Электромагнитный импульс: угроза гражданской инфраструктуре США

Генерал-майор М. Вильданов,
профессор Академии военных наук,
кандидат военных наук, доцент;

капитан 1 ранга Н. Башкиров,
кандидат военных наук

Военно-политическое руководство (ВПР) США особое внимание в рамках исследований проблем уязвимости государства уделяет оценке, анализу состояния и защите критически важных объектов инфраструктуры от воздействия электромагнитного импульса (ЭМИ).

Среди основных мероприятий американского ВПР в данном направлении определены следующие:
- создание в 2001 году по решению конгресса США комиссии по оценке угроз инфраструктуре государства от воздействия ЭМИ;
- представление в 2001 году научным советом Пентагона отчета о текущем состоянии принимаемых мер по защите военной и гражданской инфраструктуры от ЭМИ (Survivability of Systems and Assets to Electromagnetic Pulse);
- формирование по решению конгресса США комиссии по ЭМИ при Совете по научным исследованиям национальной академии наук (National Research Council of the National Academy of Sciences), издавшей в 2002 году доклад, где затрагивались вопросы защиты инфраструктуры страны от ЭМИ;
- публикация в 2010 году национальной лабораторией министерства энергетики США доклада о ЭМИ, посвященного данной проблематике;
- рассмотрение в 2013 году палатой представителей США законопроекта о защите около 300 высоковольтных трансформаторов электроэнергетического сектора инфраструктуры от ЭМИ и др.

Особый интерес представляют результаты работы комиссии, созданной по решению конгресса в 2001 году, которая продолжает свою деятельность и в настоящее время. В ее состав включены представители: разведывательных структур США (ЦРУ, АНБ, РУМО и др.); Ли-верморской национальной лаборатории имени Лоуренса; Национальных лабораторий в городах Лос-Аламос, Сандия, Аргонн, Айдахо и др.; Центра надводного оружия ВМС США в г. Дальгрен (Naval Surface Warfare Center-Dahlren); института оборонных исследований (Institute for Defense Analyses); корпораций "Ме-татеч", "ДжейКор/Титан", "Телекордиа текнолоджиз", и "Мишн рисёрч; Международной корпорации по внедрению результатов научных исследований (Science Applications International Corporation); Центра по управлению рисками в создании инженерных систем университета штата Виргиния и др.

Специализированные стенды, предназначенные для оценки устойчивости электрооборудования и электронных систем к воздействию ЭМИ

Основными задачами комиссии определены анализ и оценка угроз критически важным объектам США от ЭМИ высотных ядерных взрывов и других источников электромагнитных излучений. Особое внимание уделяется оценке последствий влияния ЭМИ на критически важные объекты, а также разработке мер по повышению их защищенности и ликвидации последствий. Уже подготовлены и опубликованы два доклада, которые выявили незащищенность американской гражданской инфраструктуры от ЭМИ и полную неготовность США к ликвидации последствий его возможного воздействия.

В этих отчетах представлены состав, классификация и приоритетность критически важных объектов инфраструктуры, основные угрозы безопасности страны в случае применения противником ядерного и других видов оружия, генерирующих мощные ЭМИ. Здесь же описаны варианты его возможного влияния на различные сферы жизнедеятельности государства и предложены общие рекомендации по повышению безопасности объектов инфраструктуры от ЭМИ.

Согласно проведенному исследованию наиболее вероятным способом создания мощного ЭМИ является подрыв ядерного заряда в верхних слоях атмосферы над территорией США (так, в результате взрыва ядерного боеприпаса на высоте 100 км возникает ЭМИ, который охватит территорию площадью около 4 млн км2). Кроме того, в ряде стран разрабатываются неядерные системы оружия на основе ЭМИ, применение которых отличается внезапностью и невозможностью своевременного их вскрытия. Подчеркивается, что ЭМИ значительной интенсивности предназначены прежде всего для поражения систем энергоснабжения, государственного и военного управления, а также управления стратегическими наступательными и оборонительными силами. При этом, по взглядам авторов доклада, ЭМИ может быть значительно усилен за счет особой конструкции боезаряда, обеспечивающей повышенную мощность гамма-излучения (супер-ЭМИ).

Результаты работы комиссии конгресса США показали, что ключевые критически важные объекты государства уязвимы для воздействия ЭМИ, Так как тактико-техническими требованиями и заданиями на разработку аппаратуры гражданского назначения вопросы защиты от него не разрабатывались. Так, указывается на недостаточную защищенность информационно-управляющих систем с автоматизированным управлением, регулированием и контролем жизненно важных отраслей экономики.

Кроме того, отмечается абсолютная незащищенность и уязвимость для ЭМИ объектов гражданской и части военной инфраструктуры, полная неготовность органов государственного и военного управления США к ликвидации последствий его воздействия, а также отсутствие соответствующих сил и средств.

В докладе комиссии США по ЭМИ определена следующая приоритетность возникновения коллапса основных секторов критической инфраструктуры страны в результате воздействия этого импульса: энергетический сектор (системы электроснабжения); системы связи и телекоммуникации; банковско-финансовый сектор; топливный сектор (системы нефте- и газоснабжения и переработки); транспортная инфраструктура; секторы продовольственный и водоснабжения; аварийно-спасательные службы (экстренного реагирования); коммерческие космические системы.
Американские эксперты пришли к следующему выводу: всеобщая информатизация и автоматизация, масштабное внедрение электроники и использование компьютерного управления станут основными причинами разрушения инфраструктуры, хаоса в управлении государством, нарушения устойчивого функционирования всех секторов критической инфраструктуры, что потребует длительных сроков восстановления.

Наиболее подвержен воздействию ЭМИ электроэнергетический сектор (ЭЭС) инфраструктуры, от которого зависит функционирование других секторов и отраслей. В значительной степени воздействие ЭМИ может сказаться на системах диспетчерского управления и сбора данных (Supervisory Control and Data Acquisition Systems - SCADA), обеспечивающих дистанционный мониторинг и управление функционированием многочисленных систем, процессов и объектов. Их компоненты работают автономно в автоматическом режиме и располагаются в удаленных и труднодоступных местах.

Эксперты комиссии конгресса США совместно со специалистами Североамериканской корпорации обеспечения надежности электроэнергетических систем (North American Electric Reliability Corporation - NERC) провели испытания аппаратуры SCADA и другого электронного оборудования, используемых на электростанциях, в подсистемах передачи и распределения электроэнергии, на специальных стендах, имитирующих воздействие ЭМИ.

Проверка компьютеров, локальных сетей и компьютерного сетевого оборудования общего назначения показала, что при длине соединительных кабелей от 7 до 60 м величина наводимых токов составляет от 100 до 700 а и все компьютерное оборудование гарантированно выводится из строя. Сбои и отказы в элементной базе существующих в настоящее время микропроцессоров и компьютеров возникают при напряженности электрического поля электромагнитного импульса порядка 1 кВ/м, что ведет к одновременному выводу из строя электронных и электроэнергетических систем на всей территории воздействия ЭМИ. В ходе проверки выявилась неэффективность многократного дублирования и резервирования оборудования, несоответствие объемов рационального резерва и номенклатуры запчастей, численности эксплуатационных подразделений и др.

Комиссия конгресса США отметила отсутствие комплексных компьютерных моделей, учитывающих взаимное влияние секторов критической инфраструктуры, примитивность и несовершенство действующих моделей, что не позволило выявить причины масштабного отключения электроэнергии в северо-восточной части страны в августе 2003 года.

По оценке американских специалистов, ЭЭС является наиболее уязвимым и недостаточно защищенным от воздействия ЭМИ объектом инфраструктуры США. Более того, значительное количество оборудования эксплуатируется за пределами установленных и продленных сроков эксплуатации. Объемы созданных запасов топлива для аварийных систем электропитания не вполне обоснованы и обеспечивают работу систем электроснабжения в аварийном режиме лишь до 72 ч, что явно недостаточно. Работы же по восстановлению ЭЭС могут потребовать нескольких месяцев.

Комиссия отметила, что критичным к воздействию ЭМИ элементом ЭЭС являются высоковольтные трансформаторы напряжением 345 кВ и выше. По оценкам зарубежных специалистов, таковых в США имеется около 2 тыс. единиц. При этом трансформаторы напряжением более 100 кВ в стране не производятся. Сроки замены трансформатора достигают трех лет.

Очередная по степени уязвимости подсистема ЭЭС - подсистема передачи электроэнергии, в которой наводки токов от ЭМИ достигнут от сотен до нескольких тысяч ампер, что приведет к выводу из строя защитных реле, трансформаторов подстанций и высоковольтных переключателей, а на первичных обмотках трансформаторов может образоваться реактивная мощность, что вызовет их перегрев и возгорание.

Следующая по уязвимости - подсистема распределения электроэнергии -основной источник неисправностей, что может вызвать каскадный эффект отключения электроэнергии. Прогнозируется, что ЭМИ приведет к снижению мощностей нагрузки вследствие индуцированных коротких замыканий (разрушения изоляторов ЛЭП и других воздействий), которые, в свою очередь, могут повлечь перегрев, взрыв трансформаторов и возникновение пожаров.

Наиболее устойчива к воздействию ЭМИ генерирующая подсистема ЭЭС (электростанции). В то же время сохраняется опасность выхода из строя систем управления и аварийной защиты электростанции от воздействия ЭМИ, что не позволит осуществить ее остановку в штатном режиме, например, вследствие избыточных мощностей в ЭЭС из-за массового выхода из строя потребителей электроэнергии. В случае выхода электростанций из строя сроки их восстановления могут составить от нескольких месяцев до нескольких лет.

По опыту аварий в энергосетях США затраты на ликвидацию ущерба долговременного отключения энергии на большой территории могут составить до 1-2 трлн долларов. Комиссией произведена оценка времени восстановления подсистем и объектов ЭЭС страны после воздействия ЭМИ: подсистема генерации (электростанции) ЭЭС потребует около двух лет; подсистема передачи ЭЭС - более 1,5 лет; подсистема распределения ЭЭС - от 10 сут.

В отчете комиссии отмечается, что при воздействии ЭМИ может быть выведена из строя значительная часть электронного оборудования гражданских систем связи и телекоммуникаций. Этому способствуют следующие факторы: сокращение технического персонала и увеличение степени автоматизации управления и программно-технических средств диагностирования; стремительный рост доли мобильной и беспроводной связи; преобладание обмена цифровыми данными по сравнению с аналоговыми (речевыми) сигналами. Прогнозируется, что системы мобильной связи будут выведены из строя в значительно большей степени, чем обычные линии связи.

Даже слабый уровень ЭМИ приведет к отказу систем мобильной связи на несколько дней, а проводных линий связи - на несколько часов. Оценки были произведены на разработанной модели поражения от ЭМИ и последующего восстановления системы мобильной связи. При этом учитывался в основном только эффект Е1 и не принималось во внимание воздействие на оборудование, обеспечивающее функционирование базы данных абонентов сети. Потеря этой базы может полностью вывести из строя систему мобильной связи.

Комиссия конгресса США установила, что большинство электронных систем, используемых в банковско-финансовом секторе, не проходили тестирование на устойчивость к воздействию ЭМИ. Объемы баз данных, используемых в финансовой системе страны, составляют многие петабайты (1 Пбайт равен 1000 трлн байт), при этом автоматизация сектора осуществляется в основном корпорацией по автоматизации индустрии ценных бумаг (Securities Industry Automation Corporation - SIAC), которая создала систему защищенных финансовых транзакций. По оценкам американских специалистов, ЭМИ способен вывести из строя банковско-финансовую систему на несколько месяцев. Поскольку последняя зависит от состояния электроэнергетики, систем связи коммуникаций, то экономические последствия могут быть катастрофическими. Следует ожидать возврата бартерных операций, оформления финансовых сделок на бумажных носителях и возврат к системе денежного обращения XIX века.

Доля успешных вызовов в процентах в зоне воздействия ЭМИ и вне зоны - сразу после прохождения ЭМИ 73 % означает, что пользователи мобильной связи, находящиеся вне зоны поражения, не могут связаться с абонентами в зоне поражения ЭМИ

Доля успешных вызовов в процентах в зоне воздействия ЭМИ и вне зоны - через 4 ч после прохождения ЭМИ

Доля успешных вызовов в процентах в зоне воздействия ЭМИ и вне зоны - через 2 сут после прохождения импульса

В зоне воздействия ЭМИ на топливный сектор инфраструктуры США окажутся все подсистемы добычи, хранения, переработки и транспортировки. Топливная система инфраструктуры сильно зависит от состояния системы электроснабжения, а также систем связи и коммуникации. Сбой в системах управления может спровоцировать переход контролируемых объектов на экстремальные режимы функционирования, что вызовет многочисленные аварии и пожары с катастрофическими последствиями для экологии.

Комиссией конгресса США проведено тестирование работы различного оборудования транспортной инфраструктуры (автомашин, центров управления воздушным движением, железнодорожных диспетчерских пунктов, систем регулирования дорожного движения, электронного оборудования и систем связи в портах) при воздействии ЭМИ. В случае обесточивания железнодорожных линий прогнозируется выход из строя путевого оборудования управления движением, которое может произойти при воздействии ЭМИ с напряженностью электрического поля 1 кВ/м и более, что приведет к значительным задержкам в движении составов. Восстановление путевого электрооборудования займет до нескольких недель.

В отчете комиссии дана оценка устойчивости к ЭМИ локомотивов, которые оснащены микропроцессорной системой управления. В новых моделях имеется три компьютера управления всеми подсистемами. Даже выход из строя одного из них вынудит локомотив остановиться. Сбой в работе его оборудования начинается при напряженности электрического поля ЭМИ 4-8 кВ/м, а выход из строя - с 8-16 кВ/м. Гарантированный выход из строя наступает при 20-40 кВ/м. По заключению комиссии, восстановления железнодорожного сообщения можно ожидать через несколько дней или недель. Если же компьютерные системы локомотивов не будут подлежать ремонту, возможно, на это потребуется несколько месяцев.

Комиссия отметила, что автотранспорт играет большую роль в обеспечении жизнедеятельности крупных населенных пунктов. Около 80 % всей производимой для населения продукции доставляется грузовым автотранспортом. Паралич в его работе приведет к хаосу в населенных пунктах. Около 10 % автомобилей сразу выйдут из строя и, что наиболее вероятно, с аварийными последствиями, при значениях 25-30 кВ/м и более (данные, полученные в ходе испытаний 37 легковых автомашин выпуска 1986-2002 годов и 18 грузовых машин производства 1991-2003 годов излучением ЭМИ с напряженностью электрического поля до 50 кВ/м). В результате возникнут огромные заторы и движение будет парализовано. В крупных городах из строя выйдут также центры управления дорожным движением, что усложнит ситуацию. Отключение электроэнергии приведет к отключению всех светофоров (только на важных перекрестках есть источники автономного питания, способные функционировать в течение 24 ч).

Уязвимость для воздействия ЭМИ в структуре морского транспорта представляют: важный в плане управления морским транспортом центр управления движением судов (National Vessel Movement Center - NVMC) в западной части штата Виргиния; централизованная автоматизированная система учета контейнерных грузов с единой базой данных на основе радиочастотного контроля грузов; УКВ-система связи судов с портом (156,8 МГц) и дальностью до 25 миль; крановое оборудование портов. Каждый кран имеет более 100 микропроцессоров и электроприводов, при этом время восстановления этого механизма после выхода его строя в повседневных условиях не должно превышать 15 мин.

В целях оценки воздействия ЭМИ на морской транспорт проведено тестирование оборудования портов Балтимор (штат Мэриленд) и Хэмптон Роадс (Виргиния). Результаты проверки показали, что воздействие ЭМИ сделает невозможным автоматизированный учет грузов и станет причиной потери радиосвязи судов с портом и центром управления движением судов. Так как крановое оборудование не имеет автономных источников электропитания, отключение электроэнергии сделает нереальным погрузку и разгрузку судов. ЭМИ может вызвать вывод из строя также портового грузового автотранспорта и автопогрузчиков. Масштабность повреждений приведет к нехватке запчастей и невозможности проведения ремонтно-восстановительных работ. На морских терминалах имеется 1-20-суточный запас топлива для дизель-генераторов, топливо для которых подается электронасосами. По расчетам американских экспертов, для восстановления функционирования портов потребуется несколько суток.

Ключевым элементом воздушного транспорта (О значимости воздушного
транспорта свидетельствует то, что, например, в 2001 году в США перевезено 560 млн авиапассажиров. Годовые показатели составили 700 млрд пассажиро-миль и 22 млрд тонно-миль грузов), является наземная система управления воздушным движением. В основе ее сплошная зона радиолокационного контроля над территорией США. Одновременный выход из строя РЛС будет означать прекращение полетов, возможно, на всей их территории. Уязвимым элементом остается также система связи летательных аппаратов (ЛА) с диспетчерскими пунктами.

Ожидается, что оборудование наземных пунктов системы управления воздушным движением начнет выходить из строя при напряженности электрического поля ЭМИ 4 кВ/м, а начиная с 8-15 кВ/м не будет подлежать ремонту и восстановлению. Так как данное оборудование имеет различные сроки службы, производителей и стандарты, то чрезвычайно усложнится проведение таких работ, на что потребуется до нескольких месяцев. После его восстановления полеты могут возобновиться, но с гораздо меньшей интенсивностью.

Угроза продовольственной безопасности США в случае применения ЭМИ признана комиссией реальной и на сегодняшний момент недооцененной, так как все внимание в данной области в основном сосредоточено на других угрозах (терроризм, эпидемии сельскохозяйственных растений и животных, провоз на территорию страны некачественных пищевых продуктов). Существующие государственные планы защиты критической инфраструктуры в непредвиденных обстоятельствах не учитывают возможности полной парализации продовольственного снабжения населения в результате воздействия ЭМИ. Отмечается зависимость снабжения продовольствием от устойчивости функционирования других секторов критической инфраструктуры. Воздействие ЭМИ способно, согласно выводам комиссии, прервать снабжение населения продовольствием на длительный период времени (недели, месяцы).

Подобная же ситуация может сложиться с водоснабжением американских городов вследствие выхода из строя оборудования соответствующих пунктов и объектов централизованного управления. На обширных территориях не исключено резкое ухудшение санитарно-эпидемиологической обстановки (невозможность фильтрации, очистки воды и дезинфекции).

Положение осложняется еще и тем, что в США нет единого органа, регулирующего водоснабжение. Управление объектами водоснабжения осуществляют более 100 тыс. государственных и частных органов и лиц. При этом основную ответственность за защиту систем водоснабжения от террористической угрозы несет Совет по охране окружающей среды США (Environmental Protection Agency - ЕРА).

Как правило, крупные предприятия водоснабжения потребляют значительные объемы электроэнергии, что делает нецелесообразным использование автономных аварийных систем электропитания. Их энергоснабжение обычно обеспечивают несколько источников генерации в целях повышения его надежности. После применения ЭМИ население в крупных городах уже через 1-3 сут начнет испытывать недостаток в питьевой воде.

Большую роль в устранении последствий воздействия ЭМИ играют аварийно-спасательные службы (немедленного реагирования) - полиция, противопожарная служба, скорая медицинская помощь. В настоящее время в США более 600 тыс. полицейских, 1 млн пожарных и 170 тыс. персонала скорой медицинской помощи. В деятельности данных служб большое внимание уделяется противодействию террористической угрозе, при этом угроза ЭМИ не является приоритетной. Уязвимы для воздействия ЭМИ в первую очередь системы связи, оповещения, мониторинга ситуации и координации действий аварийно-спасательных служб. Компьютерное оборудование диспетчерских пунктов (Public Safety Answering Point - PSAP) и центральных координационных центров действий в чрезвычайных ситуациях (Emergency Operations Center - EOC) начнет выходить из строя при напряженности электрического поля ЭМИ 3-6 кВ/м. Одновременно (при напряженности электрического поля ЭМИ 50 кВ/м и более) прогнозируется резкое увеличение количества пожаров из-за коротких замыканий и возгораний в электросетях.
Выводы комиссии о результатах воздействия ЭМИ на коммерческие спутниковые системы показывают, что его последствия будут зависеть от высоты, мощности и географической широты подрыва ядерного боеприпаса. Защита коммерческих спутников от поражающих факторов ядерного взрыва не предусматривается. ИСЗ, находящиеся в области прямой видимости от места ядерного взрыва, могут получать термомеханические повреждения с последующим отказом электроники. ЭМИ и радиационное излучение высотного ядерного взрыва представляют опасность в первую очередь для низкоорбитальных спутников. Кроме того, возможно нарушение работы наземных центров управления и связи со спутниками под воздействием ЭМИ, что будет равнозначно потере связи с этими объектами.

Таким образом, в условиях ужесточения политики по отношению к вероятным противникам или, по сути, отката ко временам "холодной войны" ВПР США вынуждено постоянно держать в фокусе внимания угрозу воздействия ЭМИ на гражданскую инфраструктуру страны, в том числе террористического характера. Выводы комиссии, созданной по решению конгресса США для исследования проблемы ЭМИ, свидетельствуют о незащищенности гражданской инфраструктуры страны от возможного поражения ЭМИ. Американские эксперты пришли к заключению о высокой вероятности полной парализации экономической деятельности и коллапсе всех систем жизнеобеспечения вследствие нарушения функционирования критической инфраструктуры США в результате воздействия ЭМИ.

Зарубежное военное обозрение. 2015, №10, С.33-40

• Взгляды военно-политического руководства США на защиту гражданской инфраструктуры от воздействия ЭМИ (2015)
• Обеспечение безопасности ядерного сектора гражданской инфраструктуры США (2017)
• Основные направления совершенствования ядерного обеспечения в ВС США (2020)
• Деятельность Объединенного стратегического командования ВС США по обеспечению национальной безопасности (2020)
• Совершенствование ядерного обеспечения в ВС США (2008)
• О разработке в США боевых железнодорожных ракетных комплексов (2009)
• 20-я воздушная армия космического командования ВВС США (2009)
• США и НАТО нарушают договоры по стратегическому вооружению
• Подходы военно-политического руководства США к сокращению тактического ядерного оружия (2013)
• Стратегические наступательные силы США: перспективные варианты боевого состава (2010)