Voormalige onderzoeksfaciliteiten: Elektro-Magnetische Puls faciliteiten

 

Elektromagnetische Pulsfaciliteiten (1970 –  1993)

Achtergrond

EMP is de afkorting van Electro-Magnetic Pulse. EMP is een zeer intense impuls van elektromagnetische energie die kan optreden bij een nucleaire explosie. In 1962 werd het bestaan van de EMP ontdekt na een nucleaire proef op 400 km hoogte op ca. 800 km van Hawaï. In een blad werden de effecten beschreven die op 9 juli 1962 in Honolulu plaatsvonden: “The quiet predawn in Honolulu in 1961 was shattered by the simultaneous pealing of hundreds of burglar alarms. At the same instant, circuit breakers on the power lines started blowing like popcorn“. Pas enige tijd later, toen men geen oorzaak bleek te kunnen vinden, legde men pas het verband met de nucleaire explosie op grote afstand. De defecten die waren opgetreden werden veroorzaakt door de EMP en waren vergelijkbaar met de effecten van een blikseminslag op korte afstand. EMP is dan ook een verschijnsel waarbij de sterkte van het elektrische- en magnetische veld in minder dan één honderdmiljoenste deel van een seconde toeneemt tot zeer hoge waarden. Hierdoor kan bijvoorbeeld in een staafantenne van een draagbare radio een piekspanning van 25.000 V ontstaan waardoor transistors in de radio stukgaan. De kans is groot dat elektrische systemen en installaties voorzien van lange draden en kabels verstoord raken of stuk gaan, denk aan elektrische centrales, raffinaderijen met procesregelingen, communicatiecentra, computers en dergelijke. Het verraderlijke is dat een EMP-effecten kan hebben in een gebied met een straal van meer dan 1000 km als een nucleair wapen hoog in of net buiten de dampkring explodeert. Zelfs wanneer dit ver buiten het Nederlandse grondgebied gebeurd kan dat gevaarlijk zijn.

TNO Waalsdorp heeft daarom sinds 1970 met behulp van EMP-simulatoren en rekenprogramma’s onderzocht wat precies de effecten van EMP zijn op elektronische systemen en welke tegenmaatregelen getroffen kunnen worden. Samenvattend zijn voor een EMP-simulator dus een hoge elektrische spanning, zeer korte stijgtijden en zeer hoge frequenties nodig. Zo’n simulator bestaat dan ook uit een hoogspanningsimpulsgenerator aangesloten op een zogenaamde vlakke plaat-transmissielijn, die aan het eind is afgesloten met een ohmse belasting R = Z0 waarbij Z0 de karakteristieke impedantie van de transmissielijn is.

EMIS-1, EMIS-2 en EMIS-3

Eerst is een kleine EMP-simulator gebouwd, de EMIS-l of ook wel “Spaarvarken” genoemd), inwendig circa o.8 x 0.8 x 1 meter groot, uitwendig 2* 2 *2 meter met twee vierhoekige piramides voor de generatoraansluiting en lastweerstand. Hierin konden alleen kleine apparaten tot 50 x 50 x 50 cm op hun EMP-gevoeligheid beproefd worden tot 50 kV/m.

EMIS-1
EMIS-1 (1970)

Later is achter het laboratorium een grote 60 meter lange simulator gebouwd, de EMIS-2. Daar konden hele systemen met afmetingen tot 325 x 8 x 3 meter onderzocht worden. Om hierin een EMP te simuleren werd een condensatorbatterij wordt opgeladen tot 500 kV en dan met behulp van een zeer snelle schakelaar (vonkbrug) ontladen in de transmissielijn. In minder dan 5 nanoseconden gaat er dan een stroom van zo’n 5.000 Ampère in de transmissielijn vloeien. Tussen de “platen” van de transmissielijn ontstaat dan een impulsvormig elektromagnetisch veld dat ongeveer overeenkomt met een nucleaire EMP. De sterkte van het opgewekte veld kon worden ingesteld, omdat het bij de proeven nodig was te weten bij welk EMP-niveau defecten gaan optreden. De hoogste vertikaal gepolariseerde veldsterkte die in het testvolume van EMIS- 2 opgewekt kon worden bedroeg 80 kV/m. 

EMIS-2 op de Vlakte van Waalsdorp
EMIS-2 op de Vlakte van Waalsdorp

 

EMIS-2 400 kV generator, 5 ns (1975 - 1990)
EMIS-2 400 kV generator, 5 ns (1975 – 1990)

Bij aanvang van een EMP-beproeving werden eerst met behulp van speciale meetsystemen de stromen in kabels, antennes en circuits gemeten. Hieruit en uit de bestudering van de schema ‘s van de apparatuur konden dan de mogelijk kwetsbare onderdelen worden aangewezen. Als bij de beproeving bleek dat defecten optraden, werd door TNO uitgezocht wat voor middelen ter bescherming konden worden aangebracht.
EMIS-3 (zie foto’s hieronder) was een nog grotere, verplaatsbare EMP-simulator op vliegveld Ypenburg uit 1982 waarmee vliegtuigen, schepen en complete communicatiecentra onderzocht konden worden op hun gevoeligheid voor EMP (een persartikel). In 1983 kwam ook een horizontale straler voor EMIS-3 gereed en een transmissielijn waarmee onderkomens en vliegtuigen op dreigingsniveau konden worden beproefd. In de volgende jaren werden de EMIS faciliteiten continu gebruikt voor het testen van militaire apparatuur en systemen van de Krijgsmacht. In 1987 werd gestart met experimenten met de stroominductiegenerator waarmee op dreigingsniveau stromen geïnduceerd konden worden in kabels van communicatiesystemen.

 

Afnametest generator bij Physics International, San Leandro, Ca., USA
Afnametest Pulspack 8080 generator bij Physics International, San Leandro, Ca., USA (1982)

 

Installatie EMIS-3 generator op Ypenburg (1983)
Installatie van de EMIS-3 generator op Ypenburg (1983) – foto W. Pont

 

EMIS-3 op Ypenburg
EMIS-3 op Ypenburg (1984)

 

EMIS-3 transmission line (1984)
EMIS-3 tests (1984)

 

EMIS-3 500 kV generator (1984)
EMIS-3 500 kV generator (1984)

 

EMIS-3 stroominductiegenerator (1984)
EMIS-3 stroominductiegenerator (1987)

In juli 1992 werd een geheel vernieuwde pulsgenerator voor de EMIS-3 getransporteerd naar de EMIS-opstelling op het vliegveld Ypenburg. Die simulator voldeed aan de in 1990 gewijzigde NAVO-testvoorschriften. Op 14 oktober 1992 waren alle afnametesten met goed gevolg doorlopen en werd de installatie operationeel.
Naast de EMIS-3 op Ypenburg bestond er op dat moment slechts één andere EMP-beproevingsopstelling, namelijk een in de Verenigde Staten die in staat was een vergelijkbare puls op te wekken, zij het met enige beperkingen.

EMIS-3 meetcontainer
EMIS-3 meetcontainer

Vermeldenswaard is dat de EMIS-2 antenne geheel onklaar raakte toen een anti-luchtdoel tank, de Pantser Rups Tegen Luchtdoelen (PRTL), EMP-beproevingen onderging. De toenmalige wachtmeester stukscommandant stuurde ons in 2024 zijn relaas:

Als dienstplichting militair werd ik wachtmeester bij de 43e Pantser Luchtdoel Artillerie. Ik was gelegerd in Havelte. Ergens in 1983, kreeg de leiding een verzoek van TNO om mee te werken aan het testen van de effecten van EMP op de detectie- en geleidesystemen van de PRTL. Samen met twee soldaten stuksbemanning mocht ik dat verzorgen. Dat was fijn; wij woonden alle drie in de omgving van Den Haag. Zo konden we, ik meen een week of twee, overdag werkzaam zijn op de Waalsdorpervlakte en ‘s-avonds gewoon thuis zijn.
De PRTL werd met een LoLo (DAF YT-616 met Notoboom oplegger) afgeleverd op de Frederikkazerne. Onder motorescorte reden wij de tank de volgende dag over de weg naar de Waalsdorpervlakte. Een korte rit, maar op zich al een hele belevenis natuurlijk. De PRTL was een ‘beest van een tank’. Ik meen dat we iedere dag op en neer moesten rijden, omdat de PRTL niet op de EMIS-2 installatie mocht blijven staan voor de nacht. Op de kazerne deden we ook wat onderhoudswerkzaamheden volgens schema.

Op de EMIS-2 locatie van TNO werd de PRTL onder de antennedraden geplaatst. Na een algemene uitleg van wat we gingen doen, werden wij telkens geïnstrueerd om de PRTL-apparatuur op een bepaalde manier aan te zetten of te positioneren: radar aan-radar uit, volgradar geactiveerd of niet, luik van de toren open of dicht, kanonnen hoog of laag, een hele reeks van posities passeerde.
Telkens stelden wij de gewenste situatie in en verlieten dan voorafgaande aan de puls de testinstallatie. Na iedere puls werd een hele reeks testen gedaan. Er werd dan externe apparatuur op de PRTL aangesloten en de TNO-technici werkten dan het testprogramma af. Soms waren wij daarbij nodig, soms niet.
Voor ons als dienstplichtig militairen een mooie bezigheid: niet te druk en het was mooi en rustig op de locatie daar.
De PRTL-bemanning wisselde elkaar af. De chauffeur had zo zijn eigen taken, maar met mijn mede-koepelgenoot stelden wij om beurten de PRTL in.

Op een nacht had het geregend. Het was de opvolgende ochtend mijn beurt om de PRTL gereed te maken voor de proeven. Die ochtend zou de volgradar geactiveerd worden. Naast de EMIS-2 installatie lag echter een grote rol gaas. In de mazen van het gaas zat regenwater waarmee die hele rol radarreflecterend was. De volgradar reageerde daarop, direct gevolgd door de kanonnen. De rol lag echter ver binnen de minimale afstand om een vliegtuig te kunnen volgen. Zo dicht bij kon de toren niet draaien om een vliegtuig te volgen gegeven de hoeksnelheden.

De systemen van PRTL maakten daarop automatisch een verticale zoekslag. In die zoekslag vond de volgradar de EMP-antennedraden die boven de PRTL waren gespannen. Aangezien ook die nat en reflecterend waren, namen de kanonnen daardoor automatisch een bijna verticale positie in. De antennedraden waren echter ook veel dichterbij dan de minimale volgafstand. Met de kanonnen omhoog staken de uiteinden van de lopen tussen de antennedraden en de dikke houten balken die die draden gescheiden hielden. Daarop maakt de PRTL-toren automatisch een 360 graden zoekslag.
Met die zoekslag van de toren en de kanonnen rondom werden de antennedraden en balken als een spoel om de kanonnen heen gedraaid. Daarbij braken zowel de draden als de balken. Zelf raakte ik daarbij lichtgewond omdat een deel van een van balken op mijn hoofd terechtkwam. Uiteraard maakte een en ander ook veel geluid. Mijn reflex was om de PRTL in de ruststand terug te zetten: volgrader ingeklapt, kanonnen horizontaal en de toren op nul graden rotatie. Daarvoor was één knop die dat allemaal bewerkstelligde. Naar die ruststand draaide de toren bijna 180 graden en die beweging, samen met de naar beneden bewegende kanonnen, maakte dat de hele EMIS-2 antenne-installatie naar beneden werd getrokken. Bedenk dat al deze acties in een tijdsbestek van enkele seconden gebeurde.

Chaos alom op het terrein. Ik kwam met een bebloed hoofd uit de PRTL. Het was niet direct duidelijk dat ik maar lichtgewond was. Een snee en een bult waren mij ten deel gevallen. In korte tijd werd het EMIS-2 testterrein overspoeld door veel mensen van TNO en van defensie. Er kwamen later ook twee marechaussees om mijn verklaring op te nemen: ‘was mij iets te verwijten?’. Aan de marechaussees heb ik geweigerd vragen te beantwoorden zonder dat daarbij een militair aanwezig was met kennis van radarsystemen algemeen en de PRTL in het bijzonder. Na enige tijd kwam een kolonel van de Frederikkazerne met kennis van zaken. Ondertussen kon door een hospik mijn hoofdwond(je) worden verzorgd. In het bijzijn van de kolonel heb ik het bovenstaande verhaal gedaan. De automatische acties van PRTL werden ook door de kolonel bevestigd.  De conclusie was dat ik geen fouten in de bediening van de PRTL had gemaakt. Het PRTL-systeem reageerde zoals het was geprogrammeerd en moest werken. Het probleem was de natte rol gaas naast de installatie. Ik heb nooit meer iets van gehoord van het voorval.

De kans dat de PRTL-lopen waren getordeerd of niet meer recht waren was uiteraard aanwezig. Daarom hebben wij op de Frederikkazerne op iedere loop van de PRTL twee rode ringen geschilderd zodat er niet meer mee geschoten zou worden. Helaas was dat wel het einde van onze Haagse stationering. Bij terugkomst in Havelte met de PRTL met rode markeringen op de lopen trokken we veel bekijks. Het voorval was ons al vooruitgesneld. Samen met geniecollega’s hebben wij de kanonnen gedemonteerd. Deze werden teruggestuurd naar de fabriek. Wij reden daarna enige tijd met een PRTL zonder kanonnen. Een beetje troosteloos was dat wel.

AA a.k.a. Pantser Rups Tegen Luchtdoelen (PRTL); nicknamed Pruttel
AA-tank a.k.a. Pantser Rups Tegen Luchtdoelen (PRTL): ‘de Pruttel’