретические положения и результаты математического моделирования апробированы на 5 международных и отечественных научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе:

1. Восьмой российской научно — технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» ЭМС-2009 (г.Санкт — Петербург, сентябрь, 2009 г.);

2. Научно — технической конференции «Информационные средства и технологии», г. Москва, 2009 г;

3. 8-й Международной конференции «Авиация и космонавтика -2009» (г. Москва, 2009 г.), а также неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах, совещаниях и научно-технических советах кафедры «Теоретическая электротехника» .

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 25 печатных работах, в их числе 17 статей и докладов и 8 патентов РФ на изобретения (полезные модели).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит 154 страницы машинописного текста, включая 40 рисунков и 9 таблиц.

Список литературы

включает 58 наименований, в том числе 10 на иностранных языках. Общий объем диссертационной работы составляет 154 страницы.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Обобщенным результатом диссертации является создание высокоэффективного переносного испытательного имитатора источников СЭМИ в кабельных линиях электротехнических комплексов, исследование его эффективности и разработка рекомендаций по проектированию его узлов. К его основным преимуществам относятся следующие: компактность и мобильность, позволяющие производить испытания непосредственно на эксплуатируемых объектахпроизводственная и эксплуатационная экономичность и малая трудоемкость процессов испытанийуниверсальность по отношению к видам СЭМИ, объектам непосредственного воздействия (кабельным фрагментам) и испытуемым объектам (информационно-управляющему и электроэнергетическому оборудованию) — бесконтактное подключение и гальванически развязанное (индукционное) воздействие на испытуемый кабельный фрагмент без изменения его схемы включения и конфигурации (сохранения основного критерия подобия) — возможность проведения испытаний во время штатных режимов функционирования электронного оборудования при сохранении качества электроэнергии питающей сети.

В качестве наиболее приемлемого принципа имитации деструктивного воздействия СЭМИ на электронную аппаратуру через кабельные линии исследован и использован принцип «интегрального импульса», основанный на эквивалентной по результату замене реального СЭМИ последовательностью из «п» менее мощных подобных (по критериям подобия) индукционных ЭМИ с энергией каждого, превышающей критический уровень начального необратимого разрушения микроструктур исследуемых электронных объектов.

Основные схемотехнические и конструкторские решения защищены патентами РФ. Акт о внедрении результатов работы в НИР и в учебном процессе приведен в приложении.

Работа явилась основой инициативного проекта: «Исследование новых принципов и средств обеспечения электромагнитной совместимости сверхмощных источников импульсного питания» 2008;2009 годов, одобренного и финансируемого Российским фондом фундаментальных исследований. Отчеты по проекту РФФИ 08−08−12 245 ОФИ за 2008;2009гг. МАИ, научный руководитель Резников С. Б. Регистрация в системе «Грант-Экспресс» 2008 и 2009гг.

К конкретным результатам разработок и исследований можно отнести следующие:

1. Анализ источников генерации и деструктивных воздействий СЭМИ, обоснование исследованного принципа их имитации (принципа «интегрального импульса») и критериев оценки эффективности имитатора позволяют в дополнение к указанному принципу сформулировать следующие технические предложения для разработки имитатора:

1.1 В качестве наиболее опасных для электронной аппаратуры СЭМИ, рекомендуемых для имитации целесообразно выбрать следующие два условно-типовых: ЭМИ молнии: Еш=40 кВ/мН,&bdquo-=160 А/м- 1фр=0,2−2мкс, tH=50MKc, N=4;

— ЭМИ ЯВ: Ет=500 кВ/мНт=8 кА/м- 1фр-5−50ис, 1и=0,6мкс;

1.2 В качестве обоснованных базисных критериев подобия при имитации выбраны следующие три масштабных коэффициента: р=т — пространственно-временной- - электомагнитный и пэнергетический.

2. В соответствии с выбранной и обоснованной конструктивной схемой переносного имитатора (на базе параллельных формирующих обмоток, потенциальных электродов, разборно-составной экранированной камеры, а также генераторов импульсных тока и напряжения) разработаны их основные узлы: электромагнитно-индукционная камера с новым типом комбинированного концентратора полей, обладающий большим индукционным эффектомдва типа совмещенных генераторов импульсного тока и напряжения, позволяющих использовать общий емкостный накопитель с цепью питания, обеспечив при этом раздельное регулирование выходных параметров и высокие пиковые значения импульсов в широком спектральном диапазоне (мс, мкс, не) — несколько типов рациональных по структуре высокоэффективных вторичных источников импульсного питания (ВИИП), обеспечивающих сохранение качества электроэнергии первичной сети при удовлетворительных массо-энергетических характеристикахиндукционные датчики ЭМИ с нетрадиционными трехкоординатными концентраторами полей, позволяющие с достаточной для исследовательской практики точностью измерять временные и пространственные параметры векторов импульсных составляющих поля в камере имитатора. Нетрадиционной особенностью датчиков является дуальное измерение электрической составляющей с1Ё! Л: на базе измерения производной поверхностной плотности заряда (в соответствии с законом Гаусса) и магнитного потока, образуемого током смещения (в соответствии с уравнением Максвелла и законом полного тока).

3. Проведенное математическое расчетно-модельное исследование основных узлов имитатора позволило разработать следующие методики расчета их характеристик и основных параметров:

3.1 Методики расчета и моделирования процессов преобразования индукционных ЭМИ в кондуктивные импульсные возмущения, основанные на решении телеграфных уравнений в частных производных и введении фиктивных эквивалентных источников тока и напряжения, а также на упрощении телеграфных уравнений для характерных типов кабелей, позволили разработать программу расчета токов и напряжений, наводимых микросекундными и наносекундными ЭМИ (ЯВ и «Е-бомбы») как в одиночных кабелях, так и в системах кабельных линий. Результаты расчетов обобщены, систематизированы и представлены в виде графиков (для типового кабеля РК-50−17−17). Они позволяют выявить уровни наводимых при этом кондуктивных возмущений, могущих приводить к искажению рабочих сигналов, т. е. к сбоям и отказам в работе.

3.2 Приближенная методика расчета составляющих полей ЭМИ в электромагнитно-индукционной камере с прямолинейным кабельным фрагментом, основанная на анализе передаточных функций для схем замещения уравнений Максвелла и Гаусса, представляется адекватной исследовательским и инженерным расчетам при проектировании.

3.3 Полученные соотношения для процесса распространения кондуктивных импульсных возмущений от имитатора до входных цепей электротехнического комплекса позволяют учесть влияние мест соединения двух и более линий.

3.4 Модернизированные методики расчета индукционных магнитометрических и электрометрических датчиков ЭМИ позволяют обеспечить заданные метрологические характеристики при их проектировании.

4. Проведенные экспериментальные исследования эффективности имитатора и средств защиты от ЭМИ, а также проверка справедливости основных теоретических положений проявили следующее:

4.1 Макетирование и экспериментальное исследование электромагнитно-индукционной камеры с датчиками параметров ЭМИ (предварительно настроенными по эталонным тестам) подтвердили удовлетворительную для исследовательской практики точность предложенных приближенных методик расчетов (с погрешностью, не превышающей 10%).

4.2 Экспериментальное исследование влияния параметров элементов коаксиальной линии межблоковой связи на прохождение кондуктивных импульсов напряжения выявило: степень затухания импульсов для кабелей типа ИКМ и РК50−2-11 с учетом разъемов и вакуум ноп л отн о го соединениявлияние параметров элементов на длительности фронтов и спадов импульсоввозможность реализации линии с удовлетворительным прохождением информационных импульсов с помощью входных магистральных усилителей ТТЛ.