ESKÝ OBRANNÝ STANDARD - army.cz

ÚŘAD PRO OBRANNOU STANDARDIZACI, KATALOGIZACI A STÁTNÍ OVĚŘOVÁNÍ JAKOSTI

ČESKÝ OBRANNÝ STANDARD

Praha 2020

999935 3. vydání Změna 1

VLIV OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ NA VOJENSKOU TECHNIKU.PODMÍNKY ELEKTRICKÉHO A ELEKTROMAGNETICKÉHO PROSTŘEDÍ

ZAVÁDÍ STANAG 4370 Ed. 5

NAHRAZUJE ČOS 999935, 2. vydání

ZÁKLADNÍ POŽADAVKY NA SOUPRAVY MASKOVACÍCH POKRYVŮ S PODPĚRNÝMI KONSTRUKCEMI I BEZ NICH

ČOS 999935 3. vydání Změna 1

2

(VOLNÁ STRANA)


3

ČESKÝ OBRANNÝ STANDARD

VLIV OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ NA VOJENSKOU TECHNIKU. PODMÍNKY ELEKTRICKÉHO A ELEKTROMAGNETICKÉHO PROSTŘEDÍ

Základem pro tvorbu tohoto standardu byl následující originál dokumentu: AECTP-250 Ed. C Ver. 1 December 2014

ELECTRICAL AND ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENTAL CONDITIONS

Podmínky elektrického a elektromagnetického prostředí.

© Úřad pro obrannou standardizaci, katalogizaci a státní ověřování jakosti

Praha 2020


4

1 Předmět standardu ........................................................................................... 8

2 Nahrazení standardů (norem) .......................................................................... 8

3 Související dokumenty ..................................................................................... 8

3.1 Národní standardizační dokumenty ................................................................. 8

3.2 Standardizační dokumenty NATO, ke kterým bylo za ČR přistoupeno ........... 8

3.3 Vládní dokumenty ............................................................................................ 9

4 Zpracovatel ČOS .............................................................................................. 9

5 Použité zkratky a definice ................................................................................. 9

5.1 Zkratky ............................................................................................................. 9

5.2 Definice .......................................................................................................... 10

6 Část 251 – Všeobecné údaje ......................................................................... 15

6.1 Rozsah použití ............................................................................................... 15

6.2 Účel standardu ............................................................................................... 15

6.3 Prostředí ......................................................................................................... 15

7 Část 252 Prostředí rádiových kmitočtů (RF) ............................................... 17

7.1 Úvod ............................................................................................................... 17

7.2 Vliv na interoperabilitu v rámci NATO ............................................................ 17

7.3 Charakteristiky prostředí ................................................................................ 17

7.3.1 Zdroje ............................................................................................................. 17

7.3.2 Popis okolního prostředí RF ........................................................................... 17

7.3.3 Modely ............................................................................................................ 18

7.4 Technika kontroly stanoviště .......................................................................... 20

7.5 Odhad provozu stanoviště ............................................................................. 24

7.6 Oddělovací vzdálenosti pro vyzařování elektronických zařízení nižšího než úrovně QRSL ................................................................................................. 25

7.7 Oddělovací vzdálenosti pro vyzařování střídavého napájecího vedení nižšího než úrovně QRSL ........................................................................................... 25

7.8 Pozemní výstavba a četnost používání.......................................................... 26

7.9 Literatura k části 252 ...................................................................................... 28

8 Část 253 Elektrostatický náboj, výboj a poruchy způsobené atmosférickými srážkami (P-Static) ......................................................................................... 30

8.1 Úvod ............................................................................................................... 30

8.2 Prostředí ......................................................................................................... 30

8.2.1 Parametry elektrostatického náboje vytvářeného osobami ........................... 30


5

8.2.2 Parametry elektrostatického náboje vytvářeného vrtulníky ............................ 31

8.2.3 Výboj způsobený klimatickými srážkami (P-Static) ........................................ 32

8.2.4 Nabíjení kosmických lodí ............................................................................... 33

8.3 Literatura části 253 ......................................................................................... 34

8.3.1 Další vhodné národní/mezinárodní normy ..................................................... 34

9 Část 254 Atmosférická elektřina a blesk ..................................................... 35

9.1 Úvod ............................................................................................................... 35

9.1.1 Základní informace ......................................................................................... 35

9.1.2 Použití ............................................................................................................ 35

9.2 Atmosférická statická elektřina ....................................................................... 35

9.3 Existují tři typy blesků ..................................................................................... 37

9.4 Přírodní prostředí blesku ................................................................................ 37

9.4.1 Parametry blesku mezi mrakem a zemí ......................................................... 37

9.4.2 Blesky uvnitř mraků a mezi mraky ................................................................. 38

9.4.3 Elektrické pole ................................................................................................ 38

9.5 Zóny přitažení blesku ..................................................................................... 41

9.6 Idealizované prostředí blesku ........................................................................ 42

9.6.1 Idealizovaný průběh napětí ............................................................................ 42

9.6.2 Idealizované průběhy proudu ......................................................................... 45

9.6.3 Prostředí vzdušných, pozemních a námořních platforem .............................. 57

9.6.4 Podrobný popis prostředí blízkého úderu ...................................................... 58

9.7 Zkoušky vnitřního prostředí a průběhy pro zkoušky citlivosti zařízení ........... 59

9.7.1 Původ a tvar indukovaných průběhů .............................................................. 59

9.7.2 Použití průběhů .............................................................................................. 60

9.7.3 Pozemní a námořní zařízení .......................................................................... 60

9.7.4 Úrovně a kmitočty průběhu DS pro použití v externím leteckém prostředí .... 61

9.7.5 Zkušební průběh a úrovně násobné skupiny impulzů (MB) a násobných rázů (MS) ............................................................................................................... 62

9.7.6 Zkušební průběhy pro nepřímo indukované napětí a zkoušky přerušené izolace ............................................................................................................ 62


10 Část 255 Stejnosměrná (DC) a nízkofrekvenční (LF) magnetická pole ...... 67

10.1 Cíl ................................................................................................................... 67

10.2 Použitelnost .................................................................................................... 67

10.3 DC a LF magnetická pole ............................................................................... 67


6

10.3.1 Úvod ............................................................................................................... 67

10.3.2 Stejnosměrná (DC) magnetická pole na palubách plavidel ........................... 67

10.3.3 LF magnetická pole ........................................................................................ 68

10.3.4 Prostředí ......................................................................................................... 69

11 Část 256 Jaderný elektromagnetický impulz ............................................... 71

11.1 Úvod ............................................................................................................... 71

11.2 Použití ............................................................................................................ 71

11.3 Prostředí ......................................................................................................... 71

11.3.1 Původ EMP .................................................................................................... 71

11.3.2 HEMP ............................................................................................................. 72

11.3.3 SREMP .......................................................................................................... 72

11.3.4 SGEMP .......................................................................................................... 73

11.3.5 Charakteristiky EMP ....................................................................................... 73

11.3.6 Předpoklady zkoušky ..................................................................................... 78


12 Část 257 Výkonové mikrovlny (HPM) ......................................................... 81

12.1 Úvod ............................................................................................................... 81

12.2 Prostředí ......................................................................................................... 81

12.2.1 Typy HPM zdrojů ............................................................................................ 82

12.2.2 HPM průběhy ................................................................................................. 83

12.2.3 Úrovně HPM ................................................................................................... 85


13 Část 258 Elektromagnetické prostředí RF .................................................. 86

13.1 Úvod ............................................................................................................... 86

13.2 Charakteristiky prostředí ................................................................................ 86

13.2.1 Zdroje ............................................................................................................. 86

13.2.2 Charakteristiky elektromagnetického prostředí .............................................. 87

13.2.3 Metody výpočtu .............................................................................................. 87

13.3 NATO EME .................................................................................................... 87

13.3.1 Úvod ............................................................................................................... 87

13.3.2 Předpoklady ................................................................................................... 88

13.3.3 Tabulky EME NATO ....................................................................................... 89


14 Část 259 Kvalita elektrického napájení a elektromagnetické prostředí uvnitř systému ........................................................................................................ 112


7

14.1 Úvod ............................................................................................................. 112

14.1.1 Rozdíl mezi kvalitou elektrického napájení a EMI/EMC ............................... 112

14.1.2 Vliv na spolupráci v rámci NATO ................................................................. 112

14.1.3 Vliv na operace ............................................................................................ 112

14.2 Charakteristiky prostředí .............................................................................. 113

14.2.1 Popis prostředí ............................................................................................. 113

14.2.2 Interference v symetrickém a nesymetrickém režimu .................................. 113

14.2.3 Harmonické spektrum .................................................................................. 113

14.2.4 Tlumené sinusovky ...................................................................................... 113

14.2.5 Proudy tekoucí konstrukcí (trupem) ............................................................. 114

14.2.6 Pravděpodobnost výskytu ............................................................................ 114

14.2.7 Nepříznivé vlivy ............................................................................................ 114

14.3 Normy pro kvalitu napájení .......................................................................... 114

14.3.1 Úvod ............................................................................................................. 114

14.3.2 Provozní a zkušební prostředí ..................................................................... 115

14.4 Výběr zkoušek .............................................................................................. 115

14.5 Literatura k části 259 .................................................................................... 116

14.6 Ostatní příslušné národní/mezinárodní normy ............................................. 116


8

1 Předmět standardu

ČOS 999935, 3. vydání zavádí do prostředí ČR AECTP-200 Ed. 4 a AECTP-250, Ed. C Ver. 1 (STANAG 4370 Ed. 5). Ke STANAG 4370 Ed. 5 se ČR rozhodla přistoupit a zavést s výhradou. Výhrada se týká zákazu používání, vývoje, výroby, skladování a převodu kazetové munice v souladu se zákonem č. 213/2011 Sb. Tato výhrada se nepromítne v textu tohoto ČOS. ČOS 999935, 3. vydání neřeší vliv elektrického a elektromagnetického prostředí na kazetovou munici. ČOS 999935, 3. vydání popisuje charakteristiky a zdroje podmínek elektrického a elektromagnetického prostředí, které mají vliv na konstrukci a funkci vojenské techniky.

Jednotlivé části poskytují odpovídající údaje o elektrických a elektromagnetických podmínkách pro položky vojenské techniky, které, pokud se použijí ve spojení s ČOS 051627, vytvoří vyčerpávající a cenově optimální soubor definicí elektrického/elektromagnetického prostředí a zkoušek ve shodě s požadavky projektu.

2 Nahrazení standardů (norem)

ČOS 999935, 3. vydání, nahrazuje normu ČOS 999935, 2. vydání z roku 2011.

ČOS 999935, 3. vydání vychází z AECTP-250, Ed. C Verze 1 z prosince 2014. Tato norma je plně slučitelná s ČOS 051627 „Zkoušky vojenské techniky v elektrickém a elektromagnetickém prostředí“. S ohledem na návaznost na příslušné standardizační dohody NATO, především na STANAG 4370/AECTP-200 „Environmental conditions“ (Vliv okolního prostředí na vojenskou techniku), Ed. 5/Ed. 4, je v maximální možné míře zachována i nadnárodní (převážně z angličtiny převzatá) terminologie všeobecně používaná v NATO a jejích závazných materiálech. Konkrétně se jedná např. o termíny interference, emise, platforma, susceptibilita a další, které mají často používané české ekvivalenty vzájemné působení (rušení), vyzařování, nosič/instalace, náchylnost a další. Tyto české termíny však v řadě případů nemají plně ekvivalentní význam (viz např. emise a vyzařování), čímž může, při snaze o použití výlučně české terminologie, dojít překladem dokonce ke změně významu určitých pasáží originálu.

V dokumentu je zachováno, pokud je to možné, členění kapitol a odstavců, které odpovídá členění v originálním dokumentu. Číslování kapitol a odstavců odpovídá požadavkům pro tvorbu ČOS. V každé části jsou uvedeny odkazy na použitou literaturu. Jedná se většinou o nedostupné publikace a odkazy mají pouze informativní charakter pro případné další studium.

3 Související dokumenty

3.1 Národní standardizační dokumenty

ČOS 051627 Zkoušky vojenské techniky v elektrickém a elektromagnetickém prostředí

ČSN EN ISO 10012 (01 0360)

Systémy managementu měření – Požadavky na procesy měření a měřicí vybavení

3.2 Standardizační dokumenty NATO, ke kterým bylo za ČR přistoupeno

AECTP-500 ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENTAL EFFECTS TEST AND VERIFICATION Zkoušky a ověření účinků elektromagnetického prostředí


9

AECTP-200 ENVIRONMENTAL CONDITIONS Vliv okolního prostředí na vojenskou techniku

3.3 Vládní dokumenty Nařízení vlády č. 291/2015 Sb. o ochraně zdraví před neionizujícím zářením

4 Zpracovatel ČOS

Vojenský technický ústav, s.p., odštěpný závod VTÚPV, Ing. Jiří Hanousek

5 Použité zkratky a definice

5.1 Zkratky

Zkratka Název v originálu Český název

AC Alternating Current Střídavý proud

AM Amplitude Modulation Amplitudová modulace

CAT Category Kategorie

CFC Chlorfluorcarbon Kompozitní materiál

CRT Cathode Ray Tube Obrazovka s katodovou trubicí

CTL Computed Transient Level Vypočtená přechodová úroveň

CW Continuous Wave Průběžný signál

DC Direct Current Stejnosměrný proud

ČOS Český obranný standard

EM Electromagnetic Elektromagnetický

E3 Electromagnetic environmental effects Vlivy elektromagnetického prostředí

EMC Electromagnetic Compatibility Elektromagnetická kompatibilita

EME Electromagnetic Environment Elektromagnetické prostředí

EMI Electromagnetic Interference Elektromagnetická interference

EMP Electromagnetic Pulse Elektromagnetický impulz

EMV Electromagnetic Vulnerability Elektromagnetická zranitelnost

ESD Electrostatic Discharge Elektrostatický výboj

EUT Equipment Under Test Zkoušené zařízení

FM Frequency Modulation Kmitočtová modulace

HEMP High Altitude Electromagnetic Pulse Elektromagnetický impulz ve velké výšce

HF High Frequency Vysoký kmitočet

HIRF High Intensity Radiated Field Vyzařované pole s vysokou úrovní

HPEM High Power Electromagnetic Environment

Elektromagnetické prostředí s vysokou energií

HPM High Power Microwave Mikrovlny s vysokou energií

HERO Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance

Nebezpečí elektromagnetického vyzařování pro vojenské sklady

IEMI Intentional Electromagnetic Interference

Úmyslná elektromagnetická interference


10

Zkratka Název v originálu Český název

LEMP Lighting Electromagnetic Pulse Elektromagnetický impulz blesku

LP Intermediate pulse Střední impulz

LF Low Frequency Nízký kmitočet

LOS Line Of Sigh Přímá viditelnost

MB Multi Burst Násobné skupiny impulzů

MS Multi Stroke Násobné údery

NATO North Atlantic Treaty Organisation Severoatlantická aliance

NB Narrow Band Úzké pásmo

NCF Near-Field Correction Factor Korekční činitel blízkého pole

NRF Near-Field Gain Reduction Factor Redukční činitel zisku blízkého pole

NEMP Nuclear Electromagnetic Pulse Jaderný elektromagnetický impulz

PCM Pulse Coded Modulation Impulsně kódová modulace

PEL Permissible Exposure Limits Povolená doba expozice

QRSL Quiet Rural Site Line Hranice klidného venkovského

prostředí

RADHAZ Radio And Radar Radiation Hazard Nebezpečné vyzařování

RF Radio Frequency Rádiový kmitočet

SGEMP System Generated Electromagnetic

Pulse

Systém generovaného EMP

SM Static Magnetic Magneto-statický

SNR Signal- Noise Ratio Odstup signál/šum

SP Short pulse Krátký impulz

SREMP Source Region of EMP Zdrojová oblast EMP

UE3 Unified Electromagnetic

Environmental Effects

Unifikované vlivy

elektromagnetického prostředí

UWB Ultra Wide Band Ultraširoké pásmo

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Poměr napěťových stojatých vln

5.2 Definice

Český termín

Anglický ekvivalent

Definice

anténní fázové pole

Phase Array Antenna

Anténní fázové pole je skupina antén, ve kterých se relativní fáze očekávaných signálů napájejících anténu mění takovým způsobem, že efektivní vyzařovací diagram pole je v požadovaném směru zesílen a v ostatních směrech je potlačen.


11

Český termín


Definice

anténní korekční činitel

Antenna Correction Factor

Činitel, který se používá pro převod napětí na výstupu antény na intenzitu elektromagnetického pole v místě antény.

blízké pole Near Field Oblast v těsné blízkosti antény nebo vyzařující konstrukce, ve které elektrické a magnetické pole netvoří rovinnou vlnu a intenzita pole se od zdroje nesnižuje úměrně s funkcí vzdálenosti, ale mění se významně bod od bodu.

blízký úder blesku

Nearby Flash/Strike

Blízký úder je takový bleskový výboj, který nezasáhne techniku (systém) přímo, ale vlivem jeho blízkosti se mohou v systému indukovat významné proudy buď vazbou elektrickým nebo magnetickým polem, zemními proudy nebo kombinací všech tří vazeb.

HEMP HEMP Elektromagnetický impulz ve velké výšce.

HPM HPM Úzkopásmový signál se špičkovým výkonem impulzu, který ve zdroji běžně překračuje 100 MW.

LEMP LEMP Elektromagnetické vyzařování spojené s výbojem blesku.

Poznámka: Výsledkem vazby elektrického a magnetického pole s elektrickým nebo elektronickým systémem mohou být napěťové nebo proudové rázy.

magnetická úprava

Magnetic Treatment

Magnetická úprava je metoda pro změnu, snížení nebo odstranění permanentního magnetického pole lodě. Provádí se cívkami vytvořenými z elektrických kabelů dočasně umístěnými kolem lodi a nad ní, a pokud je to nutné i kolem dalších nástaveb. Do cívek se přivádí posloupnost stejnosměrných impulzů s předem určenou polaritou a velikostí.

NEMP NEMP Elektromagnetické vyzařování způsobené odraženými Comptonovými elektrony a fotoelektrony, vytrženými z materiálu jaderného zařízení nebo z jeho okolí jako důsledek jaderného výbuchu.

nepřímý úder Indirect Effects

Jev způsobený vazbou magnetickým nebo elektrickým polem blesku. Takový jev je důsledkem přímého úderu blesku nebo jeho blízkosti. Jako příklad může sloužit přechodové napětí indukované v kabeláži zařízení.


12

Český termín


Definice

odmagneto-vací cívkový systém

Degaussing Coil System

Odmagnetovací cívkový systém obsahuje řídící obvody jednoho nebo více závitů elektrického kabelu instalovaného na vybraných místech paluby lodě pro účely snížení úrovně stejnosměrného magnetického pole. Při provozu jsou tyto závity napájeny stejnosměrným proudem tak, aby produkované magnetické pole směřovalo proti magnetickému poli lodi a tím se snížila jeho úroveň. Účinek se zajišťuje změnou velikosti a polarity proudu protékajícího závity.

odmagneto-vání lodi typu Degaussing

Ship Degaussing

Technologie, která využívá metody a způsoby snížení statického magnetického (SM) pole lodě cívkami umístěnými na palubě.

odmagneto-vání lodi typu Deperming

Ship Deperming

Proces, při kterém se úplně odstraní podélný a příčný permanentní magnetizmus a jeho vertikální permanentní magnetizmus se stabilizuje na známou úroveň tím, že se platforma vystaví silným magnetickým polím střídavé polarity a snižující se úrovně.

odmagneto-vání lodi typu Flashing

Ship Flashing

Odmagnetování typu Flashing je typ magnetické úpravy používaný pro snížení permanentního magnetizmu lodí a ponorek z důvodu ochrany proti magnetické detekci plavidel a nepřátelským magnetickým minám. Odmagnetovací cívky pro flashing se umisťují v horizontální rovině nad lodí.

ozáření antény

Antenna Illumination

Rozložení amplitudy a fáze pole v účinné části anténním systému.

pracovní cyklus

Duty Cycle Poměrná část doby životnosti, během které je součást, zařízení nebo systém v provozu.

přímý úder Direct Strike Přímý úder je takový výboj blesku, který zasáhne přímo techniku (systém) a kdy celý proud blesku prochází skrz zasaženou část nebo systém.

šířka paprsku Beam Width Šířka paprsku je úhel mezi body hlavního laloku, ve kterých výkon vztažený ke špičkovému vyzařovanému

výkonu klesne na polovinu (3 dB).

Poznámka: Za normálních okolností se šířka paprsku vyjadřuje ve stupních.

účinnost antény

Antenna Efficiency

Poměr celkového vyzařovaného výkonu a celkového vstupního výkonu.

Poznámka: Celkový vyzařovaný výkon je celkový výkon snížený o výkon spotřebovaný v anténě.

UWB UWB Signál, jehož procentuální šířka pásma je vyšší než 25 %.

vazba otvorem

Flux Aperture Coupling

Proces indukce napětí nebo proudu v kabeláži nebo v systémech letadla způsobený elektrickým nebo magnetickým polem procházejícího otvorem.


13

Český termín


Definice

VSWR VSWR Poměr maximálního a minimálního napětí v napájecím kabelu antény. Tvar stojaté vlny se vytvoří impedančním nepřizpůsobením, čímž dojde k odrazu části výkonu přiváděného do antény a který není anténou vyzářen. V případě dokonalého přizpůsobení je VSWR 1:1.

výkonová hustota

Power Density

Vyzařovaný výkon, kolmý na směr šíření, vyjádřený ve wattech na čtvereční metr (W/m2) nebo miliwattech nebo mikrowattech na čtvereční centimetr (mW/cm2 nebo

W/cm2).


14

Český termín


Definice

zóny přitažení blesku

Lighting Attachment Zones

I když je akce bleskového kanálu prudká, je část blesku přitahována určitými body, které závisí na umístění na povrchu vozidla a podle kterých je možno rozdělit povrch na tři zóny podle pravděpodobnosti přitažení prvotního úderu, průniku a jeho setrvání následovně:

a. Zóna 1 – Povrchy, u kterých je vysoká pravděpodobnost přitažení prvotního úderu blesku (hlavní nebo zpětný proud úderu, vstup a výstup).

b. Zóna 2 – Povrchy u kterých je malá pravděpodobnost přitažení prvotního úderu, ale vysoká pravděpodobnost odrazu blesku (zpětný proud), který je způsoben tokem vzduchu ze zóny 1, kam byl přitažen prvotní úder blesku.

c. Zóna 3 – Všechny ostatní povrchy, které nepatří ani do zóny 1 ani 2. U takových ploch je pravděpodobnost přitažení blesku malá, ale mohou vést proud blesku mezi body přitažení umístěnými v Zóně 1 nebo 2. V některých oblastech Zóny 3 se může objevit celý výboj blesku.

Zóny 1 a 2 je možno dále rozdělit na oblasti v závislosti na pravděpodobnosti setrvání blesku po určitou časovou periodu. Tato pravděpodobnost je nižší pro oblast A a vyšší pro oblast B. Tyto zóny se definují následovně:

a. Zóna 1A – Počáteční bod přitažení s malou pravděpodobností setrvání vzestupné hrany po dobu přesahující 50 ms.

b. Zóna 1B Počáteční bod přitažení s vysokou pravděpodobností setrvání sestupné hrany po dobu přesahující 50 ms.

c. Zóna 1C – Omezená oblast povrchu leteckého a kosmického prostředku za Zónou 1A, ve které se může přitažení prvotního úderu rozdělit a může tedy vytvořit místo pro přitažení prvního zpětného úderu.

d. Zóna 2A – Rozdělený úder s malou pravděpodobností setrvání blesku v počáteční nebo střední pozici Zóny 2 po dobu přesahující 50 ms.

e. Zóna 2B – Rozdělený úder s vysokou pravděpodobností setrvání blesku jako zadní hrana v Zóně 2 po dobu přesahující 50 ms.

ztráty ve volném prostoru

Free Space Loss

Snížení intenzity elektromagnetického pole ve volném prostoru na přímou viditelnost bez překážek, které by mohly způsobit odraz nebo vychýlení pole.


15

6 Část 251 – Všeobecné údaje

6.1 Rozsah použití

Tento obranný standard je určen k vytváření zkušebních programů elektromagnetické kompatibility pro zařízení, která se budou používat v ozbrojených silách ČR.

6.2 Účel standardu

Charakteristiky a údaje obsažené v jednotlivých částech tohoto standardu jsou shodné s AECTP-250 a jsou určeny pro použití vhodným způsobem a mají za účel:

a) Dovolit dodavatelům nebo potencionálním dodavatelům identifikovat elektrické a elektromagnetické prostředí z důvodu jejich zařazení do požadovaných dokumentů a/nebo dodavatelských specifikací.

b) Umožnit dodavatelům nebo obstaravatelům vznášet odpovídající dotazy, postihující standardní prostředí, definovaná v následujících částech a jejich použití v projektech a provozních podmínkách.

c) Pomáhat projektantům při sestavování návrhu specifikace kritérií elektrického prostředí, identifikovat všechna důležitá prostředí a ilustrovat a kvantifikovat klíčové charakteristiky a parametry, které mají vliv na velikost těchto kritérií.

6.3 Prostředí Prostředí definovaná v jednotlivých částech jsou generická a jsou tedy použitelná pro široký rozsah vojenské techniky. Samozřejmě se vyskytují systémy, u kterých umístění nebo typ použití znamená, že pro ně nejsou generická prostředí vhodná a je nutno specifikovat zvláštní požadavky. Ty mohou být více nebo méně příznivé než požadavky pro generická prostředí. Pokud nejsou v příslušné části vhodné údaje pro vytvoření specifického prostředí, je nutno konzultovat s příslušným orgánem státu. Jednotlivé části tohoto dokumentu popisují následující prostředí:

a) Část 252 Prostředí rádiových kmitočtů (RF). Tato část definuje elektromagnetické prostředí, které je charakteristické pro místa příjmu rádiové komunikace v typickém venkovském prostředí a městské zástavbě.

b) Část 253 Elektrostatický náboj, výboj a poruchy způsobené atmosférickými srážkami (P-Static). Tato část popisuje jev elektrostatického náboje a nejhorší případ elektrostatických nábojů/výbojů, které se mohou vyskytovat v přítomnosti osob a u vrtulníků za letu. Dále se zde definují úrovně poruch při atmosférických srážkách (P-Static) zjištěné u letadel za letu.

c) Část 254 Atmosférická elektřina a blesk. Tato část popisuje statistické údaje o úderech blesku a úrovně klíčových parametrů, které se vyskytují v případě přírodních blesků. Odvozené prostředí pro použití zkoušek bleskem se pak definuje pomocí typických indukovaných úrovní proudů v kabelech systémových konstrukcí při úderu blesku. Dále se zde definují úrovně elektrických a magnetických polí typických pro blízký a vzdálený úder blesku.

d) Část 255 Stejnosměrná (DC) a nízkofrekvenční (LF) magnetická pole. Tato část definuje stejnosměrná magnetická pole, která se vyskytují


16

v pracovním prostředí lodí a dále nízkofrekvenční magnetická pole, která se vyskytují u všech armádních složek.

e) Část 256 Jaderný elektromagnetický impulz (NEMP/EMP). V této části se jednoduchým způsobem popisuje původ NEMPu, jeho základní charakteristiky a cesty, kterými proniká do platforem a systémů. Dále se zde charakterizuje komplexní profil NEMPu, vliv výšky výbuchu, umístění a vzdálenosti zkoušeného zařízení od místa výbuchu na úroveň signálu a tvar vlny, EMP ve velké výšce (HEMP), zdrojová oblast EMP (SREMP) a systém generování EMP (SGEMP).

f) Část 257 Rádiové kmitočty se směrovanou energií. Tato část popisuje typy prostředí s vysokou úrovní elektromagnetické energie rádiových kmitočtů se směrovým účinkem a obecné úmyslné elektromagnetické interference (IEMI) a/nebo poškození, které je způsobeno indukcí do elektronických systémů.

g) Část 258 Elektromagnetické prostředí RF. V této části se popisuje EME, které se produkuje rádiovou komunikací a radiolokátorovými systémy během operací NATO. Tabulky NATO EME jsou uvedeny pro prostředí námořní (na palubě), pozemní, vzdušné, kosmické a pro nejhorší případy.

h) Část 259 Kvalita elektrického napájení a elektromagnetické prostředí uvnitř systému. Tato část popisuje vysokofrekvenční prostředí ve vedeních, která mohou ovlivňovat vojenskou techniku prostřednictvím rušení způsobovaného AC/DC napájecími systémy instalovanými na platformách zbraňových systémů nebo v pozemních komunikačních centrech a krytech.


17

7 Část 252 Prostředí rádiových kmitočtů (RF)

7.1 Úvod

Tato část se zabývá prostředím okolního elektromagnetického rušení týkajícího se pevných elektronických komunikačních zařízení, která slouží pouze jako přijímací rádiové komunikační stanice. Externí prostředí rádiových kmitočtů (RF) stanovuje minimální použitelnou intenzitu signálu pro uspokojivý provoz.

Předmětem této části je poskytnout všeobecný popis prostředí RF pro místní typické venkovské prostředí a městské oblasti. Tento popis prostředí se pak může použít při návrhu, výstavbě, plánování a hodnocení pevných architektur rádiových komunikačních systémů pro zajištění akceptovatelných úrovní komunikačního provozu.

Podrobný popis prostředí RF počítá se specifickým geografickým umístěním kdekoliv ve světě. Jejich charakteristiky, způsob měření a použití při návrhu rádiových komunikačních systémů je možno najít v literatuře k této části (viz 7.9).

7.2 Vliv na interoperabilitu v rámci NATO

Pochopení místního okolního prostředí RF je nutnou podmínkou pro zajištění interoperability v rámci Severoatlantické aliance (NATO). Strategické a taktické operace NATO vyžadují komunikaci a sdílení dat mezi jednotlivými členskými státy a mohou vyžadovat monitorování místního nebo globálního rádiového provozu. Pro správný příjem musí přijímané signály v rámci rádiové komunikace konkurovat místnímu okolnímu prostředí RF. Pokud jsou úrovně rušivých signálů v místě příjmu příliš vysoké, může dojít k rušení příjmu a zhoršení srozumitelnosti přenosu informací.

7.3 Charakteristiky prostředí

7.3.1 Zdroje

Prostředí RF se může vytvářet místními zdroji nebo se může tvořit interferencí ze zdrojů umístěných ve velké vzdálenosti. Podílí se na něm přírodní zdroje nebo zdroje vytvořené člověkem. Jejich amplituda je závislá výhradně na podmínkách šíření RF v různých ročních obdobích, denní době a konkrétních geografických podmínkách. Mezi přírodní zdroje RF energie patří mimo jiné blesky, atmosférické poruchy, galaktické zdroje a sluneční aktivita. Všechny tyto zdroje mají náhodný charakter. Zdroje vytvořené člověkem jsou např. rádiové a televizní vysílače, komunikační služby, radiolokátory, navigační vysílače, elektrické motory a generátory, fluorescenční a neonové zářivky a výbojky, zařízení pro obloukové svařování, RF indukční zdroje tepla a mnoho dalších. Největší vliv na prostředí RF v kritickém HF pásmu z hlediska zdrojů vytvořených člověkem má vedení distribuční elektrické sítě.

7.3.2 Popis okolního prostředí RF

Elektromagnetické prostředí v blízkosti rádiových přijímacích zařízení se soustřeďuje na dva mezinárodně uznávané parametry Fa a Vd. Fa je externí systémový činitel rušení vyjádřený v decibelech, který představuje výkon získaný na výstupních svorkách přijímací antény. Pro charakterizování elektromagnetického prostředí (EME) se používá citlivost přístroje, protože nezávisí na jeho šířce pásma a modulaci. Citlivost systému se může určit ze šířky pásma systému a snížením Fa okolí vzhledem k přijímací anténě, čímž se zlepší celkový odstup signál-šum (SNR) přijímacího systému. Mediánová hodnota Fa se označuje jako Fam a slouží jako užitečný statistický odhad očekávané


18

úrovně RF rušení, se kterým je nutno v místě příjmu počítat. Parametr Vd, který se někdy označuje jako napěťová odchylka, je poměr efektivní hodnoty napětí (rms) na svorkách přijímací antény a střední hodnoty úrovně napětí, který se také někdy vyjadřuje v logaritmickém měřítku (dB).

7.3.3 Modely

Z důvodů vyhodnocení místa příjmu, musí existovat referenční nebo normalizované místo. V kmitočtovém pásmu 0,15 MHz až 32 MHz takové referenční místo existuje. Vztahuje se k očekávané interferenci zdrojů vytvořených člověkem v elektricky klidném místě, které se označuje jako hranice klidného venkovského prostředí (QRSL). Tyto hodnoty jsou typicky nejnižší hodnoty zvolené pro zajištění minimálního rušení ze zdrojů vytvořených člověkem. Nižší úrovně se zřídka nachází na místech, která jsou blíže než několik kilometrů od napájecího vedení a elektrických zařízení. Rovnice pro výpočet parametru Fa v okolí těchto vedení jako funkce kmitočtu je následující:

Fa = 28,6 log(f) + 53,6 (dBkT0)

kde

f = kmitočet v MHz,

kT0 = prahová hodnota teplotního šumu.

Rozdíl 3 dB až 4 dB mezi naměřenou efektivní hodnotou Fam (hodnota mediánu Fa) a efektivní hodnotou QRSL definuje „vhodné“ místo (tj. nejsou zde žádné zdroje rušení vytvořené člověkem a omezení vytváří pouze přírodní zdroje interference). V místech, kde jsou zdroje rušení vytvořené člověkem, je rozdíl efektivních hodnot mnohem větší (viz [1]). Experimentálně bylo zjištěno, že úroveň rušení ze zdrojů vytvořených člověkem se snižuje se zvyšujícím se kmitočtem, vlivem charakteristik vyzařovaného spektra a odpovídajících činitelů šíření (viz [2]). Protože rušení ze zdrojů vytvořených člověkem je nejvýraznější v dopoledních hodinách, má větší význam referenční hodnota QRSL získaná v časovém intervalu mezi 8:00 a 12:00 hodinou.

Použití hodnoty QRSL jako referenční, ač je žádoucí, má v typickém venkovském a městském prostředí omezenou použitelnost. Byl vyvinut předpovědní model vhodný pro kmitočtové pásmo 250 kHz až 250 MHz, který popisuje očekávané úrovně rádiového rušení pro různá prostředí [3], [4]. Tyto modely slouží jako užitečné měřítko:

Průmyslové: Fa = 27,7 log(f) + 76,8 (dBkT0)

Obytné: Fa = 27,7 log(f) + 72,5 (dBkT0)

Parky a univerzity: Fa = 27,7 log(f) + 69,3 (dBkT0)

Venkovské: Fa = 27,7 log(f) + 67,2 (dBkT0)

Očekávané úrovně pro dálnice jsou identické s modelem pro obytné prostředí.

V případě příspěvku rádiového rušení ve večerních hodinách je nutno použít jiné modely. Tyto se počítají jako očekávané úrovně atmosférického rušení v rádiovém pásmu, které se vyskytují na příslušném stanovišti. Mění se s kmitočtem, geografickými podmínkami, ročním obdobím a denní dobou. Informace je možno získat z [2]. Bohužel tento zdroj může posloužit spíše jako informativní než jako protiklad vyjádření reálnými hodnotami. Literatura [2] také poskytuje statistickou analýzu pro srovnání atmosférických hodnot Fam a Vdm. Lze tedy také získat očekávané hodnoty atmosférického rušení (tj. mediány) spolu s údaji pro standardní odchylku a/nebo hodnoty horního (Du) a dolního decilu (Dl). Obrázek 1 představuje tyto předpovědní modely v závislosti na kmitočtu.


19

OBRÁZEK 1: Modely očekávaných úrovní v okolním prostředí RF

Očekávaný příspěvek kosmického šumu je možno modelovat následovně:

Kosmické: Fa = 23 log(f) + 52 (dBkT0) [5]

Napěťová odchylka nebo parametr Vd se definuje jako rozdíl hodnot vyjádřený v logaritmickém měřítku (dB) mezi efektivní hodnotou (rms) a střední hodnotou napěťové obálky rušení. Může se popsat jako očekávaná hodnota odchylky od střední úrovně napětí rádiového rušení. Jedná se tedy o indikaci stupně „ostrosti“ rušivého signálu a tedy o typ rušení. Hodnota Vd = 0 dB představuje průběžný sinusový signál. Ve skutečně klidném místě je hodnota asi 1,05 dB. Nízká hodnota Vd mezi 4 a 10 dB indikuje atmosférické nebo přírodní rušení, zatímco hodnoty mezi 15 a 20 dB indikují přítomnost rušivých zdrojů vytvořených člověkem. Parametr Vd spolu se sluchovým rozlišením signálu rádiového rušení zkušební obsluhou může pomoci při identifikaci zdrojů rušení, které se v rádiovém spektru vyskytují. (Dokument [4] obsahuje seznam zvukových signálů rušivých zdrojů, které se běžně vyskytují na mnoha komunikačních stanovištích).

Hodnota mediánu Fam očekávaná v typickém místě

Kmitočet (MHz)

Fa (

dB

kT

0B

)

Obytné Venkovské Průmyslové Kosmické QRSL


20

7.4 Technika kontroly stanoviště

Popis místního prostředí RF má statistickou povahu. V libovolném čase se kmitočet i amplituda neustále mění. Při kontrole stanoviště se musí získat dostatečný počet údajů o kmitočtu a amplitudě v čase, ve kterém se bude funkce rozložení amplitud pro zvolené stanoviště určovat. Kontrola stanoviště se musí provádět opakovaně pro každé roční období. Měření se provádí v dopoledních hodinách mezi 8:00 a 12:00 hod, kdy jsou úrovně atmosférického rušení nejmenší. Je tedy vysoká pravděpodobnost zachycení zdrojů rušení vytvořených člověkem. Měření se také musí provádět ve večerních hodinách mezi 20:00 a 24:00 hod, kdy je naopak atmosférické rušení nejsilnější. Měření se musí provádět v kmitočtovém rozsahu, o kterém se předpokládá, že se bude na stanovišti používat. Nejčastěji se měření provádí v HF pásmu. Pro identifikaci některých „klidných“ kmitočtů je možno monitorování provádět denně. Podrobné studium se může např. provádět na 12 zvolených kmitočtech, kdy se jejich úroveň snímá každých 15 sekund po dobu 3 minut. Pokud se bude tato metoda provádět po dobu 10 až 14 dnů, získá se dostatečný počet údajů pro statistické vyhodnocení a určení mediánu rušivých úrovní (přednostně se ovšem používá průběžné monitorování rádiového rušivého prostředí na přijímacím stanovišti po 24 hodin denně po celý rok). Denně měřený medián efektivního napětí se převede na parametr šumového čísla (Fa) v jednotkách (dBkT0) nebo (dBkT0B). Hodnocení stanoviště se provádí na základě souboru údajů denního mediánu Fam a Vdm pro ranní a večerní interval měření. Tyto údaje se pak vykreslí v závislosti na kmitočtu pro vizuální vyhodnocení.

Pro nashromážděný soubor denních mediánů je také možné použít statistickou analýzu

pro určení očekávaného rozsahu hodnot Fa nebo Vd. Hodnota mediánu jedna standardní odchylka určuje rozsah amplitud, které se na stanovišti vyskytnou s časovou

pravděpodobností 67 %. Medián dvojnásobek standardní odchylky poskytuje očekávaný rozsah hodnot amplitudy s časovou pravděpodobností 95 %. Plus minus trojnásobek standardní odchylky zajistí očekávaný rozsah amplitud s časovou pravděpodobností 97 % atd. Údaje je také možno vykreslit jako medián mezi Du a Dl. To znamená, že 10 % všech očekávaných hodnot Fa nebo Vd bude nižších než Dl, zatímco 10 % bude vyšších než Du. Jinými slovy, vykreslení mediánu s hodnotami Du a Dl poskytne očekávaný rozsah hodnot, se kterými je nutno počítat s časovou pravděpodobností 80 %.

Příklady konečných údajů získaných výše uvedenými technikami jsou uvedeny na obrázcích 2 až 5.


21

OBRÁZEK 2: Příklad údajů prostředí RF, letní ráno

Údaje rádiového rušení v létě (08:00 – 12:00 hod)

Fa medián (Fam)

Kmitočet (MHz)

Fa (

dB

KT

0B

)

Průmyslové Venkovské Obytné

Atmosférický model QRSL Fa Medián


22

OBRÁZEK 3: Příklad údajů prostředí RF, letní večer


Fa medián (Fam)

Fa (

dB

KT

0B

)

Kmitočet (MHz)

Průmyslové Venkovské Obytné

Atmosférický model Fa medián QRSL


23

OBRÁZEK 4: Příklad údajů napěťových odchylek, letní ráno


Vd medián (Vdm)

dB

Kmitočet (MHz)

Očekávaná hodnota Vdm Vd medián


24

OBRÁZEK 5: Příklad údajů napěťových odchylek, letní večer

7.5 Odhad provozu stanoviště

Za pomoci odhadu hodnoty mediánu Fa a Vd, srovnáním údajů s předpokladem atmosférického rušení [2] a pomocí několika následujících pravidel je možno provést vyhodnocení stanoviště. Změna ročního období bude mít vliv na příspěvek od atmosférického rušení. Rušení ze zdrojů vytvořených člověkem se (obvykle) šíří pomocí distribučního vedení napájecí sítě a není tedy ovlivňováno denními nebo sezónními změnami v ionosféře [2].

a) Vhodné stanoviště má hodnotu Fam maximálně o 3 nebo 4 dB vyšší než QRSL.

b) Předpověď večerního (20:00 až 24:00) atmosférického rušení z ITU-R P-372-8 [2], se musí brát v úvahu jako typická nejvyšší úroveň rádiového rušení


Vd medián (Vdm)

Kmitočet (MHz)

Očekávaná hodnota Vdm Vd medián


25

stanoviště, tedy úrovně rádiové rušení ze zdrojů vytvořených člověkem (dopolední údaje) nesmí tyto údaje překročit.

c) Na vhodném stanovišti existuje mezi ranní a večerní hodnotou Fam na kmitočtu 2,5 MHz rozdíl nejméně 20 dB. Toto pravidlo platí pro jarní, letní a podzimní roční období. Během zimního období je možno zaznamenat rozdíly 10 nebo více dB.

d) Na vhodném stanovišti nejsou denní hodnoty Vdm vyšší než 3 dB.

7.6 Oddělovací vzdálenosti pro vyzařování elektronických zařízení nižšího než úrovně QRSL

Jeden z nejlevnějších způsobů snížení vlivu elektromagnetického rušení rádiové komunikace pro místa, která obsahují pouze přijímače, je zvětšení vzdálenosti (oddělovací vzdálenost) mezi zdroji elektromagnetického rušení a přijímacími anténami. Tabulka 1 ukazuje tyto vzdálenosti pro zařízení, která produkují vyzařované emise z jednotlivých elektronických zařízení a která splňují běžné požadavky vyzařovaných emisí nižších než QRSL, v závislosti na kmitočtu. Tabulka 1 předpokládá typické úrovně susceptibility na intenzitě pole rádiové komunikace, kde LOS je zkratka pro přímou viditelnost (Line of Sight) [6]. (Navíc se v literatuře rozebírají další vlivy elektromagnetického vyzařování z hlediska dopadu na jednotlivé uživatelské typy elektronických zařízení v dané geografické oblasti).

TABULKA 1: Oddělovací vzdálenosti pro elektronická zařízení [6]

Norma Kmitočty 30 MHz Kmitočty 30 MHz

Normy FCC

Část 18, RF záření 0,7 km 0,7 km

Část 15, třída A 2,3 km 4,0 km

Část 15, třída B 0,7 km 0,7 km

Část 15, podskupina C 2,2 km 6,4 km

Část 18, ISM s velkým výkonem 16 km (LOS) 16 km (LOS)

Normy ČSN

ČSN EN 55032, třída A 0,5 km 0,8 km

ČSN EN 55032, třída B 0,3 km 0,4 km

7.7 Oddělovací vzdálenosti pro vyzařování střídavého napájecího vedení nižšího než úrovně QRSL

V článku 7.3.1 se zmiňuje skutečnost, že největší příspěvek člověkem vytvářeného rušení v kritickém HF kmitočtovém pásmu tvoří napájecí vedení distribuční elektrické sítě. Následující odstavce převzaté z literatury [7] uvádějí minimální oddělovací vzdálenosti střídavých napájecích vedení a přenosových vedení od antén přijímacích zařízení pro zajištění, pro zajištění nižších vyzařovaných emisí než jsou úrovně QRSL:

a) Distribuční napájecí vedení 3,3 kV až 66 kV – rušení způsobené přeskokem v poškozených nebo uvolněných dílech je primární zdroj rušení v blízkosti přenosového vedení do 66 kV. Minimální oddělovací vzdálenost od

distribučního napájecího vedení 3,3 kV až 66 kV je 560 m.

b) Distribuční napájecí vedení 100 kV až 200 kV – rušení způsobené korónou se obvykle vyskytuje v napájecích soustavách s napětím vyšším než 100 kV.


26

Minimální oddělovací vzdálenost od distribučního napájecího vedení 100 kV

až 200 kV je 24 km nebo vyšší než přímá viditelnost (LOS).

RF komunikační signály vnucené na napájecí vedení musí splňovat minimální oddělovací vzdálenosti používané pro průmyslová, vědecká a lékařská zařízení.

7.8 Pozemní výstavba a četnost používání

Mnoho oblastí, ve kterých jsou umístěny přijímače pro rádiovou komunikaci má zvýšené úrovně okolního rušení vlivem městské zástavby. Nevhodná městská zástavba v blízkosti takové oblasti může vést k jejímu zrušení, pokud se výstavba nesleduje. Plánování městské výstavby s vytvářením ochranných zón z hlediska EMI je účinným nástrojem pro regulaci městské výstavby v okolí oblasti, kde jsou umístěny přijímače tak, aby se nezvyšovalo elektromagnetické pozadí. Ochranné zóny EMI jsou kruhové oblasti okolo pevných a často používaných anténních systémů, které jsou důležité z hlediska provozní bezpečnosti místa. Existují tři typy ochranných zón EMI, které se určují z rozměrů přijímací antény:

a) Tichá EMI zóna je do okruhu 1,6 km od vnějších rozměrů antény.

b) Přechodová EMI zóna se uvažuje ve vzdálenosti 1,6 až 3,2 km od vnějších rozměrů antény.

c) Vnější EMI zóna je ve vzdálenosti 3,2 až 10,0 km od vnějších rozměrů antény.

Tabulka 2 uvádí podrobnosti pro městskou výstavbu a četnosti použití, které může Ministerstvo obrany použít při umísťování svých nemovitých zařízení. O umístění nemovitých zařízení se může rozhodovat na základě dohody s místními orgány pro zajištění nezvyšování elektromagnetického pozadí v místě přijímacích zařízení; např. při schvalování územních plánů v horizontu 20 až 25 let. Ministerstvo obrany je pouze jedním z účastníků procesu plánování městské výstavby. Oddělovací vzdálenosti uvedené v tabulce 2 jsou určeny empiricky a nebyl použit žádný analytický model nebo soubor údajů. Nicméně jejich použití umožňuje určit možné zvýšení elektromagnetického prostředí způsobeného městkou zástavbou.

TABULKA 2: Pozemní výstavba a četnost používání

Typ stavby Tichá EMI zóna Přechodová EMI

zóna Vnější EMI zóna

Objekty přijímacího místa

Pouze objekty nutné k provozu

Možné s omezením Možné

Distribuční vedení 3,3 kV až 66 kV

Pouze podzemní Pouze podzemní Možné

Distribuční vedení

66 kV Žádné Žádné

Ne blíže než na přímou

viditelnost z vrcholu antény nebo

3,2 km, podle toho, která vzdálenost je

větší


27



Vertikální proluky všech konstrukcí

3° 3° 3°

Veřejné osvětlení s vyloučením

výbojek Možné s omezením Možné s omezením Možné

Veřejné osvětlení s výbojkami

Žádné Možné Možné

Bytová výstavba Žádná Maximálně 5

jednotek / 0,4 ha 5 jednotek / 0,4

ha

Školy, kostely, prodejny, nákupní

centra Žádné

Možné s omezením osvětlení a mírným omezením provozu

Možné

Čerpací stanice Žádné Žádné Možné

Zábavní střediska

Žádné Žádné Možné ve větší vzdálenosti než

10 km

Golfové hřiště Možné s omezením Možné s omezením Možné

Rekreační objekty jako např. hřiště pro míčové hry, tenisovékurty,

veřejné záchody apod.

Možné s omezením Možné s omezením Možné

Zemědělské objekty Žádné Možné s omezením Možné

Osvětlené objekty, jako jsou obchodní

domy, montážní haly, restaurace a kancelářské

objekty (proluky 3)

Žádné Žádné Možné ve

vzdálenosti větší než 6,5 km

Objekty těžkého průmyslu, včetně

hutí, petrochemických

továren a svařoven


vzdálenosti větší než 10 km

Průmyslové objekty používající RF

ohřev, včetně lepení překližek, výroby

a svařování plastických hmot




28



Elektrárny Žádné Žádné Možné ve


Zařízení krátkého dosahu, např.

bezdrátové telefony, zařízení pro dálkové ovládání, lékařskou telemetrii, dálkově řízené modely atd.

Možné s omezením

Možné Možné

Libovolné rádiové/radiolokátorové

stanice, základnové stanice, rozhlasové

vysílače, radiomajáky nebo bezdrátové

kancelářské systémy včetně soukromých

a uživatelských systémů

Žádné

V souladu s národními kmitočtovými

tabulkami

V souladu s národními kmitočtovými

tabulkami

Drátové ploty

Možné ve vzdálenosti větší

než 200 m a spojené každé 2

m

Možné Možné

Elektrické ploty Žádné Žádné Možné

Železnice, tramvaje a další dopravní

prostředky se sběracím vedením

Možné ve vzdálenosti větší

než 1 km Možné Možné

Dráhy a železobeton Možné ve

vzdálenosti větší než 150 m

Možné Možné

Parkoviště Možné ve

vzdálenosti větší než 300 m

Možné Možné

7.9 Literatura k části 252

[1] Lauber, W. & Pike, C.: “Radio Noise Survey Procedures for a Communication Site 0.15–30 MHz” (Postupy zkoumání rádiového šumu komunikačních stanovišť 0,15–30 MHz).


29

[2] ITU-R P-372-8: Characteristics and Application of Atmospheric Radio Noise Data; International Radio Consultative Committee; Geneva, Switzerland (Charakteristiky a použití údajů o atmosférickém rádiovém šumu; Mezinárodní poradní komise pro rádio).

[3] Skomal, E. & Smith, A.: Measuring the Radio Frequency Environment (Měření v prostředí rádiových kmitočtů).

[4] IEEE Std 473-1985: "IEEE Recommended Practice for an Electromagnetic Site Survey (10 kHz to 10 GHz)" (Doporučené IEEE postupy pro elektromagnetický průzkum stanovišť (10 kHz až 10 GHz)).

[5] Hagn, G. & Shephard, R.: Selected Radio Noise Topics; Appendix A; SRI International; Project # 5002 (Vybraná témata o rádiovém šumu; Příloha A).

[6] Arafiles, V.P. and Sanchez, M. J.: “Impact of Radiated Emission Standards on Receiver Sensitivity and the Ambient Electromagnetic Noise Environment”; IEEE EMC 1995 Symposium Record; pages 189-193 (Vliv norem pro vyzařované emise na citlivost přijímače a okolní elektromagnetické pozadí).

[7] Arafiles, V. P.: Minimum Separation Distance Between AC Power Lines and Radio Communication Sites; IEEE EMC 1994 Symposium Record; pages 343-347 (Minimální oddělovací vzdálenost mezi střídavými distribučními napájecími vedeními a radiokomunikačními základnami).

[8] Federal Communication Commission (FCC), Code of Federal Regulations (CFR) 47, Part 15 Radio Frequency Devices, and Part 18 Industrial, Scientific and Medical Equipment; USA (Federální komunikační komise (FCC),

Federální prováděcí vyhláška (CFR) 47, Částka 15 Zařízení pro rádiové

kmitočty, a částka 18 Průmyslové, vědecké a lékařské přístroje; USA).

[9] ČSN EN 55011 ed. 4: Průmyslová, vědecká a zdravotnická zařízení – Charakteristiky vysokofrekvenčního rušení – Meze a metody měření


30

8 Část 253 Elektrostatický náboj, výboj a poruchy způsobené atmosférickými srážkami (P-Static)

8.1 Úvod

Elektrostatický náboj a případný výboj, může mít za následek poruchy v provozu elektronického zařízení nebo poškození elektronických obvodů. Energie, která se uvolní v průběhu výboje je potenciálně nebezpečná pro obsluhu, palivové výpary a výzbroj.

K přenosu elektrického náboje dochází, kdykoliv se dva objekty dotknou a následně oddělí. Náboje se mohou shromažďovat v objektech, zvláště když jsou vytvořeny z nevodivých materiálů. Opakovaný kontakt, jako je tření nebo nárazy mohou výrazně zvýšit akumulaci náboje. Náboj se většinou vytváří třením (tribo-elektrický náboj). Systém může akumulovat elektrostatický náboj prostřednictvím mechanizmů, které se vytváří v průběhu následujících činností: průlet letadla deštěm, prachem, sněhem nebo ledovými krystalky, snímáním plastových obalů ze zbraní nebo jejich součástí. Zvláštní druh náboje, který se vytváří při styku s deštěm nebo sněhem se označuje jako statický náboj vytvořený klimatickými srážkami (P-Static). Náboj na osobě se může tvořit třením při chůzi po nevodivé podlaze, zvláště používá-li osoba oblečení s polyesterovým vláknem.

Vedle náboje vytvářeného třením existují další dva mechanizmy, které způsobují nabití letadla:

a) Zplodiny vycházející ze spalovacích nebo tryskových motorů nesou náboj, který způsobuje nabití těchto motorů a jejich krytů.

b) Objekty se mohou nabít indukcí v přítomnosti elektrických polí jako je blízkost vysoce nabitého mraku nebo jiného nabitého objektu. Nabitý objekt může např. způsobit nabití druhého objektu pouhým přesunem do blízkosti (bez kontaktu) druhého objektu. Toto je zvlášť pravděpodobné, když je druhý předmět vodivý. Pokud se pak druhý objekt uzemní, pak se náboj z nabitého objetu přesune, nebo předá do druhého objektu. Výsledkem je pak zbytkový elektrostatický náboj.

Elektrické náboje se přenášejí prudkým tokem elektronů, kdykoliv se dotknou a následně oddělí dva objekty s různým elektrostatickým potenciálem. Tento tok generuje elektromagnetické pole v širokém kmitočtovém spektru od nízkých kmitočtů do oblasti jednotek GHz. Vedle rychlých vybíjecích proudů, které generují elektromagnetická pole (podrobnější informace viz [10]), se mohou vyskytovat elektromagnetická pole a následný možný korónový efekt způsobený vysokým napětím a přidruženou intenzitou elektrického pole, které se vytvoří před a během výboje.

8.2 Prostředí

8.2.1 Parametry elektrostatického náboje vytvářeného osobami

V průběhu údržby může kontakt obsluhy s konstrukcí vytvořit elektrostatický náboj jednak na osobě, jednak na zařízení (zvlášť, je-li povrch zařízení tvořen nevodivým materiálem). Tento náboj může vytvořit nebezpečí pro osoby nebo může způsobit poškození nebo zničení elektronických zařízení. Potenciálně citlivé elektronické části jsou mikroobvody, polovodiče, rezistory tvořené tenkými a tlustými vrstvami, integrované obvody, hybridní obvody a piezoelektrické krystaly. Susceptibilita závisí na velikosti a tvaru impulzu elektrostatického výboje (ESD).


31

ESD od obsluhy je zvlášť nebezpečný v případě manipulace s municí. Z toho vyplývá, že munice musí být odolná proti nejvyšší úrovni elektrostatického výboje vytvářeného člověkem. Existuje celá řada charakteristik, které popisují nebezpečí elektrostatického výboje způsobeného osobami, jejichž hodnoty se mění v širokém rozsahu. Stupeň nebezpečí závisí na typu oblečení, obuvi a relativní vlhkosti a teplotě okolního vzduchu (viz [11]).

Byla vedena celá řada diskusí o úrovních a průbězích ESD na modelech lidského těla, protože chemické složení lidského těla se mění. Parametry, které se zvolily pro simulaci lidského těla z hlediska ESD představují nejhorší případ pro manipulaci v prostředí s municí a bez munice. Stejné prostředí se používá v AOP-43 [12], MIL-STD-331D [13]. Elektrostatická prostředí (úrovně nabití/vybití), která se používají pro odhad a zkoušky při manipulaci s vojenskou technikou v Severoatlantické alianci (NATO) jsou uvedena v tabulce 3 a popsána v odstavcích 8.2.1.1 a 8.2.1.2. Zkoušky ESD se popisují v ČOS 051627, kategorie 508, část 2 [14].

TABULKA 3: Nejhorší případ elektrostatických parametrů pro osoby

Zařízení

Parametry

Elektrostatické napětí (kV)

Kapacita (pF)

Odpor ()

Indukčnost (H)

S municí 25 5 % 500 5 % 500 5 % Max. 5

S municí 25 5 % 500 5 % 5 000 5 % Max. 5

Bez munice 8 5 % nebo

15 5 %

150 5 % 330 5 % Max. 5

Poznámka: Napětí nabývá kladných nebo záporných hodnot.

8.2.1.1 S municí

V případě prostředí, kde se vyskytuje munice, nebo z důvodu požadavku vysoké bezpečnosti elektrického/elektronického zařízení, je nutno snížit riziko způsobené poruchami. Nebezpečí může představovat nabití kondenzátoru 500 pF na 25 kV a jeho

vybití přes rezistor 500 nebo 5 000 a celkovou indukčnost obvodu menší než 5 H. Toto představuje potenciální parametry povrchu lidského těla při jeho nabití, kapacitě a odporu, které ovlivňují průběh výboje. Zkouška ESD impulzem, který se vybíjí přes

rezistor 500 se uvažuje jako nejhorší případ elektrostatického výboje produkovaného

lidským tělem. Zkouška, při které se používá rezistor 5 000 , tvoří méně nebezpečný

proud. Nebezpečí při použití rezistoru 5 000 je v rozdílném tvaru impulzu, který může způsobit, že proud teče jinou cestou.

8.2.1.2 Bez munice

V případě, kdy se nebezpečí nepředpokládá, se může zkouška realizovat nabitím kondenzátoru 150 pF na 15 kV a provedením vzduchového výboje nebo nabitím

na 8 kV a provedením kontaktního výboje. Vybíjení se provádí přes rezistor 330

a celková indukčnost obvodu, nesmí překročit 5 H.

8.2.2 Parametry elektrostatického náboje vytvářeného vrtulníky

Charakteristiky nabíjení vrtulníků, zvláště při vertikálním letu a při tankování za letu, se mění v širokém rozsahu; ovšem typickou hodnotu může představovat nabití kondenzátoru 1 000 pF (který představuje elektrickou kapacitu vrtulníku; elektrická


32

kapacita vrtulníku je závislá na jeho velikosti) na napětí 300 kV a vybití přes rezistor 1

(maximum), kdy celková indukčnost obvodu nesmí překročit 20 H (viz tabulka 4).

Při tankování za letu, musí pilot během připojování sledovat a hlásit vznik oblouku mezi tankovací sondou a košem. Tyto výboje mohou být až několik centimetrů dlouhé. V závislosti na těchto pozorováních byla odvozena zkušební hodnota 300 kV. Letadlo, které vykazovalo při tankování za letu elektrostatické výboje, mělo problémy s navigací, a tedy i s řízením. Kondenzátor 1 000 pF použitý při zkouškách, představuje vhodnou hodnotu pro rozměrná letadla.

TABULKA 4: Parametry elektrostatického náboje vytvářeného vrtulníky

Zařízení

Parametry

Elektrostatické napětí

(kV)

Kapacita

(pF)

Odpor

()

Indukčnost

(H)

Vrtulník 300 5 % 1 000 5 % 1 Max. 20

Poznámka: Napětí 300 kV musí být použito jak s kladným tak i záporným znaménkem.

8.2.3 Výboj způsobený klimatickými srážkami (P-Static)

Statická elektřina se akumuluje na letadle při letu (P-Static náboj), protože neexistuje žádná cesta, kterou by se náboj z povrchu letadla odvedl. Pro odvedení tohoto náboje jsou nutné speciální řídicí mechanismy. Akumulovaný náboj vytváří na povrchu letadla vzhledem k okolnímu vzduchu potenciál. Pokud potenciál překročí určitou hranici, začnou se na hranách letadla, kde je potenciál nejvyšší, tvořit výboje. Tyto výboje produkují širokopásmové vyzařované rušení, které může snížit účinnost antén připojených k přijímačům. Tento jev se projevuje hlavně u přijímačů, které pracují s nízkým kmitočtem. Impulzy se mohou vyskytovat tak rychle, že přijímače vydávají pouze syčení a stanou se nefunkčními. P-Static výboje se používají hlavně pro ověření tohoto efektu. Zařízení jsou navržena tak, aby odváděla akumulovaný náboj z letadla s dostatečně malou úrovní a tím nedocházelo k rušení přijímačů.

Celkový nabíjecí proud závisí na klimatických podmínkách, celkovém povrchu letadla a rychlosti letu (V). Celkový nabíjecí proud je možno určit z následujícího vztahu:

It = Q C Sa V

kde

It = celkový nabíjecí proud (A),

Q = náboj přenesený nárazy částic do povrchu čelního profilu (μC/částice),

C = hustota částic (množství částic/m2),

Sa = celková plocha povrchu čelního profilu (m2),

V = rychlost letu (m/s).

Je třeba si uvědomit, že lineární vztah rychlosti neplatí při vyšších rychlostech. Toto se odráží použitím termínu účinné plochy ve zjednodušeném vztahu:

It = Ic Seff

kde


33

Seff = účinná plocha čelního profilu (m2),

Ic = proudová nábojová hustota (A/m2).

Seff je funkcí rychlosti. S rychlostí se zvyšuje. Při nadzvukových rychlostech se rychlost nabíjení snižuje, jak se krystalky ledu při nárazu rozpouštějí.

Pro různé typy mraků je možno určit následující vrcholové proudové hustoty:

cirus 50 až 100 A/m2,

stratokumulus 100 až 200 A/m2,

frontální sněžení 300 A/m2.

Vzácně se pozorovala i proudová hustota 400 A/m2. Řízení akumulace statického náboje se zajišťuje tím, že všechny povrchy konstrukce jsou středně vodivé (megaohmy). Radiolokátorové kryty (radomy) a aerodynamické kryty antén nemohou být příliš vodivé, protože to narušuje jejich funkci. Vodivé vrstvy je možno použít na všechny externí nevodivé části konstrukce systému. Elektrostatický náboj může kumulovat libovolná část konstrukce. Pro pomalé odvádění náboje se musí při vývoji použít vhodné prostředky, jako ochrana proti vytvoření vysokých napětí.

8.2.4 Nabíjení kosmických lodí

Nabíjení kosmických lodí je proces, při kterém orbitální kosmická loď akumuluje elektrický náboj z okolního přírodního kosmického plazmatu. Nabité částice plazmatu narážejí do kosmické lodi a způsobují kumulaci náboje na exponovaném povrchu. Nad výškou přibližně 90 km jsou částice molekul, které jsou obsaženy v atmosféře Země, ionizovány slunečním zářením a vytvářejí se kladné ionty a záporné elektrony. Tato směs elektricky nabitých částic se označuje jako přírodní kosmická plazma a je přítomná na všech orbitálních drahách kosmických lodí kolem Země. Částice přirozené kosmické plazmy jsou silně závislé na zeměpisné šířce a délce. Při nízkém náklonu (inklinaci), na nízké orbitální dráze je plazma relativně hustá a má malou energii, zatímco geostacionární družice Země se typicky setkává s plazmou s nízkou hustotou a vysokou energií, vytvářenou geomagnetickými bouřemi.

Definují se dvě hlavní kategorie nabíjení kosmických lodí. Klasifikují se jako povrchové nabíjení (externí) a dielektrické nabíjení (interní nebo objemové).

a) Povrchové nabíjení se vytváří interakcí mezi povrchem družice a kosmickou plazmou, geomagnetickým polem a slunečním zářením. Vlivem různé geometrie a materiálních vlastností povrchu způsobují tyto interakce různé kladné a záporné proudy na povrchu kosmické lodi a tím se vytváří různé náboje, které mohou vést k povrchovým obloukům nebo ESD mezi povrchy družice s různým potenciálem.

b) Dielektrické nebo objemové nabíjení, které se také někdy označuje jako interní nabíjení, se tvoří nábojem na povrchu a uvnitř dielektrických materiálů nebo na volných izolovaných vodičích uvnitř kosmické lodi. Energetické elektrony s energií od jednotek kV do několika MV mohou pronikat povrchem kosmické lodi a vytvářet náboj ve vnitřním prostoru. Pokud je množství přijímaných elektronů větší než množství elektronů unikajících, začne se elektrický náboj zvětšovat, dokud se nepřekročí prahová hodnota a nedojde k elektrickému oblouku.


34

Oba typy nabíjení mohou vést k ESD, který může mít dopad na program kosmického úkolu (je možno konstatovat, že vzestupná doba kosmického ESD je kratší než na Zemi). Obvykle má větší účinek na poškození hloubkový náboj, protože k němu dochází uvnitř dielektrického materiálu nebo na dobře izolovaných vodičích uvnitř kosmické lodi. Některé z efektů, které byly zaznamenány uvnitř kosmické lodi, jsou následující:

a) Provozní anomálie (telemetrické výpadky, logické chyby, poškození součástek, nesprávné příkazy) způsobené vazbou přechodových ESD uvnitř elektronických zařízení kosmické lodi.

b) Poškození fyzického povrchu kosmické lodi (např. teplotně řízených zrcadlových povrchů) jako důsledek obloukových výbojů.

8.3 Literatura části 253

[10] IEC 60749-26: Semiconductor devices Mechanical and Climatic Test

Methods Part 26: Electrostatic Discharge (ESD) Sensitivity Testing Human Body Model (HBM) (Polovodičová zařízení – mechanické a klimatické zkušební metody – Část 26: Zkoušky susceptibility na elektrostatický výboj – model lidského těla (HBM)).

[11] Air and Space Interoperability Council (ASIC) Air Standards Advisory

Publication 20/36 Hazards of Electrostatic Discharge to Aircraft Stores (Rada pro vzdušnou a kosmickou vzájemnou spolupráci (ASIC) – Letecké normy – Doporučení 20/36 – Nebezpečí elektrostatického výboje v leteckých nákladech).

[12] AOP-43: Electro-Explosive Devices Assessment And Test Methods For Characterization - Guidelines For STANAG 4560 (Metody hodnocení a zkoušení pro určení charakteristik elektricky rozněcovatelných prostředků - směrnice pro STANAG 4560).

[13] MIL-STD-331D: FUZES, IGNITION SAFETY DEVICES AND OTHER RELATED COMPONENTS, ENVIRONMENTAL AND PERFORMANCE TESTS FOR (Zapalovače, pojistky zapalovačů a ostatní související komponenty, zkoušky vlivu prostředí a funkce)

[14] ČOS 051627, 5. vydání

8.3.1 Další vhodné národní/mezinárodní normy

IEC-61000-4-2, ed. 2.0: Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-2: Testing and measurement techniques – Electrostatic discharge immunity test

(Elektromagnetická kompatibilita (EMC) Část 4-2: Zkušební a měřící

technika Test na elektrostatický výboj).


35

9 Část 254 Atmosférická elektřina a blesk

9.1 Úvod

9.1.1 Základní informace

Tato část popisuje jev atmosférického elektrostatického náboje a výsledného výboje označovaného jako blesk. Udává hodnoty parametrů blesku pro přirozený výboj z mraku do země a výboje mezi mraky popřípadě uvnitř mraků a další normálové úrovně elektrostatických nábojů, které existují bez bleskového výboje. Dále se zde uvádí odvození standardizovaných definic parametrů blesku pro indukované jevy a pro zkoušky.

9.1.2 Použití

Popsaná prostředí je možno použít pro pozemní, námořní a vzdušné systémy. Parametry se definují pro přírodní, odvozené a zkušební prostředí týkající se přitažení blesku. Pořizovatelé a výrobci zařízení musí rozhodnout, zda je třeba konkrétní systémy a zařízení zodolnit proti přímým nebo nepřímým úderům blesku do platformy/podsystému nebo do jejich blízkosti. Toto rozhodnutí se musí provádět na základě kritického rozboru systému/zařízení. Je možno požadovat, aby byly systémy odolné a pokračovaly v činnosti, nebo aby zůstaly pouze nepoškozené a po úderu blesku mohou být nefunkční.

9.2 Atmosférická statická elektřina

Atmosférická elektřina se považuje za prostředí, kde se zvyšuje možnost indukovaných elektromagnetických jevů a možnost přímého poškození vlivem úderu blesku. Faktory, které se zahrnují do elektrických vlastností atmosféry jsou elektrická pole, proudy a vodivost, dále pak kladné a záporné ionty v širokém rozsahu rozměrů. Náboj vytvořený atmosférickými srážkami ustanovuje indukované prostředí, které se popisuje v ČOS 999935, Část 253 [15].

V případě jasného počasí produkuje horizontální rovina atmosféry vertikální gradient elektrického pole, který se mění od méně než 10 V/m ve výšce 10 km až do hodnoty kolem 100 V/m v blízkosti povrchu Země, jak je možno vidět na obrázku 6.

Elektrické pole může mít za jasného počasí významný vliv, ve zvláštních případech, jako je např. použití řízených střel naváděných po vodiči z vrtulníku, kdy se ve vodiči mohou vlivem pohybu řízené střely v prostředí, kde je jiný elektrický potenciál než v blízkosti vrtulníku, vytvořit vyrovnávací proudy.

V troposféře, což je oblast maximálně do výšky 8 km nad póly a kolem 16 km nad rovníkem, se k faktorům, které mají významný vliv na elektrické vlastnosti, připojuje pohyb vzduchových mas, atmosférický tlak, teplotní gradient a rozložení vodních par, které mají vliv na nabité a nenabité aerosoly a radioaktivní částice pozemského původu.

Tyto vlivy jsou největší v přechodové vrstvě (Exchange Layer), která se rozprostírá ve výšce maximálně do 3 km nad zemským povrchem. Uvnitř této vrstvy vznikají malé vyrovnávací proudy, které se spolu s ionty a jádry přenášejí do horních vrstev této oblasti a kde se vytváří jejich dokonalá směs. Horní hranice je často viditelná jako vrstva mraků označovaných jako „beránky“ nebo mlha a je významně indikována elektrickými měřidly.


36

Významný vliv na výměnný mechanizmus má teplotní inverze, kdy se teplota s výškou zvyšuje.

OBRÁZEK 6: Střední hodnoty a meze vertikálního elektrického pole jako funkce výšky, pozorované za jasného počasí

Podle elektrostatických zákonů unikne za 10 min asi 90 % záporného náboje země vlivem vodivosti vzduchu, ale výsledný náboj zůstává prakticky konstantní. Bouřkové a dešťové mraky slouží jako generátor, který řídí proud vzhůru, tedy opačným směrem než proud za jasného počasí.

Potenciální gradient v oblasti jasného počasí má stejné denní změny na celé Zemi, pokud se vztahují ke světovému času. Toto je ve fázi s denními změnami světové bouřkové aktivity. Potenciální rozdíl mezi zemí a ionosférou, což je oblast nad stratosférou, je okolo 275 kV.

Při výskytu mraků se jejich povrch stává elektricky nabitý a rozložení náboje závisí nejvíce na teplotním gradientu. Pokud nastane dostatečná kumulace náboje, dojde k výboji a vzniknou podmínky pro výskyt bouřek. Tyto efekty totálně překrývají rozložení pole při jasném počasí. V blízkosti bouřkových mraků se pozorovala intenzita elektrostatického pole vzhledem k zemní úrovni až 6 kV/m. Ve vyšší nadmořské výšce uvnitř mraků existuje intenzita pole ještě vyšší.

Bouřkové mraky jsou typu kumulonimbus a rozložení elektrického náboje uvnitř těchto mraků je velmi složité. Teoretické modely rozložení nábojů uvnitř bouřkových mraků se popisují v celé řadě elaborátů a učebnic, ale když rozložení a intenzita dosáhne dostatečné úrovně, dojde k úderu blesku. Obrázky 7 a 8 ukazují příklady rozložení úderů blesku v různém čase na různých místech. V libovolném čase je celkový počet činných bouřek na povrchu Země asi 2 000; počet bouřek za jeden den je asi 50 000. Popis procesů a mechanizmů, které vedou k úderu blesku nebo bleskovému výboji, je možno nalézt v celé řadě publikací/učebnic (např. v [16]). V této části jsou uvedeny pouze důležité údaje týkající se popisu prostředí a jeho vlivu na vojenskou techniku.

Elektrické pole (V/m)

Nadm

ořs

ká v

ýška (

km

)


37

OBRÁZEK 7: Střední počet úderů blesku za hodinu v jižní Anglii za období 7 let

OBRÁZEK 8: Počet úderů blesku za měsíc ve střední Evropě v letech 1992 až 1999

9.3 Existují tři typy blesků

a) Blesky mezi oblastmi s různou polaritou uvnitř mraku (výboje v mracích).

b) Blesky mezi oblastmi s různou polaritou mezi oblaky (výboje mezi mraky).

c) Blesky mezi mraky a zemí a zemí a mraky jiné polarity. Výboje mezi zemí a mrakem se vytvářejí v případě velkých objektů (např. věže a hory).

Více než 50 % všech blesků jsou typu vnitřních výbojů.

9.4 Přírodní prostředí blesku

9.4.1 Parametry blesku mezi mrakem a zemí

Tabulky 5 a 6 obsahují údaje a hodnoty stavového parametru měřeného na povrchu Země nebo v jeho blízkosti pro určení konkrétní pravděpodobnosti výskytu výboje mezi mrakem a zemí přejaté z různých zdrojů. Většina těchto dostupných statistických údajů přichází z měření na příslušně vybavených stanovištích nebo uměle spouštěných experimentálních blesků.

Numerické hodnoty parametrů se mění v širokém rozmezí blesk od blesku a nejlepší výsledky je tedy možno dosáhnout při statistickém zpracování. Pro libovolně daný parametr je možno získat hodnoty z průběhu, který uvádí procentuální výskyt blesků, u kterých hodnota parametru přesahuje zvolenou úroveň. V tabulkách 5 a 6 jsou uvedeny úrovně záporných a kladných úderů pro požadovanou pravděpodobnost výskytu. Tyto hodnoty jsou převzaty z Evropského dokumentu ED-84 [17], s výjimkou dodatečného sloupce 2 % pro záporné údery, který je převzat z uveřejněných údajů

Počet blesků za měsíc

leden únor březen duben květen červen červenec

srpen září říjen listopad prosinec

Místní střední čas

Stř

ední počet za h

odin

u

duben květen červen červenec srpen září


38

a zamýšlen tak, aby se co nejlépe přizpůsobil grafu. Všechny parametry úrovní a pravděpodobností neplatí pro každý blesk. Např. neplatí pro sloupce 2 % a 5 %. Důležitá práce byla vykonána pro zjištění hrozby, kterou je možno použít jako návrhové kritérium. Tato „odvozená hrozba“, uvedená v odstavci 9.5, bere do úvahy relativní kmitočet výskytu kladných a záporných úderů vzhledem k zemi. Tabulky ilustrují různé vlastnosti přírodních blesků a poskytují ohodnocení, pravděpodobnost a závažnost odvozené hrozby.

9.4.2 Blesky uvnitř mraků a mezi mraky

Příslušně vybavená letadla, vyrobená ve Spojených Státech a Francii zaznamenávala charakteristicky bouřkových mraků. Tato měření ukazují, že výboje uvnitř mraků a mezi mraky mají stejný charakter jako blesky vzhledem k zemi, ale mají rozdílné hodnoty parametrů. Výboje vytvářené uvnitř mraku mají charakter pruhů, které se vyskytují při

vrcholových proudech 60 kA a typická doba vzestupné hrany je menší než 0,4 s. Tyto úrovně byly sice pozorovány, ale typické hodnoty jsou 20 kA až 30 kA a jejich trvání je asi 200 ms. Typický blesk uvnitř mraku je uveden na obrázku 9. Impulzy, vyskytující se během prvotní fáze přitažení, se mohou objevit také při úderu záporného blesku do země.

9.4.3 Elektrické pole

Příčinou bleskového výboje, který vznikne elektrickým průrazem na rozhraní vzduch/mrak za přítomnosti silného elektrického pole, jsou atmosférické podmínky. Úroveň statického elektrického pole, při kterém dojde k proražení, se mění podle přítomnosti vody a/nebo ledu, se pohybuje od 500 kV/m až do 2 nebo 3 MV/m. Při formování bleskového kanálu je nejdůležitější rychlost změny pole.

Rychlost změny elektrického pole dE/dt se při zkoušce nepřímým úderem blesku někdy musí simulovat. Hodnoty, které se obvykle berou v úvahu závisí na tom, zda se jedná o letadlo za letu nebo o pozemní zařízení a pohybují se mezi 1012 a 1013 V/m/s.

Ačkoliv je nepravděpodobné, že by elektromagnetické vyzařování ze vzdáleného nebo dalekého pole blesku bylo nebezpečné pro techniku, je typické prostředí dalekého pole uvedeno na obrázku 10. Amplituda tohoto prostředí je nepřímo úměrná vzdálenosti od blesku. Nejsou uvedeny žádné odvozené hrozby, a pokud se to požaduje, musí se zkoušky provádět v odvozeném prostředí, které určí příslušný orgán státu.

TABULKA 5: Parametry záporného blesku měřené na zemní úrovni

Parametry Jednotky

Parametry blesku

95 % 50 % typicky

5 % 2 %

Počet rázů 1 2 3 4 12 >12

Časové intervaly mezi rázy

ms 8 35 140 320

Vrcholový proud (1. úder)

kA 14 30 80 140

Vrcholová doba náběhu (1. úder)

A/s 5,5109 1,21010 3,21010 41010


39

Parametry Jednotky

Parametry blesku

95 % 50 % typicky

5 % 2 %

Doba vrcholu (všechny rázy (viz poznámka 1)

s 18 5,5 1,8 1,2

Šířka impulzu poloviny proudu (všechny rázy

v blesku)

s 30 75 200

Vrcholový proud (následné rázy)

kA 4,6 12 30 100

Vrcholová doba náběhu (následné rázy)

As 1,21010 41010 1,21011 Pozn. 2

Amplituda průběžného proudu

A 33 140 520 520

Trvání průběžného proudu

s 0,058 0,16 0,4 0,4

Náboj průběžného proudu

C 7 26 110 110

Akční integrál A2s 6103 5,5104 5,5105 0,8106

Náboj následného rázu C 0,2 1,4 11 20

Celkový náboj blesku (mimo průběžný proud)

C 1,3 7,5 40 90

Doba trvání blesku s 0,03 0,04 0,2 1 1

Poznámka 1: Výše uvedené parametry se nemusí nutně vyskytnout společně v jednom blesku.

Poznámka 2: Hodnota procent představuje percentily které odpovídají procentu výskytu událostí, které mají vyšší amplitudu než je daná.

Poznámka 3: Hodnota tohoto parametru je pro procento blesků, kde je hodnota menší než dané číslo.

Poznámka 4: Hodnota 1,41011 se užívá proto, že byla naměřena při výbojích uvnitř mraků.


40

TABULKA 6: Parametry kladného blesku měřeného na zemi

Parametry Jednotky Parametry blesku

95 % 50 % typicky 5 %

Vrcholový proud kA 4,6 35 250

Vrcholová doba náběhu A/s 2,0108 2,4109 3,21010

Uvažovaná doba vrcholu s 3,5 22 200

Šířka impulzu pro poloviční proud

ms 25 230 2 000

Celkový náboj blesku C 20 80 350

Akční integrál A2s 2,5104 6,5105 15106

Trvání blesku s 0,014 0,085 0,5

Poznámka 1: Výše uvedené parametry se nemusí nutně vyskytnout společně v jednom blesku.

Poznámka 2: Znak % představuje procento všech rázů, při kterých se dosáhne hodnoty parametru nebo je hodnota překročena.

OBRÁZEK 9: Typický úder blesku do letadla uvnitř mraku

Přechodová fáze Čas

Fáze uvolnění

Fáze přitažení

2 20 ms

Násobné toky zpětného úderu Náhodné impulzy

s nízkou úrovní

Proud I (kA) Jednotlivé impulzy převážně 50 kA

Vzestupná hrana: 100 ns až 10 s

Sestupná hrana: 1 s – 50 s Rychlost náběhu: max. 10

11 A/s


41

OBRÁZEK 10: Obálka vrcholové intenzity pole v závislosti na kmitočtu, na úrovni země ve vzdálenosti 3 km od bleskového výboje

9.5 Zóny přitažení blesku

Protože proces přitažení bleskového kanálu do konkrétního místa závisí na jeho umístění na povrchu vozidla, je možno vozidlo rozdělit na tři následující zóny, které určují pravděpodobnost prvotního přitažení blesku, rozložení a vedení proudu:

a) Zóna 1 – Povrchy, u kterých je vysoká pravděpodobnost přitažení prvotního úderu blesku (hlavní nebo zpětný proud úderu, vstup a výstup).

b) Zóna 2 – Povrchy, u kterých je malá pravděpodobnost přitažení prvotního úderu, ale vysoká pravděpodobnost odrazu blesku (zpětný proud), který je způsoben tokem vzduchu ze zóny 1, kam byl přitažen prvotní úder blesku.

c) Zóna 3 – Všechny ostatní povrchy, které nepatří ani do zóny 1 ani 2. U takových ploch je pravděpodobnost přitažení blesku malá, ale mohou vést proud blesku mezi body přitažení umístěnými v zóně 1 nebo 2. V některých oblastech zóny 3 se může objevit celý výboj blesku.

Zóny 1 a 2 je možno dále rozdělit na oblasti v závislosti na pravděpodobnosti setrvání blesku po určitou časovou periodu. Tato pravděpodobnost je nižší pro oblast A a vyšší pro oblast B. Tyto zóny se definují následovně:

a) Zóna 1A – Počáteční bod přitažení s malou pravděpodobností setrvání vzestupné hrany po dobu přesahující 50 ms.

b) Zóna 1B Počáteční bod přitažení s vysokou pravděpodobností setrvání sestupné hrany po dobu přesahující 50 ms.

c) Zóna 1C – Omezená oblast povrchu leteckého a kosmického prostředku za zónou 1A, ve které se může přitažení prvotního úderu rozdělit a může tedy vytvořit místo pro přitažení prvního zpětného úderu.

d) Zóna 2A – Rozdělený úder s malou pravděpodobností setrvání blesku v počáteční nebo střední pozici Zóny 2 po dobu přesahující 50 ms.

Kmitočet

Napětí d

B

V/m

(šíř

ka p

ásm

a 1

kH

z)


42

e) Zóna 2B – Rozdělený úder s vysokou pravděpodobností setrvání blesku, jako zadní hrana v Zóně 2, po dobu přesahující 50 ms.

Výše uvedená koncepce zón a její použití platí pouze pro letadla a nelze ji stejným způsobem použít pro pozemní a námořní prostředky. Tyto prostředky mají samozřejmě body připojení (Zóna 1) a cestu proudu (Zóna 3) mezi bodem přitažení a zemí a je možno tedy aplikovat princip zón. Všechny body přitažení blesku patří do kategorie Zóna 1B. Parametry použitelné pro Zónu 1B a Zónu 3 u pozemních a námořních prostředků a instalace jsou uvedeny u jednotlivých zón v tabulce 9.

9.6 Idealizované prostředí blesku

Tento článek specifikuje prostředí, ve kterém hrozí úder blesku, uvažované pro pozemní, námořní a leteckou techniku. Úrovně se určují z výše uvedených parametrů přírodního blesku a prostředí odvozeného z leteckých platforem. Tyto úrovně se také používají se jako základ pro ostatní systémy. Tato odvozená prostředí se nepoužívají přímo pro zkoušky a hodnocení, ale uvádějí se zde pro poskytnutí základních informací pro vnitřní prostředí, které se popisuje později. Tento postup je nutný z hlediska statistického charakteru parametrů blesku a v případech, kdy není možno reprodukovat skutečný blesk při zkoušce. Je tedy nutné zajistit definování důležitých parametrů blesku.

Parametry blesků uvnitř a vně mraků platí pouze pro hrozby na leteckých platformách a zvláště pak pro tzv. „Prostředí násobných skupin impulzů“ (Multiple Burst Environment). Parametry jednotlivých impulzů a skupin impulzů způsobených výboji uvnitř (a někdy také vně) mraků, které mohou působit na letadlo mají typické hodnoty uvedené na obrázcích 28 a 29.

9.6.1 Idealizovaný průběh napětí

Uvedený průběh napětí představuje část elektrického pole, který je důležitý pro hodnocení místa možného pro přitažení blesku a/nebo pro cestu průrazu dielektrického materiálu povrchu nebo struktury. Cesta, kterou se záblesk pohybuje, má bodový nebo povrchový charakter, v závislosti na tvaru elektrického pole.

V některých případech je nutné určit kritickou amplitudu napětí, při které dojde k průrazu. Tato kritická úroveň napětí závisí na rychlosti náběhu napětí a rychlosti poklesu napětí. Dva příklady představují: určení síly izolace použité na vodiči a určení bodu ze kterého se elektrický tok na vozidle šíří po přitažení blesku.

Protože existuje velmi široké spektrum průběhů elektrického pole, které se vytvoří při úderu blesku, byly vytvořeny dva napěťové průběhy, které představují rychlý a pomalý náběh elektrického pole. Jsou to průběh A a průběh D, které se popisují v odstavcích 9.6.1.1 a 9.6.1.4.

Dva další vysokonapěťové průběhy označené jako B a C se popisují v odstavcích 9.6.1.2 a 9.6.1.3. První z nich je napěťový průběh, který se používá v případě, že se požaduje impulzní pole, které nevyvolá průraz. Druhý průběh se používá jako model rychlé zkoušky. Průběh D se může použít jako model pomalé zkoušky.

9.6.1.1 Napěťový průběh A

Rychlost vzestupu průběhu je 1 000 kV/μs (±50 %) do té doby, než dojde k přeskoku ve vzduchové mezeře, jehož výsledkem je bodový průraz nebo přeskok napětí skrz zkoušené zařízení. V tomto okamžiku napětí poklesne na nulu. Rychlost poklesu napětí, pokud nedojde k průrazu (otevřený napěťový obvod generátoru blesku), není určen. Napěťový průběh A je uveden na obrázku 11.


43

OBRÁZEK 11: Napěťový průběh A

9.6.1.2 Napěťový průběh B

Průběh B má parametry náběhu a poklesu 1,2/50 μs a představuje průmyslový standard pro impulzní zkoušku dielektrik. Náběh napětí je 1,2 μs (±20 %) a pokles na polovinu vrcholové úrovně je 50 μs (±30 %). Doba dosažení vrcholu a poklesu odpovídá otevřenému napěťovému obvodu generátoru blesku a předpokládá, že průběh není omezen průrazem nebo přeskokem ve zkoušeném zařízení. Tento průběh je uveden na obrázku 12.

OBRÁZEK 12: Napěťový průběh B

9.6.1.3 Napěťový průběh C

Jedná se o napěťový průběh, u kterého nastane přeskok v mezeře mezi zkoušeným zařízením a zkušební elektrodou za 2 μs (±50 %). Amplituda napětí v době přeskoku a rychlost náběhu před přeskokem není určena. Průběh napětí je uveden na obrázku 13.

dV/dt = 1 000 kV/μs ±50 %

Čas Přeskok

Napětí

T1 = 1,2 μs ±20 % T2 = 50 μs ±20 %

Napětí

Čas


44

OBRÁZEK 13: Napěťový průběh C

9.6.1.4 Napěťový průběh D

Pomalý průběh má rychlost vzestupné hrany 50 a 250 μs, podle toho co umožňuje doba pro výboje z objektu. Musí dát vyšší rychlost úderu vzhledem k oblastem s malou pravděpodobností, než by se jinak očekávalo. Tento průběh je uveden na obrázku 14.

OBRÁZEK 14: Napěťový průběh D

Průběh pro zkoušku bodového průrazu dielektrika (zkouška prvotního úderu) je 200/2 000 μs a je superponován na úroveň stejnosměrného proudu (DC), jak se popisuje následujícím odstavci.

Otevřený napěťový obvod (napětí se určuje v mezeře mezi zkušebními elektrodami, když nedojde v mezeře k přeskoku) vysokonapěťového generátoru musí mít vzestupnou rychlost k vrcholové úrovni napětí od času 0 s 200 μs (+10 %) a rychlost sestupu na polovinu vrcholové úrovně napětí 2 000 μs (+10 %), a musí být

Napětí

Čas Přeskok

2 μs

T1 = 50 - 250 μs ±20 % T2 = 2 000 μs ±20 %

Čas Přeskok

Napětí


45

superponován po nejméně 500 ms na průběžnou úroveň. Použití stejnosměrné úrovně, na kterou se napěťový průběh superponuje, simuluje okolní elektrické pole, které se v okolí zkoušeného zařízení vyskytuje v okamžiku úderu blesku. I když zkušenosti ukazují, že není možné předem určit intenzitu pole v okamžiku úderu blesku a mechanizmy poškození nejsou zatím zcela jasné. Z tohoto důvodu je možno stejnosměrnou úroveň vynechat.

9.6.2 Idealizované průběhy proudu

Idealizované průběhy proudu uvedené v tomto dokumentu představují prostředí, které se použije pro účely analýzy a zkoušek. Nejedná se tedy o skutečný blesk Zkušební průběhy musí mít parametry, které mají přímý a nepřímý vliv na vojenskou techniku.

Protože záporné a kladné rázy mají velmi rozdílné charakteristiky a pravděpodobnosti výskytu v různých částech světa, je při kombinování jejich parametrů problém vytvoření skutečně nejhoršího případu. V tomto případě se pro veškerá prostředí předpokládá průměrná hodnota kolem 10 % kladných úderů směrem k zemi. Rozebírá se zde také procentuální úroveň, která se musí použít pro definování nejhoršího prostředí a způsob zpracování statistických údajů o záporných a kladných výbojích. Eurocae [18] a Společenství výrobců automobilů (SAE) [19] ve svých normách, které se týkají prostředí blesku pro letadla, používají standardní úrovně. Ovšem z důvodů vyššího poměru kladných a záporných rázů v některých částech světa (konkrétně v severní Evropě a Velké Británii) a při započítání úrovně 2 % pro všechny takové blesky, jsou ve sloupci 4 uvedeny vyšší hodnoty, které jsou převzaty některými vojenskými orgány (např. [20]).

Poznámka: Dále jsou v tomto dokumentu úrovně pro civilní letectvo označeny jako standardní zatímco vyšší úrovně se uvádějí jako mezinárodně odsouhlasené průběhy na obrázcích 15 (standardní průběh) a 16 (alternativní průběh).

Ačkoliv pro pozemní a námořní prostředí lze použít kterýkoliv soubor úrovní, standardní úrovně jsou založeny na vyšší hodnotě di/dt, než byla naměřena na úrovni země. Alternativní úrovně jsou ale pro tyto průběhy odvozeny od vyšších hodnot akčních integrálů.

Složka A (Prvotní úder)

Maximální amplituda 200 kA 10 %

Akční integrál 2106 A

2 20 % Složka D (Zpětný úder)

vrcholová amplituda 100 kA 10 %

Akční integrál 0,25106 A

2s 20 % Složka B (Střední proud)

Maximální přenos náboje 10 C 10 %

Střední amplituda 2 kA 20 %

Složka C (Průběžný proud)

Přenos náboje 200 C 20 % Amplituda 200 – 800 A

Čas (bez měřítka)

Pro

ud (

bez m

ěří

tka)


46

OBRÁZEK 15: Schéma zkušebních proudových složek – standardní průběh

OBRÁZEK 16: Schéma zkušebních proudových složek – alternativní průběh

Externí prostředí blesku je srovnatelné s průběhy složek A, B, C a D. Navíc se všechna zařízení letecké platformy musí navrhnout tak, aby přečkala proudovou složku Ah (očekávaný tvar prvního návratového úderu ve větší nadmořské výšce), násobné skupiny impulzů (Multiple Burst - MB) (základ je odvozen od opakování složky H průběhu, jak se definuje v tabulce 8 a na obrázku 28) a násobné údery (Multi Stroke - MS) (srovnatelné se složkou D a D/2), jak se definuje na obrázku 29.

Proudové složky A, Ah, B, C a D jsou srovnatelné s proudovým průběhem blesku pro hodnocení přímého úderu a jsou uvedené na obrázku 15 a 16. Proudové složky A a D a průběhy MS a MB jsou použitelné pro hodnocení nepřímého úderu.

9.6.2.1 Standardní proudový průběh A – Prvotní proud úderu

Tento průběh kombinuje parametry záporných a kladných prvotních úderů. Pro letecká zařízení se nejspíše vyskytuje v nižších nadmořských výškách.

Pro analýzu a účely hodnocení nepřímých úderů se musí použít průběh dvojité exponenciály, který je uveden na obrázku 17. Tento průběh je možno definovat matematicky následujícím výrazem:

I(t) = I0(e-αt – e-βt)

kde

I0 = 218 810 A,

α = 11 354 s-1,

β = 647 265 s-1,

t = čas v (s).

Složka A (Prvotní úder)

Maximální amplituda 200 kA 10 %


2 20 %

Složka D (Zpětný úder)

vrcholová amplituda 100 kA 10 %


2s 20 %

Složka B (Střední proud)

Maximální přenos náboje 10 C 10 %

Střední amplituda 2 kA 20 %

Složka C (Průběžný proud)

Přenos náboje 300 C 20 % Amplituda 600 A ±10 %


Pro

ud (

bez m

ěří

tka)


47

Vrcholová hodnota di/dt = 1,4.1011 A/s se používá pro prostředí leteckých platforem podle experimentů prováděných na letadlech při výbojích mezi mraky i uvnitř mraku. Pro pozemní a námořní platformy se používá hodnota 1.1011 A/s.

OBRÁZEK 17: Proudová složka A pro účely analýzy a zkoušky nepřímého úderu

Pro zkušební účely přímého úderu se může složka A simulovat oscilátorem nebo jednosměrným průběhem, jaký je uveden na obrázku 18. Proud musí mít amplitudu 200 kA (±10 %) a dobu vzestupu maximálně 50 μs (doba mezi 10 % a 90 % vrcholové amplitudy). Akční integrál musí být 2.106 A2s (±20 %) a celkový čas pro dosažení 1 % vrcholové hodnoty nesmí přesáhnout 500 μs.

T1 = 6,4 μs T2 = 69 μs

Akční integrál = 2106 A

2s za dobu 500 μs

Čas (s)

Pro

ud

(A

)

2·105

1·105

0

1·1011

A/s při t = 0,5 μs

1,4·1011

A/s při t = 0 μs

6,4·10-6 6,9·10

-5

1·10-4 0 2·10

-5 4·10

-5 6·10

-5 8·10

-5


48

OBRÁZEK 18: Proudová složka A pro účely zkoušky přímého úderu

9.6.2.2 Alternativní proudová složka A – Prvotní proud blesku

Průběh pro zkoušky přímého úderu musí mít alternativní parametry uvedené v tabulce 7 a na obrázku 16.

TABULKA 7: Úroveň hrozby a průběhy

Prostředí Parametr Teoretická

celková hodnota

Praktické hodnoty čtvrtiny

amplitudy

Matematická reprezentace

celkové hodnoty

Pozemní a námořní aplikace

Obrázek 14 a tabulka 11

Vrcholový proud 200 kA 50 kA I0 (et

– et)

I0 = 214 980 A

= 6 341 s1

= 472 500 s1

Maximální rychlost náběhu

1011

A/s 2,51011

A/s


2s 0,2210

6 A

2s

Tvar průběhu A2s

9,3/125 s se setrváním 484 s pro 5 % vrcholové hodnoty

Vzdušné vnější

aplikace

Obrázek 14 a tabulka 11

Vrcholový proud 200 kA 50 kA I0 (et

– et)

I0 = 210 859 A

= 6 179 s1

= 671 141 s1

Maximální rychlost náběhu

1,41011

A/s 0,35.1011

A/s


2s 0,2210

6 A

2s

Tvar průběhu A2s

7,1/121 s se setrváním 494 s pro 5 % vrcholové hodnoty

Poznámka: Tolerance 10 % se musí použít pro všechny doby náběhu a vrcholové proudy a ±20 % pro akční integrál.

Pokud je to nutné, musí se použít pro zkoušky v pozemním i leteckém prostředí spolu s průběhem pro vnější letecké aplikace (protože průběh má rychlejší dobu náběhu).

Zkouška s impulzem D/2 bude splněna s dobou náběhu pro zkoušku A2.

Protože průběh H má vyšší kmitočtový obsah, je také nutno provádět zkoušky tímto průběhem pro vnější letecké vybavení.

Pro

ud

(A

)

Akční integrál = 2106 A

2s za dobu 500 μs

Čas (s)

2,2·105

2,0·105

1,8·105

1,6.105

1,4.105

1,2.105

1,0.105

8,0.104

6.0.104

4,0.104

2,0.104

0

3,0.10-4

≤50 μs


49

Hodnota čtvrtiny amplitudy se stejným tvarem vzestupné a sestupné hrany se musí použít při zkouškách, kdy praktické důvody znemožňují použít celé hodnoty.

OBRÁZEK 19: Průběhy A2s a A2a pro účely analýzy a zkoušek nepřímého úderu

Pro účely vlivu přímého úderu se může alternativní proudová složka A simulovat průběhem jednosměrného úderu. Proud musí mít amplitudu 200 kA (±10 %) a dobu vzestupu maximálně 50 μs (doba mezi 10 % a 90 % vrcholové amplitudy). Akční integrál musí být 3,5.106 A2s (±20 %) a celkový čas pro dosažení 100 % vrcholové hodnoty nesmí přesáhnout 500 μs.

9.6.2.3 Proudový průběh Ah – Přechodová zóna prvotního úderu

Amplituda a průběh prvotního úderu, který může zasáhnout letadlo, závisí na nadmořské výšce. Obecně platí, že nižší amplitudy a akční integrály je možno očekávat ve vyšších nadmořských výškách.

Pro účely analýzy se musí použít průběh dvojité exponenciály, která je uvedena na obrázku 20. Tento průběh je použitelný v přechodové zóně 1C a představuje předpokládaný tvar prvotního úderu (Složka A) ve vyšších nadmořských výškách.

Tento průběh je možno definovat matematicky následujícím výrazem:


kde

I0 = 164 903 A,

α = 16 065 s-1,

β = 858 888 s-1,

t = čas v (s).

Vrcholová hodnota di/dt = 1,4.1011 A/s se používá pro prostředí leteckých platforem podle experimentů prováděných na letadlech při výbojích mezi mraky i uvnitř mraku.

Pro

ud

(kA

)

Čas (μs)


50

OBRÁZEK 20: Proudová složka Ah pro účely analýzy

Pro zkušební účely přímého úderu se může složka Ah simulovat oscilátorem nebo jednosměrným průběhem jaký je uveden na obrázku 21. Proud musí mít amplitudu 150 kA (±10 %) a dobu vzestupu maximálně 37,50 μs (doba mezi 10 % a 90 % vrcholové amplitudy). Akční integrál musí být 0,8·106 A2s (±20 %) a celkový čas pro dosažení 1 % vrcholové hodnoty nesmí přesáhnout 500 μs.

OBRÁZEK 21: Proudová složka Ah pro účely zkoušky přímého úderu

1,65·105

1,50·105

1,35·105

1,20.105

1,05.105

9,00.104

7,50.104

6,00.104

4,50.104

3,00.104

1,50.104

0

T1 = 4,72 μs T2 = 49 μs

Akční integrál = 0,8106 A

2s za dobu 500 μs

1·1011


1,4·1011

A/s při t = 0 μs

7,50·104

1,50·105

Čas (s)

4,72·10-6 4,90·10

-5

1·10-4 2·10

-5 4·10

-5 6·10

-5 8·10

-5 0


2s za dobu 500 μs

Čas (s)

Pro

ud

(A

) P

roud

(A

)

3·10-4

0

≤37,5 μs


51

9.6.2.4 Proudový průběh B – Střední proud

Tato složka představuje hlavně střední proud, který následuje po prvotním záporném úderu a/nebo úderech.

Pro účely analýzy se musí použít průběh dvojité exponenciály, která je uvedena na obrázku 22. Tento průběh je možno definovat matematicky následujícím výrazem:


kde

I0 = 11,300 A,

α = 700 s-1,

β = 2,000 s-1,

t = čas v (s).

OBRÁZEK 22: Proudová složka B pro účely analýzy zkoušky nepřímého úderu

Pro zkoušky přímého úderu se může tento průběh použit jednosměrně např. s pravoúhlým, exponenciálním nebo lineárním poklesem. Střední amplituda musí být 2 kA (±20 %) s dobou trvání 5 ms (±10 %) a s přenosem náboje 10 C (±10 %).

9.6.2.5 Standardní průběh proudu C – průběžný proud

Tato proudová složka představuje prostředí blesku, které může být způsobeno dlouhým trváním proudu, který může následovat některé údery z negativně nabitého mraku do země a nebo pozitivně nabitého mraku do země.

Pro účely analýzy se musí použít obdélníkový průběh 400 A (10 %) s dobou trvání 0,5 s (viz obrázek 23).

Průběh dvojité exponenciály

Obdélníkový průběh

Čas (s)

Pro

ud

(A

)

4,5·103

4,0·103

3,5·103

3,0·103

2,5·103

2,0·103

1,5·103

1,0·103

5,0·102

0

0 2,0·10-3 4,0·10

-3 8,0·10

-3 1,0·10

-2 6,0·10

-3


52

OBRÁZEK 23: Proudová složka C pro účely analýzy

Pro zkoušku přímého úderu se musí použít průběh C s amplitudou proudu mezi 200 A a 800 A (±10 %) s dobou trvání mezi 0,25 a 1,0 s a přenosem náboje 200 C (±20 %). Tento průběh musí být jednosměrný, např. s pravoúhlým, exponenciálním nebo lineárním poklesem. Příklady jsou uvedeny na obrázcích 24 a 25.

OBRÁZEK 24: Příklad proudové složky C pro účely zkoušek přímým úderem

Čas (s)

Čas (s)

Pro

ud

(A

)

8,0·10-1 6,0·10

-1 4,0·10

-1 1,0·10 2,0·10

-1 0

Průběh dvojité exponenciály

Obdélníkový průběh

Lineárně klesající průběh

Pro

ud

(A

) 400 A/0,5 s

8,0·10-1

9,0·10-1

1,0·10 7,0·10-1

5,0·10-1

4,0·10-1

6,0·10-1


53

OBRÁZEK 25: Příklad proudové složky C pro účely zkoušek přímým úderem

9.6.2.6 Alternativní proudový průběh C – průběžný proud

Pro analýzu nepřímého a přímého úderu se musí použít obdélníkový průběh proudu 600 A s dobou trvání 0,5 s a přenosem náboje 300 C.

9.6.2.7 Standardní a alternativní proudový průběh C* - modifikovaná složka C

Tato složka se používá zvláště pro vzdušné síly a představuje část složky C, která protéká uvnitř bodu přitažení Zóna 1A a 2A, jestliže doba trvání překročí 5 ms. Složka C* se přednostně používá pro hodnocení průniku metalovými povrchy. Střední proud složky C* není menší než 400 A po dobu, která se rovná době trvání minus 5 ms trvání složky B.

Kombinace složek A nebo D, B a C* tedy představuje dobu trvání, která se pohybuje v rozsahu 1 až 50 ms. Pro povrchy letadel, které jsou ošetřeny běžnými nátěry je doba trvání běžně 20 ms. V případě jiných povrchů mohou být doby trvání kratší nebo delší. Např. pro neošetřený kovový povrch se doba trvání pohybuje v rozsahu 1 až 5 ms v případě použití složky A nebo D a B. V případě povrchu, který je ošetřen silnou nebo dielektrickou vrstvou se může doba trvání zvýšit na hodnotu 20 ms až 50 ms.

Pro standardní úroveň je typický obdélníkový průběh 400 A (10 %) s dobou trvání 45 s a přenosem náboje 18 C (20 %).

Pro alternativní úroveň je typický obdélníkový průběh 600 A (±10 %) s dobou trvání 50 ms a přenosem náboje 30 C (±20 %).

9.6.2.8 Proudový průběh D – zpětný proud Proudová složka D má dvě použití.

a) V případě použití pro nepřímý úder a účely analýzy se musí použít průběh dvojité exponenciály, která je uvedená na obrázku 26. Tento průběh představuje prvotní úder s průběhem MS (viz obrázek 29).

Tento průběh je možno definovat matematicky následujícím výrazem:


Čas (s)

Pro

ud

(A

)

400 A/0,50 s

800 A/0,25 s

200 A/1,00 s

2·10-1

1·10 8·10-1

6·10-1

4·10-1

1,2·10 0


54

kde

I0 = 109 405 A,

α = 22 708 s-1,

β = 1 294 530 s-1,

t = čas v (s).

Vrcholová hodnota di/dt = 1,4.1011 A/s se používá pro prostředí leteckých platforem podle experimentů prováděných na letadlech při výbojích mezi mraky i uvnitř mraku. Pro pozemní a námořní platformy se používá hodnota 1.1011 A/s.

OBRÁZEK 26: Proudová složka D pro účely analýzy a zkoušky nepřímého úderu

b) Pro hodnocení přímého úderu představuje průběh D následný úder.

Pro účely vlivu přímého úderu se může alternativní proudová složka D simulovat oscilátorem nebo průběhem jednosměrného úderu (viz obrázek 27) z celkovou dobou trvání 1 % vrcholové úrovně 500 μs. Proud musí mít amplitudu 100 kA (±10 %) a dobu vzestupu maximálně 25 μs (doba mezi 10 % a 90 % vrcholové amplitudy). Akční integrál musí být 0,25·106 A2s (±20 %).

1·1011


1,4·1011

A/s při t = 0

Čas (s)

Pro

ud

(A

)

T1 = 3,18 μs T2 = 34,5 μs


2s za dobu 500 μs

3,18·10-6 3,40·10

-5

5,0·104

1,0·105

2·10-5 4·10

-5 6·10

-5 8·10

-5 1·10

-4 0


55

OBRÁZEK 27: Proudová složka D pro účely zkoušky přímého úderu

9.6.2.9 Průběh násobných skupin impulzů (Multi burst – MB)

Průběh násobných impulzů je odvozen od průběhu složky H. Složka H představuje proudové impulzy s velmi vysokou rychlostí vzestupné hrany, jejichž amplituda doby trvání je mnohem menší než zpětného úderu. Tyto impulzy byly zjištěny ve skupinách při prvotním úderu blesku na letadlech a náhodně se vyskytují během úderu blesku spolu s ostatními složkami proudu. I když nezpůsobují fyzické poškození letadla, náhodná a opakovaná povaha těchto impulzů může způsobit rušení nebo nesprávnou funkci některých systémů. Doporučený soubor průběhů představuje opakované průběhy složky H, které jsou uspořádány do tří skupin po 20 impulzech, jak je uvedeno na obrázku 28. Minimální doba mezi jednotlivými impulzy ve skupině je 50 μs a maximální 1 000 μs.

Skupiny se tvoří následujícím způsobem:

Minimální doba mezi skupinami impulzů je 30 ms a maximální 300 ms.

Pokud jsou dodrženy maximální doby mezi impulzy a skupinami impulzů, bude celková doba trvání průběhu MB 0,62 s.

Průběh H se může matematicky popsat vztahem, který je uveden v tabulce 8.

Prvotním účelem zkoušky za použití průběhu MB je ověřit funkci systémů, které mohou být citlivé na násobné indukované impulzy. Není nutné aby se tyto impulzy při zkoušce používaly s definovanými parametry. Místo toho se může analýzou nebo zkouškou ověřit vliv jednotlivých složek H a v kombinaci s indukovanými přechodovými jevy použít pro ověření systému/zařízení.

Průběh MB se používá pro ověření vlivu nepřímého úderu

1,1·105

1, 0·105

9,0·104

8,0.104

7,0.104

6,0.104

5,0.104

4,0.104

3,0.104

2,0.104

1,0.104

0


2s za dobu 500 μs

≤25 μs

Čas (s)

Pro

ud

(A

)

3·10-4


56

OBRÁZEK 28: Průběh MB

TABULKA 8: Průběh složky H průběhu MB

Parametry Charakteristiky

Vrcholový proud (každého impulzu) 10 kA

Vrcholová rychlost náběhu v čase t0 21011

A/s

Matematické vyjádření (každého impulzu)

i = I0(et

– et)

kde I0 = 10 572 A

= 187 191 s-1

= 19 105,100 s-1

Opakovací složka H 3 skupiny po 20 impulzech

Minimální doba mezi impulzy uvnitř skupiny 50 s

Maximální doba mezi impulzy uvnitř skupiny 1 000 s

Minimální perioda, se kterou se musí přenášet 3 skupiny impulzů mezi počátky

skupin 30 ms

Maximální perioda, se kterou se musí přenášet 3 skupiny impulzů mezi počátky

skupin 300 ms

9.6.2.10 Průběh násobných rázů (Multi stroke – MS)

V některých případech se pozorovalo až 14 náhodně umístěných rázů při výboji blesku mezi záporně nabitým mrakem a zemí. Dále se při výboji uvnitř mraku vyskytly náhodné impulzy s úrovní přibližně 30 kA.

Složený průběh MS se definuje jako proudová složka D, která je následovaná 13 složkami D/2, jak je uvedeno na obrázku 29. Složky D/2 se produkují náhodně v periodě 1,5 s podle následujících pravidel:

a) Minimální doba mezi složkami je 10 ms.

b) Maximální doba mezi složkami je 200 ms.

Průběh D/2 je identický s parametry proudového průběhu D, pouze I0 = 54 703 A.

Jedna skupina obsahuje 20 impulzů 20 impulzů

50 μs ≤ Δt ≤ 1 000 μs 30 ms ≤ t ≤ 300 ms


57

Prvotním účelem průběhu MS je ověření funkce systému, který může být citlivý na násobné indukované přechodové jevy. Není nutné, aby se tyto impulzy při zkoušce používaly s definovanými parametry. Místo toho se může analýzou nebo zkouškou ověřit vliv jednotlivých impulzů a v kombinaci s MS indukovanými přechodovými jevy použít pro ověření systému/zařízení.

Průběh MS se používá pro ověření vlivu nepřímého úderu.

OBRÁZEK 29: Průběh MS

9.6.3 Prostředí vzdušných, pozemních a námořních platforem

Výboje, které mají vliv na vzdušné prostředky, mohou probíhat mezi mrakem a zemí, popřípadě mezi mraky a uvnitř mraků. Mohou se spustit vlivem přítomnosti vzdušného prostředku, zvláště výboje uvnitř mraku. Předpokládalo se, že výboje mezi mraky nebo uvnitř mraků jsou méně nebezpečné, než výboje mezi mrakem a zemí (s ohledem na hodnotu di/dt). Pro definování úrovně hrozby pro letadlo se může použít kombinace parametrů výboje mezi mrakem a zemí a mezi mraky.

Vzdušné prostředky se musí navrhnout tak, aby odolaly výbojům s parametry odpovídající zóny, které jsou uvedeny v tabulce 9. Musí se zcela jednoznačně rozhodnout, zda se jedná o nejhorší parametry, které lze v daném případě očekávat. Parametry se přibližují skutečnému průběhu blesku a není možné je nahradit dvojitou exponenciálou (pro konkrétní zónu přitažení).

V konkrétní geografické oblasti (např. Severní moře), kde je poměr negativních a pozitivních výbojů známý (9:1), je možné přepočítat úrovně postupem uvedeným v [21].

Pozemní a námořní zařízení musí odolat prostředí MS definované na obrázku 29.

1,5 s


58

TABULKA 9: Proudové složky použitelné pro zkušební zóny

Použití

Zóna přitažení blesku

Napěťová složka

Proudová složka

A B C D

Vzdušné 1A A, B, D X (pozn. 4)

X X (pozn. 1)

Vzdušné, pozemní

a námořní

1B (pozn. 3)

A, B, D X (pozn.

4) X X X

Vzdušné 1C A X (pozn.

2)

X (pozn. 1)

Vzdušné 2A A

X X (pozn.

1) X

Vzdušné 2B A X X X

Vzdušné, pozemní

a námořní 3 (pozn. 3)

- X (pozn.

4) X X X

Poznámka 1: V této zóně, která obsahuje rozmítané údery se musí použít modifikované proudové složky. (pro standardní úroveň 400 A/45 ms (18 C) a pro alternativní úroveň 600 A/50 ms (30 C)).

Poznámka 2: Redukovaná složka Ah.

Poznámka 3: Také použitelné pro pozemní a námořní aplikace.

Poznámka 4: Může se použít standardní nebo alternativní úroveň.

9.6.4 Podrobný popis prostředí blízkého úderu

Minimální vzdálenost blízkého úderu blesku od zařízení, před tím než dojde k přímému úderu, bude záviset na uspořádání místa a zařízení. Nejhorší případ předpokládá ploché místo. Minimální vzdálenost (R) před přímým úderem se může předpovědět metodou valící se koule. Magnetické pole (H-), které lze očekávat od blízkého úderu blesku se může určit následujícím výrazem:

R

IH

2

kde

H = intenzita pole (A/m),

I = proud blesku (A),

R = vzdálenost mezi bleskovým kanálem a zařízením (m). Prostředí vytvořené vlivem blesku směrem k zemi ve vzdálenosti R je dáno výrazy v tabulce 10, kde R je >10 m, di/dt = 1011 A/s a Ipk = 200 kA.


59

TABULKA 10: Prostředí blízkého úderu blesku ve vzdálenosti R od úderu na ploše

Parametry Hodnota Jednotka

Maximální (horizontální) magnetické pole H 3,2104 / R A/m

Rychlost změny magnetického pole dH/dt 1,61010

/ R A/m/s

Maximální (vertikální) elektrické pole E 3106 / (1 + R

2 / 50

2)1/2

V/m

Rychlost změny elektrického pole dE/dt 61012

/ (1 + R2 / 50

2)1/2

V/m/s

Průběhy prostředí blízkého úderu blesku se musí určit národním postupem.

9.7 Zkoušky vnitřního prostředí a průběhy pro zkoušky citlivosti zařízení

Externí prostředí popsaná v předchozích odstavcích, dávají návod pro definování interních prostředí, kde se přechodové signály indukují do kabeláže vnitřního vybavení. Tato interní prostředí závisí na dopravním prostředku a je tedy obtížné definovat generické prostředí pro všechny třídy techniky. Prostředí popsané dále je určeno pro letadla. Vazební mechanizmus mezi externím a interním prostředím je závislý na konkrétní technice a stanovuje charakteristické přechodové průběhy pro letecké prostředí uvedené dále.

9.7.1 Původ a tvar indukovaných průběhů

V elektrických vodičích techniky zasažené bleskem, nebo techniky, která se nachází v blízkosti úderu blesku, se indukují přechodová napětí a proudy, které mohou způsobit poruchy činnosti nebo permanentní poškození nedostatečně odolného zařízení. Zkoušky zařízení přechodovými jevy vyžadují různé napěťové a proudové průběhy, které se musí zvolit tak, aby pokryly všechny možné vazební režimy. Účelem těchto zkoušek je určit, zda zařízení může odolávat dané zkušební úrovni přechodových jevů (reprezentativním průběhům) bez poškození nebo funkčních chyb. Úrovně, které jsou uvedeny v tabulce 11, jsou určeny pro zkoušené kabelové svazky zařízení/podsystémů.

TABULKA 11: Čtyři standardní průběhy pro zkoušky zařízení

Průběh Charakteristika Matematická interpretace

Střední impulz (IP)

Obrázek 30 6,4/70 s

i =1,09405 Ip (et – et)

Používá se pro dobře chráněné kovové konstrukce.

= 11 354 s1

= 647 265 s1

Krátký impulz (SP)

Obrázek 31

100 ns vzestup,

6,4 s protnutí nulové úrovně

Odvozuje

se z i pro IP = 1,09405IP (et

– et), což dává okamžitou vzestupnou hranu v čase nula, pro praktické účely

se však používá vzestupná

hrana 100 ns viz obrázek 31


60

TABULKA 11: Čtyři standardní průběhy pro zkoušky zařízení

Průběh Charakteristika Matematická interpretace

Dlouhý impulz (LP)

Obrázek 32 50/500 a 40/120 s

i = KIp(et – et)

Průběh 50/500 je

určen pro málo chráněné

kompozitní konstrukce.

= 1 585 s1

= 80 022

s1

K = 1,104

Průběh 40/120 je

určen pro hliníkové konstrukce.

= 12 400

s1

= 45 000

s1

K = 2,25

Tlumená sinusovka (DS)

Obrázek 33 Podrobnosti viz obrázek 33

I0eft/Q sin(2ft)

I0 je prvotní amplituda (t = 0) obálky oscilací.

Q je Q činitel = /r kde r je logaritmický pokles mezi

0,462 a 0,0959

Poznámka: Poměr postupných vrcholů stejného znaménka je e/Q.

Instalační kategorie zařízení a zkušební úrovně pro IP, SP a LP jsou uvedeny v odstavci 9.7.2.

9.7.2 Použití průběhů

Pokud se zamýšlí ohodnotit jednotlivá zařízení, což je případ vnějšího leteckého prostředí, je třeba sestavit vhodný zkušební plán včetně průběhů a zkušebních úrovní. Pro vnější letecké prostředí se používají průběhy DS a SP a dále IP nebo LP (vhodný LP průběh se použije pro zařízení nebo kabeláž, které jsou umístěny v kompozitní konstrukci nebo v blízkosti hliníkové konstrukce s významnou indukčností/odporem. Může se také použít v případě, kdy nestíněné upevňovací pásky procházejí skrz nebo uvnitř kovových žlabů, kanálů nebo mají instalované stínící opletení. Průběh IP se také používá v případě, kdy kabely procházejí v blízkosti dobře stíněných kovových konstrukcí, takže mohou být nositeli proudů blesku). Zkušební úrovně vhodné pro tyto průběhy při použití v externím leteckém prostředí jsou uvedeny v odstavcích 9.7.3.1 až 9.7.3.8. Průběhy a úrovně pro ostatní techniku se musí odsouhlasit národním orgánem.

9.7.3 Pozemní a námořní zařízení

Zkušební úrovně pro pozemní a námořní bojová zařízení nejsou v tomto dokumentu uvedeny a musí se konzultovat se státním orgánem. V případech, kdy se ukáže, že je vhodné použít průběhy pro leteckou techniku, je možno použít úrovně těchto průběhů.

9.7.3.1 Externí letecká zařízení

Zkušební úrovně pro zařízení průběhů IP, SP a LP se získají z impulzních zkoušek techniky jako vypočtené přechodové úrovně (CTL), jak je uvedeno v ČOS 051627,


61

kategorie 508, část 4 [22]. Pokud nebyly provedeny ani zkoušky ani modelování, jsou úrovně pro leteckou bojovou techniku uvedeny v následujících odstavcích.

9.7.3.2 Instalační kategorie zařízení pro IP, SP a LP průběhy

Pokud nejsou známé úrovně CTL, volí se maximální zkušební úrovně podle instalačních kategorií A – D (elektromagnetické prostředí zařízení) a E (důležitost zařízení).

CAT A – Zařízení a kabeláž jsou instalované v chráněném elektromagnetickém prostředí, ke kterým patří uzavřené prostory z kovového materiálu.

CAT B – Zařízení a kabeláž jsou instalované v částečně krytém prostředí, např. dielektrické kryty v rozlehlé kovové konstrukci.

CAT C – Zařízení a kabeláž patří ke stejné části materiálové konstrukce, která je vystavena elektromagnetickému prostředí a kdy velké části konstrukce jsou vyrobeny ze špatně vodivého materiálu nebo kompozitního (CFC) materiálu.

CAT D – Zařízení a kabeláž jsou umístěny v různých částech struktury materiálu, která je vystavena elektromagnetickému prostředí a kdy velké části konstrukce jsou vyrobeny ze špatně vodivého materiálu nebo kompozitního (CFC) materiálu.

CAT E – Zařízení, které je ohodnoceno jako zařízení, na které přechodové jevy způsobené úderem blesku do země nemají vliv, nebo u kterého funkční chyby nebo poškození nemají vliv na bezpečnost nebo na úspěch operace.

Pokud je možno zařízení nebo kabeláž zařadit do více než jedné výše uvedené kategorie, musí se použít zkušební úrovně pro horší prostředí.

Zkušební úrovně vhodné pro zkušební kategorie s tolerancí 10 % jsou definovány v tabulce 12.

TABULKA 12: Zkušební úrovně pro instalační kategorie zařízení

Kategorie

Průběh (napětí/proud V/A 10 %

SP (krátký)

V/I

IP (střední)

jako proud V/I

IP (střední)

jako napětí V/I

LP (dlouhý)

V/I

A 125/250 125/250 N/A N/A

B 300/600 300/600 2 000/1 000 2 000/1 000

C 750/1 500 750/1 500 2 000/3 000 2 000/3 000

D 1 600/3 200 1 600/3 200 2 000/10 000 2 000/10 000

E N/A N/A N/A N/A

9.7.4 Úrovně a kmitočty průběhu DS pro použití v externím leteckém prostředí

9.7.4.1 Volba kmitočtů zkoušek přechodových jevů

V průběhu zkoušek, které používají metodu injektáže, se musí používat přechodové impulzy s následujícími kmitočty:

a) Nejcitlivější kmitočty v rozsahu 2 MHz až 50 MHz, nalezené předtím při EMC zkouškách injektáže průběžných signálů (CW) do kabelových svazků.

b) Kmitočty, při kterých je impedance kabelu minimální a maximální.


62

c) V kmitočtovém rozsahu 2 MHz až 50 MHz nejméně 50 kmitočtů, které ve vnitřních obvodech zkoušeného zařízení (EUT) vyvolají nějaké rezonance, takže aktivní nebo pasivní zařízení je vystaveno nebezpečí maximálních napětí nebo proudů. Tyto kmitočty se musí rozmístit v logaritmickém měřítku. Vhodné kmitočty pro injektáž je možné získat z následujícího vztahu:

Zkušební kmitočet (MHz) = 10(0,3 + 0,028k)

kde

k = 0, 1, 2, 3 až 50 pro 50 kmitočtů.

9.7.4.2 Zkušební meze

Pokud nejsou úrovně CTL známé, musí se použít mezní hodnoty z obrázku 34 a explicitně zmíněné následující hodnoty:

a) Proudová mez 30 A v pásmu 2 až 30 MHz, která se snižuje na 15 A při 50 MHz.

b) Napěťová mez 3 kV v pásmu 2 až 30 MHz, která se snižuje na 1,5 kV při 50 MHz.

c) Mez 30 kVA v pásmu 2 až 30 MHz, která se snižuje na 7,5 kVA při 50 MHz.

Poznámka: Výše uvedené mezní hodnoty není možno používat společně. Maximální zkušební úroveň je nastavena tehdy, kdy je dosažena některá výše uvedená mezní hodnota.

9.7.5 Zkušební průběh a úrovně násobné skupiny impulzů (MB) a násobných rázů (MS)

Pokud je nutno použít zkoušku násobnými skupinami impulzů, nebo násobnými rázy, musí se úrovně impulzů nastavit podle obrázků 30, 31 a použít injektáž proudu do kabelových vodičů. Hodnoty proudové injektáže se musí vypočítat/určit na základě relativní polohy v kabelové struktuře, která může vést proud.

9.7.6 Zkušební průběhy pro nepřímo indukované napětí a zkoušky přerušené izolace

Často je vhodné vyhodnotit vliv napětí indukovaného při úderu blesku v jednotlivých podsystémech nebo součástkách, jako jsou antény nebo externí snímače, které jsou konkrétně náchylné k přerušení izolace nebo zničení napěťovým rázem. Takové zkoušky je možno provádět odděleně nebo spolu s impulzními zkouškami popsanými výše. Při zkouškách průchodu otvory nebo vazbou je důležitým parametrem di/dt; tyto zkoušky se musí provádět za použití průběhu D2, který je definován v tabulce 13.


63

TABULKA 13: Úroveň a průběh D2

Prostředí Průběh Matematická interpretace

Pozemní aplikace

D2s Obrázek 35

I0 (et – et)

I0 = 113 235 A

= 27 702 s1

= 906 820 s1

Externí letecké aplikace

D2a Obrázek 35

I0 (et – et)

I0 = 109 405 A

= 22 708 s-1

= 1 294 530 s-1

OBRÁZEK 30: Průběh středního impulzu (IP), který simuluje odporovou vazbu

Vrcholový proud nebo napětí (%)

T1 = 6,4 s 20 %

T2 = 70 s 20 %



64

OBRÁZEK 31: Průběh krátkého impulzu (SP), který simuluje vazbu otvorem

OBRÁZEK 32: Průběh dlouhého impulzu (LP), který simuluje vazbu difúzí/přerozdělením


T1 = 100 ns max.

T2 = 6,4 s 20 %


Podkmit musí být menší než 20 % vrcholové hodnoty


Hliníková struktura LP-B

T1 = 40 s 20 %

T2 = 120 s 20 % Málo chráněná kompozitní struktura LP-B

T1 = 50 s 20 %

T2 = 500 s 20 %



65

OBRÁZEK 33: Zkušební průběh tlumené sinusovky (DS)

OBRÁZEK 34: Zkušební meze proudu, napětí a kVA

Amplituda osmé poloviny cyklu musí být nejméně 25 % ale ne více než 75 % druhé poloviny cyklu při injektáži do

obvodu s impedancí 100

Čas

Amplituda napětí

Rezonanční kmitočet musí být laditelný v kmitočtovém pásmu 2 MHz až 50 MHz

8. polovina cyklu

2. polovina cyklu

Kmitočet (MHz)

Napěťová mez: 3 kV, 2 30 MHz snižuje se na 1,5 kV při 50 MHz

MVA mez: 30 kVA, 2 30 MHz snižuje se na 7,5 kVA při 50 MHz

Indukovaný p

roud (

A)


66

OBRÁZEK 35: Průběhy D2s a D2a – zkoušky nepřímých vlivů


[15] ČOS 999935, Část 253: (Vliv okolního prostředí na vojenskou techniku. Podmínky

elektrického a elektromagnetického prostředí - Elektrostatický náboj, výboj a poruchy způsobené atmosférickými srážkami (P-Static).

[16] Lightning Vol 1: Edited by RH Golde. Academic Press (Blesk, díl 1).

[17] EUROCAE ED 84: Aircraft Lightning Environments and Related Test Waveforms (Prostředí blesku pro letadla a odpovídající zkušební průběhy).

[18] EUROCAE ED105: Aircraft Lightning Test Methods (Zkušební metody prostředí blesku pro letadla).

[19] SAE ARP 5416: Aircraft Lightning Test Methods (Zkušební metody prostředí blesku pro letadla).

[20] UK Def Stan 59-113: Lightning Strike Protection Requirements for Service Aircraft (Požadavky ochrany proti úderu blesku pro služební letadla).

[21] The selection of parameter values of negative and positive lightning for combination in the composite test waveform. RH Evans & GAM Odam. International Aerospace & Ground Conference on Lightning and Static Electricity, Williamsburg, 1995 (Výběr hodnot parametrů záporného a kladného výboje blesku pro kombinaci složených zkušebních průběhů).

[22] ČOS 051627, 5. Vydání

Čas (s)

Am

plit

ud

a (

kA

)


67

10 Část 255 Stejnosměrná (DC) a nízkofrekvenční (LF) magnetická pole

10.1 Cíl

Cílem této části je definovat stejnosměrná (DC) a nízkofrekvenční (LF) magnetická pole, která se vyskytují v pracovním elektromagnetickém prostředí paluby plavidla. Tato prostředí se mohou použít pro definování konstrukčních a zkušebních požadavků pro palubní systémy a zařízení plavidel. Jsou definována rovněž LF pole, která se mají použít pro konstrukční a zkušební požadavky systémů a zařízení jak letadel, tak pozemní systémy a pozemní zařízení.

10.2 Použitelnost

Tato část se týká přednostně vývoje konstrukčních a zkušebních požadavků pro palubní zařízení a systémy plavidel. Jedná se především o reakce na zařízení pro odmagnetování lodě typu degaussing, deperming a flashing, kdy na lodě a ponorky působí velmi silná stejnosměrná (DC) magnetická pole. Stejnosměrná pole pro pozemní vozidla a letadla se nedefinují, protože v tomto případě nejsou významná a v minulosti nepředstavovala žádný problém. LF magnetická pole se definují pro všechny platformy.

Poznámka: Termín plavidlo v této části zahrnuje lodě určené k plavbě na hladině a ponorky.

10.3 DC a LF magnetická pole

10.3.1 Úvod

Tato část popisuje jev stejnosměrných (DC) magnetických polí a všech nízkofrekvenčních polí, která jsou důsledkem elektrických proudů v napájecích nebo jiných elektrických vodičích. Tento jev může způsobovat rušení elektronických zařízení, která při své činnosti používají magnetické pole, jako jsou monitory s katodovými trubicemi (CRT) nebo gyroskopy.

10.3.2 Stejnosměrná (DC) magnetická pole na palubách plavidel

10.3.2.1 Stejnosměrná magnetická pole

Stejnosměrná magnetická pole lodí jsou způsobována především lodními odmagnetovacími systémy a jsou součtem magnetických siločar existujících uvnitř nebo vně lodi. Tato pole nejsou uniformní a mění se v závislosti na místě a čase. Pokud má pole dostatečnou velikost v každém daném případě, může mít degradující vliv na provoz zařízení umístěných uvnitř nebo na povrchu lodě. Pokud by stanovení vhodnosti zařízení bylo učiněno na základě očekávání jiného než obecného prostředí, byly by potřebné podrobné znalosti o přesném místě instalace, jakož i předpověď budoucích změn. Palubní zařízení se musí navrhnout a vyrobit tak, aby nebylo nepříznivě ovlivňováno v „nejhorších případech“, které se mohou běžně očekávat. DC pole se také vytváří v případech, kdy loď absolvuje magnetickou úpravu, včetně procesu odmagnetování typu deperming a flashing.

10.3.2.2 Odmagnetovací kabely

Magnetické pole není v celé lodi uniformní, ale při běžném provozu závisí na blízkosti odmagnetovacích kabelů. Tyto se vyskytují přibližně v 75 % místností umístěných mezi kýlem a hlavní palubou. V průběhu odmagnetování typu deperming se mohou tato pole očekávat po celé lodi.


68

10.3.2.3 Konstrukční přerušení

Přepážky, nebo jiné prvky konstrukce (včetně zařízení) se mohou stát návratovou cestou pro magnetický tok a výsledkem je místní koncentrace magnetického pole. Přerušení (štěrbiny otvory atd.) v návratové cestě mohou významně zvýšit místní hodnoty pole. Pro zařízení, která jsou instalována v blízkosti takových přerušení to může znamenat zhoršení činnosti vlivem zvýšených úrovní magnetického pole.

10.3.2.4 Předpokládané umístění

Jak již bylo uvedeno, není magnetické pole v lodi uniformní. Při umisťování zařízení na lodi je nutno brát v úvahu různou intenzitu pole. Ve vzdálenosti 0,3 m od odmagnetovacích kabelů se mohou vyskytnout hodnoty pole překračující úrovně uvedené dále. Naopak je možno očekávat, že pokud bude zařízení umístěno ve vzdálenosti nejméně 3 metry od odmagnetovacích kabelů, je možno očekávat hodnoty menší než ty, které jsou uvedeny v odstavci 10.3.4. Navzdory umístění musí zařízení splňovat podrobné požadavky zkušebních metod ČOS 051627, Kategorie 501, zkušební metoda NRS04.

10.3.2.5 Konstrukční stínění

Kovové paluby a přepážky mezi odmagnetovacími kabely nebo dalšími zdroji magnetického pole a zařízením mohou působit jako určité stínění a snižovat úroveň magnetického pole, která by se v tomto místě za jiných okolností vyskytovala. Avšak využití této výhody stínícího účinku vyžaduje znalost o přesném umístění odmagnetovacích kabelů nebo jiných zdrojů pole ve vztahu k umístění zařízení, a vyžaduje plnou kontrolu nad změnami umístění. Tento stínící účinek nesmí snižovat požadavky na zařízení uvedené v této části. I když v případě, že není možno z technického hlediska požadavky této části splnit, může se konstrukční stínění brát v úvahu.

10.3.3 LF magnetická pole

10.3.3.1 Kmitočet magnetického pole

Magnetická pole na různých platformách jsou obecně způsobena vyrovnávacími proudy z vodičů, kterými protéká vysoký proud. Pole jsou tedy významná na kmitočtech napájecích zdrojů, jejich harmonických složkách a nízkých kmitočtech přibližně do 100 kHz.

10.3.3.2 Místní magnetická pole

Místní magnetická pole se generují různými zdroji, jako jsou:

a) elektrické napájecí kabely,

b) generátory,

c) motory,

d) svařovací obvody,

e) rozvaděče elektrického napájení a řídicí zařízení,

f) transformátory.

Umístění zařízení v blízkosti těchto zdrojů se musí důkladně zvážit.

10.3.3.3 Napájecí vodiče lodí s elektrickým pohonem

Lodě s elektrickým pohonem nepoužívají pro pohon lodě nebo start letadel parní nebo jiný mechanický systém. Tyto lodě vykazují ve svých napájecích vodičích velmi vysoké elektrické proudy a mají potenciálně velmi vysoké úrovně harmonických/spínacích kmitočtů. Tyto proudy mohou v blízkosti napájecích vodičů a připojených zařízení


69

produkovat významná magnetická pole, ale záleží také na návrhu buzení, zatěžovacího systému a typu použitých kabelů. Očekává se, že pole uvedená na obrázku 36 se hodí pro většinu situací, ale v případě, že se napájecí kabely nacházejí v blízkosti citlivých zařízení, se mohou vyskytovat i vyšší hodnoty.

OBRÁZEK 36: LF pole v podpalubí lodí a v leteckých aplikacích

10.3.4 Prostředí

10.3.4.1 DC magnetická pole lodí

Očekávaná stejnosměrná magnetická pole lodí pro zařízení pracující v podpalubí (jinde než na otevřené palubě) v Severoatlantické alianci (NATO) jsou uvedena v tabulce 14.

Maximální očekávaná intenzita stacionárních polí lodí je 1 600 A/m. Maximální rychlost změny je 1 600 A/m/s. Ani orientace ani směr magnetických polí se neuvažují. Samostatné hodnoty polí, která se vytvářejí při procesu odmagnetování typu degaussing, deperming a flashing jsou k dispozici, takže u lodí, kde se odmagnetování typu deperming neprovádí nebo tam, kde se předtím veškeré zařízení odstraňuje, je možno tyto hodnoty připustit.

TABULKA 14: Typická stejnosměrná magnetická pole lodí

Typ odmagnetování

Parametry

Statické magnetické pole (A/m)

Změna magnetického pole (A/m)

Degaussing 1 600 1 600/s

Deperming 1 600 1 600/s

Flashing 1 600 1 600/s

10.3.4.2 LF magnetická pole

Obrázek 36 ukazuje očekávaná LF pole pro lodní zařízení, která jsou umístěna v podpalubí a pro zařízení na všech leteckých platformách v rámci NATO.

Kmitočet

Me

zn

í ú

rove

ň (

dB

pT

)

10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz


70

Obrázek 37 ukazuje očekávaná LF pole pro pozemní systémy a zařízení v rámci NATO.

OBRÁZEK 37: LF pole pro pozemní systémy a zařízení

Kmitočet

Me

zn

í ú

rove

ň (

dB

pT

)

10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz


71

11 Část 256 Jaderný elektromagnetický impulz

11.1 Úvod

Jaderný elektromagnetický impulz (NEMP nebo také EMP) je termín, běžně užívaný pro elektromagnetické jevy, které jsou důsledkem jaderného výbuchu. Účelem této části je popsat jednoduchým způsobem vznik NEMP/EMP impulzu, jeho základní charakteristiky a metody, kterými tyto signály pronikají na platformy a do systémů. Zde uváděný popis je neutajovaný, i když se uvádějí odkazy na utajované dokumenty. Pro další popis vyzařovaného prostředí EMP v neutajované podobě je možno použít dokument IEC 61000-2-9 [23]. Neutajovaný popis prostředí EMP vedených emisí je uveden v dokumentu IEC 61000-2-10 [24].

11.2 Použití

EMP může způsobit krátkodobé, ale i dlouhodobé výpadky funkce a je schopen způsobit dočasné nebo dlouhodobé poruchy moderních elektronických a elektrických systémů ve všech geografických oblastech světa. Ovlivněna mohou být stacionární zařízení, mobilní pozemní zařízení, letadla, družice, naváděcí systémy řízených střel a námořní zařízení a je tedy nutné tato zařízení pro bezporuchový provoz v nebezpečném elektromagnetickém prostředí upravit.

Protože charakter, nadmořská výška výbuchu, místo a vzdálenost zařízení od centra výbuchu má vliv na intenzitu a tvar signálu, je vhodné rozlišovat EMP ve velké výšce (HEMP), EMP zdrojové oblasti SREMP a EMP generovaný systémem SGEMP.

Utajované definice HEMP a SREMP jsou uvedeny v dokumentu STANAG 4145 [25]. Obě kritéria jsou výsledkem elektromagnetického pole vznikajícího v důsledku produktů výbuchu (rentgenové, gama a neutronové záření), které působí jednak na horní vrstvy atmosféry Země (HEMP) a jednak na Zemi a na její dolní vrstvy atmosféry (SREMP).

Na druhé straně SGEMP se neobjeví, dokud není přítomno zařízení. Jedná se o vazební signál, který je důsledkem produktů výbuchu, které ovlivňují přímo toto zařízení. Protože signály SGEMP silně závisí na topologii zařízení, nejsou v Organizaci Severoatlantické smlouvy (NATO) žádná napěťová a proudová kritéria SGEMP specifikována. Na základě dostupných informací musí tyto hodnoty pro svá zařízení, letadla, lodě, družice nebo vozidla definovat příslušný stát. Typicky je možno pro zařízení, která se vyskytují v blízkosti povrchu Země, vypočítat SGEMP pro výchozí vyzařované úrovně (INR) z dokumentu [25].

11.3 Prostředí

Zde se uvádí obecný neutajovaný popis HEMP, SREMP a SGEMP, včetně původu a charakteristik.

11.3.1 Původ EMP

Nejprve je třeba definovat co se děje v centru výbuchu. Kinetická energie se vykytuje ve formě chemické (tj. mohutná exploze) a jaderné. Velkou část této energie nesou subatomární částice (neutrony) a forma elektromagnetické energie (rentgenové a gama záření). Jaderné částice se velkou rychlostí pohybují radiálně od centra výbuchu a působí na okolní látky, jako je zemská atmosféra, Země samotná nebo konkrétní zařízení. Působení je vzájemné, a pokud se odehrává v atmosféře, vytvářejí se volné náboje a kladně nabité ionty, které se označují jako zdrojová oblast. Pokud se vzájemné ovlivňování vyskytuje na Zemi nebo v zařízení, dochází k tvorbě proudů


72

a napětí. EMP je tedy generický termín, který označuje výsledné elektromagnetické pole způsobené zpomalováním elektronů (označované jako Comptonovy elektrony) geomagnetickým polem Země (v případě HEMP) nebo rozdílnými rekombinačními procesy elektronů v elektromagnetických polích (HEMP, SREMP a SGEMP).

11.3.2 HEMP

V případě HEMP dojde nejprve k interakci mezi paprsky gama (viz obrázek 38)

a horními vrstvami atmosféry Země ve zdrojové oblasti přibližně ve výšce 20 40 km nad Zemí. Vytvořené Comptonovy elektrony se pohybují přímočaře, dokud „nenarazí“ na siločáry geomagnetického pole (dojde ke změně směru) a pak pokračují v jejich směru, dokud nedojde k jejich rekombinaci v atmosféře. Během této doby vytvářejí elektrony koherentní elektromagnetický impulz. Při sledování ze Země (podél tangenciálního poloměru Rt) se jedná o jednoduše vyzařované pole, které je možno popsat intenzitou elektrického pole ve V/m.

OBRÁZEK 38: Obecný popis HEMP a pokrytí Země

11.3.3 SREMP

Pokud se ohnivá koule jaderného výbuchu dotkne Země, pak signál mimo tuto ohnivou kouli vytváří zdrojovou oblast a označuje se jako SREMP. V takovém případě nemá elektrické a magnetické pole stejný průběh a je tedy nutno identifikovat intenzitu elektrického pole v jednotkách V/m a intenzitu magnetického pole v jednotkách A/m.

Obrázek 39 ilustruje původ počátečních (vertikální elektrické pole) složek SREMP z pozemního výbuchu. Ukazuje volné elektrony detonací vytržené ze vzduchových molekul, které se pohybují radiálně od zemského povrchu a vytvářejí zdrojovou oblast ve tvaru polokoule, která je silně vodivá. V této oblasti směřuje tok elektronů vertikálně nahoru od pozemního výbuchu (všechny ostatní příspěvky jsou nevýznamné). Tento proud elektronů vytváří vertikálně polarizované elektrické pole vzhledem k Zemi. Jak se vzdálenost od Země prodlužuje, dráha elektronů se zakřivuje a elektrony se vrací

Výška výbuchu (HOB)

Oblast interakce gama/vzduch

Země

HOB

(km)

R1 (km

)


73

k Zemi. Nakonec volné elektrony, které zůstaly ve vzduchu, rekombinují s kladnými molekulami vzduchu a impedance vzduchu se vrátí na obvyklou hodnotu (která je

pro volný prostor 377 ). Dominantní pole v tomto rozsahu se redukuje na malou amplitudu vyzařovanou ve vzdáleném poli. Elektromagnetické signály jsou charakteristické počátečním elektrickým a magnetickým polem s velmi rychlými náběhy, vysokou vrcholovou hodnotou amplitudy a významnou úrovní energie.

OBRÁZEK 39: Počátek dominantního vertikálního elektrického pole SREMP

Oblast, ve které může dojít k největšímu poškození, se může v případě SREMP pohybovat 3 až 8 km od Země. V této oblasti může také vlivem detonace a mechanického rázu dojít k vážnému poškození konstrukcí obsahujících elektrická zařízení.

11.3.4 SGEMP

SGEMP je jiný než SREMP. Jedná se o impulz způsobený vzájemným působením rentgenového, gama, neutronového záření a konkrétního systému, kdy dojde k vybuzení a uvolnění elektronů. Náboj elektronů tvořících proud se promění v tok povrchem systému a vytváří tak EMP. Pokud je zařízení v blízkosti výbuchu, je přímá interakce se systémem velmi významná. Interakce zařízení, které je umístěno na Zemi, neutronové a gama záření vytvoří SGEMP, jehož vliv se zvyšuje s rozměry zařízení. V tomto případě se rentgenové záření neuplatňuje, protože se v blízkosti detonace absorbuje v okolní atmosféře a přispívá k radiálně se šířícímu teplotnímu a tlakovému impulzu. Příspěvek rentgenového záření je významný pouze ve vnější atmosféře, kde se rentgenové záření vzájemně ovlivňuje přímo se zařízením umístěným ve volném prostoru (obvykle s družicemi), a kde dochází k SGEMP. Původně byl SGEMP pro družice označován jako interní EMP (IEMP).

11.3.5 Charakteristiky EMP

Předpokládejme následující matematické vyjádření celkového elektrického pole:

Etotal = Efar + Enear = A/r + B/r2 + C/r3 +……

kde

A, B, C = konstanty,

Efar = intenzita pole ve vzdálené oblasti,

Enear = Intenzita pole v blízké oblasti.

Vzdálené pole Efar představuje složka, která klesá se směrnicí 1/r, kde r je vzdálenost mezi zdrojem a pozorovatelem. Pokud k výbuchu dojde v horních vrstvách atmosféry, odpovídá tento termín složce elektrického pole HEMP pozorovaného ze Země (Enear je

Výsledný tok proudové hustoty


74

bezvýznamné). Pokud k výbuchu dojde v blízkosti Země je hodnota Efar velmi malá a typicky se ignoruje. Blízké pole Enear (složka elektrického pole SREMP) představuje složka, která klesá se směrnicí 1/r2 nebo rychleji a může tedy být významná. Matematicky to znamená, že SREMP je mnohem více lokální a v okolí zdroje má mnohem silnější účinky než HEMP.

Obrázek 40 identifikuje primární vliv HEMP jako okamžité záření gama (E1), následované pomalejšími neutrony a interakcí sekundárního záření gama (E2). Magneto-hydrodynamický signál (MHD) formuje konečnou složku (E3). Toto je signál, který se tvoří stlačením geomagnetického pole a horizontální složkou pohybu. Na obrázku 40 představují úseky E1, E2 a E3 charakteristiky elektrického pole HEMP v krátkém, středním a dlouhém čase:

Efar = EHEMP = A/r = E + E2 + E3

OBRÁZEK 40: Základní příspěvek počátku HEMP

E1 se virtuálně váže ke všem zařízením. Typická doba vzestupu je několik nanosekund, vrcholová hodnota amplitudy je několik desítek kV/m a šířka impulzu v polovině maximální hodnoty je několik desítek nanosekund. E2 a E3 na druhé straně působí významně pouze v případě velmi dlouhých vodičů (např. distribuční vedení) z důvodu dlouhého trvání (E3 několik minut) a nízké amplitudy (pro E2 a E3 několik jednotek V/km). Základní pravidlo je to, že u systémů a platforem, které jsou kratší než 1 km, je nutno počítat pouze se složkou E1. U delších pak je nutno počítat se všemi třemi složkami.

Z technického hlediska se může Efar (HEMP) a Enear (SREMP) v okolí výbuchu přirovnat k signálům v okolí vyzařovací antény: signály v blízkosti antény představují blízké pole, charakterizované extrémně vysokou amplitudou úrovně pole blízko antény, která se snižuje rychleji než 1/r, kde r je vzdálenost mezi anténou a zařízením. Takové komplexní pole je možno nalézt v okolí výbuchu a označuje se SREMP, nebo také EMP v malé výšce (je třeba nezaměňovat s EMP blesku (LEMP)). Zatímco rozsah je menší než HEMP, který označuje výbuch ve velké výšce, SREMP dominuje nad vlivem tlakového a teplotního účinku. Má extrémně vysokou amplitudu (vyšší než HEMP) s prstencem okolo místa výbuchu, eventuálně klesá k nízké amplitudě vyzařovaného pole, než přejde na pokles se směrnicí 1/r (obrázek 41).

Čas (s)

Krátký čas Střední čas Dlouhý čas

Rychlý gama signál

Rozptýlený gama signál

Neutronový gama signál

MHD

signál


75

OBRÁZEK 41: Relativní oblast v okolí centra výbuchu, kde je dominantní SREMP

Krátký čas (E1), HEMP nebo neutajované prostředí volného pole EMP je zobrazeno na obrázku 42.

OBRÁZEK 42: Neutajované prostředí volného pole NEMP

Zobrazený zkušební průběh dvojité exponenciály HEMP se matematicky popisuje následujícím vztahem :

0)(1 tE v případě, že t ≤ 0 (rovnice 1)

tbta eekEtE 11

1011 )(

v případě, že t > 0

kde

t = čas (s),

E1 = intenzita elektrického pole v počáteční fázi impulzu (V/m),

E01 = maximální hodnota elektrického pole v počáteční fázi impulzu (V/m),

a1 = Parametr sestupné hrany impulzu v počáteční fázi (1/s),

b1 = parametr vzestupné hrany impulzu v počáteční fázi (1/s),

k1 = faktor měřítka.

Bez měřítka

Zdrojová oblast kde je SREMP

dominantní

Ohnivá koule

10 5 S/m 10

2 S/m

Čas (ns)

Inte

nzita p

ole

(kV

/m)

E1(t) = 0 pro t 0

= E01.k1(e-a

1t - e-b

1t) pro t 0 E01 = 5·10

4 V/m

a1 = 4·107 s

-1

b1 = 5·108 s

-1

k1 = 1,3


76

Co se týče analytické a číselné analýzy zkušebního impulzu HEMP (E1), je v matematickém popisu malé zjednodušení. Impulz není definován v počátečním čase t = 0. Norma VG 95371-10 toto zjednodušení upřesňuje malým rozšířením matematického vztahu. Za pomoci parametrů v tabulce 15 se počáteční fáze zkušebního impulzu HEMP popisuje následujícím vztahem, který odpovídá neutajovanému prostředí NEMP ve volném prostoru popsanému výše uvedeným vztahem za použití standardních parametrů uvedených na obrázku 42.

0)( tEEP v případě, že t ≤ –tEP/off

(rovnice 2)

EP

offeptt

EP

offEP

EP

offEP

EPEP e

T

tt

T

tt

EtE

/

10

/

10

/

max/

1

)( v případě, že t > –tEP/off

kde

t = čas (s),

EEP = intenzita elektrického pole v počáteční fázi impulzu (V/m),

EEP/max = maximální hodnota elektrického pole v počáteční fázi impulzu (V/m),

τEP = časová konstanta sestupné hrany (s),

TEP = jmenovitý vzestupný čas (s),

tEP/off = časový korekční faktor impulzu v počáteční fázi (s),

η = faktor měřítka,

Γ0 = vlnová impedance volného prostoru (377 Ω).

TABULKA 15: Parametry počáteční fáze zkušebního impulzu HPM

EEP/max

(V/m) η

TEP

(s)

τEP

(s)

tEP/off

(s)

50·103 0,6822 6,6·10-9 26,8·10-9 5,096·10-9

T1*

(ns)

T2

(ns)

dttEEP ).(0

(Vs/m)

dttEEP ).(1

00

(J/m2)

3,09 24,1 1,52.10-3 0,114

Poznámka: *Vzestupná hrana Ta = 0,8 T1

Obrázek 43 ukazuje průběh obou verzí počáteční fáze zkušebního impulzu HPM, jehož matematická interpretace je popsána vztahem (rovnice 1) a (rovnice 2) až do 10 ns. Je vidět, že mezi oběma průběhy není žádný významný rozdíl. Parametry průběhu (rovnice 2) byly zvoleny takovým způsobem, že 50 % úroveň intenzity elektrického sestupné hrany pole byla spojena s matematickým popisem impulzu (rovnice 1).


77

OBRÁZEK 43: Průběhy zkušebních impulzů HEMP popsané vztahy (1) a (2)

Obrázek 44 ukazuje mnohem podrobnější průběh vzestupné části první fáze zkušebního impulzu HEMP. Doba vzestupu Ta se definuje mezi 10 % a 90 % maximální úrovně průběhu intenzity elektrického pole. Průsečíky přímky, která je určena body 10 % a 90 % intenzity elektrického pole s úrovněmi 0 % a 100 % intenzity elektrického pole, určuje dobu T1. Dobu T2 určuje průsečík přímky s úrovní 0 % a bodem, kdy sestupná hrana dosáhne 50 % průběhu intenzity elektrického pole. Je možno pozorovat, že parametry průběhu daného vztahem (rovnice 2), ze kterého se určily body dosažení 10 % a 90 % vzestupného průběhu souhlasí s body vzestupné hrany průběhu určeného vztahem (rovnice 1). Parametry T1, T2 a energetický obsah obou průběhů jsou zcela identické.

EEP (t) – rovnice 2

E1 (t) – rovnice 1

První fáze zkušebního impulzu

HEMP


78

OBRÁZEK 44: Vzestupné hrany průběhů zkušebních impulzů HEMP popsaných vztahy (1) a (2)

11.3.6 Předpoklady zkoušky

Protože Efar (HEMP) je ekvivalentní vzdálenému poli v okolí vyzařovací antény, používá se často při zkouškách HEMP vyzařovací nebo ohraničený vlnový simulátor pro vyzařování jednoho nebo více vertikálně a horizontálně polarizovaných polí (všimněte si, že použití pouze vertikálního simulátoru není v některých případech dostačující). Pokud je zkoušený systém dostatečně jednoduchý pro identifikaci všech vazebních cest, kterými se může elektromagnetická energie dostat do zařízení, může se použít pro přivedení vypočtených zkušebních signálů do zařízení technika proudové injektáže. V časové oblasti je HEMP charakterizován elektrickým (E) a magnetickým (H) polem, která mají stejný průběh. Jsou ve vzájemném vztahu určeném konstantní impedancí volného prostoru (377 Ω), jsou kolmá navzájem a ke směru vyzařování. Šíří se vzduchem nebo volným prostorem rychlostí 3·108 m/s a nesou energii ve formě vyzářené hustoty energie. Podstatná část této energie (90 %) je v kmitočtovém rozsahu několik desítek kHz až několik set MHz. Porovnání elektrického pole HEMP s jinými výkonovými EME je provedeno na obrázku 45 jako funkce kmitočtu.

Pro typický výbuch je možno vypočítat, že dostupná průměrná hustota energie HEMP je mezi 0,1 a 0,9 J/m2. Pro zařízení, jehož povrch má několik metrů čtverečních, může mít energie vázaná na jeho povrch hodnotu až několik joule. Z dřívějších zkoušek, kdy došlo k poškození součástek plyne, že na vstup/výstup elektronického zařízení stačí přivést energii několika μJ a dojde k poškození nebo chybám v činnosti vlivem teplotního průrazu.

První fáze zkušebního impulzu

HEMP EEP (t) – vztah (2)

E1 (t) – vztah (1)


79

Souhrnně lze konstatovat, že mezi kritérii HEMP a SREMP pro zkušební účely a účely analýzy lze nalézt dva primární rozdíly. První je vztah elektrického a magnetického pole. Jak již bylo zmíněno dříve, mají E a H pole HEMP stejný průběh jejich, amplitudy se liší pouze konstantou. Tento vztah umožňuje použít pro jednoduché zkoušky HEMP simulační a vazební výpočet. V případě SREMP jsou E a H pole významně odlišná, co se týče tvaru tak i amplitudy. a je tedy podstatné, že použití simulačního a vazebního výpočtu se musí z tohoto důvodu pečlivě zvážit. Druhé rozdílové kritérium je skutečnost, že HEMP je svázán s okolním prostředím impedancí vzduchu, zatímco u SREMP tomu tak není. V oblasti blízkého pole způsobuje zvýšený tok elektronů takovou změnu impedance okolního vzduchu, která se mění v rozsahu nízkých úrovní až do úrovně impedance okolního vzduchu. Tyto časové a vzdálenostní změny impedance vzduchu komplikují zkušební a vazební výpočty. Simulátory SREMP neexistují; i když pro aproximaci složky vertikálního elektrického pole okolního vzduchu je možno použít vertikálně ohraničené vlnové simulátory. Může se také použít proudová injektáž; i když v obou případech se vyžaduje následná analýza pro určení nepřesnosti simulace.

Nakonec, SGEMP pro pozemní zařízení je výsledkem přímé interakce záření gama, neutronů a vlastního zařízení. SGEMP se tedy popisuje tvarem vlny a amplitudou vazebních, napěťových a proudových signálů. I přesto, že v NATO neexistují žádná kritéria, může se v závislosti na rozměrech zařízení a jeho provedení použít signál o napětí několik tisíc voltů. Pro kosmická zařízení je SGEMP důsledkem přímé interakce rentgenového záření a vlastního zařízení. Technika proudové injektáže je jediná jednoduchá cesta, jak přivést požadovaný proud do zkoušeného zařízení.

OBRÁZEK 45: Srovnání typických výkonových elektromagnetických prostředí


[23] IEC 61000-2-9 Electromagnetic Compatibility (EMC) – Part 2: Environment – Section 9: Description of HEMP environment – Radiated disturbance. Basic

EMC publication (Elektromagnetická kompatibilita (EMC) Část 2: Prostředí –

Oddíl 9: Popis prostředí HEMP vyzařované rušení Základní norma EMC).

Kmitočet

Vysílače, radary atd.

Ultra široké pásmo Závisí na rozsahu

Úzké pásmo Závisí na rozsahu

Spektr

áln

í husto

ta (

V/m

/Hz)

1/f2

1/f2


80

[24] IEC 61000-2-10 Electromagnetic Compatibility (EMC) – Part 2: Environment – Section 10: Description of HEMP environment – Conducted disturbance

(Elektromagnetická kompatibilita (EMC) Část 2: Prostředí Oddíl 10: Popis

prostředí HEMP Rušení šířená vedením).

[25] STANAG 4145: Nuclear Survivability Criteria for Armed Forces Materiel and Installations – AEP-4 (Kritéria odolnosti vojenského materiálu a zařízení vůči účinkům jaderného výbuchu – AEP-4).


81

12 Část 257 Výkonové mikrovlny (HPM)

12.1 Úvod

Relativně novou hrozbou pro vojenské a civilní systémy v elektromagnetickém prostředí s vysokou energií (HPEM) jsou zdroje výkonových mikrovln (HPM). Útok, provedený s tímto druhem zdroje, se obecně označuje jako úmyslná elektromagnetická interference (IEMI). Prostředí (HPEM), která jsou vytvořena s cílem rušení, se také vyskytují na kmitočtech nižších než několik desítek MHz.

Technologický pokrok v oblasti výkonových mikrovln umožňuje produkovat mnohem výkonnější zdroje mikrovln pro ozáření rozlehlých provozních zařízení. Současně je možno generovat poměrně silná pole kompaktními systémy, které je možno umísit např. do kufříku.

Je možno konstatovat, že potenciální hrozba HPM se zvyšuje. Pokud je na druhé straně systém HPM zaveden v členském státě NATO, může být nutné vlastní systémy umístěné společně s nimi zodolnit vůči poli jím vytvářeným. Avšak skutečná hrozba, která může existovat v rámci určitého scénáře jak z vlastních, tak nepřátelských zdrojů zatím nebyla plně definována žádným státem NATO. Informace uváděné níže jsou tedy všeobecné a neutajované. Pokud je třeba specifikovat prostředí HPM pro konkrétní systémy a zařízení, je třeba konzultovat se státním orgánem v tomto oboru.

Energie HPM se může vyzařovat do prostoru, nebo je možno ji do zamýšleného cíle vést vodiči/kabely. Dva hlavní způsoby, kudy může vyzařovaná energie pronikat do elektronických systémů, jsou antény nebo kabely a otvory. Indukované proudy a napětí mohou v konečném důsledku ovlivňovat cílovou elektroniku.

Nechráněné elektronické součástky je možno poškodit až na vzdálenost několika kilometrů. Pokud je možnost sabotáže a terorizmu reálná, je třeba v provozních scénářích počítat s vážnými následky, včetně důležitých prvků v civilním sektoru. V případech, kdy narušení elektronických systémů může mít vážné následky, se musí brát zřetel na potenciální útoky a souběžné/vedlejší vlivy současných a obecně dostupných technologií. Příkladem jsou např. vyřazení počítačů, otevření/uzavření elektronických ventilů, poškození dat, ztráta ovládání a přerušení napájení. Rozsah vlivů rušení se pohybuje od chyb činnosti, které zmizí po deaktivaci zdroje až po nevratné poškození. Na druhé straně patří zdroje HPM mezi obecné neletální zbraně, které je možno použít ke zničení nebo poškození nepřátelského zařízení s minimálními ztrátami na životech a vedlejšími účinky. Dnes HPM zastřešuje celou řadu aktivit, jako jsou vývoj zdrojů, šíření mikrovln, reakce elektroniky a zodolňování systémů proti těmto hrozbám.

12.2 Prostředí

Zatímco vlivy elektromagnetického prostředí s vysokou energií (HPEM), jako je blesk (LEMP) a jaderný elektromagnetický impulz (NEMP), byly v minulosti podrobně zkoumány a jejich charakteristiky jsou běžně dostupné, je výzkum výkonových mikrovln poměrně novou oblastí.

Předvídat charakteristiky nepřátelských zdrojů je velmi obtížné a možné „vlastní“ zdroje jsou předmětem bezpečnostní politiky a navíc ještě nejsou definovány dostatečně podrobným způsobem, což způsobuje, že definování HPM prostředí je velmi obtížné nebo nemožné.

Potenciálními útočníky, kteří používají HPM, jsou kriminální živly, teroristé, nespokojení zaměstnanci/zákazníci, nepřátelské vojenské/speciální síly a konkurence. Potenciální


82

scénáře jsou srovnatelné. Nespokojený zaměstnanec může do závodu přinést malé, improvizované zařízení, které může způsobovat problémy. Terorista může použít zdroj umístěný na nákladním vozidle, který může způsobit havárii. Vojenská aplikace se může použit v leteckém bojovém prostředku.

Charakteristiky prostředí jsou omezeny technickou dovedností útočníka, technologickou úrovní a přístupem k technickým prostředkům.

Výkon zdrojů vyzařujících HPM je v rozsahu od kilowattů až po gigawatty (vrcholová hodnota). Kmitočtový rozsah je obecně od desítek MHz do několika GHz. Obrázek 46 představuje kmitočtové vztahy zdrojů LEMP, NEMP a HPM převzaté z IEC 61000-2-13 [27].

OBRÁZEK 46: Srovnání typických elektromagnetických prostředí s vysokou energií

V závislosti na objektivních znalostech cíle může útočník volit typ HPM zdroje s nejefektivnějším průběhem, aby se dosáhlo co největšího účinku. Typy HPM zdrojů a možné průběhy se popisují v následujících odstavcích. Energetická úroveň v místě použití závisí na celé řadě parametrů.

12.2.1 Typy HPM zdrojů

HPM zdroje je možno rozdělit do čtyř kategorií. Jsou to:

12.2.1.1 Mobilní/platformové zdroje HPM

HPM zdroje obecně vyzařují pole směrem k infrastruktuře zařízení cílového objektu z oblasti, která není pod kontrolou ochrany objektu, jako např. mimo oplocený prostor. Zdroj umístěný na nákladním vozidle je v této situaci mnohem lepší, než zdroj přenášený člověkem, protože požadovaný výkon pro generování účinné úrovně pole pro zamýšlený cíl z předpokládané vzdálenosti je možný pouze z těžkého zařízení. Možné jsou také zdroje umístěné v bojovém letadle.

12.2.1.2 Přenosné zdroje HPM

Přenosné zdroje je možno dopravit do vnitřního prostoru cílového objektu pod oblečením nebo uvnitř kufříku, kabelce nebo dokonce v plechovce na nápoje. Blízkost cílové elektroniky může způsobit, že malé zdroje jsou mnohem účinnější než velké

Kmitočet

Vysílače, radary atd.

Ultra široké pásmo Závisí na rozsahu

Úzké pásmo Závisí na rozsahu

Spektr

áln

í husto

ta (

V/m

/Hz)

1/f2

1/f2


83

zdroje ve větší vzdálenosti, protože se obejde stínění a útlumové charakteristiky objektu.

12.2.1.3 Zdroje vedených HPM

HPM zdroje mohou injektovat energii přímo do vodičů uvnitř infrastruktury objektu, jako jsou napájecí nebo komunikační vedení. Toto je možno provést jak z vnitřního nebo vnějšího prostoru objektu.

12.2.1.4 Zdroje HPM na bázi projektilu

HPM zdroje na bázi projektilu ozařují celý objekt elektromagnetickým impulzem. Toto způsobuje velké rázy elektrického proudu, které do objektu procházejí vodivými cestami rozhraní mezi vnějším a vnitřním prostředím, jako jsou napájecí vodiče, komunikační linky, vodovodní potrubí atd.

Podrobný scénář závisí na topologii infrastruktury, charakteru útočníka a dalších proměnných činitelích. Pokud je obecně definován jeden možný zdroj, musí se použít takový scénář, který zahrne nejhorší možné podmínky.

12.2.2 HPM průběhy

Obecně je možno počet HPM průběhů zredukovat na čtyři typy. Parametry průběhu jako je kmitočet, výkon atd. závisí na typu zdroje.

a) Průběžný signál (CW). HPM systém, který produkuje průběžný signál, obecně obsahuje rezonanční mikrovlnnou elektronku, jako je např. magnetron. Signál je mnohem účinnější, pokud je možno kmitočet naladit na nejzranitelnější kmitočet cíle. Veškerá energie je soustředěna do jednoho kmitočtu. CW je možno charakterizovat kmitočtem a výkonem. Obrázek 47 ukazuje průběžný signál.

OBRÁZEK 47: Průběžný signál (časová oblast)

b) Úzkopásmový (NB) impulzní průběžný signál (CW). Průběh NB CW je typickým průběhem HPM. Fourierovo spektrum tohoto průběhu ukazuje úzkou obálku okolo „středního kmitočtu“. Průběh je možno charakterizovat nosným kmitočtem, vrcholovým výkonem, šířkou impulzu, opakovací dobou a odvozenými parametry jako je střída, střední výkon atd. Výhodou NB průběhu je skutečnost, že pro generování účinného vysokého výkonu se používá nízký střední výkon, což znamená, že pro narušení činnosti nebo poškození elektronického zařízení se používají impulzy s vysokou energií. Nejvyšší vrcholové výkony se očekávají právě od těchto úzkopásmových zdrojů. Signál je nejúčinnější, když je cíl citlivý na impulzní signály na zranitelných kmitočtech. Signál se může navrhnout tak, aby se vázal na antény, nebo anténám podobné konstrukce (vazba „předními dveřmi“) a tím došlo ke zničení cíle. Je možno je také navrhnout tak, aby pronikaly


84

do cíle nezamýšlenými cestami (vazba „zadními dveřmi“) a tam způsobily zničení elektroniky. Obrázek 48 ukazuje NB průběh.

OBRÁZEK 48: Úzkopásmový impulzní průběžný signál (časová oblast)

c) Tlumená sinusovka (DS). Průběh DS je charakterizován dominantním kmitočtem, vrcholovým výkonem, činitelem tlumení a energií obsaženou v impulzu. Průběh DS má „střední kmitočet“ a šířku pásma pro zvýšení pravděpodobnosti působení efektu „zadními dveřmi“. Výhodou průběhu DS je větší šířka pásma než v případě průběhů CW a NB; jedná se typicky o jednu oktávu. Průběh DS ukazuje obrázek 49.

OBRÁZEK 49: Tlumená sinusovka (Časová oblast)

d) Ultra široký signál (UWB). Průběh UWB signálu je charakteristický vrcholovým výkonem, dobou náběhu, dobou trvání a opakovacím kmitočtem. Viz obrázek 50.

OBRÁZEK 50: Ultra široký signál (časová oblast)

UWB impulzy mají schopnost vybudit v cílovém objektu mnoho rezonančních režimů. Výkon, který je přítomen v malých částech kmitočtového rozsahu poměrně malý, stejně


85

jako celková energie jednoho impulzu a je tedy méně vhodný pro vyvolání vysoké intenzity pole v rezonanční oblasti cíle, kde dochází ke zhoršení činnosti nebo poškození. V případě UWB je pro účinný efekt potřebný mnohem větší výkon, než je tomu v případě NB průběhu s vhodným kmitočtem. Uváděný průběh je bez stejnosměrné složky.

12.2.3 Úrovně HPM

Úrovně (prostředí) intenzity pole a proudů závisí na různých parametrech. Těchto parametrů je příliš mnoho, než aby je bylo možno definovat obecně.

Existuje celá řada analýz a modelů, které se mohou použít pro první přiblížení problematiky přenosu elektromagnetické energie do bodu zájmu. Tyto techniky jsou základním nástrojem používaným v radiolokátorové technice, komunikační technice a elektromagnetické interferenci/elektromagnetické kompatibilitě.

Maximální vrcholový výkon vyzařovaný strukturou antény je omezen maximální intenzitou pole, kterou je možno přenést vzduchem (asi 1 MV/m) povrchem (A) vyzařovací plochy. Základním vztahem pro maximální vyzářený výkon strukturou

antény s kosinovým ozářením je Ppeak 1 GW/m2. Obecně se výkon zdrojů průběžného signálu mění v rozsahu od několika kW (magnetron) do několika desítek MW (radiolokátorové elektronky). Výkon impulzních zdrojů se pohybuje maximálně kolem stovek MW výjimečně i výše.

Hrubý odhad místních polí v určité vzdálenosti od zdroje se může provést pomocí následujících vztahů:

1. Intenzita pole (Ea) na povrchu antény se může vypočítat v případě, že je známý vyzařovaný výkon (P), plocha apertury antény (A) a impedance volného prostoru (Z). Vrcholové elektrické pole musí být menší než kritická hodnota intenzity pole

ve vzduchu 1 MV/m.

Vrcholová hodnota elektrického pole vyzařovaného aperturou antény

A

ZPEa

2. Velikost elektrického pole (E) v určité vzdálenosti (R) ve vzdáleném poli se může

určit následujícím vztahem (nejsou započteny žádné odrazy a různé cesty, zdi/překážky a jiné vlivy).

Vrcholová hodnota vyzařovaného elektrického pole ve vzdálenosti R

R

AEE a

3. Úroveň místního elektromagnetického pole se může upřesnit, když se do úvahy

vezme účinnost stínění zdí budov nebo jiných překážek. První přiblížení se může provést použitím reprezentativních hodnot účinnosti stínění při uvážení otvorů, kterými může pole pronikat. Hodnoty účinnosti stínění budov se pohybují od 13 do 22 dB (200 MHz až 3 GHz).

Příklady zdrojů je možno najít v dokumentu [27].


[27] IEC 61000-2-13 ed. 1: 2005 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-13: Environment - High-power electromagnetic (HPEM) environments - Radiated and conducted

(V/m).

)

(V/m).

)


86

13 Část 258 Elektromagnetické prostředí RF

13.1 Úvod

Tato část se zabývá elektromagnetickým prostředím (EME) v oblasti rádiových kmitočtů (RF) produkovaných různými zdroji, jako jsou komunikační a radiolokátorové vysílače, kterému může být vojenská technika, používaná v rámci operací Severoatlantické aliance (NATO), vystavena.

Předmětem této části je přehled, typické požadavky a definice provozního elektromagnetického prostředí (EME), proti kterému musí být vojenská technika NATO odolná a ve kterém musí bez poruch pracovat. Úrovně EME se musí použít jako vývojová kritéria pro všechny nové platformy, zařízení a systémy určené pro použití v silách NATO.

Definování úrovní EME, kterým musí vojenská zařízení odolávat, je pouze prvním krokem a tyto úrovně se musí uvažovat ve všech čtyřech fázích životního cyklu (tj. návrh, vývoj, výroba a instalace), konkrétně při definování zkušebních požadavků a zmírňujících ochranných opatření. Po definování provozních úrovní EME se musí odvodit certifikační požadavky EME a další publikace se musí použít jako průvodce při návrhu a postupech pro řízení provozního EME. Např. STANREC 4567 [28] uvádí filozofii a metodologii pro splnění požadavků ochrany a odolnosti v prostředí jednotných elektromagnetických vlivů (UE3) pro všechny vojenské platformy, systémy a zařízení NATO proti vlivům elektromagnetického prostředí (E3) a poskytuje informace týkající se různých funkčních oblastí požadovaných pro dosažení, provedení a posílení UE3 ochrany a funkční schopnosti. Dokument ČOS 051627 „Zkoušky vojenské techniky v elektrickém a elektromagnetickém prostředí“ [29] obsahuje generické zkušební postupy pro zajištění odolnosti techniky proti elektromagnetickým (EM) jevům. AECTP-2(D) „Příručka vojenského námořnictva NATO k nebezpečí z rádiového a radiolokačního vyzařování“ [30] poskytuje postupy pro zmírnění nebezpečí vlivu elektromagnetického vyzařování na munici v prostředí námořnictva NATO prostřednictvím použití pravidel uvedených pro nebezpečné vyzařování (RADHAZ) a RADHAZ vysílačů.


13.2.1 Zdroje

EME, ve kterém bude technika nejčastěji pracovat, se musí určit před akvizičním procesem, jinak bude tíha řízení vnitřního systému elektromagnetické kompatibility (EMC), HERO a elektromagnetické zranitelnosti (EMV) přenesena na obsluhu, která zajišťuje provozní činnost. Jednotlivé členské státy NATO vytváří své vlastní provozní EME podle různé filozofie a metodologie. Avšak pro vojenskou techniku, o které se uvažuje, že bude používána v mnohem dynamičtějším prostředí NATO, se musí stanovit mnohem víc než pouze to, co definují normy EME jednotlivých států. Z tohoto důvodu je prvním krokem identifikace platformy a provozního scénáře, ve kterých se bude vojenská technika v NATO provozovat. Je třeba identifikovat typy a charakteristiky každého spektrálně závislého systému současného nebo plánovaného tak, aby byla možná spolupráce s navrhovaným systémem. Tato identifikace musí zahrnovat stejnou měrou vojenské i komerční EME. Informace o spolupracujících systémech se použijí jako prvotní údaje pro přidělení kmitočtu a analýzy EME. I když se EME definuje na začátku procesu, je nutná jeho průběžná aktualizace pro celý životní cyklus, protože prostředí není statické. Dále je třeba současně určit další


87

subjekty (vlastní a nepřátelské) nebo polní systémy, které budou ve stejném EME pracovat. Údaje o těchto „nových“ systémech se musí zjistit a použít při definování EME.

Dále je možno změnit původní operační požadavky předpokládaného systému, zohledněním geografické oblasti, země, hostitelské platformy a hlavně zařízení. Při aktualizaci definice EME se musí použít důkladná E3 analýza a požadavek na přidělení kmitočtů. Tato část a další národní publikace GAM DRAM 01 [31], GAM DRAM 02 [32], E DIN EN 50413 VDE 0848-1 [33], UK Def San 59-411 Part 2 [34] a VG 95373 [35] popisují různé pozemní, námořní, letecké a bojové prostředí, které je možno použít pro systém v průběhu jeho celého životního cyklu. Jedním z problémů při specifikaci požadavků na systém je ten, že v mnoha případech jsou uvažované provozní charakteristiky EME kvantitativně neznámé. Údaje identifikované/ověřené v této části se musí při definování očekávaných provozních EME systému předpokládat.

Každý systém bude během svého životního cyklu s vysokou pravděpodobností vystaven několika různým úrovním EME. Specifikace příliš přísných úrovní EME může přinést zbytečné zvýšení nákladů. Před specifikací provozních požadavků na systém se musí definovat každé jednotlivé EME, kterému bude během svého životního cyklu vystaven. Např. řízená střela bude během transportu/skladování, montáže/demontáže, manipulace/nabíjení, přemisťování na pozice, umisťování na platformu, těsně po odpálení a při přibližování k cíli vystavena různým úrovním EME. Specifikované požadavky E3 podmínek musí zajistit, že provoz systému nebude narušen žádnými úrovněmi EME od uskladnění až po zničení cíle.

13.2.2 Charakteristiky elektromagnetického prostředí

Obvyklou hrozbou pro zbraňové systémy je úmyslně generované RF vyzařování. Tyto externí EME zdroje se průběžně mění s vývojem technologií, používáním mnohem výkonnějších vysílačů a celosvětovým rozšiřováním kmitočtového spektra (obvykle k vyšším kmitočtům). Je tedy podstatné, aby očekávané EME bylo definováno a použito pro návrh požadavků EMC, HERO a EMV uvnitř systémů. Celá řada členských států NATO vytvořila národní normy, které nastiňují u jaké výzbroje a techniky se bude měřením nebo výpočtem ověřovat, že funguje ve specifickém vojenském prostředí EME. Cílem této části je představit souhrnné EME NATO (pozemní, námořní a letecké), která jsou očekávána, takže jednotlivé členské státy mohou prosadit a/nebo stanovit návrh požadavků pro zajištění, že výzbroj a technika může fungovat v NATO prostředí tak, jak se předpokládá.

13.2.3 Metody výpočtu

Všechny členské státy NATO souhlasí s výpočtem úrovní EME za použití stejné výpočetní metody a předpokladů. Výpočetní metoda je uvedena na konci této části a předpoklady jsou uvedeny v příloze A této části.

13.3 NATO EME

13.3.1 Úvod

Výsledkové tabulky úrovní EME NATO dokumentují nejpravděpodobnější hodnoty, které je možno použít při operacích NATO v okolí lodí (přistávací paluba, otevřená paluba, hlavní lalok 152,4 a 304,8 m od vysílacího/anténního systému), na zemi, ve vzduchu a v kosmickém prostoru. Navíc byly vytvořeny tabulky EME NATO pro nejhorší případ, které kombinují všechny možné výše uvedené EME. Nepřátelské EME (tj. způsobené úmyslným nepřátelským vyzařováním RF nebo nepřátelskými vysílači


88

umístěnými v blízkosti cíle) nejsou v tomto dokumentu uvedeny. Důvody pro shromažďování těchto naměřených a vypočtených hodnot od všech členských států NATO jsou dva: charakterizace provozního EME pro nastavení konstrukčních a zkušebních kritérií ve vztahu k E3, které zajistí, že zařízení bude uspokojivě pracovat ve skutečném EME NATO a sestavení EME, která se vyskytují během operací NATO, takže je možno poskytnout lepší pokyny k používání na bojišti pro zmírňování důsledků E3. Později je samozřejmě nutno rozpoznat skutečnost, že technika se může vystavit vyšším intenzitám EM pole než v případě aktuálních zkoušek a provozní mezní hodnoty musí zvolit orgán státu tak, aby odpovídaly výsledkům E3. Zvláštní utajovaný dokument [36] obsahuje EME všech přispívajících členů NATO včetně všech předpokladů vztažených ke vzdálenostem použitým pro výpočet úrovní EME.

13.3.2 Předpoklady

Aby měly tabulky EME nějaký význam, musí být zcela jasné, jak byly údaje získány a jaký postup byl použit. Následuje seznam základních předpokladů použitých při tvorbě EME tabulek. I když některé předpoklady jsou základní, jsou uvedeny pro dokumentaci všech možných předpokladů:

a) U všech výpočtů se předpokládají pouze ztráty ve volném prostoru mezi vysílačem a platformou (tj. nejsou započítány atmosférické jevy).

b) Pro aperturní antény a antény fázového pole se používají korekční činitele pro blízké pole.

c) Byla vypočtena nekumulativní intenzita pole. Současně nebylo uvažováno ozáření více než jednou anténou.

d) Pozemní prostředí sestává z vojenských stacionárních a mobilních vysílačů umístěných na vojenských objektech a tyto vysílače se mohou umístit na bojišti.

e) Neuvažuje se výška antény nad zemí kvůli anténním stožárům, které nejsou součástí základního vybavení. Předpokládá se rovná zemní plocha, tj. neuvažuje se vliv terénu.

f) pro neimpulzní vysílače se neuvažuje modulace; tedy vrcholová intenzita pole a střední intenzita pole mají stejnou úroveň,

g) Pro daný kmitočtový rozsah jsou úrovně intenzity pole založeny na maximální schválené úrovni výkonu vysílače a zisku antény. Střední hodnota intenzity pole je založena na maximální střední hodnotě intenzity pole (vrcholový výstupní výkon vysílače násobený maximální střídou) v celém kmitočtovém rozsahu. Vrcholová a střední hodnota intenzity pole použitá v prostředí může a nemusí být ze stejného vysílače.

h) Postranní laloky antény a rychlost otáčení se při výpočtech neuvažují.

i) Maximální zisk antény platí pro hlavní paprsek s šířkou určenou poklesem o 3 dB.

j) Pro definování intenzity pole prostředí se používají efektivní hodnoty. Všechna měření nebo výpočty EME jsou odvozeny/vypočteny jako výkonová hustota ve wattech na čtvereční metr (W/m2), buď jako vrcholová nebo střední hodnota a pak převedena na intenzitu elektrického pole ve voltech na metr (V/mrms). Předpokládá se, že v případě intenzity elektrického pole nebo výkonové hustoty se jedná o efektivní hodnoty (rms), a proto se toto označení vynechává. Skutečné vrcholové hodnoty se pro vyjádření intenzity pole nepoužívají.


89

k) Impulzně modulované signály, které se používají např. u radiolokátoru, mají rozdílné vrcholové a střední hodnoty výkonové hustoty. Poměr mezi vrcholovou a střední hodnotou je pro impulzně modulované nebo hradlované signály závislý na střídě. Při výpočtu prostředí se používá maximální možná střída. Při zaklíčování impulzního vysílače je vrcholové pole hodnota elektrického pole po dobu, kdy je signál zapnut. Když je signál vypnut, je intenzita pole nulová.

l) Všechny hodnoty intenzity pole se zaokrouhlují nahoru nebo dolů k nejbližší desítce s výjimkou hodnot menších než 30.

13.3.3 Tabulky EME NATO

13.3.3.1 EME NATO lodí

Každý zúčastněný člen NATO provádí na všech námořních plavidlech zkoušky úrovní intenzity elektrického pole na startovací palubě, otevřené palubě, ve směru hlavního paprsku a ve vzdálenosti 152,4 a 304,8 m od vysílací antény. Národní EME tabulky jsou vytvořeny na základě naměřených a vypočtených údajů a jsou uvedeny ve zvláštním utajovaném dokumentu, který je diskutován v odstavci 13.3.1. Tabulky 16 a 17 poskytují postupně uspořádané maximální úrovně EME pro všechny zúčastněné členy NATO s ohledem na jednotlivé kmitočtové rozsahy. Tabulka 16 poskytuje nejhorší případ EME pro přistávací a otevřené paluby na základě dvou kritérií:

a) Naměřené údaje nebo vypočtené hodnoty závisí na lodních vysílačích.

b) EME pro personál je určeno na základě STANAG 2345 [37] a DOD instrukci 6055.9 [38] kritéria pro povolené meze expozice (PEL). V tabulce 18 se uvádí vyšší hodnota.

Tabulka 17 se používá pro letadla přistávající na letadlových lodích (viz poznámka) a je kombinací úrovní EME lodí na kterých mohou přistávat pouze vrtulníky a lodí na kterých mohou přistávat letouny i vrtulníky. Také poskytuje úrovně hlavního paprsku pro palubní vysílače a byly vypočteny pro následující vzdálenosti:

a) 3 m od komunikačního systému vysílač/anténa a 15 m od radiolokátorového vysílacího/anténního systému.

b) 152,4 a 304,8 m od komunikačních a radiolokátorových vysílacích/anténních systémů. Obecně jsou úrovně EME určeny na základě výpočtu, za použití Friisovy přenosové rovnice pro vzdálené pole vysílače ve volném prostoru. I když se také uvažuje prostředí nejhoršího případu hlavního paprsku pro blízké pole, jak je uvedeno v příloze A této části.

Poznámka: Je nutno si všimnout, že výjimky se musí provést tam, kde některé vysílací/anténní systémy na konkrétních druzích námořních lodí jsou schopny ozářit systémy umístěné blíže nebo pro některé vysílací/anténní systémy, kde je vzdálenost hlavního paprsku větší než 15 m. Konkrétně bylo zjištěno, že letouny, které operují pouze z letadlových lodí, nebudou vystaveny některým úrovním nejhoršího případu pro hlavní paprsek (např. v pásmu 2,7 až 3,6 GHz). Z toho vyplývá, že pro specifické třídy námořních lodí se musí provést mnohem podrobnější prozkoumání EME údajů, aby bylo možno sestavit požadavky pro konstrukci nebo specifické operace, kdy pravděpodobnost výskytu bude funkcí třídy lodě a bitevní skupiny, v jejímž okolí se vyskytuje.


90

TABULKA 16: Provozní úrovně intenzity pole EME pro lodě (přistávací a otevřené paluby)

Kmitočtový rozsah

(MHz)

Otevřená paluba Přistávací paluba

Střední

(V/m)

Vrcholová

(V/m)

Střední

(V/m)

Vrcholová

(V/m)

0,01 2 - - - -

2 30* 200 200 160 160

30 150 60 60 60 60

150 225 60 60 60 60

225 400 60 60 60 60

400 700 70 410 70 180

700 790 100 160 100 160

790 – 1 000 240 1 300 100 1 130

1 000 – 2 000 180 550 110 550

2 000- 2 700 160 180 160 180

2 700 – 3 600 180 2 030 180 2 030

3 600 – 4 000 200 1 860 200 300

4 000 5 400 200 290 200 290

5 400 – 5 900 240 710 210 450

5 900 – 6 000 240 350 210 350

6 000 – 7 900 240 350 210 350

7 900 – 8 000 200 350 200 350

8 000 – 8 400 200 350 200 350

8 400 – 8 500 200 480 200 480

8 500 – 11 000 200 1 130 200 510

11 000 – 14 000

200 830 200 790

14 000 – 18 000

200 830 200 790

18 000 – 40 000

200 200 200 200

40 000 – 45 000

200 200 200 200

Poznámka: *Kmitočtové pásmo 2-30 MHz se může u některých členských států rozšířit na 1,6 MHz - 30 MHz, protože některé vysílače pracují na kmitočtu 1,6 MHz.


91

TABULKA 17: rovozní úrovně intenzity pole EME pro lodě určené pro přistávání vrtulníků a letounů (nejhorší případ pro hlavní lalok 152,4 a 304,8 m)

Kmitočtový rozsah (MHz)

Hlavní paprsek Vzdálenost 152,4 m Vzdálenost 304,8 m

Střední

(V/m)

Vrcholová

(V/m)

Střední

(V/m)

Vrcholová

(V/m)

Střední

(V/m)

Vrcholová

(V/m)

0,01 2 200 200 - - - -

2 30 200 200 2 2 1 1

30 150 50* 50* 1 1 - -

150 225 50* 50* 1 1 - -

225 400 50* 50* 2 2 1 1

400 700 270 1 870 30 200 15 100

700 790 20* 20* 2 2 1 1

790 – 1 000 490 2 530 100 55 50 280

1 000 – 2 000 600 7 000 120 3 000 60 1 500

2 000 – 2 700 10* 10* 2 2 1 1

2 700 – 3 600 2 620** 21 050** 1 500 11 500 750 5 750

3 600 – 4 000 270 8 550 40 1 300 20 660

4 000 5 400 140 450 40 40 20 20

5 400 –5 900 360 7 100 160 5 100 100 2 550

5 900 6000 270 270 100 100 50 50

6 000 – 7 900 400 400 100 100 60 60

7 900 – 8 000 400 400 120 210 60 110

8 000 – 8 400 750 3 210 120 320 60 160

8 400 – 8 500 400 400 120 120 60 60

8 500 – 11 000 1 940 10 000 500 4 030 250 2 020

11 000 – 14 000 680 3 630 400 400 200 200

14 000 – 18 000 680 6 000 380 1 200 190 600

18 000 – 40 000 170 3 640 140 2 100 70 1 050

40 000 – 45 000 580 580 140 140 70 70

Poznámka: * Tyto úrovně jsou nižší než úrovně pro otevřenou a přistávací palubu, protože nebyl proveden žádný zápočet pro personál (PEL).

Poznámka: **Úrovně EME v tabulce se mohou použít u lodí s výzbrojí, která je umístěna v hlavním laloku systému, který pracuje ne kmitočtech 2,7 až 3,6 GHz na vrchní palubě.


92

13.3.3.2 Pozemní NATO EME

Každý ze zúčastněných států provedl ověření úrovní intenzity pole vysílačů, které existují pro pozemní systémy umístěné v předsunutých prostorech (např. letiště, bojiště, velitelská stanoviště atd.). Tabulka 18 poskytuje přehled nejvyšších úrovní EME pro jednotlivé kmitočtové rozsahy určené pro pozemní systémy s přihlédnutím k následujícím předpokladům.

Pro určení vhodných vzdáleností pro výpočet úrovně intenzity pole byla provedena analýza umístění vojenských vysílačů na pozemních systémech. Analýza byla provedena na základě parametrů systému, jako jsou např. mezery ve vysílání, šířka paprsku, vysílací výkon, zisk antény a její umístění. Základním pravidlem je, že výpočet se provádí ve vzdálenosti 3 m od komunikačních systémů a 400 m od radiolokátorových a družicových komunikačních systémů (SATCOM) s výjimkou údajů USA. Opět je nutné si povšimnout, že tato vzdálenost se nemůže použít vždy, protože vzdálenost mezi vysílacím/anténním systémem a specifickým provozem vojenské techniky, zařízením, pozemním vozidlem a letadlem na zemi se může měnit.

TABULKA 18: Pozemní úrovně intenzity pole EME NATO

Kmitočtový rozsah

(MHz)

Střední

(V/m)

Vrcholová

(V/m)

0,01 2 200 200

2 30 200* 200

30 150 100* 100

15 225 100* 100

225 400 100* 1 500

400 700 50 1 500

700 790 50 1 500

790 – 1 000 50 1 500

1 000 – 2 000 50 2 500

2 000 – 2 700 50 2 500

2 700 – 3 600 50 2 500

3 600. – 4 000 50 2 500

4 000 – 5 400 50 2 500

5 400 – 5 900 50 2 500

5 900 – 6 000 50 2 500

6 000 – 7 900 50 2 500

7 900 – 8 000 50 2 500

8 000 – 8 400 50 2 500

8 400 – 8 500 50 2 500

8 500 – 11 000 60 2 500


93

Kmitočtový rozsah

(MHz)

Střední

(V/m)

Vrcholová

(V/m)

11 000 – 14 000 60 1 500

14 000 – 18 000 60 1 500

18 000 – 40 000 50 1 500

40 000 – 45 000 - -

Poznámka: Tyto EME úrovně představují úrovně, které existují v blízkosti mobilních komunikačních systémů a přesahují průběžné PEL úrovně uvedené v [37]. I když tyto úrovně nepředstavují nebezpečné prostředí pro obsluhující personál, protože běžný provoz vysílačů omezuje expoziční doby pro obsluhu a celková energie je tedy v akceptovatelných úrovních.

13.3.3.3 Letecké EME NATO

Tabulka 19 uvádí předpoklady použité pro určení úrovní intenzity pole uvedených v tabulce 20, které se mění v závislosti na zdroji použitém pro sestavení tabulky. Tabulka 20 poskytuje maximální úrovně intenzity pole EME pro dva různé letecké provozy: letouny a vrtulníky umožňující provoz mimo loď (tj. tato letadla nepřistávají přímo na lodích, ale operují v jejich těsné blízkosti). Viz tabulka 19, kde jsou maximální hodnoty EME pro letouny a vrtulníky umožňující přistání na lodích.

Každý ze zúčastněných států provádí studium vojenských a civilních norem, směrnic a návodů předpokládaných EME pro vojenský i civilní letecký provoz. Výsledkem těchto studií jsou dokumenty, které byly použity pro určení EME NATO leteckých operací: EUROCAE ED 107 [39] a AC 20-158A [40].Tabulka 20 poskytuje přehled s úrovněmi pro nejhorší případy EME pro jednotlivé kmitočtové rozsahy. Úrovně intenzity pole v tabulce 20 pro letouny jsou stejné jako [39] náročné prostředí HIRF pro letouny.

U dopravních letounů pořízených jako civilní dopravní letouny se předpokládá, že vyhovují stejným úrovním intenzity pole, jaké platí pro civilní certifikační prostředí HIRF (prostředí HIRF 1) a pro výpočet se použijí stejné předpoklady, jako pro certifikační prostředí HIRF.

TABULKA 19: Předpoklady použité pro určení leteckých provozních úrovní EME

Místo Typ vysílače Bojový letoun1 Dopravní letoun

Vrtulník

Letecké vysílače

(do vzdálenosti 5 námořních mil (9,26 km)

od letiště)

Letiště a letecký průzkum

šikmá vzdálenost 152,4 m



Všechny ostatní pevné vysílače




Letecké meteorologické radiolokátory

přímá vzdálenost 45,7 m




94

Místo Typ vysílače Bojový letoun1 Dopravní letoun

Vrtulník

Letecké vysílače

(do vzdálenosti 5 námořních mil (9,26 km)

od letiště)

Všechny ostatní mobilní vysílače, včetně ostatních

letadel




Vysílače mimo letiště

šikmá vzdálenost2

152,4 m

šikmá vzdálenost2

152,4 m


Vnitrozemské platformy

N/A N/A přímá vzdálenost

30,5 m

Lodní vysílače3 šikmá vzdálenost

152,4 m šikmá vzdálenost

152,4 m přímá vzdálenost

152,4 m

Vysílače vzduch-vzduch

Nestíhací se všemi

provozními vysílači



N/A

Stíhací letadlo se všemi

přátelskými provozními

vysílači



N/A

Poznámka: 1 Pro účely tohoto dokumentu jsou předpoklady pro dopravní letadla použity i pro bojová letadla. Uživatel se musí upozornit, že provozní scénář pro bojová letadla může vyústit ve vyšší EME než jsou uvedena níže. Poznámka: 2 Předpokládá se minimální letová výška 152,4 m. Všechny překážky (včetně vysílacích antén) do 152,4 m se opomíjejí. Poznámka: 3 Pro provoz mimo loď se pro letouny i vrtulníky použila vzdálenost 152,4 m.


95

TABULKA 20: Předpoklady použité pro určení leteckých provozních úrovní EME

Kmitočtový rozsah

(MHz)

Provoz letounu mimo loď Provoz vrtulníku – mimo loď

Střední hodnota

(V/m)

Vrcholová hodnota (V/m)

Střední hodnota (V/m)

Vrcholová hodnota (V/m)

0,01 - 2 70 70 200 200

2 - 30 200 200 200 200

30 - 150 50 50 200 200

150 - 225 100 100 200 200

225 - 400 100 100 200 200

400 - 700 80 730 200 730

700 - 790 240 1 400 240 1 400

790 – 1 000 240 1 400 240 1 400

1 000 – 2 000 200 3 300 250 5 000

2 000 – 2 700 490 4 500 490 6 000

2 700 – 3 600 490 4 500 490 6 000

3 600 – 4 000 490 4 500 490 6 000

4 000 – 5 400 300 7 200 400 7 200

5 400 – 5 900 300 7 200 400 7 200

5 900 – 6 000 300 7 200 400 7 200

6 000 – 7 900 200 1 100 170 1 100

7 900 – 8 000 200 1 100 170 1 100

8 000 – 8 400 330 3 000 330 5 000

8 400 – 8 500 330 3 000 330 5 000

8 500 – 11 000 330 3 000 330 5 000

11 000 – 14 000

330 2 000 330 2 000

14 000 – 18 000

330 2 000 330 2 000

18 000 – 40 000

420 1 000 420 1 000

40 000 – 45 000

- - - -

Termíny přímá a šikmá vzdálenost mají následující definice:

a) Přímá vzdálenost: Přímé ozáření zdrojem se vyskytuje v případě, že se letadlo může dostat do hlavního přímého laloku antény. Vrtulníky jsou téměř vždy schopné být ozářeny hlavním lalokem antény, protože


96

oddělovací vzdálenost od vysílače je koule o průměru 30,84 m od země a kolem vysílače. Letouny mohou počítat s touto situací v případě, že v hlavním laloku antény vysílače se soustředěná veškerá energie. Použitá Výkonová hustota se určuje ziskem antény určeným v bodech poklesu o 3 dB. Výkonová hustota se nezvyšuje pro maximální možný zisk.

b) Šikmá vzdálenost: Tento termín se používá, když vlivem omezení maximálního elevačního úhlu antény bude letadlo zachyceno hlavním lalokem (maximální intenzita pole) ve větší vzdálenosti než je specifikovaná šikmá vzdálenost. Letouny jsou omezeny minimální vzdáleností od Země 152,4 m a vyšší. Situace je znázorněna na obrázku 51.

OBRÁZEK 51: Ilustrace šikmé vzdálenosti

Na obrázku 51 je letoun, který letí 152,4 m nad pozemním vysílačem (výška vysílače je v tomto případě nevýznamná). Elevace hlavního laloku antény vysílače je omezena maximální hodnotou 30°. Ve výšce 304,8 m od vysílače dosáhne ozáření letadla (hlavní lalok) z antény vysílače maxima. Pokud poletí blíže dosáhne ozáření nižší úrovně z postranních laloků. Vzdálenost, ve které bude letoun ozářen nejvyšší úrovní hlavního laloku z antény s omezenou elevací, se označuje jako šikmá vzdálenost.

Většina pozemních vysílačů má omezenou elevaci. Pro všechny tyto vysílače se používá pro určení výkonové hustoty termín šikmá vzdálenost (raději než přímé ozáření 152,4 m).

13.3.3.4 EME NATO pro kosmický prostor

Tabulka 21 obsahuje hodnoty pro kosmické systémy a systémy odpalovacích zařízení. Tyto hodnoty EME se uvažují za přiměřené pro operace NATO.

TABULKA 21: Úrovně intenzity pole EME NATO v kosmickém prostoru

Kmitočtový rozsah

(MHz)

Střední

(V/m)

Vrcholová

(V/m)

0,01 2 20 20

2 30 20 20

30 150 20 20

15 225 100 100

Elevace 30° Výška 152,4 m

Přímá vzdálenost 152,4 m

Šikmá vzdálenost 304,8 m


97

TABULKA 21: Úrovně intenzity pole NATO EME v kosmickém prostoru

Kmitočtový rozsah

(MHz)

Střední

(V/m)

Vrcholová

(V/m)

225 400 100 100

400 700 100 100

700 790 100 100

790 – 1 000 100 100

1 000 – 2 000 200 200

2 000 – 2 700 200 200

2 700 – 3 600 200 200

3 600 – 4 000 200 200

4 000 – 5 400 200 200

5 400 – 5 900 200 200

5 900 – 6 000 200 200

6 000 – 7 900 200 200

7 900 – 8 000 200 200

8 000 – 8 400 200 200

8 400 – 8 500 200 200

8 500 – 11 000 200 200

11 000 – 14 000 20 20

14 000 – 18 000 20 20

18 000 – 40 000 20 20

40 000 – 45 000 - -

13.3.3.5 Nejhorší případ EME pro NATO

Tabulka 22 je sestavena z maximálních úrovní intenzity pole z tabulek 16 až 21. Je určena pro hodnocení z bezpečnostního hlediska jako je např. HERO a EMC uvnitř systému.

TABULKA 22: Nejhorší provozní úrovně intenzity pole EME

Kmitočtový rozsah

(MHz)

Střední

(V/m)

Vrcholová

(V/m)

0,01 2 200 200

2 30 200 200

30 150 200 200

15 225 200 200

225 400 200 1 500


98

Kmitočtový rozsah

(MHz)

Střední

(V/m)

Vrcholová

(V/m)

400 700 270 1 860

700 790 240 1 500

790 – 1 000 480 2 530

1 000 – 2 000 600 7 000

2 000 – 2 700 490 6 000

2 700 – 3 600 2 620 21 050

3 600 – 4 000 490 8 550

4 000 – 5 400 400 8 550

5 400 – 5 900 400 7 200

5 900 – 6 000 400 7 200

6 000 – 7 900 400 2 500

7 900 – 8 000 400 2 500

8 000 – 8 400 750 5 000

8 400 – 8 500 400 5 000

8 500 – 11 000 1 940 10 000

11 000 – 14 000 680 3 630

14 000 – 18 000 680 6 000

18 000 – 40 000 420 3 640

40 000 – 45 000 580 580


[28] STANREC 4567: NATO IMPLEMENTATION OF UNIFIED PROTECTION AGAINST ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENTAL EFFECTS (UE3) (Zavedení jednotné ochrany proti účinkům elektromagnetického prostředí v rámci NATO) (AEP-41: Vol. 5 - NATO IMPLEMENTATION OF UNIFIED PROTECTION AGAINST ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENTAL EFFECTS (UE3) – UNIFIED PROTECTION AND HARDENING AGAINST E3 (Zavedení v rámci NATO jednotné ochrany proti účinkům elektromagnetického prostředí (UE3) – Jednotná ochrana a zodolnění vůči účinkům elektromagnetického prostředí (E3)).

[29] ČOS 051627: Zkoušky vojenské techniky v elektrickém a elektromagnetickém prostředí.

[30] AECP-2 Ed. D: NATO Naval Radio and Radar Radiation Hazards Manual (Příručka vojenského námořnictva NATO k nebezpečí z rádiového a radiolokačního vyzařování).

[31] FR GAM DRAM 01: General Specification for Electro Explosive Devices and their Integration in Munitions against the Effect of Non-Ionising Electromagnetic Radiation (Všeobecné specifikace pro elektricky


99

rozněcovatelná zařízení umístěná v munici, proti vlivům neionizujícího elektromagnetického záření).

[32] FR GAM DRAM 02: Security Instructions to be established under various conditions of use for Systems and Munitions containing Electro-Explosive Devices in the Electromagnetic Environment (Bezpečnostní instrukce stanovené pro různé podmínky použití systémů a munice, obsahujících elektricky rozněcovatelná zařízení v elektromagnetickém prostředí).

[33] E DIN EN 50413 VDE 0848-1:2018-07 Basic standard on measurement and calculation procedures for human exposure to electric, magnetic and electromagnetic fields (0 Hz - 300 GHz) (Základní norma pro postupy měření a výpočtu expozice osob elektrickým, magnetickým a elektromagnetickým polem (0 Hz - 300 GHz)).

[34] UK Defence Standard 59-411 Part 2: The Electric, Magnetic, and Electromagnetic Environment (Elektrické, magnetické a elektromagnetické prostředí).

[35] VG 95373: Electromagnetic Compatibility-Electromagnetic Compatibility of Equipment (Elektromagnetická kompatibilita, Elektromagnetická kompatibilita zařízení).

[36] Rationale for the AECTP-258 Leaflet EME Tables (Základy AECTP-258, tabulky EME).

[37] STANAG 2345: MILITARY WORKPLACES – FORCE HEALTH PROTECTION REGARDING PERSONNEL EXPOSURE TO ELECTRIC, MAGNETIC, AND ELECTROMAGNETIC FIELDS, 0 Hz to 300 GHz (Vojenská pracoviště – ochrana zdraví u jednotek související s vystavením personálu působení elektrických, magnetických a elektromagnetických polí od 0 Hz do 300 GHz) hodnocení a kontrola osob vystavených rádiovému záření o frekvenci od 3 kHz do 300 GHz).

[38] DOD 6055.9-STD: Ammunition and Explosives Safety Standards (Normy pro munici a nakládání s výbušnými materiály).

[39] EUROCAE ED 107: Guide for the Certification of Aircraft in a High Intensity Radiated Field (HIRF) Environment (Návod pro certifikaci letadel v prostředí vyzařovaných poli s vysokou úrovní (HIRF)).

[40] AC 20-158A - The Certification of Aircraft Electrical and Electronic Systems for Operation in the High-intensity Radiated Fields (HIRF) Environment (Certifikace leteckých elektrických/ elektronických systémů pro provoz v prostředí vyzařovaných polí s vysokou úrovní (HIRF)).

[41] NAVSEA OP 3565/NAVAIR 16-1-529, Volume I: Electromagnetic Radiation Hazards to Personnel, Fuel, and Other Flammable Material (Nebezpečné elektromagnetické záření, nebezpečí pro osoby, palivo a další hořlavý materiál).

[42] NAVSHIPS 0900-006-5250: On-Axis Power Density in the Fresnel and Fraunhofer Regions of Large Aperture Circular Antennas (Osová výkonová hustota ve Fresnelově a Fraunhoferově oblasti antén s velkou kruhovou aperturou).

[43] NAVSHIPS 0900-006-5240: On-Axis Power Density in the Fresnel and Fraunhofer Regions of Large Aperture Rectangular Antennas (Osová výkonová hustota ve Fresnelově a Fraunhoferově oblasti antén s velkou pravoúhlou aperturou).

100

A.1 Metoda pro výpočet EME blízkého a vzdáleného pole pro aperturní a drátové antény

Tato příloha poskytuje postup výpočtu používaný pro předpověď úrovní EME produkovaných zdroji záření jako funkce jejich vzdáleností od antény zdroje. Dále jsou uvedeny hranice blízkého a vzdáleného pole, meze účinnosti antén (K), konstanty ozáření antény, korekční činitele blízkého pole pro kruhové a pravoúhlé apertury antén.

Následující odstavce popisují metodu výpočtu výkonové hustoty/intenzity elektrického pole v dané vzdálenosti od antény zdroje vysílání. Výpočet pro prostředí blízkého pole se musí provádět pro více než jednu vzdálenost od antény, aby se pro systém určila maximální hodnota. Toto se doporučuje z důvodu nulových bodů souvisejících s prostředím blízkého pole.

A.2 Hranice blízkého a vzdáleného pole

Elektromagnetická pole jsou v okolí antény rozdělena do dvou oblastí: Reaktivní blízké pole, vyzařované blízké pole nebo také Fresnelova oblast a vzdálené pole nebo také Fraunhoferova oblast. Přibližné hranice těchto oblastí jsou definovány rovnicemi A.1 až A.3:

3

62,0L

NFr hranice reaktivního blízkého pole (rovnice A.1)

23 262,0

LNF

Lrad hranice vyzařovaného blízkého pole (rovnice A.2)

22 LFF

hranice vzdáleného pole (rovnice A.3)

kde

NFr = oblast reaktivního blízkého pole (m),

NFrad = oblast vyzařovaného blízkého pole (m),

FF = oblast vzdáleného pole (m),

= vlnová délka (m),

L = největší rozměr antény (m).

Poznámka: Pro drátové antény, kde je rozměr antény malý ve srovnání s délkou

vlny ( > 10L), neexistuje vyzařované blízké pole.

A.3 Výpočetní metoda pro výkonovou hustotu vzdáleného pole

V oblasti vzdáleného pole se může výkonová hustota pro aperturní i drátové antény vypočítat za použití Friisovy rovnice volného prostoru uvedené níže. Všechny úrovně výkonové hustoty se počítají za použití maximálního výstupního výkonu vysílače a zisku antény vztažené k poklesu úrovně hlavního paprsku o 3 dB.

24 d

GPPD T

(rovnice A.4)

kde

PD = výkonová hustota (W/m2),


101

PT = střední nebo vrcholový výstupní výkon vysílače (W),

G = numerický zisk antény (bezrozměrný),

D = vzdálenost od antény nebo její dosah (m).

Intenzita elektrického pole je závislá na výkonové hustotě podle následující rovnice:

0ZPDE (rovnice A.5)

kde

E = maximální intenzita elektrického pole (V/m efektivní),

Z0 = skutečná impedance volného prostoru (120 nebo přibližně 377 ),

PD = výkonová hustota (W/m2).

V oblasti blízkého pole neplatí pro elektrické a magnetické pole antény konstantní poměr 120π (přibližně 377 Ω), tedy skutečná hodnota impedance volného prostoru. V závislosti na napětí na svorkách zdrojové antény, impedanci a řídicím proudu, budou mít elektrické a magnetické pole bodu různý poměr a jedno nebo druhé pole bude dominantní. V oblasti vzdáleného pole se předpokládá, že poměr elektrického

a magnetického pole je přibližně 377 ; rozdíly mezi poli se stávají menšími a dominance polí se snižuje. I přes rozdíly v impedanci blízkého pole se rovnice A.5 běžně používá pro převod úrovně výkonové hustoty na úroveň intenzity elektrického pole.

A.4 Výpočet vrcholové/střední hodnoty výkonu

V případě komunikační techniky se typicky používá amplitudová (AM), kmitočtová (FM) a impulzní (PCM) modulace nebo průběžný signál (CW). Aby se určila efektivní hodnota (rms) vrcholového výkonu pro FM a PCM, používá se metoda nejhoršího případu, kdy se vrcholový výkon rovná vrcholové hodnotě nemodulovaného nosného kmitočtu. Obálka vrcholového výkonu 100 % modulovaného AM signálu je dvojnásobkem vrcholového výkonu nosného kmitočtu a používá se tedy jako nejhorší případ AM signálu. Střída průběžného signálu zajišťuje, že při porovnání úrovní střední a vrcholové hodnoty jsou jejich efektivní výkony stejné. Výše zmíněné porovnání se použilo z důvodu náhodné změny povahy skutečného vrcholového výkonu v určeném intervalu.

Impulzně modulované signály, hlavně z radiolokátorových vysílačů mají rozdíl mezi vrcholovou a střední hodnotou efektivního výkonu. Střední hodnota výkonu se definuje poměrem zapnutého a vypnutého výkonu v daném intervalu. Tento poměr zapnuto/vypnuto se označuje jako střída a je možno ji vypočítat (rovnice A.6). Střední hodnotu výkonu je možno určit pomocí vrcholového výkonu a střídy, jak je vidět dále (rovnice A.7).

pri

pwcd .. nebo prfpwcd .. (rovnice A.6)

..cdPP pa (rovnice A.7)

kde

d.c. = střída (bez rozměru),

102

pw = šířka impulzu (s),

pri = opakovací interval impulzů (s),

prf = opakovací kmitočet impulzů (Hz),

Pa = střední hodnota výkonu (W),

Pp je vrcholová hodnota výkonu (W).

A.5 Výpočetní metoda výkonové hustoty blízkého pole

Metoda, která se používá pro výpočet výkonové hustoty podél osy šíření antén s kruhovými nebo pravoúhlými aperturami s velkými rozměry v oblasti vyzařovaného blízkého pole (Fresnelova oblast) je uvedena v odstavci A.5.1 a A.5.2. Ve Fresnelově oblasti se také snižuje zisk antény a šířka paprsku; z tohoto důvodu se rovnice pro výpočet výkonové hustoty vzdáleného pole (rovnice A.4) musí upravit, aby se uplatnily korekční činitele blízkého pole antény (NCF).

Metoda výpočtu výkonové hustoty blízkého pole, která se používá pro NATO EME byla odvozena z NAVSEA OP 3565 [41], NAVSHIPS 0900-006-5250 [42] a NAVSHIPS 0900-006-5240 [43]. Je určena na základě důsledného přístupu odhadu ozáření antény a výpočtu/ověření účinnosti antény; se zanedbáním následujících vlivů; ztráty nepřizpůsobením (poměr stojatých napěťových vln) odvozené z odrazu od napájecích svorek antény a RF ztráty mezi anténou a napájecím bodem (vysílačem), vedlejších ztrát a ztrát vlivem fázové chyby způsobené faktem, že apertura antény není uniformní fázový povrch. Odstavec A.5.1 uvádí metodu pro výpočet výkonové hustoty kruhových apertur v blízkém poli a odstavec A.5.2 uvádí metodu pro výpočet výkonové hustoty pro pravoúhlé apertury v blízkém poli. Tyto dvě metody se liší jen v detailech tak, že metoda pro pravoúhlé apertury počítá hodnotu snížení zisku antény, zatímco metoda pro kruhovou aperturu počítá s korekčním činitelem blízkého pole, který obsahuje jak hodnotu snížení zisku, tak i ztráty v prostoru.

A.5.1 Výpočet výkonové hustoty blízkého pole pro antény s kruhovou aperturou

Rovnice použitá pro výpočet výkonové hustoty podél osy šíření rozlehlých antén s kruhovou aperturou v oblasti „vyzařovaného“ blízkého pole je označena jako rovnice A.8. Ve Fresnelově oblasti jsou zisk antény a vyzařovací paprsek degradovány; rovnice A.4, která je určena pro výpočet výkonové hustoty ve vzdáleném poli se tedy musí modifikovat tím, že se započte korekční činitel pro blízké pole (NCFcirc).

circ

ff

T NCFd

GPPD

24

(rovnice A.8)

kde

PD = střední nebo vrcholová výkonová hustota (W/m2),


G = číselná hodnota zisku antény (bez rozměru),

NCFcirc = korekční činitel blízkého pole (bez rozměru),

dff = vzdálenost antény od bodu vzdáleného pole použitého v rovnici A.3 (m).

Postup při výpočtu výkonové hustoty blízkého pole je následující:


103

a) Vypočíst výkonovou hustotu vzdáleného pole za použití Friisovy přechodové rovnice.

b) Vypočíst ozařovací konstantu (R) za pomoci rovnice A.9.

c) Určit ozáření antény a anténní činitel za použití ozařovací konstanty a tabulky 23.

d) Zkontrolovat pohledem, zda ozáření antény je vhodné pro výpočet účinnosti antény (K) za pomoci rovnice A.10.

e) Vypočíst normalizovanou vzdálenost od antény a pomocí vhodného ozáření antény na obrázku 52 určit NCF.

f) Vynásobit výkonovou hustotu (pro vzdálené pole) vypočtenou v kroku a) hodnotou NCF, vypočtenou v kroku e).

Následující rovnice ukazuje podrobný výpočet korekčního činitele blízkého pole pro Fresnelovu oblast antény s kruhovou aperturou. Jak je uvedeno výše, korekční činitel blízkého pole závisí na typu ozáření antény a vzdálenosti od antény. Pokud není ozáření antény známé, může se určit následující metodou. Nejprve se za pomoci rovnice A.9 vypočte ozařovací konstanta (R).

)()()(10817,5 5 LBWfR (rovnice A.9)

kde

R = ozařovací konstanta,

f = kmitočet v MHz,

BW = šířka paprsku (horizontální nebo vertikální) pro pokles 3 dB,

L = průměr kruhové apertury antény nebo největší horizontální nebo vertikální rozměr antény s pravoúhlou aperturou (m).

Po výpočtu R pomocí rovnice A.9 se může ozařovací diagram antény určit podle tabulky 23.

Poznámka: Ozáření vyšší než (1 r2)4 je prakticky nemožné, protože snížení zisku ve Fresnelově oblasti je téměř zanedbatelné.

TABULKA 23: Ozáření antény s kruhovou aperturou (1 r2)

Rozsah R Uvažované ozáření Činitel ozáření antény (F)

1,02 až 1,27 Uniformní 0 1,00

1,27 až 1,47 Kužel (1 r2) 1 0,75

1,47 až 1,65 Kužel (1 r2)2 2 0,56

1,65 až 1,81 Kužel (1 r2)3 3 0,44

1,81 Kužel (1 r2)4 4 0,36

Pokud se ozařovací konstanta R určí na hranici dvou řádů ozáření (), zvolí se vyšší řád, protože se bude indukovat maximální intenzita pole. Navíc se musí za použití rovnice A.10 zkontrolovat vhodnost vypočtených hodnot účinnosti antény a ozáření. Vyšší řád ozáření může způsobit, že účinnost antény bude příliš vysoká, než v případě

104

volby nižšího řádu ozáření. Jako vhodná se jeví účinnost antény (K) v mezích 0,3 až 0,9.

))((4

)( 2

FA

CK

(rovnice A.10)

kde

K = účinnost antény (bez rozměru),

G = zisk antény ve vzdáleném poli (bez rozměru),

A = apertura antény (m2),

= délka vlny (m),

F = ozařovací činitel antény (viz tabulka 24).

Pokud byl ozařovací činitel (F) jednou určen a účinnost byla ověřena jako vhodná, pak se může korekční činitel zisku použít pro výpočet pro specifický typ ozáření antény s kruhovou aperturou v blízkém poli.

Nyní, když je určen typ ozáření ( = 0, 1, 2, 3. 4), se může určit korekční činitel blízkého pole tím, že se vypočte normalizovaná vzdálenost od antény s použitím rovnice A.11 a pak se na základě typu ozáření z obrázku 36 zvolí vhodný korekční činitel (NCF).

ffd

d (rovnice A.11)

kde

χ = normalizovaná vzdálenost (bez rozměru),

d = vzdálenost nebo rozsah od antény (m),

dff = vzdálenost vzdáleného pole (m).

Úroveň výkonové hustoty blízkého pole v dané vzdálenosti (d) od antény se může určit výpočtem výkonové hustoty ve vzdáleném poli a násobením této hodnoty korekčním činitelem (NCF). Následující obrázek slouží pro výpočet hypotetického vyzařujícího systému s kruhovou aperturou antény.

Normalizovaná vzdálenost (x)

Uniformní ozáření

Kužel (1-r2)2

Kužel (1-r2)3

Kužel (1-r2)4

Kužel (1-r2)

Na o

se k

ore

kčníh

o č

initele

výkonové h

usto

ty

pro

blí

zké

pole


105

OBRÁZEK 52: Korekční činitel blízkého pole pro ozáření kruhovou aperturou

Charakteristiky hypotetického vyzařujícího systému s kruhovou aperturou antény jsou následující:

a) průměr apertury antény (L) = 2 m,

b) zisk antény ve vzdáleném poli (G) = 21 dBi = 126 (číselný zisk),

c) šířka laloku antény = 3°,

d) střední kmitočet antény/vysílače (f) = 5 000 MHz,

e) výstupní výkon vysílače (P) = 50 W (střední hodnota),

f) délka vlny () = 300/f = 0,06 m,

g) vzdálenost vzdáleného pole (dff) = 2L2/ = 133,3 m,

h) konstanta ozáření antény (R) = R=5,84·10-5 ·f ·BW·L = 5,84.10-5·5 000·3·2 = 1,752,

i) za použití tabulky 23 indikuje hodnota R=1,752 anténu s kruhovou aperturou s úhlem ozáření (1-r2)3. Odpovídající faktor ozáření antény (f) také z tabulky 23 se rovná 0,44.

Účinnost antény (K) 026,044,02

0036,0126

44,04/4

06,0126

4 222

22

LAF

G

NCFcirc je korekční faktor zisku kruhové apertury získaný z obrázku 52. Protože pro hypotetickou anténu byl nalezen kužel ozáření (1-r2)3, může se použít křivka ρ = 3. Výkonová hustota ve vzdálenosti 5 m od antény je následující:

a) Normalizovaná vzdálenost χ (s ohledem na vzdálené pole) pro d = 5 se vypočte

následovně: 0375,03,133

5

2 2

L

d.

b) Z obrázku 52 je možno určit, že hodnota NCFcirc je 100 pro ρ = 3 při χ =0,0375. c) Výkonová hustota ve vzdálenosti 5 m je následující: d) PD = NCF (PD ve vzdálenosti vzdáleného pole)

22

222

/282,0/82,23.1334

50126100

24

cmmWmWD

GPNNCF

.

A.5.2 Metoda výpočtu výkonové hustoty blízkého pole antény s pravoúhlou aperturou

Rovnice použitá pro výpočet výkonové hustoty podél osy šíření rozlehlých antén s pravoúhlou aperturou v oblasti „vyzařovaného“ blízkého pole je označena jako rovnice A.12. Ve Fresnelově oblasti jsou zisk antény a vyzařovací paprsek degradovány; rovnice A.4, která je určena pro výpočet výkonové hustoty ve vzdáleném poli, se tedy musí modifikovat tím, že se započte korekční činitel pro blízké pole (NGFrect).

106

rectT NCFd

GPPD

24

(rovnice A.12)

kde

PD = střední nebo vrcholová výkonová hustota (W/m2),


G = číselná hodnota zisku antény (bez rozměru),

NGFrect = korekční činitel blízkého pole (bez rozměru),

d = vzdálenost od antény (m).

Postup při výpočtu výkonové hustoty blízkého pole je následující:

a) Vypočíst výkonovou hustotu vzdáleného pole za použití Friisovy přechodové rovnice.

b) Vypočíst ozařovací konstantu (R) za pomoci rovnice A.9.

c) Určit ozáření antény a anténní činitel za použití ozařovací konstanty a tabulky 24.

d) Zkontrolovat vizuálně, zda ozáření antény je vhodné pro výpočet účinnosti antény (K) za pomoci rovnice A.10.

e) Vypočíst normalizovanou vzdálenost od antény a pomocí vhodného ozáření antény na obrázcích 53 až 57 určit NGF.

f) Vynásobit výkonovou hustotu (pro vzdálené pole) vypočtenou v kroku a) hodnotou NGF, vypočtenou v kroku e).

Následující řádky ukazují podrobný výpočet korekčního činitele blízkého pole NGFrect

pro Fresnelovu oblast antény s pravoúhlou aperturou. Jak je uvedeno výše, korekční činitel blízkého pole závisí na typu ozáření antény a vzdálenosti od antény. Aby bylo možno určit výkonovou hustotu antény s pravoúhlou aperturou, je nutno určit redukční činitel zisku pro horizontální a vertikální osu/rovinu. Pokud není ozáření antény pro obě osy/roviny známé, může se určit metodou popsanou v odstavci A.5.1. Nejprve se pomoci rovnice A.9 vypočte ozařovací konstanta (R) pak se pro každou osu/rovinu pomocí rovnice A.13 a tabulky 24 určí typ ozáření a činitele (Fh a Fv). Ozáření vyšší než cos4 nemá praktický význam a může se vynechat, protože snížení zisku ve Fresnelově oblasti je téměř zanedbatelné.

TABULKA 24: Ozáření anténou s pravoúhlou aperturou

Rozsah R Uvažované ozáření Fh a Fv

0,88 až 1,2 Uniformní 1,00

1,2 až 1,45 cos 0,810

1,45 až 1,66 cos2 0,667

1,66 až 1,93 cos3 0,575

1,93 až 2,03 cos4 0,515

Pokud se ozařovací konstanta R určí na hranici dvou řádů ozáření, zvolí se vyšší řád, protože se bude indukovat maximální intenzita pole. Navíc se musí za použití rovnice


107

A.10 zkontrolovat vhodnost vypočtených hodnot účinnosti antény a ozáření. Vyšší řád ozáření může způsobit, že účinnost antény bude příliš vysoká než při volbě nižšího řádu ozáření. Jako vhodná se jeví účinnost antény (K) v mezích 0,3 až 0,9.

Byl určen jeden z následujících typů ozáření (uniformní, cos, cos2, cos3 a cos4). Redukovaná hodnota zisku blízkého pole se může určit normalizováním vzdálenosti od

antény a rozměrů antény (Lh a Lv) v jednotkách vlnové délky (). Rovnice A.14 se může použít pro výpočet vlnové délky za použití středního kmitočtu vysílače. Rovnice A.15 se pak může použít pro výpočet normalizované vzdálenosti (χrect) za pomoci vlnové délky a vzdálenosti od antény. Rovnice A.16 se pak použije pro výpočet rozměrů antény, normalizovaných vzhledem k vlnové délce (ah a av).

f

300 (rovnice A.14)

kde

f = kmitočet v MHz.

drect (rovnice A.15),

h

h

La

, v

v

La

(rovnice A.16).

Obrázky 53 až 57 uvádějí grafické křivky redukce zisku (dB) v závislosti na vzdálenosti

(rect) od antény (v jednotkách vlnové délky) vztažené k rozměrům antény (v jednotkách vlnové délky) pro každý typ ozáření (uniformní, cos, cos2, cos3 cos4). Pokud se pro každou rovinu zvolí dvě odpovídající hodnoty snížení zisku, je možno vypočítat kombinovaný činitel redukce zisku blízkého pole za použití rovnice A17. Aby to bylo možno provést, je třeba přičíst dvě hodnoty redukce zisku a převést jednotky z dB na číselné hodnoty. Úroveň výkonové hustoty blízkého pole v dané vzdálenosti (d) od antény se může určit výpočtem výkonové hustoty a násobením této hodnoty redukčním činitelem zisku blízkého pole (NGFrect) za použití rovnic A.13 a A.12

1010hv NGRNGR

rectNGF

(rovnice A.17)

kde NGRv a NGRh jsou redukční činitele zisku blízkého pole pro vertikální a horizontální osy v dB odvozené z obrázků 53 až 57. Na straně 112 je příklad výpočtu hypotetického vyzařovacího systému s pravoúhlou aperturou antény.

108

OBRÁZEK 53: Redukce zisku ve Fresnelově oblasti pro uniformní ozáření (pravoúhlá apertura)

Vzdálenost od antény (vlnová délka)

Sníž

ení zis

ku v

blíz

kém

poli

(dB

)


Sníž

ení zis

ku v

blíz

kém

poli

(dB

)


109

OBRÁZEK 54: Redukce zisku ve Fresnelově oblasti pro typ ozáření cos (pravoúhlá apertura)

OBRÁZEK 55: Redukce zisku ve Fresnelově oblasti pro typ ozáření cos2 (pravoúhlá apertura)


Sníž

ení zis

ku v

blíz

kém

poli

(dB

)

110

OBRÁZEK 56: Redukce zisku ve Fresnelově oblasti pro typ ozáření cos3 (pravoúhlá apertura)

OBRÁZEK 57: Redukce zisku ve Fresnelově oblasti pro ozáření cos4 (pravoúhlá apertura)


Sníž

ení zis

ku v

blíz

kém

poli

(dB

)


Sníž

ení zis

ku v

blíz

kém

poli

(dB

)


111

a) Charakteristiky hypotetického vyzařovacího systému s pravoúhlou aperturou antény jsou následující: rozměr antény (Lh horizontální nebo šířka) = 0,991 m =

29,

b) rozměr antény (Lv vertikální nebo výška) = 0,177 m = 5,2,

c) zisk antény ve vzdáleném poli (G) = 29,3 dB = 851 (poměr zisku),

d) střední kmitočet (f) = 8 825 MHz,

e) rozměr laloku (BW) = 3° horizontální směr a 13° vertikální směr,

f) výstupní výkon vysílače (PT) = 13,1 W (střední výkon při šířce impulzu 0,5 μs),

g) = 300/8 825 = 0,034 m,

h) vzdálenost vzdáleného pole (dff) = 2L2/, kde L je nejdelší lineární rozměr antény (m) = 2·0,9912/0,034 = 57,6 m,

i) R, což je konstanta pro odpovídající ozáření se určí ze vztahu R = 5,84·10-

5·f·BW·L(m). kde:

f = kmitočet (MHz),

BW = šířka laloku ve stupních (horizontál nebo vertikál) v bodech poklesu o 3 dB,

L = horizontální nebo vertikální rozměr (m).

Pro ozáření v horizontální rovině:

R = 5,84·10-5·8 825·3·0,991 = 1,53 – což odpovídá ozáření pro kategorii cos2 (viz tabulka 24).

Pro ozáření ve vertikální rovině:

R = 5,84·10-5·8 825·13·0,177 = 1,19 – což odpovídá uniformnímu ozáření (viz tabulka 24).

Účinnost antény (K) se ověří použitím hodnot z tabulky 24:

Fh = 0,667 a Fv = 1,0,

F = Fh · Fv = 0,667,

67,0667,0177,0991,014,34

034,0851

4

22

FA

GK

.NGFrect je součet horizontálního

a vertikálního korekčního faktoru získaného z obrázku 55 pro cos2 a obrázku 53

pro uniformní ozáření. Ve vzdálenosti 1 m nebo 29 je redukce horizontálního zisku přibližně 9 dB a redukce vertikálního zisku ve vzdálenosti 1 m je 0,1 dB.

Tedy

NGF (dB) = (-9 dB) + (-0,1 dB) = -9,1 dB,

NGF (poměr) = antilog (-0,91) = 1/8,1,

PD ve vzdálenosti 1m = 2

22/9,10/109

1,8

1

156,12

8511,13

42 cmmWmWNGF

d

PG

.


112

14 Část 259 Kvalita elektrického napájení a elektromagnetické prostředí uvnitř systému

14.1 Úvod

Část popisuje prostředí rádiových kmitočtů (RF) ve vedeních, která mohou ovlivňovat techniku prostřednictvím poruch způsobovaných střídavými/stejnosměrnými (AC/DC) napájecími systémy instalovanými na platformách zbraňových systémů nebo v pozemních komunikačních centrech a krytech.

Předmětem této části je zajistit, aby návrh a vývoj požadované architektury napájení systému splňoval požadované provozní úrovně, aby vojenská komunikační a elektrická/elektronická zařízení byla chráněna.

14.1.1 Rozdíl mezi kvalitou elektrického napájení a EMI/EMC

Kvalita elektrického napájení se ne vždy považuje za součást rámce vlivů elektromagnetického prostředí (E3), který se typicky zaměřuje na sledování vlivů elektromagnetické interference (EMI). Protože oba vlivy jsou si velmi blízké, nesmí se posuzovat odděleně.

Zkušební postupy EMI dokumentu ČOS 051627, Kategorie 501 [44], posuzují kvalitu elektrického napájení z hlediska regulace EMI (zejména vedených emisí) z napájecích vodičů a kabelů AC/DC zdrojů a signálových vodičů a kabelů na úrovni zařízení. Tyto zkoušky obsahují zkoušky vedených emisí (podrobnější popis viz článek 14.4) a vyzařovaných emisí (NRE02) na vyšších kmitočtech.

Nicméně tato část se zabývá kvalitou napájení z hlediska rozhraní. To znamená další elektrické poruchy, které se mohou vyskytnout na napájecích svorkách mezi zařízeními nebo mezi zařízením a zbraňovým systémem. Tyto dodatečné elektrické poruchy nejsou zcela popsány v požadavcích dokumentu [44]. Tam kde je to nutné, je třeba provést další ověření zaměřené na přizpůsobení fázové zátěže a proudové zátěže na těchto svorkách. Toto je nutné pro elektrické oddělení a použití metod pro zjištění zemních smyček a interakce nesymetrických režimů z hlediska propojení.

14.1.2 Vliv na spolupráci v rámci NATO

Zaměření na kvalitu elektrického napájení je jedna z nutných podmínek pro zajištění spolupráce v rámci NATO. Existuje celá řada situací, kde jednotlivé členské státy sdílejí, nebo vyžadují poskytnutí elektrického napájení pro zajištění provozu jejich zbraňových systémů během vojenských operací. Např. letadlo jednoho členského státu vyžaduje připojení k napájecímu systému na letišti jiného členského státu. Velitelská stanoviště nebo čerpací nádrže jednoho členského státu mohou být napájeny z elektrického generátoru jiného členského státu v rámci společného nasazení jednotek NATO.

14.1.3 Vliv na operace

Vojenské operace se stále více zaměřují na informační činnost a správu informací. Toto signalizuje masivní přechod od mechanizovaných systémů a platforem, které se používaly v minulosti k plně elektronizovaným a výpočetním systémům. Typická současná zařízení jsou složena z citlivých elektrických obvodů, jejichž provoz vyžaduje snížení hodnot elektrického rušení. Navíc jsou obvody většinou vytvořeny jako číslicové a jsou tedy velmi citlivé na širokopásmovou elektromagnetickou interferenci (EMI),

113

poruchy a zkreslení. Přechodové jevy způsobené zapnutím/vypnutím, spínaného zdroje nebo neustále se zvyšující kmitočty hodinových kmitočtů významně zvyšují pravděpodobnost generování a přítomnost nechtěných širokopásmových signálů. Tyto skutečnosti vedou k tomu, že vojenská zařízení jsou mnohem citlivější na změny v napájecích podmínkách a na EMI všeobecně. Je tedy nutné, aby elektrické napájecí systémy byly stabilní, spolehlivé a bez poruch nebo zkreslení. Souhrnně lze říct, že kvalita elektrického napájení a spolehlivost zdrojů jsou pro vojenské operace rozhodující.


14.2.1 Popis prostředí

Elektrické napájecí systémy pracují s konstantním napětím a dodávají výkon v širokém rozsahu zátěží. Platformy zbraňových systémů vyžadují elektrické napájení, které neobsahuje přerušování, poklesy, rázy a zkreslení harmonickými signály. Existuje potřeba definovat akceptovatelné provozní prostředí napájecích systémů pro zlepšení provozní účinnosti a snížení EMI. Poruchy napájecích systémů se často projevují jako přechodové napětí, proudová interference nebo jako zkreslení průběhu a je způsobeno úderem blesku, sepnutím zátěže chybami napájecích systémů, nelineárními zátěžemi a elektromagnetickými impulzy (EMP).

14.2.2 Interference v symetrickém a nesymetrickém režimu

Poruchy napájecích systémů se často klasifikují jejich vazebním režimem uvnitř nebo vně elektrického zařízení buď jako interference v symetrickém (normálním), nebo nesymetrickém režimu. Tyto režimu jsou popsány následovně:

a) Interference v symetrickém režimu způsobuje potenciál na jedné straně přenosové cesty, který se mění relativně vzhledem k jeho druhé straně.

b) Interference v nesymetrickém režimu, která se projevuje mezi oběma vodiči a společnou referenční úrovní (zemí). Tato interference způsobuje potenciál na obou stranách přenosové cesty, který se mění souběžně a se stejnou úrovní vzhledem ke společné referenční ploše (zemi).

14.2.3 Harmonické spektrum

Harmonické proudy zkreslují střídavý (AC) průběh prostřednictvím impedance zdroje a distribučního systému. Existuje několik nežádoucích vlivů způsobených nadměrným harmonickým napětím. Zkreslený průběh napětí může způsobit problémy v nesprávně navržených elektronických zařízeních, zvyšuje výkonové ztráty v motorech a dalších magnetických obvodech, snižuje krouticí moment ve výkonných indukčních motorech nebo vybudí nežádoucí vibrací prostřednictvím elektro-mechanických vazeb. Dále může zkreslený průběh sloužit jako zdroj proudového buzení v trupech lodí (viz odstavec 14.2.5). Stejné problémy se mohou vyskytnout v případě nízkých kmitočtů harmonických siločar, které generují magnetická pole, která vytvářejí vazby s jinými siločarami nebo zařízením.

14.2.4 Tlumené sinusovky

Tlumené sinusovky (někdy jejich komplexní kombinace) se běžně vyskytují na platformách při externí stimulaci jako je blesk nebo EMP a při spínání v rámci platformy. Průběhy se objevují na kabelech a mohou být způsobeny rezonancí samotných kabelů nebo vlivem napětí a proudů vyvolanými jinými rezonancemi


114

na platformě. Také přechodové jevy způsobené spínáním uvnitř platformy mohou vyvolat podobné průběhy (viz [44]).

14.2.5 Proudy tekoucí konstrukcí (trupem)

Proudy tekoucí konstrukcí mohou způsobit problémy u citlivých zařízení, zvláště na lodích. Rektifikační proudy se jeví být hlavním zdrojem proudů tekoucích konstrukcí, ty však mohou být vyvolány i harmonickými složkami spínacích kmitočtů, pokud se vyskytují.

14.2.6 Pravděpodobnost výskytu

V ideálním případě by měl elektrický zdroj dodávat do zařízení konstantní napětí a kmitočet v závislosti na impedancích systému, které jsou přizpůsobené a stejné pro všechny fáze obvodů a větví. Různé fáze strategického a taktického provozu nutně vyžadují použití různých zařízení a různých provozních režimů a provozních scénářů. Na platformách zbraňových systémů a komunikačních elektronických zařízení se mohou poruchy elektrického napájecího systému a průběhů očekávat kdykoliv. Potřeba požadavku kvality elektrického napájení se zvyšuje s poznáním, že dříve zmíněné ideální podmínky ve skutečném světě vojenských instalací neexistují.

14.2.7 Nepříznivé vlivy

Důsledkem poruch napájecích systémů jsou nepříznivé vlivy na platformy zbraňových systémů, elektronická komunikační zařízení a kryty. Mohou se vyskytnout ve formě malé stability elektrického napájení, zkreslení průběhu a neodpovídající regulaci napětí. Jsou to např. poklesy, rázy, výpadky (tj. vypnutí napájení) a přerušení (tj. dočasné poklesy v síti), které jsou důsledkem změn impedance napájecího systému, jako jsou např. připojení nebo odpojení další zátěže ke stávající elektrické zátěži. Nepříznivé vlivy se také mohou objevit v důsledku přechodových stavů (včetně tlumené sinusovky), nebo zvlnění, nebo ve formě změn výkonových poměrů.

Stabilitu proudů může ovlivnit zapnutí zařízení, které produkuje induktivní změny impedance napájecího systému. Toto může nastat při zapnutí nebo vypnutí induktivní zátěže jako jsou motory, solenoidy nebo relé.

Další nepříznivé vlivy se mohou projevit jako:

a) interference v symetrickém režimu vlivem změn při použití elektrických zátěží,

b) interference v nesymetrickém režimu způsobené nesymetrickými napětími a impedancemi,

c) harmonické spektrum vyvolané nepřesnými zdroji a spínanými zdroji,

d) proudy tekoucí v trupech lodí vlivem nesprávného řízení zátěží a proudů.

14.3 Normy pro kvalitu napájení

14.3.1 Úvod

Normy pro kvalitu napájení (tj. normy pro dovolené zkreslení napětí) se používají pro úpravu charakteristik výstupu zdrojů. Týkají se výše uvedených činitelů. Tyto normy se zaměřují hlavně na čtyři parametry napájecích systémů, které slouží jako rámec pro klasifikaci pracovního prostředí napájecích zdrojů. Jsou to:

a) změny kmitočtu,

115

b) změny amplitudy,

c) změny průběhu,

d) symetrie.

Příklady norem pro kvalitu napájení, které upravují meze napájecího napětí pro platformy zbraňových systémů a pomocného zařízení jsou:

STANAG 1008 [45]

STANAG 2601 [46]

STANAG 3456 [47]

STANAG 3457 [48]

STANAG 4133 [49]

STANAG 4134 [50]

STANAG 4135 [51]

14.3.2 Provozní a zkušební prostředí

Charakteristiky napájecích systémů definované výše uvedenými standardizačními dohodami (STANAG), které slouží jak pro popis provozního prostředí elektrických napájecích systémů, s nimiž se počítá pro platformy, zařízení a pomocná zařízení, tak pro popis zkušebního prostředí. Z tohoto důvodu tato část neuvádí podrobné provozní nebo zkušební prostředí, protože je možno je najít ve výše uvedených dokumentech (STANAG).

14.4 Výběr zkoušek

Pro ověření požadavků výše uvedených dokumentů (STANAG) se mohou požadovat zkoušky.

ČOS 051627 – Kategorie 501 také poskytuje zkušební postupy použitelné pro pomocná zařízení a podsystémy, které se mohou použít pro simulaci přechodového rušení a zkreslení průběhů, které se vyskytují v napájecích systémech, jako jsou např.:

a) NCS01 – Conducted Susceptibility, Power Leads, 30 Hz to 150 kHz (Susceptibilita na vedené emise, napájecí vodiče, 30 Hz až 150 kHz).

b) NCS02 – Conducted Susceptibility, Control and Signal Leads, 20 Hz to 50 kHz (Susceptibilita na vedené emise, řídicí a signálové vodiče, 30 Hz až 50 kHz).

c) NCS06 – Conducted Susceptibility, Structure Current, 60 Hz to 100 kHz (Susceptibilita na vedené emise, únikový proud, 60 Hz až 100 kHz).

d) NCS07 – Conducted Susceptibility, Bulk Cable Injection, 10 kHz to 400 MHz (Susceptibilita na vedené emise, injektáž do kabelového svazku, 10 kHz až 400 MHz).

e) NCS08 – Conducted Susceptibility, Bulk Cable Injection, Impulse Excitation (Susceptibilita na vedené emise, injektáž do kabelového svazku, impulzní buzení).

f) NCS09 – Conducted Susceptibility, Damped Sinusoid Transients, Cables and Power Leads, 10 kHz to 100 MHz (Susceptibilita na vedené emise, tlumená sinusovka, kabely a napájecí vodiče 10 kHz až 100 MHz).


116

g) NCS10 – Conducted Susceptibility, Imported Lightning (Aircraft) (Susceptibilita na vedené emise, přímý úder blesku (letadla).

h) NCS11 – Conducted Susceptibility, Low Frequency Power Leads (Sea Systems) (Susceptibilita na vedené emise, přivedený nízký kmitočet, susceptibilita napájecích vodičů (námořní systémy)).

14.5 Literatura k části 259 [44] ČOS 051627, Kategorie 501: Zkoušky vojenské techniky v elektrickém

a elektromagnetickém prostředí. Zkoušky zařízení a podsystémů. [46] STANAG 2601: Standardization of Electrical Systems in Tactical Land Vehicles

(Standardizace elektrické instalace ve vojenských vozidlech). [47] STANAG 3456: Aircraft Electrical Power System Characteristics (Vlastnosti

elektrických zdrojů letadel). [48] STANAG 3457: Ground Electrical Power Supplies for Aircraft (Pozemní zdroje

elektrické energie pro letadla). [49] STANAG 4133: Method of Specifying Electrical Power Supplies: Standard Types

of Electrical Power (Metoda specifikace elektrických zdrojů: standardní charakteristiky elektrických zdrojů).

[50] STANAG 4134: Electrical Characteristics of Rotating 28-Volt DC Generating Sets (Elektrické charakteristiky stejnosměrných zdrojových soustrojí 28 V).

[51] STANAG 4135: Electrical Characteristics of Rotating Alternating Current Generating Sets (Elektrické charakteristiky střídavých zdrojových soustrojí).

14.6 Ostatní příslušné národní/mezinárodní normy STANAG 4074 Auxiliary Power Unit Connections for Starting Tactical Land Vehicles

(Pomocné propojovací prvky pro startování vojenských vozidel) STANAG 7039 Test Procedures to Ensure Compatibility of Equipment with Aircraft

Electrical Power Systems (Zkušební postupy pro zajištění kompatibility palubního zařízení s elektrickou napájecí soustavou letadla)

DEFSTAN 61-5 Electrical Power Supply System Below 650 Volts (Elektrické napájecí systémy s napětím nižším než 650 V)

MIL-STD-704 Aircraft Electrical Power Characteristics (Charakteristiky elektrického napájení letadel)

MIL-STD-1275 Characteristics of 28 Volt DC Electrical Systems in Military Vehicles (Charakteristiky elektrických systémů pro 28 Vss ve vojenských vozidlech)

ISO 7637 Road Vehicles – Electrical Disturbances from Conduction and Coupling (Silniční vozidla – Elektrické rušení způsobované vedením a vazbou)

117

(VOLNÁ STRANA)

118

(VOLNÁ STRANA)

119

(VOLNÁ STRANA)

120

Účinnost českého obranného standardu od: 31.května 2017 Změny:

Změna číslo

Účinnost od Změnu za pracoval Datum zapracování

Poznámka

1 22.6.2020 Odbor obranné standardizace 23.6.2020

U p o z o r n ě n í :

Oznámení o českých obranných standardech jsou uveřejňována měsíčně ve Věstníku Úřadu pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví v oddíle „Ostatní oznámení“ a Věstníku MO.

V případě zjištění nesrovnalostí v textu tohoto ČOS zasílejte připomínky na adresu distributora.

Rok vydání: 2020, obsahuje 60 listů

Distribuce: Odbor obranné standardizace Úř OSK SOJ, nám. Svobody 471/4, 160 01 Praha 6

Vydal: Úřad pro obrannou standardizaci, katalogizaci a státní ověřování jakosti

www.oos.army.cz

NEPRODEJNÉ

Documents

ESKÝ OBRANNÝ STANDARD - army.cz