EMP teszteszközök:
az EMPRESS II bárka és a TRESTLE
2017.
június 07. 13:20 - Maga
Lenin
A
posztban talán még a sokat látott törzsközönség számára sem
igazán ismert területről, az (atomrobbantásból származó)
elektromágneses impulzusokról és tesztelésükről lesz szó.
A
modern élet, így a hadviselés alapját mindinkább a mögöttes
elektronikai rendszerek jelentik. Azonban a hardver sérülékenysége
ritkán említett téma, ellentétben a mostanra majdhogynem
elsődleges fontosságúvá vált hekkertámadásokkal. Pedig a
fizikailag pusztító nukleáris fegyverek bevetésének egyik,
tulajdonképpen egyáltalán nem mellékes hatása az elektromágneses
impulzus, angol rövidítéssel EMP létrejötte. Ez megbéníthatja
az elektronikai rendszereket a robbanás tűz- és lökéshullámán
kívül is.
Már
a legelső atomkísérletektől kezdve nyilvánvaló volt az, hogy a
lökéshullám, a hő- és ionizáló sugárzáson felül – mint az
atombomba közvetlen hatásai – a kísérőjelenségek között van
a nagy mennyiségű ionizált levegőrészecske, valamint a béta
részecskék okozta zavaró hatás a rádióadások terén. Ez nem
elsősorban a kommunikáció, hanem a radarok „megvakulása”
miatt nagy gond. Egy megfelelően pozícionált robbantással még
magasabb frekvenciákon is több tíz másodperces „zavarást”
lehet létrehozni, ami jól előkészítheti a terepet a közvetlenül
ez után érkező, tömeges csapásnak.
De
még ennél is veszélyesebb egy, bizonyos tekintetben hasonló, de
fizikai hátterét és hatását tekintve eltérő jelenség, a
szóban forgó EMP létrejötte. Az atomfegyverek robbanása során
felszabaduló energia kb. 0,1-0,5%-a realizálódik gamma sugárzás,
azaz igen magas frekvenciájú fotonok formájában. Ezek a levegő
atomjairól elektronokat szakíthatnak le, melyek mozgása végső
soron hatalmas elektromos térerősséget generál, és ezzel
tönkreteszi az erre fogékony eszközöket. Nagyjából 50 kV/m
térerősség jöhet létre ilyenkor, ami már számos, ipari
értelemben véve is szigetelőnek nevezett anyag átütési határát
jelenti – nyilván a nem védett, vezetőképes kábelek, antennák,
stb. esetében ez katasztrofális hatást jelent. Áramerősséget
tekintve 100 kiloamperes (!) értékek is előfordulhatnak, amit
persze nem sok minden visel el.
A Starfish Prime nukleáris teszt 1962. július 9-én, Honoluluból nézve. Bár Hawaii 1445 km-re van a Johnston-szigettől, amely fölé célozták a Thor rakétával indított, W49 típusú hidrogénbombát, a 400 km magasan történt, 1,4 Mt-s detonáció miatt a fenti látvány fogadta a lakosokat és turistákat éjszaka. Tulajdonképpen sarki fényt láthattak a „szivárvány bomba partikon” résztvevők. Mellékesen az első távközlési műholdat, a Telstart, az első brit műholdat, az Ariel 1-est, és még 5 másikat is sikerült tönkretenni, de ezt a gamma sugárzás okozta (forrás)
Bár az USA egy nagy magasságú nukleáris tesztet megúszott pár, Hawaii szigetén kiégett utcai lámpával (lásd fenti kép), a Szovjetunió ázsiai része feletti egyik robbantás (No.184) során sikerült telefonhálózatokban 2500 amperes áramlökést produkálni, ami nyilván azonnal tönkretette a rendszert. Igaz, erre azért valamennyire gondoltak, mert direkt előre felszerelték mérőeszközökkel az érintett szakaszokat…
Egy
nagy magasságban, azaz 4-500 km-en robbantott, nem is feltétlen
nagy hatóerejű, általában fissziós fegyver (azaz nem
hidrogénbomba) képes akkora térerősség-csúcsot generálni, ami
kiterjedését tekintve lefedi az USA kontinentális területét,
vagy mondjuk a korábbi Szovjetunió európai részét. Ez stratégiai
értelemben kimagaslóan fontos lehet, mert ezzel hihetetlen károkat
lehet okozni a polgári elektromos hálózatban és minden,
elektronikával működtetett eszközben, de még a katonai eszközök
nagy részében is. Ez a modern, gépesített, kommunikáción
alapuló haderőket használhatatlanná teszi, és a civil szférát
is megroppantja. Ezt a típusú EMP-t angolul HEMP-nek (esetleg
HAEMP-nek) nevezik, a high altitude (nagy magasság) szavak
kezdőbetűi miatt. Egy ilyen fegyverhasználat szinte bizonyosan
totális atomháborút előlegezne meg.
Hogy
a válaszcsapási képesség megmaradjon, a legkritikusabb hadászati
rendszereket megpróbálták ellenállóra készíteni az EMP-vel
szemben. Az USA esetében konkrétan a rakétasilókról, valamint a
tengeralattjárókkal és az összes többi haderővel kommunikáló,
éjjel-nappal járőröző repülőgépekről (a hidegháború végén
E-6 Mercury, illetve E-4B), a stratégiai bombázókról (B-52, B-1),
valamint elvileg néhány műholdas kommunikációs hálózatról van
szó – legalábbis amiről lehet tudni. Természetesen a hadihajók
is célponttá válnak, és ha másért nem is, de a válaszcsapást
biztosító tengeralattjárók védelme érdekében ezeket is meg
kell védeni az EMP hatásától.
Az
Egyesült Államok középső része felett robbantott atombomba
hatásterülete. Maga a robbanás kicsit északabbra történne az
égbolton, ezek a levetített centrumok. (Ennek légköri és
geomágneses oka van.) A 48/193/483 km magasságú detonáció (jobb
felső számok) 772/1609/2366 km-es sugarú körben (bal alsó
sorozat) lenne pusztító hatású. A hatóerő nincs megadva, de
durván 1 Mt-ra becsülhető (forrás)
Egyfajta, korlátozott mértékűnek megmaradó konfliktus elvileg elképzelhető lett volna például kisebb tengerészeti kötelékek között, ami szintén azt erősítette meg, hogy az egyes hajóknak célszerű volna túlélnie az EMP hatását. Ugyanerre mutatott, hogy a hajók egyre kisebb számban, de egyre nagyobb egységárban álltak szolgálatba, vagyis az egyes hajók értéke egyre nagyobb lett, így pedig egyre inkább fontosabbá vált megóvni őket.
A
védekezés, azaz az EMP elleni megerősítés („hardening”)
alapvetően árnyékolásból, elektromosan nem vezető anyagok
használatából, rövid, nem hajlított, főleg nem hurkokat
tartalmazó vezetékek használatából áll – legalábbis ezek a
nyilvánosan ismert megoldások közül a fontosabbak. Mivel ez
nagyban befolyásolja a tervezés többi aspektusát, nem csoda, hogy
csak a kiemelt esetekben (lásd fentebb) alkalmazzák őket. Emellett
léteznek szoftveres megoldások is, amik a megrongálódott
eszközökből származó adatok kvázi javítása révén küszöbölik
ki a sérülés hatását. A védelem lehetőségei közé sorolható
még az egyszerű redundancia, vagyis azonos elemekből több
használata, bízva abban, hogy az egyik legalább jól fog működni
mindig.
Érdekes,
hogy a régebbi és a legújabb technológia hogyan segíti ezt a
fajta védelmet. A korábbi, vákuumcsöves elektronikai eszközök
jóval kevésbé érzékenyek az EMP-re, mint a finom szerkezetű,
igen kis feszültségen működő, félvezetős eszközök.
(Általában is, a nagyobb feszültségen működő berendezések –
nem meglepő módon – jobban bírják az EMP hatását.) Néha
előkerül az a sztori, hogy amikor Viktor Belenko dezertált
MiG-25-ösével, és ezt megvizsgálták az amerikaiak, megdöbbenve
látták a számos, vákuumcsöves eszközt benne. Ezért aztán arra
gondoltak, hogy a gépet direkt tették így ellenállóbbá
atomháborús viszonyokra. A valóságban ennek oka inkább a szovjet
elektronikai ipar tetemes lemaradása miatt hiányzó, korszerű,
félvezetős elemek elérhetetlensége volt. Amikor később
megjelent a lézeres, üvegszálas adattovábbítás, akkor pedig ez
a modern eljárás nyújtott megoldást az EMP ellen. A fő
kommunikációs vezetékeket már ilyenre lehetett cserélni a hosszú
fémkábelek helyett, így védett hálózatot hozva létre például
a földi vezetési pontok és a repterek, rakétasilók között.
Erre – valószínűleg kevéssé ismert – példa a Totális háború 2006-ban? c. regény egyik részlete, amikor is a történet szerint Izrael felett robbantanak egy HEMP-t előidéző atombombát, de – bár a károk katasztrofálisak – a Jericho ballisztikus rakéták számára fenntartott, üvegszálas hálózat sértetlenül működik, lehetővé téve így a megtorló csapást.
Egy másik, hidegháborús amerikai krimi- és kémregényben a történet fő szála az, hogy a szovjet nagykövetséghez tartozó egyik épület az USA-ban érdekes megoldásokat tartalmaz, amint az egy véletlen révén kiderül – magyarán EMP ellen meg van erősítve. Ezt, és a furcsa pályájú, új szovjet „kémműholdat” összekapcsolva a főszereplők rájönnek, hogy utóbbi célja egy HEMP előidézése az USA felett, amivel atomcsapást készítenének elő, de mindezt a követség ezen épülete túlélné, segítve a háborút, de főleg megmentve a helyi szovjet közösséget. A leleplezés miatt aztán persze a háború elmarad a regényben.
Ezeken felül a Wikipedia dedikált (angol) oldala kimerítő hosszúságban sorol fel még fikciós EMP-csapásokat. A blogon maga az EMP téma egyébként egy nemzetközi eseményen előadást tartó, kifejezetten érdekes sztorikkal bíró amerikai úriember beszámolójából adódik, aki az EMPRESS II biztonsági vonzatairól anekdotázott röviden.
A
részleges atomcsendegyezmény miatt a légköri robbantásokkal
felhagyott az USA (is), de egyébként is, nem lett volna jó
megoldás minden, új haditechnikai eszközt kísérleti atombombák
gombafelhői árnyékában tesztelni. Ez fokozottan igaz volt a
repülőgépekre, melyek rosszabb esetben lezuhanhattak volna a teszt
során. Szimulátorokra volt szükség, melyekkel a bombázókat a
földön, a hadihajókat pedig a vízen lehetett vizsgálni,
radioaktivitás kibocsátása nélkül.
Az
EMPRESS II
Az
EMPRESS II az Amerikai Egyesült Államok Haditengerészetének
tesztbárkája, mely minden korábbinál erősebb, egyben valósághűbb
EMP-szimulációt tett lehetővé a tengereken.
Logikus
módon létezett EMPRESS I is, mely a Maryland állambeli Solomons
melletti partszakaszon kapott helyet, közvetlenül a víz mellett.
Ez az elektromágneses hullámok polarizációját függőleges és
vízszintes síkban is létrehozni képes, és az adott
frekvenciatartomány alsó és felső szélét is megvalósító, az
előbbiek miatt hibridnek nevezett létesítmény volt. Azonban
teljesítménye nem érte el a valódi, atomrobbanásokból származó
térerősséget („threat level”), ezért csak tervezési
segédletként volt használható, háborús tesztelő eszközként
nem. Méretei és kialakítása révén ráadásul csak fregattokat
tudott az elvárt, megfelelően homogén elektromágneses térrel
besugározni. Viszont, korlátozott teljesítménye miatt, alkalmas
volt a (tengerészeti) repülőgépek bevetési rendszereinek
tesztjére, azok átrepülései során, anélkül a veszély nélkül,
hogy azok lezuhantak volna belső elektronikájuk megrongálódása
miatt. A sugárzó 2,5 MV (azaz millió Volt) feszültséget tudott
előállítani, amihez +/-25 kV-ra lehetett feltölteni a
sokegységes, különleges kondenzátorokat. Ez legfeljebb 12,5 kJ
energia kibocsátást tette lehetővé, de az élettartam növelése
érdekében általában megelégedtek +/-17,5 kV és 1,75 MV
paraméterekkel. Ezt a vízszintes polarizáció esetében egy 396
méter hosszú, 2,75 m átmérőjű, 30,5 m magas antennával adta le
a szerkezet, függőleges polarizáció esetén pedig 30,5 méter
magas, 60 fokos nyílású, kúp alakú antennával dolgoztak. A
kétféle antenna esetében 6, illetve 8 ns (azaz nanoszekundum) volt
a leadott feszültségcsúcs felépülési ideje, mely lényeges
jellemzője a szimulációnak, hiszen a valódi EMP is pont a
rendkívül kis idő alatt létrejövő, de mégis hatalmas
feszültségcsúcs miatt annyira pusztító. Az átrepüléses
tesztekhez előzetesen 600 m magasságig vették fel az
elektromágneses tér karakterisztikáit, többek között
helikopteres méréssel. A tengerészet ezt követően a TACAMO
gépeit figyelte meg az EMPRESS-szel.
TACAMO, azaz Take Charge and Move Out, vagyis a mélyre merült atomtengeralattjárókkal való kommunikációt biztosító repülőgépek neve. Ezek a VLF-től az SHF-ig (super high frequency) képesek üzeneteket adni és venni, amihez tartozik egy, majdnem 8 km (!) hosszú, kiengedhető antenna is (az E-6 Mercury esetében), hogy a jelet a víz alá is le lehessen juttatni. Ez lényeges, mert így nem kell felmerülnie a kritikus helyzetben a tengeralattjáróknak.
Az eredeti TACAMO gépek egyike, egy EC-130Q Hercules. Az antennák most épp hogy ki vannak engedve, ahogyan azt a csapkodásukat megakadályozó, kúp alakú nehezékek mutatják (forrás)
Műszaki
felépítés
Azonban
a ’80-as évekre valami jobbra volt szükség, egyrészt, hogy a
nagyobb hajók (pl. az új Ticonderoga cirkálók és Arleigh Burke
rombolók) is kipróbálhatók legyenek, másrészt, hogy mindezt ne
csak az elvileg megállapított, „harci szint” alatt tudják
megtenni, harmadrészt pedig, hogy ne egy parti létesítményt
kelljen használni. Így jött létre az EMPRESS II, vagyis az
Electromagnetic Pulse Radio-frequency Environment Simulator for Ships
II. Ez egy óceánjáró bárkára felépített, impulzuskeltő
felépítményből, és a köré épített, hatalmas
antennaszerkezetből állt, melyet egy szintén óceánjáró
vontatóhajó mozgathatott. A bárka hossza 36,6 méter, szélessége
27,4 m, merülése 5,8 m. A belső felépítést tekintve a hajón 2
szint volt, illetve felül a felépítmény. A Marx-kaszkád (lásd
lent) egy 9,75x4,27x4,72 m méretű térben helyezkedett el alul, egy
nyolcszögű nyíláson át kapcsolódva a felette lévő víz
szigetelésű kondenzátorokkal. A fennmaradó térfogatot a két
szint töltötte be, különféle helyiségekkel. A felső szintet 3
méterrel az alsó fölött választották le.
A
bárkára épített, kúp alakban kifeszített kábelekből összeálló
antenna majdnem 46 méter magasságba nyúlt. A 25-50 kV/m, azaz
„harci” szintű térerősséget 200-100 méter (a hajóhoz
közelebb nagyobb mező) távolságra tudta létrehozni a fedélzeti
kondenzátorbank, amelyet ehhez 4-7 MV feszültségre lehetett
feltölteni. A rendszer az ún. Marx-kaszkád (v. Marx-generátor)
elrendezésű volt, és 160 darab, műanyag tálcákon lévő,
egyenként 100 kV-ra feltölthető, 0,2 µF (mikrofarad) kapacitású
kondenzátor sorba kapcsolásából állt össze. Ezzel az energiával
lehet feltölteni a 8 db víz szigetelővel működő, kúpos alakú
kisütő kondenzátort. Ezek hozzák létre ténylegesen az antennára
adott elektromos mezőt. Számukra tisztított, ioncserélt vizet
biztosító alrendszer van a bárkán. A tiszta víz elég jó
szigetelő, teljesen környezetbarát és olcsó, de csak kis ideig
képes megtartani a feszültséget, ez azonban így pont megfelel az
EMP létrehozásához. A vizes kondenzátorokkal nem összeköttetésben
lévő Marx kaszkád részek felett PCB-mentes transzformátorolajjal
töltött tér van, megakadályozva az átütést. (A poliklórozott
bifenil-mentes, azaz nem súlyosan környezetszennyező olaj ugyan
rosszabb szigetelőképességű, mint az ezt tartalmazó összetételű,
de a PCB-t az USA ’79-ben betiltotta, annyira veszélyes anyag.)
A
bárka blokkdiagramja, mely némi felvilágosítást ad annak belső
felépítéséről is. A számok szerint: 1: antenna csatlakozása;
2: fémkúp (antenna) és időjárási burkolat; 3: üvegszálas
műanyag henger (burkolat); 4: tömítések túlnyomását biztosító
alrendszer; 5: vezérlő és diagnosztikai alrendszer; 6: víz
szigetelésű kondenzátorok leürítő alrendszere; 7:
nagyfeszültségű tápegység; 8: impulzust kiváltó alrendszer; 9:
Marx genetárotok; 10: relé mozgató egység; 11: víz szigetelésű
kondenzátor; 12: relé; 13: üvegszálas műanyag félgömb; 14:
szennyeződéseltávolító alrendszer (forrás: EMPRESS II Draft
Environmental Impact Statement 1-16 oldal)
Az
EMPRESS II egymagában a vízen (forrás: EMPRESS II Draft
Environmental Impact Statement 1-22 oldal)
Ezt
az egész rendszert egy üvegszál erősítésű műanyagból álló
félgömb fedi le, melyet szintén szigetelő olajjal töltenek fel:
kb. 126,4 m3-rel, azaz majdnem 10 tonnával. Erre kerül egy újabb,
egy hengerből és egy kúpos tetőből álló, kívülről is
látható ház, szintén műanyagból, mely szigetelő gázzal, azaz
egyszerűen alacsony páratartalmú levegővel van feltöltve. Ez egy
átmeneti szigetelő réteget képez a külvilág és az olajtartalmú
félgömb rész között. A hengeres rész az alján 1990 kV/m, a
tetején pedig 2150 kV/m mező átütését akadályozza meg. Magának
a belső levegőnek a szigetelését, azaz a páradúsabb, kinti
levegővel való keveredését egy felfújható szigetelő elemekből
álló alrendszer teszi lehetővé. Ez feltétlen szükséges, mivel
a 4/5-7 MV-os üzem során 101/115 kPa (1,01/1,15 bar) nyomást
(0,01-0,15 bar túlnyomást) tartanak fent. A hengeres rész saját
tömege mintegy 40 tonna, átmérője 11,6 m, magassága 9 m, ezzel a
levegővel töltött belső rész térfogata kb. 459 m3. A hengert
belülről egy másik, csak „befelé” fordított, fémből
készült kúp zárja le, mely a teljes antenna alsó eleme (angolul
ez a monocone
antenna).
Ehhez kapcsolódnak a még magasabbra nyúló dipólantennák,
megformálva a kívánt teret. Szintén ide van bekötve a relé, ami
rákapcsolja a nyolc víz szigetelésű kondenzátor terét az
antennarendszerre. Valójában a kívülről látható kúpos
tetőrész ezzel van egybeépítve (nem a hengerrel), és ezt védi
az időjárás viszontagságaitól. Belül, a kúp alsó pontjában
egy szennyeződéseltávolító rendszer kapott helyet,
megakadályozandó a tér torzulását az esetleges, oda nem tartozó
anyagok (olaj, fémrészecskék, stb.) által. A kúp tömege 38,5
tonna.
A
kívül ismét csak látható, monopol antennákból álló,
ugyancsak kúp alakú antennarész felül 60 méter átmérőjűre
növekszik, majdnem 46 méter magasságban. Mivel az antenna nagysága
praktikus okokból nem lehetett nagyobb egy bizonyos méretnél, az
EMP hatást alacsonyabb frekvenciákon egyre kevésbé lehetett
szimulálni. Amíg a térerősség csúcsának elérési ideje csupán
10 ns volt, amivel jól közelítették a tényleges EMP-t, addig
a lecsengése 100 ns alatt megtörtént, ellentétben a valódi,
atomrobbantásokból származóknál mért (számított) 100-1000
ns-mal. Ezért 1 MHz alatti hullámok csak a szükségesnél egyre
kisebb erősséggel jöttek létre, de a tengerjáró hadihajók
jellemző méreteiből (e szempontból a felépítmény hossza és
magassága) adódó szigetelő hatás miatt ez már lényegében nem
volt érdekes 0,5 MHz alatt, azaz annyira nem zavarta a méréseket.
Felül
az EMPRESS II frekvenciakarakterisztikája, melyből látható, hogy
a kisebb frekvenciákon nem tudja jól szimulálni a valódi EMP-t.
Alul a létrehozott térerősség a távolság függvényében,
melyet tükröz a következő fejezetben leírt tesztmetódus is
(forrás: forrás: EMPRESS II Draft Environmental Impact Statement
1-14 és 1-12 oldalak)
7
MV feszültség esetén az antenna tengelyétől 25 m-re 200 kV/m
térerősség is mérhető. A Marx kaszkád működési idejéből is
adódóan, a rendszer 4 MV-nál 2-3, 4-5 MV között már 15, míg
5-7 MV között csupán csak 30 percenként tud egyetlen impulzust
létrehozni. Bár ez a teszteket nem feltétlen könnyíti meg
(időben elnyújtja), de a valóságban sem várható sűrűbb EMP
ismétlődés. (Talán még a hordozókötelékek elleni, tömeges
robotrepülőgép-csapás esetén sem.) Ez egyébként azt jelenti,
hogy az EMPRESS II húsz éves tervezett üzeme alatt csak fél
másodpercig (!) fog ténylegesen „működni”, azaz EMP-t
kibocsátani, legalábbis ezt mutatták a vonatkozó kalkulációk.
A
fent bemutatott eszközök, és néhány további segédrendszer
számára két, egyenként 300 kW-os dízelgenerátor állt
rendelkezésre, melyek egyikét használták egyidejűleg. Ezek
számára a bárkán 79,5 m3 dízelolajat tárolhattak. Az
előállított áram 450V/60Hz-es, háromfázisú hálózatot
táplált, 120 V-os transzformátorokkal egyes alrendszereknek. 24
V-os akkumulátorok is rendelkezésre álltak vész esetére
világításhoz, navigációs fényeknek, stb. Kiterjedt, halonos
tűzoltó rendszer is telepítésre került.
Tesztfolyamat
Az
előzetes tervekben meglehetős részletességgel lefektették a
tesztek várható menetét is. Alapvetően típusvizsgálatot
végezhettek, azaz egy hosszabb tesztsorozatot, mellyel az új hajók
EMP elleni védettségét értékelték ki, illetve egy jóval
rövidebb, a karbantartások és a módosítások, átépítések
hatásait 1-2 évente vizsgáló sorozatot. A típusvizsgálat
menetéről lesz szó a továbbiakban.
Az
EMPRESS II csapata hetekkel a próbák előtt elkezdi felkészíteni
az adott hajót az eljárásra. Felmérik a vizsgálati pontokat, ide
telepítik a mérőrendszereket, és minderről, valamint a
folyamatról magáról egyeztetnek a hadihajó legénységével.
Az
első tesztnapon a kijelölt térségbe hajózik a célhajó is,
vontatója segítségével pedig a bárka is, és az utolsó
ellenőrzéseket követően, több megközelítés során (a célnál
mért) 0,5-3,5 kV/m térerősségű teszteket végeznek el. Ez még
nem okozhat gondot semmilyen rendszernek, de a mérési adatokból
már számításokat lehet végezni a komolyabb erejű EMP-k
hatására, így eldöntve, folytatódhat-e a kísérlet. Ezekben a
kezdeti fázisokban a pontos relatív helyzet és távolság nem
annyira lényeges még, mivel az antennarendszer minden irányban
közel azonos teret hoz létre.
A
következő lépésben a bárkától 5 km-re tíz, 4 MV-os, azaz 0,5
kV/m-es impulzust kap a célhajó, 2 percenként. Ezt ismét
kiértékelik, és a legsérülékenyebb rendszereket,
rendszerelemeket érő terhelést megpróbálják csökkenteni a
későbbi, erősebb impulzusok előtt. Ha ez sikertelennek bizonyul,
csak kisebb térerősségig mehet tovább a mérés, egyébként
viszont 6x10 db, 4 MV-os, de a változó távolság miatt a célnál
egyre erősebb terű próbát végeznek el. 2500 méterről kezdve,
400-ig csökkentik a távolságot, miközben a térerősség 1-ről 7
kV/m-re nő. Ahogy korábban, és később is, ismét értékelik az
eredményeket, azonosítják az előre nem látott kritikus pontokat,
ezekre mérőeszközöket kötnek, majd folytatják a teszteket. 800
méter alatt már pontos manőverekre van szükség, mert 10%-os
távolságmérési hiba is 0,5 kV/m eltérést eredményez. A
figyelem nem csak a célhajón, hanem az EMPRESS II-t vontató hajón
is lényeges. Ez a vontató eleve különösen meg van erősítve EMP
ellen, és általában 300 méteres köteleken húzza maga mögött a
bárkát.
A
10 napos kísérlet maradék 9 napján a célhajó és az EMPRESS II
közti távolság már csak 400 és 100 m között változik. A 2. és
9. nap között napi 10 órán át, naponta kb. 200 impulzust kap a
cél, 4 MV-os töltéssel. Ezen belül a 2-5. napokon 400 m marad a
táv, így 7 kV/m a térerősség, majd a 6-8. napokban ezt 200
m-re és 14 kV/m-re változtatják, végül a 9. napon 100 m és 28
kV/m-re.
Közelebb
már nem kerülnek a hajók egymáshoz, tartják a 100 métert, de a
kisütési feszültséget 7 MV-ra emelik a 10. nap végére. A nap
elején 15 percenként 20 impulzust adnak le, 5 MV-on, 35 kV/m-t
generálva a célnál. A nap második felében 6 és 42, illetve 7 MV
és 50 kV/m lesznek a jellemző adatok. Ezzel már egyértelműen a
harci körülményeket állítják elő a célhajó környezetében.
Az
EMPRESS II az IX-513 jelet kapta a US Navy állományában. Mivel
elkészülte a hidegháború végnapjaira esett, csak igen kevés
kísérletben vett részt. Ezek egyike a brit HMS Lancaster
vizsgálata volt. Ez egy Type 23 osztályú fregatt, mely 1992. május
elsején állt szolgálatba a Királyi Haditengerészetnél. A
tesztekre 1992 augusztusában került sor az észak-karolinai Cape
Hatteras-tól 32 km-re keletre. Ezúttal a Powhatan osztályú USNS
Mohawk óceánjáró vontatóhajó húzta az EMPRESS II-t.
A
USNS Mohawk óceánjáró vontatóhajó a kikötőben, 1995-ben. A 16
civil és 4 haditengerész által irányított vontató két
hajócsavarján összesen 7200 lóerőt tudott leadni, és egy 300
lóerős, orr alatti propellere is volt, segítendő a manőverezést
(forrás)
A
méréseket a helikopterleszállón és a hangár tetején végezték,
először egy fémdobozon. Az elektromágneses tér 5 kV/m volt a
„szabadban”, de a doboz különböző sarkain már 14, illetve
18-at is mértek! Megfigyelték a hajó testének és felépítményének
árnyékoló, vagy éppen erősítő hatásait is. Kiderült az is,
hogy a hajó szélén lévő korlát rúdjai kiválóan erősítik az
EMP hatását.
A
hangár tetején 16 kV/m-es külső térnél mértek 45 kV/m-t is.
Egyértelmű volt, hogy a sarkok és a magas, vékony részek a
leginkább kitettek az EMP-nek. Ezért alaposan vizsgálni kell a
különböző árbocokat és radarállványokat, illetve bármilyen,
külső elhelyezésű elektronikai eszközt. Ezeken akár hatszoros
erősítés is kialakulhatott ugyanis, amint azt a további mérések
mutatták.
A
másik, ismertebb teszt a USS Anziot, a CG-68 jelű, Ticonderoga
osztályú, irányított rakétás cirkálót érintette. Ez
egyúttal a közismert Aegis légvédelmi rendszer értékelését
is jelentette. Erről az eseményről Ðồng Sa Băng, a Naval
Surface Warfare Center EMP Branch-ének (Haditengerészeti Felszíni
Hadviselési Központ EMP Részlegének) szakmérnöke számolt be
2013 szeptemberében – az ő emlékeinek felidézése következik.
1993
nyarán 150 fős, mérnökökből és tudósokból álló csapat
érkezett az Anzio fedélzetére, hogy annak csökkentett, 100 főnyi
legénységével közösen végrehajtsák az EMPRESS II által
végzett egyetlen, teljes körű típusvizsgálatot. Korábban a
cirkálót megerősítették az EMP ellen az EMPRESS I és más,
kisebb léptékű, akár hordozható eszközökkel végzett
kísérletek eredményei alapján. Az Anzio kifutott a norfolki
tengerészeti bázisról, és estére találkozott az odavontatott
bárkával. Ahogyan a tervek is szóltak, rövid végső
ellenőrzéseket végeztek, 80 km-re a virginiai partoktól, hogy
másnap reggel megkezdhessék a munkát.
Minden
impulzus előtt hangosbemondón visszaszámoltak, beolvasva a
szükséges biztonsági figyelmeztetéseket is. A legénység nem
mehetett a fedélzetre, csak ha az EMP lecsengett. Az impulzusok
mindegyike nagy csattanással járt, de ez az EMPRESS II működéséből
adódott, nem magának az impulzusnak volt hangja. A próbák során
általában működött mind az AN/SPY-1 Aegis radar, mind az
AN/SLQ-32 elektronikai hadviselési rendszer (besugárzásjelző és
zavaróegység), valamint a Phalanx pontvédelmi gépágyúk is. Ezek
EMP hatása alatti viselkedésére is kíváncsiak voltak. A két
Phalanx számára egy fedélzeti helikopter repült célt kissé
távolabb.
A
USS Lake Erie, egy másik Ticonderoga osztályú cirkáló 2001-ben,
Vancouverben fotózva. A jellegzetes alakú (jobb oldali) Phalanx
alatt van az SLQ-32 antennaegysége. A Lake Erie volt az a hajó,
mely egy módosított SM-3 rakétával 247 km magasságban
megsemmisítette az USA-193 jelű, radarfelderítő kémműholdat,
válaszként Kína egy évvel korábbi, hasonló kísérletére
(forrás)
Az
előzőeken túl vizsgálták a Mk 41 VLS függőleges indítókat, a
Mk 32 torpedókilövőket, a szonárrendszert, és az összes többi
radart is. Az impulzusok között – a beszámoló szerint – fél
óra telt el, azaz a biztonsági időt is figyelembe véve 20 perc
volt az adatok értékelésére, a mérőrendszer esetleges
átszerelésére, vagy bármilyen más, szükséges tevékenységre.
Az egyik éjszaka menet közbeni üzemanyag-feltöltésre is sor
került.
Végül
is a majd' két hetes kísérlet sikeres volt, az Anzio minden
rendszere működőképes maradt, és minden gond nélkül
visszahajózhatott Norfolkba.
A
kísérletek végrehajtása érdekében természetesen megfelelő
biztonsági zónákat kellett kijelölni. A repülőgépek számára
1,8 km magasság alatt megtiltották az átrepülést, míg a
hajóknak 2 tengeri mérföld, azaz 3,7 km-es távolságot kellett
tartaniuk. Ezzel együtt azonban a nyilvánosság részéről komoly
kétségek merültek fel a tényleges biztonságot illetően,
elsősorban a bioszféra kapcsán. A hidegháború végét követő
időszakban nehezen fogadta el a közönség egy ilyen, egyrészt
egzotikus, másrészt láthatóan minden korábbi hasonlónál
nagyobb eszköz használatát.
Nem
segített a dolgon az sem, hogy eredetileg az igazán forgalmas
Chesapeake-öböl környékén akarták használni a bárkát. A US
Navy ugyanis számos körülményt megfontolt előzetesen, de a civil
világra való hatást és a környezetvédelmet nem igazán. A
katonai logisztika azt diktálta, hogy a bárkát 100 tengeri
mérföldnél messzebb lehetőleg ne kelljen vontatni a kikötőjétől
a teszt helyszínéig, ami legalább 15 méter mélységű vizeken
van. Fontos volt a kikötői létesítmények megfelelősége az
egyedi hajónak. Szintén figyelembe vették, hogy a közelben
legyenek a hajógyárak, ahonnan az új, vizsgálandó hajók
érkeznek majd, valamint a tengerészet normál bázisai is.
Értelemszerűen az igények között volt a terület jó éghajlata,
lezárhatósága, a meglévő polgári vízi és légi utaktól
elegendő távolsága.
Ezek
ugyan fontosak voltak a tényleges munkához, de a civil forgalom
elég nagy volt valójában a környéken, és senki sem akart
„megsülni”, vagy bármilyen egészségkárosodást szenvedni a
láthatatlan hullámoktól. De az elrepülő gépek lezuhanásától
is tartottak többen, nem szólva a tengeri madarak és halak
esetleges károsodásairól. A tudományos életben sem volt teljes
az egyetértés az EMP állatokra gyakorolt hatásáról, nem szólva
az emberekről. Ugyan állatkísérletek történtek, melyek nem
mutattak ki károsodást egerekben és kutyákban sem, de máskor
bizonytalanabb eredmények adódtak. Emberek esetében viszont
érdekes módon voltak tapasztalatok. A haderők, a Bell
Laboratories, valamint a Boeing is megfigyelte munkatársait, akik
foglalkozásuk miatt bizonyos mértékig ki voltak téve EMP
hatásának. Ennek során különböző nagyságú térerősségben
maximálták a munkahelyi terhelést – például a Boeing 5
kV/m-ben, de voltak nagyobb értékek is – valamint sok éves
orvosi megfigyelést is végeztek. Ezeket viszont, bármilyen,
kimutatható mértékű megbetegedések hiányában, lassan
abbahagyták, és csak önkéntes részvétellel maradtak meg a
programok a munkáltatóknál.
A
US Navy által a Mexikói-öbölben vizsgált, három, alternatív
használati terület. Jól látható északra, de nem messze a fontos
támaszpontoknak otthont adó Mobile és Pensacola (forrás: EMPRESS
II Draft Environmental Impact Statement 2-15 oldal)
Mindezeket
figyelembe véve, a tengerészet a Mexikói-öbölbe akarta
áthelyezni az EMPRESS II-t, de további, alternatív helyszíneket
is kerestek, részletesen vizsgálva azok élővilágát (madarak,
halak, rákok, stb.). Teljesen más megoldásokat is áttekintettek,
melyek akár szükségtelenné tették volna az új bárkát. Ezek
között volt a számítások, komputerszimulációk igénybe vétele
a valós próbák helyett, a kicsinyített modellek tesztjei és az
alrendszerek külön vizsgálata, továbbá szárazföldi, parti
telepítés, illetve hajóra épített, de part menti helyen használt
verziók. Nem meglepő módon egyiket sem találták kielégítőnek
az eredeti tervekhez képest.
Végül
is mind Maryland, mind Virginia állam, mint a Környezetvédelmi
Hivatal (EPA) hivatalosan tiltakozott a keleti parti tesztterület
kijelölése ellen, utóbbi pedig sokkal részletesebb
hatástanulmányokat követelt. Mindez évekkel késleltette az
EMPRESS II használatának megkezdését. Aztán néhány nyáron át
mégis Észak-Karolina mellett zajlottak a kísérletek, miközben
perre is vitték egyes szervezetek a dolgot.
Az aggodalom elsőre nem tűnt alaptalannak annak fényében sem, hogy az eredeti, Chesapeake-öböl melletti helyszíntől alig 30 kilométerre egy atomerőmű volt (valószínűleg a Vienna Generating Stationről volt szó), és alig messzebb több másik is (pl. Calvert Cliffs Nuclear Power Plant). Persze ahogyan fentebb szerepelt, már néhány száz méterre a bárkától elenyésző volt a keltett térerősség, de az is igaz, hogy az atomerőműveket – többek között komplex elektronikus vezérlőrendszerük miatt – EMP teszteknek kell alávetni jó ideje már.
Minden
esetre a hidegháború után pár teszt megtörtént, melyek közül
a legátfogóbb, az Anziot érintő típusvizsgálat 11 millió
dollárba került (feltehetően a közvetlen költségeken felül a
hajó említett felkészítése miatt, ami átalakításokkal
járhatott). Magára az EMPRESS II-re 60 milliót költöttek. 1993
után azonban a különleges bárkát lebontották, véget vetve a
kísérleteknek. Erre vélhetően a természetet érintő aggályok,
illetve a közvetlen atomháborús fenyegetés elmúlása miatt
került sor ilyen hamar.
TRESTLE
vagy ATLAS-I
A
Kirtland légibázison a másik, nagyon értékes eszközöket,
valamint az ICBM-eket felügyelő haderőnem, az USAF is fenntartott
több, EMP-t szimuláló eszközt. A korábbi, földi rendszerek,
illetve repülőeszközök tesztjeire szolgáló létesítmény mellé
felépült a nagy méretű repülőgépek harci szintű térerősségben
való méréseit lehetővé téve, a többihez képest jóval
nagyszabásúbb ATLAS-I vagy később TRESTLE, vagyis „állvány”
néven ismertté vált építmény is. A név magáért beszélt,
amint az a fotókról kiderül majd.
A
korábbi berendezéseknél a fő problémát az jelentette, hogy azok
repülés közbeni állapot szimulálására nem voltak alkalmasak.
Szemben a hajókkal, ahol mindig ott volt a víztükör, akármilyen
magasan robbant is az atombomba, a Stratégiai Légiparancsnokság
bombázóinál és manőverező robotrepülőgépeinél a föld
feletti légréteg volt alul. Márpedig a földön, álló helyzetben
vizsgált gépek esetében a felszín jelentősen visszaverte a
hullámokat, erősen torzítva az eredményeket. A levegőben viszont
nem lehetett tesztelni a gépeket, nehogy azok véletlen egy teljes
zárlat után lezuhanjanak.
A
rakétasilók EMP tesztjére szolgáló RES-1, egy CH-47 Chinook
által a levegőbe emelve (forrás: Documentation of the TRESTLE 16.
o.)
Két,
további, régebbi EMP szimulátor, a VPD-II és az imént is
szereplő HPD. Előbbit megnézve látszik, hogy az EMPRESS II arról
van mintázva (forrás: Documentation of the TRESTLE 15. o.)
A
megoldást egy meredek domboldal melletti rámpára emelt „besugárzó”
jelentette, de a rámpát nem lehetett fémből készíteni, ami
kézenfekvő lett volna, ezért az USA egyik legnagyobb faszerkezetét
kellett felépíteni a Kirtland bázison. Igen erős szerkezetre volt
szükség, szinte tisztán fából készült illesztékekkel és
csavarokkal ráadásul, hiszen a nagyméretű, stratégiai
repülőgépeket, így az E-3, E-4, EC-135, illetve B-52 és B-1
típusokat tervezték itt vizsgálni elsősorban. Egy sikertelen első
körös pályázat után, 1973 áprilisában a McDonnell Douglas
Aircraft Company nyerte el a megépítésre vonatkozó megbízást –
természetesen számos alvállalkozót bevonva –, 17,8 millió
dollár értékben. Ezt az összeget igen hamar túllépték persze.
Az
építés során két, hatalmas, egyenként majdnem 40 méter hosszú
és 18 tonnás, 47 m3 fánál is többől készült főtartót
is készítettek, laminált és ragasztott amerikai duglászfenyőből
(Douglas fir). Ezeket, és a többi elemet 150000-nél is több, fél
és másfél méter közötti csappal és további, egyéb összekötő
elemmel illesztették össze az építés során. Ez nagy tervezési
feladatot jelentett a faipari konstruktőröknek, mert korábban
szinte kizárólag fém rögzítésekkel számoltak, pláne ekkora
méretekben. Számolni kellett a különböző, nehéz repülőgépek
rögzítésével is nagyobb szél esetében, ami szintén extra
igénybevételt jelentett a nyugvó tömegükön felül. Ebből
következett, hogy 65 km/h-s szél felett nem lehetett használni a
TRESTLE-t. Összesen végül is 15000 m3-nél is több fából
készült a rámpa, mely 300 m hosszú, és maximum 38 m magas
volt, továbbá volt két faépület a rámpával szemben a Marx
generátorok számára. A rámpa hasznos felülete mintegy 61x61
méteres volt, figyelembe véve a tesztelni kívánt legnagyobb
repülőgépeket, a B-52-est és immár a C-5-öst is. Utóbbihoz
mérték az antennaállvánnyal átellenesen épült „lezáró”
tornyot, mivel ez volt a legmagasabb gép a kiválasztottak közül.
A lezáró torony nagy elektromos ellenállása révén elnyelte a
hullámokat. A hasznos térfogat, vagyis a 61x61 méteres állóhely
feletti térrész, ahol a hullámok megfelelő minőségűek voltak,
kb. 1 millió köbmétert tett ki. A legnagyobb tömegű repülőgép,
amit a rámpa elbírt, végül is 250 tonnás lehetett.
A
rámpa felhajtó része az építés közben, az ék felé nézve
(forrás: Documentation of the TRESTLE 40. o.)
A
TRESTLE főépülete a rámpától távolabb volt, körbeépítve a
jellegzetes, ék alakú fémráccsal („az ék”, „wedge”),
azon pedig fémhálóval, hogy ne hatolhasson be a kezelőszobákba,
géptermekbe, számítógéptermekbe az EMP. Ezek több szinten
helyezkedtek el. Az éken kívüli két toronyban volt két, azonos
felépítésű Marx generátor egység, melyek 5 MV feszültséget
állíthattak elő, de ellentétes polaritással. A generátorok
egyenként 50 elemből álltak, 100 kV feszültséggel. Az ezekből
keltett impulzust középre vezetve és egyesítve egy elég
valósághű EMP-t lehetett ráirányítani a céltárgyra. A két
tornyot kén-hexafluiroddal töltötték fel, mely igen jó szigetelő
gáz. Bár az egyik, igen részletes forrás 95,2 kV/m
térerősség-maximumot említ a hasznos térfogatban, de máshol a
talán hihetőbb, üzemmódtól és ismétlési időtől függő,
40-50 kV/m-t adja meg.
A Wikipedia vonatkozó oldala 200 GW teljesítményt említ a TRESTLE esetében. Az egy évtizeddel későbbi EMPRESS II esetében, saját számítással 1562,5 GW adódik. Több átépítéssel 1996-ra már 50 TW teljesítményre volt képes a „Z machine” (Z Pulsed Power Facility), a Sandia National Labs részecskefizikai kutatóeszköze, tehát ezek az egyre nagyobb adatok elképzelhetőek az eltelt évtizedekkel összhangban. Bár ezek felfoghatatlanul nagy teljesítmények, rögtön megérthetőek, ha figyelembe vesszük, hogy bár 10-100 kiloamperekről van szó, de eközben 6-8-10, a Z machine esetében pedig 100 nanoszekundumról, vagyis hihetetlenül rövid időkről. Így a teljesítmény maga hiába óriási, ha csupán rendkívül rövid ideig áll fenn.
A
fent leírt részletek mindegyike látható ezen az 1979-es, építés
közbeni képen, így jobbra lent az ék mögött a főépület,
mellette a két faépületben a Marx generátorok. A kép szerint az
Air Force 1, azaz akkoriban az egyik VC-137C van épp tesztelés
alatt a balra középen lévő lezáró toronytól feljebb, az egyik
VPD, vagyis vertically polarized dipole berendezésben (forrás)
Felül
valószínűleg egy 1982. március 6-án készült kép a TRESTLE
egyik fő alanyáról, a B-52G-ről. Alul a másik fontos vendég, a
B-1B egyik példánya 1989-ben (források: fenti, lenti)
A
TRESTLE 1980. február 29-én kezdhette meg a működését. Az
ellenőrző tesztek során egy B-52-est használtak. Az EMP az
antennákon, a fülke ablakain és a beszállónyílásokon át
bejutott a gép belsejébe, és belül megsütötte az áramkörök
többségét, vagy legalábbis használhatatlan adatokat tudtak csak
produkálni a teszt után. Már ekkor rájöttek arra is, hogy
körülményes a használat azon része, hogy a kifutótól való
távolság és a 4-5 km/h-s vontatási sebességlimit miatt 1 óra
alatt ér el a rámpára a kijelölt repülőgép. Viszont maga az
EMP keletkezésének pillanata hasonló volt az EMPRESS II-nél
bemutatottakhoz: semmilyen, közvetlenül látható vagy hallható
hatás nem volt, csak a kondenzátorokat az antennára kapcsoló
relén át történő kisülés tompa csattanása volt hallható. Az
üzemeltetés maga érdekes volt, mivel az irdatlan famennyiség
miatt kiterjedt, 30000 liter/perc kapacitású, 190000 liter
tartalékú tűzoltórendszert építettek ki, miközben a tűzlétra
is üvegszálas műanyagból volt, elkerülendő az EMP-vel való
interferenciát.
1991-ben,
a hidegháború végével a TRESTLE is bezárásra került. További
indok volt a számítógépes modellezés fejlődése. Azóta az
egyedülálló faszerkezet meglepően jól állja az időjárást,
csak egy gond van vele: mivel a tűzoltó rendszert kikapcsolták, és
más karbantartás sem volt, viszont a sivatagi levegő kiszárította
a fát, amiből áll a szerkezet, bármikor villámgyorsan porig
éghet az egész.
Ez
ugyan csak a TRESTLE számítógépes, 3D-s modellje, de felbontása
miatt jobban látszik pár dolog, mint a többi képen (forrás)
Források,
linkajánló
A
Wikipedia vonatkozó lapjai, mint mindig, aztán először a
letölthetőek: EMPRESS
II Draft Environmental Impact Statement az
EMPRESS II részletes leírása, a fő forrás a poszthoz
EMP
Simulators for Missiles and Airplanes összefoglaló,
de hosszabb anyag
Documentation
of the TRESTLE a
TRESTLE részletes bemutatása, hosszan kitérve az építésre és
magára a projektre, továbbá számos másik, légierős szimulátor
rövid említése
Observation
of Field Enhancement on The HMS Lancaster a
HMS Lancaster tesztjeinek rövid leírása
Bioelectromagnetic
Effects of the Electromagnetic Pulse (EMP) a
biológiai hatások kutatásainak bemutatása, pl. a Boeing
munkahelyi limitje innen származik
A
TRESTLE-re létezett tórusz alakú elrendezési tervezet is (forrás:
Documentation of the TRESTLE 21. o.)
http://www.globalsecurity.org/wmd/library/report/1988/CM2.htm az
EMP-ről és az alapvető „hardening” elvekről
http://quangngai.net/showthread.php?19285-USS-Anzio-CG-68 EMP
az NSWC mérnökének, Ðồng Sa Băng-nak a visszaemlékezése,
pár, egyébként érzékletessé tevő, további részlettel
https://www.damninteresting.com/nugget/starfish-prime/ a
Starfish Prime kísérletről
http://www.navsource.org/archives/09/46/46513.htm az
EMPRESS II a navsource-on – ezúttal nem volt többletinfo az amúgy
remek oldalon
https://www.thefreelibrary.com/EPM%3A+fallout+over+a+naval+EMPRESS.-a04757220 röviden
a témáról, kiemelve a környezetvédelmi aggályokat
http://articles.latimes.com/1991-12-08/news/mn-195_1_cold-war a
Los Angeles Times korabeli cikke a környezetvédelmi kérdésekről
http://articles.chicagotribune.com/1985-01-17/features/8501040107_1_bloodsworth-island-empress-ii-chesapeake-bay/2 a
Chicago Tribune korabeli cikke a környezetvédelmi kérdésekről
https://theaviationist.com/2014/02/25/e-6-tacamo-new-dome/ az
E-6B antennahossza, egyébként a TACAMO gépek szárazföldi
megfelelőiről egy érdekes poszt ITT
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése