Моделирование электромагнитных импульсов (EMP)

Аватар пользователя Денисов Дмитрий
0 237

На сегодняшний день все больше становится актуальным вопрос разработки защиты от воздействия электромагнитных импульсов, которое может привести к необратимым повреждениям в инфраструктурном электрооборудовании на обширных территориях, например в целых городах. Такие повреждения могут быть устранены лишь полной заменой выведенного из строя оборудования. В итоге, воздействие ЭМИ может стать серьезной угрозой национальной безопасности и экономической деятельности. Кроме того, от воздействия электромагнитных импульсов пострадают и обычные пользователи бытовых приборов.
Комплекс средств моделирования явлений связанных с ЭМИ ANSYS HFSS - наиболее безопасный и эффективный способ изучения данного явления, который может помочь определиться с мерами по предупреждению риска разрушения дорогостоящего оборудования.

Моделирование распространения EMP в городских условиях, выполненное с использованием ANSYS HFSS


Описанный программный комплекс позволяет ускорить и упростить разработку технологий, оборудования и протоколов, которые смогут предсказывать и автоматически реагировать на возрастающую вероятность возникновения ЭМИ, а также  координировать восстановительные работы по устранению последствий такого происшествия.

Влияние EMP на электронику

ЭМИ-эффекты похожи на удар молнии, но их влияние на электронные подсистемы может оказаться гораздо обширнее:

Моделирование, демонстрирующее влияние ЭМИ на линии электропередач.

ЭМИ могут возникать естественным образом во время всплесков солнечной активности. Одно из наиболее известных происшествий случилось в 1989 году в Квебеке, Канада. Тогда солнечная буря разрушила энергосистему гидроэлектростанций Квебека. Солнечная активность также послужила причиной события 1859 года в Каррингтоне, в результате которого выгорели телеграфные линии.
Причиной возникновения ЭМИ также может служить атмосферный ядерный взрыв. Например, во время  атмосферных ядерных испытаний США в 1962 году взрыв на высоте 400 км (250 миль) привел к непредвиденному результату на расстоянии более 1400 км (870 миль). Взрыв породил электромагнитный импульс, повредивший систему уличного освещения на Гавайях, счетчики электроэнергии, телекоммуникационное оборудование и прочие электроприборы на островах. Влияние ЭМИ сказывалось даже на работе спутников.

Необходимо ли учитывать явление электромагнитных импульсов при разработке электронных устройств?

Понять, являются ли электромагнитные импульсы проблемой для разработчиков электроники, проще всего если определить шансы их возникновения.
 

Моделирование показывает, воздействие ЭМИ на самолет.

 

Вероятность возникновения естественных ЭМИ довольна высока. По оценкам НАСА, вероятность попадания электромагнитного импульса по Земле, составляет от 10 до 12 процентов на десятилетие. Таким образом, проблема не в том, что мы не знаем произойдет ли удар ЭМИ, а в том, что мы не знаем когда он произойдет. Следовательно, ЭМИ-эффекты необходимо учитывать при разработке электроники, особенно в таких важных системах и устройствах, которым доверена жизнь людей. 
По словам Марка Равеншталь, технического директора по стратегическому партнерству и бизнесу в ANSYS, «США должны вплотную заняться изучением воздействия ЭМИ на национальные сети энергоснабжения. Необходимо провести дополнительные эксперименты, и HFSS может существенно облегчить проведение таких исследований. HFSS позволяет инженерам совершенствовать методы проектирования средств защиты от воздействия ЭМИ."
 

Моделирование ЭМИ может использоваться инженерами для разработки средств защиты электроники

Возможны два варианта решения проблем, связанных с воздействием ЭМИ. Первый - экранирование, второй - использование устройств защиты от перенапряжения, рассчитанных на попадание молнии, например варисторы на основе оксидов металлов.

 

Сравнение индуцированного тока, вызванного ударной нагрузкой на самолет с экранированием и без него.  Максимальное напряжение, испытываемое оборудованием самолета, было снижено на 34 процента.

Сравнение тока индукции, наводимого ударной нагрузкой на самолет с экранированием и без него. Максимальное напряжение, испытываемое оборудованием самолета, было снижено на 34 процента.

Экранирование - это эффективный способ защиты, однако сложный и дорогостоящий. Нужно должны убедиться, что экранирование является частотно-избирательным, не препятствующее распространению сигналов технологий беспроводной связи. Второй же метод заключается в направлении сигнала ЭМИ в обход электрических компонентов. Этот способ аналогичен тому, как громоотвод перенаправляет заряд молнии в землю. Можно установить устройства защиты от перенапряжения на обоих концах проводника, и когда происходит кратковременный всплеск мощности электромагнитных помех, что и происходит при ЭМИ, устройства защиты от перенапряжения заземляют нежелательный сигнал. Тогда устройство, скорее всего, потеряет информацию хранящуюся в энергозависимой памяти, и может потребоваться перезагрузка из-за программных ошибок, но повреждения полученные прибором не будут носить неустранимый харатер.

Необходимость моделирования EMP

 

Рендеринг симуляции, показывающей, как ЭМИ влияет на высоковольтные опоры.

Рендеринг симуляции, показывающей, как ЭМИ влияет на линии электропередач.

Предложенные решения для предотвращения негативного влияния ЭМИ требуют дальнейшего исследования и проработки. Защита от перенапряжения требует превосходного заземления, что неприменимо для защиты аэрокосмических аппаратов. В то же время, экранирование требует применения уникальных материалов и сложных конструкций, реализация которых на практике, вероятно окажется дорогостоящей. Однако, применение HFSS для тестирования этих решений, позволить сэкономить средства на разработку систем защиты. HFSS позмолит найти сотни возможных решений, отличных от вышеописанных решений, которые могут оказаться более рентабельными. HFSS - это быстрый, точный и доступный инструмент для поиска и тестирования таких решений.


Моделирование ЭМИ в HFSS позволяет просчитать влияние электромагнитного поля и шума на приборы. Другим способом тестирования средств защиты являются физические испытания с использованием электромагнитных импульсов для разрушения дорогостоящее оборудование. Используя моделирование ЭМИ, инженеры получают возможность тестировать надежность средств защиты, не разрушая прототипы. При этом они могут быстро усовершенствовать прототип, пока результаты испытаний не окажутся удовлетворительными. Дополнительную информацию, например о визуализации электромагнитных полей и векторов тока, легко получить с помощью HFSS.
 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии