- Zrozumienie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) jest kluczowe dla działania urządzeń, zwłaszcza w warunkach wojskowych.
- Współczesne pojazdy bojowe to skomplikowane środowiska elektromagnetyczne, gdzie wiele systemów musi działać bez zakłóceń.
- EMC ma bezpośredni wpływ na przeżywalność i skuteczność misji, obejmując odporność na zakłócenia zewnętrzne i wewnętrzne oraz minimalizację własnej emisji.
- Poznaj metody zapewnienia EMC, takie jak ekranowanie, filtrowanie i światłowody, oraz ich znaczenie dla przyszłości technologii wojskowych.
Kompatybilność elektromagnetyczna. Nie myślisz o niej, zanim jej zabraknie
Nie wchodząc w złożone zasady i niuanse fizyki, kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) to zdolność do działania w środowisku elektromagnetycznym bez zakłócania innych urządzeń i samemu będąc odpornym na zakłócenia. Jak już pisałem w poprzednich tekstach dotyczących instalacji elektrycznych w pojazdach wojskowych, ale też powinni państwo wiedzieć z lekcji fizyki, przepływ prądu generuje też pole elektromagnetyczne. Im większa moc, tym silniejsze jest pole, które może wpływać na pole innych przewodników i na skutek tego, na ich działanie. Tyle fizyka, ale co to znaczy?
Krótko mówiąc, każdy przewód, każde urządzenie elektryczne i elektroniczne, generuje wokół siebie pole magnetyczne jak elektromagnes. W życiu, w którym otacza nas coraz więcej urządzeń elektrycznych, czasem odczuwamy to jako zakłócenia. Na przykład gdy radio, telefon czy głośnik bezprzewodowy zaczyna szumieć, bo włączyliście mikser. Pracujący silnik elektryczny miksera ma sporą moc i generuje wirujące pola elektromagnetyczne, które zakręcając pobliskie odbiorniki. Jego silne, nieosłonięte pole magnetyczne „deformuje” pole magnetyczne innych urządzeń, a to zakłóca ich funkcjonowanie.
W domu to jest co najwyżej niedogodność, choć bywa uciążliwa. Ale w warunkach pola walki to początek wielu problemów, których liczba rośnie wraz z liczbą elektronicznych i elektrycznych systemów. Dlatego kompatybilność elektromagnetyczna stała się ważnym parametrem urządzeń, ale także przewodów czy połączeń, gdyż oznacza zdolność do prawidłowego funkcjonowania w swoim środowisku elektromagnetycznym bez stwarzania niedopuszczalnych zakłóceń elektromagnetycznych dla innych urządzeń oraz bez bycia przez nie zakłócanym.
W kontekście wojskowym, gdzie niezawodność i bezpieczeństwo są absolutnie krytyczne, osiągnięcie wysokiego poziomu EMC jest jednym z najważniejszych wyzwań projektowych, warunkującym sprawność bojową pojazdu.
Złożoność środowiska elektromagnetycznego pojazdu bojowego
Współczesne pojazdy wojskowe, takie jak czołgi, bojowe wozy piechoty czy mobilne centra dowodzenia, są niezwykle zagęszczonymi środowiskami elektromagnetycznymi. Na ograniczonej przestrzeni musi bezkolizyjnie i sprawnie współpracować wiele wysoko zaawansowanych urządzeń generujących i odbierających sygnały, zasilanych i zasilających energią elektryczną lub przenoszących energię i sygnały poza pojazd.
Zaliczamy do nich systemy łączności radiowej (HF, VHF, UHF, satelitarnej), systemy kierowania ogniem, radary rozpoznawcze i celownicze, systemy nawigacyjne (satelitarne GPS/GNSS, inercyjne), ale też napędy elektryczne wieży, uzbrojenia i różnego typu sensorów oraz rozbudowaną elektronikę sterującą silnikiem i napędem.
Ponadto coraz częściej instalowane są systemy walki elektronicznej (WRE), na przykład antydronowe czy zakłócające zdalnie odpalane ładunki wybuchowe, które celowo generują silne zakłócenia, co stawia dodatkowe wyzwania w zakresie samo-kompatybilności.
Każde z tych urządzeń jest jednocześnie potencjalnym źródłem zakłóceń (emisja) oraz wrażliwym odbiornikiem (podatność), co wymaga stosowania znacznie bardziej rygorystycznych standardów niż w aplikacjach cywilnych. Są one regulowane między innymi przez amerykańską normę MIL-STD-461, która ze względu na popularność sprzętu wojskowego z USA w NATO, jest szeroko stosowana.
Wyzwania operacyjne związane z EMC
W środowisku militarnym kompatybilność elektromagnetyczna przekłada się bezpośrednio na przeżywalność i skuteczność misji, koncentrując się na trzech kluczowych aspektach:
Po pierwsze, odporność na zakłócenia zewnętrzne jest niezbędna, gdyż pojazd musi wytrzymać impulsy elektromagnetyczne wysokiej energii (EMP) pochodzące z broni jądrowej lub specjalistycznych urządzeń, które mogłyby trwale uszkodzić lub wyłączyć jego elektronikę. To pierwsze zagrożenie jest oczywiście dziś mniej powszechne niż to drugie, ale nadal ważne. Musi być również odporny na silne promieniowanie z pobliskich radarów i innych nadajników o dużej mocy.
Po drugie, kluczowa jest kompatybilność wewnętrzna (Intra-System EMC), która zapewnia, że np. emisja własnej radiostacji o dużej mocy nie zakłóca odbioru GPS, precyzji dalmierza laserowego czy komunikacji wewnętrznej załogi. Im większe jest zagęszczenie tych systemów, tym jest to bardziej istotne. Ten wymóg nabiera obecnie coraz większego znaczenia. Dlaczego? Choćby ze względu na coraz powszechniejsze stosowanie wież bezzałogowych.
Zdalnie sterowany system uzbrojenia, to koncentracja elektrycznych silników poruszających ZSMU, elektrycznych systemów sterowania uzbrojeniem, optoelektronicznych sensorów, laserów, komputerów i tak dalej. Wszystko zamknięte w małej, często osłoniętej pancerzem przestrzeni. W takiej sytuacji wszystkie te urządzenia i systemy działają na siebie bardzo intensywnie z bardzo małej odległości i przez długi czas.
Kwestia trzecia, ale równie ważna, to minimalizacja emisji własnej (EMCON). Ograniczenie niepożądanej emisji elektromagnetycznej pojazdu zmniejsza ryzyko jego wykrycia przez pasywne systemy nasłuchu przeciwnika oraz np. w przypadku radarów czy stanowisk dowodzenia, utrudnia naprowadzenie pocisków wykrywających emisję np. radarową. Tu istotna jest nie tylko minimalizacja emisji, ale też szybkość jej wygaszania, czyli mówiąc prostym językiem – jak szybko po wyłączeniu, urządzenia przestają emitować sygnał. Wpisuje się to w szerszą strategię niskiej wykrywalności (Stealth), która dziś dotyczy nie tylko samolotów, ale tez pojazdów naziemnych czy jednostek nawodnych i podwodnych.
Jak zapewnić kompatybilność, czyli ekrany, pomiary i precyzja wykonania
Aby sprostać rygorystycznym wojskowym wymogom EMC, projektanci stosują kompleksowy zestaw technik, które przenikają się i uzupełniają, aby zmniejszyć, jak to się mówi kolokwialnie „sianie”, czyli emisję zakłóceń. Muszą też stale testować zarówno nowe rozwiązania jak też seryjne produkty. Można to było zobaczyć w naszym materiale z firmy Radiotechnika Marketing, która produkuje m.in. wiązki przewodów i urządzenia do rozdzielania i sterowania mocą w instalacjach.
Pokazaliśmy tam m.in. specjalną komorę do pomiarów emisji do której trafiają wytwarzane przez firmę urządzenia, przewody i wiązki elektryczne, aby zmierzyć ich realną emisyjność. Wykryć ewentualne wady, ich przyczynę i oczywiście poprawić.
Ekrany, czyli elektromagnetyczny pancerz?
Jeśli chodzi o metody podnoszące EMC, to podstawową jest tutaj ekranowanie, polegające na stosowaniu metalowych obudów i siatek Faradaya do izolowania wrażliwych podzespołów oraz kabli, ograniczając w ten sposób zarówno emisję, jak i podatność na zakłócenia. Jak to działa? W skrócie, urządzenie lub przewód otacza się tak zwaną klatką czy też siatką Faradaya.
Nie jest to rzecz nowa, gdyż wymyślony i skonstruowany w 1836 roku przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya. Odkrył on, że jeśli otoczy się obiekt pudłem lub siatką z materiału przewodzącego prąd, to powstaje, bardzo upraszczając, pole elektromagnetyczne w tym przewodniku, tłumiące i ekranujące emisję. To rozwiązanie stosowane jest np. w budowie pokoi antypodsłuchowych czy portfeli chroniących przed skanowaniem kart chipowych, ale również w zwykłej kuchence mikrofalowej, żeby mikrofale nie szalały po całej kuchni, ale podgrzały to co jest wewnątrz urządzenia.
Wyzwaniem jest to, aby siatka ekranująca np. przewód, była odpowiednio nałożona. Jak wyjaśnił mi jeden z pracowników Radiotechnika Marketing, fale elektromagnetyczne zachowują się wewnątrz ekranu trochę jak woda. To znaczy, że przesączają się wszędzie, ale jeśli gdzieś ekran jest nieciągły lub ma mniejszą gęstość, to powstaje swego rodzaju strumień, jak z dziurawej rury. Ważne jest więc, żeby podczas produkcji stworzyć ciągły i równy ekran, który musi być odpowiednio połączony z gniazdami, aby takie „wybijanie sygnału” nie pojawiało się właśnie na połączeniach kabli czy przyłączeniach urządzeń. Takie ekranowanie musi więc łączyć ekrany przewodów z ekranami urządzeń w sposób ciągły.
Filtry, czyli jak „odsiać” szumy?
Ważnym elementem jest filtrowanie, czyli instalowanie specjalnych filtrów na wszystkich liniach zasilających i sygnałowych w celu tłumienia zakłóceń przewodzonych, zanim dotrą one do wrażliwych układów elektronicznych. Silne zakłócenia mogą nie tylko wpływać na sprawność, ale nawet uszkodzić lub zniszczyć komponenty i układy. Filtry mogą mieć różną budowę i złożoność, zależnie choćby od tego, czy instalowane są na przewodach zasilających o różnej mocy, czy przekazujących złożony sygnał, na przykład między komputerami czy innymi urządzeniami elektronicznymi.
Filtry przeciwzakłóceniowe to układy elektryczne, których celem jest usuwanie niepożądanych zakłóceń elektromagnetycznych z obwodu. Działają, mówiąc bardzo ogólnie, na zasadzie tłumienia szumów i impulsów poza wybranymi, pożądanymi składowymi np. napięciem zasilania lub sygnałem w określonym zakresie częstotliwości. Są one zwykle instalowane jako rodzaj „bramy” na wejściu do urządzenia lub do określonego, szczególnie wrażliwego podzespołu. Stanowią istotny element nie tylko zaawansowanych komputerów czy sensorów, ale też instalacji zasilających.
Separacja, uziemienie i nie tylko
Nie można zapomnieć o takich „oczywistych” kwestiach jak zastosowanie prawidłowego uziemienia i połączeń wyrównawczych, które zapewniają niską impedancję dla prądów zakłócających, czyli całkowity opór, jaki obwód elektryczny stawia, przy uwzględnieniu wszystkich rodzajów oporów systemu. Istotne jest też to, jak prowadzone są kable i wiązki. Na przykład pamiętać należy, aby kable mocy nie sąsiadowały z kablami przewodzącymi sygnały niskiej mocy, aby ich nie zakłócały.
Światłowód – cichy bohater
Na koniec postanowiłem napisać kilka słów o światłowodach, które oznaczają pewną rewolucję w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. Świetnie nadają się do przesyłania sygnału, gdyż mają dwie ogromne zalety. Po pierwsze, mają ogromną przepustowość, czyli można nimi przesyłać bardzo szybko, bardzo dużo informacji. Po drugie i być może w tym kontekście ważniejsze, światłowody nie emitują zakłóceń, gdyż sygnał przesyłany jest nie impulsami elektromagnetycznymi, ale za pomocą światła. Oznacza to, że na tym poziomie nie wymagają ekranowania, nie zakłócają i nie podlegając zakłóceniom jak klasyczne połączenia kablowe. Wymagają natomiast ochrony przed uszkodzeniem mechanicznym, które jest dla nich znacznie groźniejsze, muszą być prowadzone nieco w inny sposób, a przede wszystkim ich produkcja jest bardziej wymagająca.
Mogłem proces produkcji zobaczyć w zakładzie Radiotechnika Marketing, gdzie produkowane są tego typu połączenia. Obsadzane są nich specjalne złącza, które zamiast łączyć światłowody bezpośrednio, wykorzystują połączenia soczewkowe. Są one bezpieczniejsze i mniej podatne np. na zabrudzenie. W przypadku klasycznych połączeń nawet drobina pyłu czy piasku może zniszczyć połączenie. Soczewki zapewniają większą tolerancję na warunki polowe, bez ujemnego wpływu na jakość połączenia.
Przyszłość jest cicha i elektryczna
Jak już pisałem w poprzednich tekstach dotyczących elektryczności w konstrukcjach wojskowych, znaczenie odpowiedniego zasilania, połączenia i zabezpieczenia urządzeń elektrycznych. Tych urządzeń jest w nowoczesnych pojazdach coraz więcej. Mają coraz większe znaczenie dla możliwości bojowych, operacyjnych a coraz częściej również mobilności.
Jak już pisałem, już nie tylko systemy pokładowe, ale również napęd pojazdów wojskowych jest coraz częściej hybrydowy albo elektryczny. Sygnatura elektromagnetyczna staje się dziś równie istotna jak radarowa czy termiczna, nie tylko w lotnictwie czy na morzu, ale również w pojazdach lądowych.
Jeśli chodzi o kompatybilność elektromagnetyczną, to ma ona znaczenie nie tylko w zakresie emisyjności, Ma ona ogromny wpływ na poprawne funkcjonowanie pokładowych systemów elektrycznych i elektronicznych pojazdów. Dlatego powinna zostać zapewniona, zbadana i potwierdzona dla każdego pojazdu, który trafia do służby.
