Radiocommunicatie: Elektromagnetische Pulsonderzoek (1970 – 1993)

Elektromagnetische Pulsonderzoek (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), circa o.8 x 0.8 x 1 meter groot. 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 3 x 8 x 25 meter onderzocht worden. Om hierin een EMP te simuleren werd een condensatorbatterij wordt opgeladen tot 500.000 V 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 5000 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 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.

Theoretische modellen

In de periode 1979 – 1980, werd gewerkt aan modelleeronderzoek naar de doordringing van EMP in water, de overdracht van EMP op kabels en de afschermende werking van verschillende metalen. Internationaal gezien bleken de berekeningen van dit laatste een hoge graad van nauwkeurigheid te bereiken.

PRESTO berekeningen

In 1981 kreeg TNO met medewerking van het VS Defense Nuclear Agency toegang tot het PRESTO-pakket, ontwikkeld door Boeing Aerospace Company voor EMP-effect berekeningen aan de Minuteman raket. Drie medewerkers van Boeing kwamen over uit de VS om het pakket aan de praat te krijgen op de Control Data Cyber 74 met het beperkte geheugen. Bij Boeing hadden ze zogenaamd extended memory aan hun computer waar grote blokken gegevens (arrays) tijdelijk naar weggeschreven konden worden; een soort van zelf georganiseerd virtueel geheugen. Indien er geen extended geheugen was, werd dezelfde subroutine gebruikt om de blokken gegevens naar schijf te schrijven en weer terug te halen, hetgeen natuurlijk factoren trager was vooral omdat de standaard I/O bibliotheek van Control Data gebruikt werd.
Nu had systeemprogrammering van TNO een kleine Compass (assembler) module die een blok gegevens van n*64 woorden aan de PP CIO gaf met het verzoek om die weg te schrijven terwijl de rekeneenheid (CPU) gewoon doorging met rekenen. Pas als een volgende schrijfactie nodig was, werd ‘getest’ of de vorige schrijfactie al klaar was. Op eenzelfde wijze werd een leesactie ‘over de schutting gegooid’ en werd er doorgerekend.
Met een kleine aanpassing van enkele regels Fortran vervingen wij de standaard aanroep om blokken gegevens te wisselen door de TNO input-output routine die slechts een handvol instructies groot was. Het I/O-bound PRESTO-pakket werd daardoor ineens CPU-bound. Binnen enkele dagen in plaats van de geplande drie weken konden we alle standaardtesten van het pakket draaien. Gaandeweg haalden we nog enkele fouten uit het pakket omdat ons systeem dusdanig geconfigureerd was dat niet-geïnitialiseerde variabelen ontdekt werden.

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 onklaar raakte toen alle systemen van een Anti-luchtdoel tank, de Pantser Rups Tegen Luchtdoelen (PRTL), aanstonden voor een EMP-beproeving. Toen de Koninklijke Marine met een Breguet Atlantique langs de kust vloog, ging de PRTL dat vliegtuig automatisch als doel zien. De lopen gingen het marinevliegtuig volgen en trokken vervolgens het EMIS-2 antennesysteem kapot.

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

Directed Energy systems

In 1989 werd een verkennende studie uitgevoerd naar niet-nucleaire EMP en de meer algemene Directed Energy systems. In latere jaren is gewerkt aan de effecten van en bescherming tegen High Power Microwave (HPM).