Во многих специализированных журналах совершенно справедливо уделяется большое внимание электромагнитному оружию (ЭМО) и электромагнитным боеприпасам (ЭМБП), вопросам радиоэлектронной борьбы (РЭБ) как перспективным формам ведения боевых действий, а также развитию вооружений в целом. Несмотря на это, о том, как обстоят дела с отработкой стойкости и безопасности образцов вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ) к воздействию электромагнитных полей природного и техногенного происхождения, информации практически нет.
Среди множества вопросов о существующей электромагнитной совместимости предметов и объектов особое место занимает относительно молодое научное направление «электромагнитная стойкость оружия», имеющее свои специфические задачи.
С автором этого сравнительно нового направления, в недавнем прошлом заместителем научного испытательного центра, ветераном Вооруженных Сил и подразделений особого риска, кандидатом технических наук, полковником Комягиным Станиславом Ивановичем прошла встреча, в ходе которой были заданы интересующие редакцию журнала «Армейский сборник» вопросы и даны пояснения, связанные с научным термином «электромагнитная стойкость».
Активным участником и модератором беседы с интересным специалистом, ученым и испытателем стал майор запаса, инженер-испытатель, кандидат технических наук Вячеслав Николаевич Пономарев.
Думаем, что читателям «Армейского сборника» будет интересно и познавательно получить информацию из компетентного источника о направлениях в науке, обретающих практическую значимость при разработках и внедрении новых образцов вооружения и техники.
– Станислав Иванович, что является предметом изучения электромагнитной стойкости как научного направления?
На стыке XX и XXI веков мир вступил в эпоху шестого поколения войн, когда электромагнитное и высокоточное оружие позволяет достичь победы путем вывода из строя сил и средств противника без их физического уничтожения. Вместе с тем вследствие насыщения микроэлектроникой образцов вооружения, военной и специальной техники их работа может быть нарушена из-за воздействия электромагнитных факторов природного и техногенного происхождения. Эти обстоятельства и обусловили появление нового научного направления «электромагнитная стойкость».
– В начале нашей беседы я хотел бы подчеркнуть, что понятие электромагнитной стойкости применимо только для беспилотных летательных аппаратов (БЛА), которые являются оружием однократного применения. Отметим, что термин «беспилотные летательные аппараты» включает все виды ракетного оружия, а также бомбы и торпеды.
Во-вторых, сущность электромагнитной стойкости лучше раскрыть исходя из эффективности применения оружия, а эффективность не что иное, как соотношение между полученным результатом (Р) и ценой его достижения (Ц).
Это выражается формулой Э = Р / Ц
В экономике эффективность подразумевает количество и качество товара, деленное на затраты на его создание.
В военном деле – это нанесенный противнику ущерб, деленный на собственные затраты и потери.
Необходимое и главное условие достижения максимальной эффективности сложной технической системы – это обеспечение ее живучести Э = F (Ж)
Живучесть – способность системы противостоять внешним негативным воздействиям и сохранять или восстанавливать работоспособность при наличии отказов и повреждений.
Ж = F (надежность, стойкость, безопасность).
Если рассматривать аргументы этой зависимости, то можно констатировать, что надежность – это свойство технической системы (ТС) выполнять заданные функции в течение требуемого интервала времени при определенных условиях эксплуатации. Для БЛА как неремонтируемой ТС однократного применения требуемым интервалом времени является время от момента изготовления (t = 0) до применения (tПР). При расчетах и испытаниях это время принимают равным ТСЛ – гарантийному сроку службы. Надо сказать, что в то время требования по стойкости к воздействию поражающих факторов (и тем более к мощным электромагнитным воздействиям) еще не выдвигались. Поэтому «определенные условия эксплуатации» ТС включали и по настоящее время включают в себя следующие три группы дестабилизирующих факторов: климатические, температурные и механические, присущие нормальной эксплуатации. Фундаментальным и главнейшим показателем надежности ТС является его безотказность, определяемая функцией надежности:
РН = Р{ТН ³ ТСЛ },
то есть вероятность того, что время наработки до отказа ТН, являющееся случайной величиной, будет больше гарантийного срока.
Нередко этот показатель называют траекторной или полной надежностью как «вероятность безотказной работы при использовании по назначению с учетом эксплуатации». Применительно к БЛА понятия «надежность» и «безотказность» являются практически синонимами. Иначе говоря, с точки зрения надежности БЛА с определенной вероятностью могут находиться только в двух состояниях: работоспособном или неисправном. Отмечу, что ни у кого не вызывало и не вызывает сомнений, что показатели надежности должны иметь количественные значения, а математической основой расчета надежности, планирования испытаний и оценки их результатов – теория вероятностей и математическая статистика.
Что такое стойкость? Интенсивные исследования по стойкости ТС к электромагнитным воздействиям (ЭМВ) начались у нас, к сожалению, лишь с 1970 года. Основные усилия и финансовые затраты при этом были направлены на создание имитаторов электромагнитного импульса ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ). Что же касается методологии экспериментальной оценки стойкости к воздействию ЭМИ ЯВ, то успехи здесь до настоящего времени достигнуты небольшие.
Стойкость – это свойство ТС выполнять свои функции и сохранять заданные параметры в пределах норм во время и после действия внешнего воздействующего фактора.
В состав ЭМВ, на который распространяется понятие электромагнитной стойкости, входят следующие их группы и виды:
– ЭМВ естественного происхождения – электростатические и грозовые разряды;
– ЭМВ искусственного происхождения, которые целесообразно разделить на две большие группы.
Первая группа: боевые воздействия (воздействия средств поражения), реализующиеся только в боевой обстановке.
Вторая группа: эксплуатационные воздействия (ЭМВ техногенного происхождения), возникающие в результате работы своего электро- и радиооборудования: магнитные поля станций безобмоточного размагничивания кораблей (МП СБР), электромагнитные поля линий электропередачи (ВЛЭП), контактной сети железных дорог (КСЖД), радиопередающих и радиолокационных средств (РПС, РЛС), а также электромагнитные поля авиационных и корабельных носителей оружия.
В данной классификации объединяются мощные электромагнитные помехи и электромагнитные воздействия средств поражения, которые до настоящего времени рассматривались отдельно. Но такое объединение, по мнению специалистов, занимающихся этой проблемой, оправдано единством физической природы рассматриваемых ЭМВ, что обеспечивает единство методологии электромагнитной стойкости и открывает стратегическую возможность оптимизации не только системы испытаний, но и всей системы создания оружия, включающей: формирование требований, теоретические исследования, расчеты, содержание и порядок отработки, построение экспериментальной базы, методы и средства имитации ЭМИ, метрологическое обеспечение испытаний и так далее.
Надо заметить, что к многочисленным факторам, влияющим на сохранение работоспособности БЛА, помимо факторов, влияющих на уровень его надежности, добавляются еще и электромагнитные воздействия, значения параметров которых в свою очередь имеют существенный разброс. Определенный разброс имеют также значения параметров элементов и узлов, определяющие уровень стойкости БЛА, – это первое.
И второе – формулировка и, соответственно, содержание понятия «стойкость», так же как и понятия «надежность», предполагают только два состояния ТС: работоспособное или неисправное. Для БЛА это деление является особенно четким и жестким. Иначе говоря, само определение термина «стойкость» для ТС, отвечающих этому требованию, не допускает никаких их отказов. Это особенно важно для бЛА, так как его отказ может привести не только к срыву выполнения боевой задачи, но и к поражению своих объектов и людей. Отсюда очень важный вывод: содержание термина «стойкость» применительно к БЛА включает в себя безотказность при применении и безопасность его эксплуатации в заданных условиях. И по терминологии, и по содержанию работ стойкость ТС – это, по существу, его надежность в условиях дополнительных внешних воздействий.
К этому выводу можно придти и логически. Количественные показатели стойкости часто определяются по результатам испытаний на повышенных и предельных режимах нагружения. Однако проводить такие испытания можно только тогда, когда есть уверенность, что ТС (чаще всего это ее узлы) данного типа обладает требуемой надежностью. В противном случае можно получить ложную информацию о стойкости. Это является одним из важнейших принципов взаимной увязки программ по обеспечению надежности и стойкости, а также построения структуры отработки ТС.
– Станислав Иванович, может ли быть стойкой ТС, не отвечающая требованиям по надежности?
– Нет.
– А может ли быть ТС надежной, но не стойкой?
– Да, может. Как видите, обеспечение надежности является необходимым, хотя и недостаточным условием обеспечения стойкости. Замечу, ваши вопросы ещё раз подтвердили, что электромагнитная стойкость БЛА – это его надёжность в условиях внешних ЭМВ.
Стойкость к ЭМВ характеризуется:
– амплитудно-временными или энергетическими параметрами ЭМВ;
– вероятностями сохранения работоспособности ТС и отсутствия преждевременного (несанкционированного) срабатывания ее опасных цепей во время и после электромагнитного воздействия с этими параметрами.
– А что такое электромагнитная безопасность?
– Вопросы безопасности эксплуатации БЛА в условиях различных электромагнитных воздействий возникли практически одновременно с проблемой стойкости к ЭМИ ЯВ. Содержание этого требования простое, но жесткое: исключение срабатывания опасных цепей БЛА как в условиях автономной эксплуатации, так и в составе авиационных и корабельных носителей.
К сожалению, решение этих вопросов осуществлялось отдельно и независимо от проблемы стойкости к ЭМИ, что стало большим подводным камнем в проблеме электромагнитной стойкости БЛА, включая терминологию.
Целенаправленные исследования по методическому и техническому решению этих вопросов практически не проводились. От разработчиков оружия требовали и требуют лишь одного: до поставки БЛА в войска и (или) на корабли провести испытания на воздействие «эксплуатационных электромагнитных полей», то есть на электромагнитные воздействия природного и техногенного происхождения.
– А что включает в себя электромагнитная стойкость, каково ее содержание?
– Электромагнитная стойкость оружия включает в себя понятия его работоспособности (безотказности) и безопасности.
Работоспособность – способность оружия выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах заданных норм.
Безопасность – свойство оружия, заключающееся в отсутствии его преждевременного (несанкционированного) срабатывания, при котором может произойти поражение своих объектов и людей.
Любое ЭМВ является для оружия своего рода нагрузкой. Реакция оружия на эту нагрузку заключается в возникновении в его цепях токов и напряжений, которые могут приводить к нарушению работоспособности и (или) преждевременному срабатыванию. Поэтому каждое ЭМВ называется также действующей первичной нагрузкой. Токи и напряжения, наводимые в цепях оружия под воздействием ЭМВ, называются действующей вторичной нагрузкой.
Вторичная действующая нагрузка (Х) является реакцией (откликом) оружия на внешнее воздействие. В этом смысле реакция оружия является детерминированной величиной. Но в силу того что значения параметров внешнего воздействия носят случайный характер, то и значения Х будут иметь случайный характер. Это при натурном воздействии.
При испытаниях, то есть при воздействии с фиксированными параметрами, для данного конкретного образца Х – это строго детерминированная величина. Но вследствие неизбежной нестабильности технологического процесса изготовления и сборки оружия значение комплексного коэффициента передачи будет меняться от образца к образцу. Эти изменения порождаются многочисленными причинами случайного характера и поэтому в силу центральной предельной теоремы А.Н. Ляпунова распределены по нормальному закону (теорема Ляпунова — теорема в теории вероятностей). Таким образом, при оценке и подтверждении электромагнитной стойкости оружия в общем случае Х можно рассматривать как детерминированную внешним воздействием случайную величину, распределенную по нормальному закону.
Под уровнем вторичной нагрузки в наиболее общем виде понимается значение ее энергии в соответствующем спектре частот (диапазоне временных параметров). В частном случае (при фиксированных временных параметрах) это может быть амплитуда наведенного тока или напряжения.
Уровень действующей нагрузки, вызывающей отказ оружия (нарушение работоспособности или срабатывание опасной цепи), называется критической нагрузкой (Y).
Параметры критической нагрузки определяются свойством оружия (его узла, устройства или элемента) и имеют вполне определенное значение для конкретного образца, но в генеральной совокупности изменяются от образца к образцу. При этом в отличие от Х они не зависят от внешнего воздействия и определяются только конструкцией и технологическим процессом изготовления оружия. Поэтому распределение ее параметров подчиняется, как правило, нормальному закону.
Зависимость параметров критической нагрузки только от конструкции и технологического процесса изготовления оружия делает их важнейшими показателями электромагнитной стойкости.
– Станислав Иванович, чем отличаются испытания на электромагнитную стойкость от традиционных испытаний оружия?
– Спасибо! Это хороший вопрос.
Испытания на электромагнитную стойкость включают в себя не только получение информации о работоспособности оружия во всех условиях его боевого применения, но и созданием условий внешних воздействий, адекватных натурным.
Электромагнитные испытания проводятся:
а) методами моделирования, то есть методами воспроизведения (имитации) ЭМВ на испытуемый объект;
б) методами оценки и подтверждения показателей стойкости.
При моделировании ЭМВ особое внимание должно быть обращено на обеспечение адекватности испытаний натурному воздействию.
В общем плане это достигается:
– соответствующей комплектацией испытуемого образца;
– определенным соотношением размеров испытательного объема и БЛА;
– имитацией функционального состояния БЛА и его электрических связей с землей и (или) носителем, соответствующих реальным условиям;
– ориентацией испытуемого объекта по отношению к составляющим ЭМП, обеспечивающим полноту имитации натурного воздействия;
– исключением влияния измерительных цепей, цепей управления и контроля оружия на параметры и условия режима нагружения.
Допустимые соотношения размеров испытательного объема и испытуемого образца зависят от вида ЭМВ (его спектральных характеристик), схемно-конструктивных особенностей моделирующей установки и должны указываться в ее технической документации.
Методы оценки и подтверждения показателей стойкости по результатам испытаний ограниченного числа (одного, максимум трех) образцов должны с достоверностью γ позволить утверждать, что фактический уровень стойкости (Рст) данного типа (его генеральной совокупности) при ЭМВ с заданными параметрами не менее требуемого значения (Рст). Это ключевая задача отработки оружия! Поэтому разработаны и применяются следующие методы испытаний:
- Метод испытаний на повышенных режимах нагружения разработан приблизительно 30 лет назад применительно к ЭМИ ЯВ и до настоящего времени является основным и практически единственным методом проверки электромагнитной стойкости оружия ВМФ и ВВС.
- Метод сравнительного анализа – очень информативный, простой по требованиям к испытательным установкам, но весьма жесткий по требованиям к объему априорной информации и измерений при испытаниях.
Статистический разброс параметров действующих и критических нагрузок обуславливает необходимость использования вероятностных показателей электромагнитной стойкости.
Обобщенным количественным показателем стойкости является вероятность Рст того, что оружие данного типа (в генеральной совокупности) будет способно выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах, установленных тактико-техническим заданием (ТТЗ), во время и после ЭМВ с заданными параметрами:
Рст = Рр х Рос,
где Рр – вероятность сохранения работоспособности;
Рос – вероятность отсутствия преждевременного срабатывания оружия (его опасных цепей).
Функциональная связь обобщенных показателей стойкости с параметрами ЭМВ, наводимых токов и напряжений, а также необходимость их физико-статистического оценивания обуславливают необходимость использования частных показателей стойкости.
Надо сказать, что стойкость имеет свои критерии, которые характеризуются соотношением величин и (или) условиями, которые по результатам испытаний позволяют с определенной степенью достоверности утверждать, что вероятность сохранения работоспособности (или несрабатывания опасных цепей) оружия данного типа при электромагнитном воздействии будет не менее заданного значения.
Эти методы испытаний успешно применялись (фото 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, см. Приложение 1) на экспериментально-испытательной базе Научного испытательного центра Центрального полигона Российской Федерации.
– Станислав Иванович, в чем ключевые отличия электромагнитной стойкости, электромагнитной совместимости и радиоэлектронной защиты?
– Что касается отличий электромагнитной совместимости (ЭМС) и электромагнитной стойкости, я подробно описал их в статье «ЭМС и проблема электромагнитной стойкости», которая опубликована в моём сборнике «Электромагнитная стойкость беспилотных летательных аппаратов». Коротко остановлюсь на главном. У ЭМС и электромагнитной стойкости различные показатели и критерии оценки. Сравнение этих проблем можно посмотреть в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Таблица 2
Что касается электромагнитной стойкости и радиоэлектронной защиты, то здесь неопределенностей больше. Дело в том, что их задачи частично «перекрываются». Генерал-лейтенант, доктор военных наук Александр Игнатьевич Палий в своей классической работе «Радиоэлектронная борьба» писал, что под действием помех радиоэлектронные средства (РЭС) и системы перестают быть источником информации, несмотря на их полную исправность. В проблеме электромагнитной стойкости это недопустимо.
Исходя из существующей классификации радиоэлектронных помех, электромагнитная стойкость может рассматривать мощные активные преднамеренные радиоэлектронные помехи. Защита от других видов помех, на наш взгляд, является предметом рассмотрения другого научного направления – помехоустойчивости РЭС. В нем хорошо разработаны показатели помехоустойчивости, критерии их оценки и способы повышения помехоустойчивости РЭС.
Вместе с тем в настоящее время появился один из видов нового оружия – электромагнитное оружие (ЭМО). Его основным поражающим фактором является мощный импульсный поток радиочастотного электромагнитного излучения (РЧЭМИ). Источники формирования которого можно разделить на два класса.
К первому следует отнести источники направленного излучения (ИНИ) – традиционные приборы вакуумной электроники (магнетроны, виркаторы).
Ко второму классу излучателей относят прямые преобразователи энергии обычного взрывчатого вещества (ВВ) в электромагнитную.
Общность поражаемых объектов (РЭС) и функциональный характер их поражения (подавления) связывает электромагнитное оружие с радиоэлектронной борьбой (РЭБ). Радиоэлектронное поражение, наносимое воздействием ЭМО, рассматривают одновременно как вид поражения и как составную часть РЭБ. Радиоэлектронное поражение (РЭПр) – это проводимое по единому замыслу и плану применение специальных боеприпасов и устройств, поражающим фактором которых является РЧЭМИ, с целью временного или стойкого нарушения функционирования РЭС противника. В отличие от РЭП, при котором сразу же после прекращения работы постановщика помех подавляемая РЭС восстанавливает свое нормальное функционирование, РЭПр приводит к тому, что после прекращения воздействия, РЭС временно или навсегда утратят свою боеспособность [1]. Спектр частот таких источников при методе электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования (СШП ЭМИ) может достигать сотен ГГц.
Защита от электромагнитного оружия и есть область пересечения электромагнитной стойкости и радиоэлектронной защиты. Решать эту задачу, по нашему убеждению, необходимо методами электромагнитной стойкости.
– Каковы дальнейшие направления развития проблемы электромагнитной стойкости?
– Сегодня возможность создания перспективных образцов вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ), отвечающих современным требованиям, без обеспечения их электромагнитной стойкости и проведения соответствующих испытаний исключается, так как электромагнитная стойкость оружия непосредственно определяет эффективность его боевого применения.
Новые государственные нормативные документы требуют обеспечение стойкости к примерно 30 видам электромагнитных воздействий и определения количественных значений показателей стойкости, задаваемых в вероятностно-параметрической форме. Это очень большой по объему и затратный по финансам этап отработки оружия. В связи с этим необходимо совершенствование электромагнитных испытаний.
На наш взгляд, дальнейшее совершенствование электромагнитных испытаний лежит в области определения импульсной характеристики δ (t) и (или) комплексного коэффициента передачи Ќ(w) испытуемых образцов. Это позволит определить наиболее опасные воздействия и осуществить оценку электромагнитной стойкости изделия по результатам испытаний на имитаторах, параметры которых отличаются от требований нормативной документации.
ЛИТЕРАТУРА:
- Прищепенко А.Б., Ахметов М.Г. Радиоэлектронное поражение в общевойсковой операции (бою) // Военная Мысль. 1995. № 2.
Приложение 1
