Поражающие факторы воздушных, космических, надводных, подводных, подземных взрывов. Их отличия от наземного ядерного взрыва

Севастопольский морской колледж

Киевской  государственной академии водного  транспорта шмени гетьмана Петра Конашевича-Сагайдачного 
 
 

РЕФЕРАТ:

Поражающие  факторы воздушных, космических, надводных, подводных, подземных  взрывов. Их отличия  от наземного ядерного взрыва. 

Выполнил:

Курсант группы СВ-111

Тихонов Д.А.

Проверил:

Полковник Щербин В.В. __________ 
 
 
 
 
 

Севастополь

2011 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение

  Действие  ядерного оружия основано на использовании  энергии, выделяющейся при ядерных  превращениях. В зависимости от принципов  использования этой энергии различают  три вида ядерных боеприпасов: атомные, термоядерные и комбинированные.

  При взрывах  атомных боеприпасов в результате цепной реакции деления ядер атомов тяжелых элементов (плутония, изотопов урана) выделяется энергия. Реакция  состоит в том, что при бомбардировке  урана-235 свободными нейтронами возникают  элементы средней части периодической  системы Менделеева.

  Действие  термоядерных боеприпасов основано на использовании энергии, выделяющейся при реакции синтеза ядер легких элементов (дейтерия и трития) в условиях чрезвычайно высоких температур. Термоядерная реакция - реакция синтеза  легких ядер в более тяжелые. Такие реакции происходят в недрах звезд, на солнце и т. д. При таких температурах вещество существует только в виде плазмы. Но создание высокой температуры необходимо только в первый момент времени, чтобы «зажечь» реакцию, а затем она существует сама за счет выделения энергии при синтезе ядер.

  В основу действия комбинированных боеприпасов  положено свойство атомов природного урана (уран-238) делится под действием  быстрых нейтронов, образующихся при  термоядерной реакции. 

Воздушный ядерный взрыв

Воздушный ядерный  взрыв — это взрыв, произведенный  на высоте до 10 км, когда светящаяся область не касается земли (воды). Воздушные  взрывы подразделяются на низкие и высокие. Сильное радиоактивное заражение местности образуется только вблизи эпицентров низких воздушных взрывов. Заражение местности по следу облака существенного влияния на действия личного состава не оказывает. Наиболее полно при воздушном ядерном взрыве проявляются ударная волна, световое излучение, проникающая радиация и ЭМИ.

Воздушный ядерный  взрыв начинается кратковременной  ослепительной вспышкой, свет от которой  можно наблюдать на расстоянии нескольких десятков и сот километров. Вслед  за вспышкой появляется светящаяся область  в виде сферы или полусферы (при  наземном взрыве), являющаяся источником мощного светового излучения.

Практически к воздушным  относятся взрывы в атмосфере  на высотах:. 10000 м

При этом светящаяся область имеет форму шара и  не соприкасается с поверхностью земли (воды). Воздушный взрыв имеет  характерную грибовидную форму. Облако взрыва при этом не соединяется  с пылевым столбом или едва касается его.

Физические процессы, сопровождающие воздушные ядерные  взрывы, обусловливаются взаимодействием  проникающей радиации, рентгеновского излучения и газового потока с  воздухом. Проникающая радиация и  рентгеновское излучение, выходящие  из зоны реакции, вызывают возбуждение  и ионизацию атомов и молекул  окружающего воздуха. Возбужденные атомы и молекулы при переходе в основное состояние испускают  кванты света, в результате чего возникает  так называемая область начального свечения воздуха. Это свечение носит  люминесцентный характер (свечение холодного  воздуха). Его длительность не зависит  от мощности взрыва и составляет приблизительно десять микросекунд, а радиус области  начального свечения воздуха равен  примерно 300 м.

В результате взаимодействия гамма-излучения с атомами воздуха  образуются высокоэнергетические электроны, движущиеся преимущественно по направлению  движения гамма-квантов, и тяжелые положительные ионы, практически остающиеся на месте. Вследствие такого разделения положительных и отрицательных зарядов возникают электрические и магнитные поля - электромагнитный импульс (ЭМИ), который проявляет себя как поражающий фактор ядерного взрыва.

В электромагнитный импульс и в начальное свечение воздуха трансформируется незначительная доля энергии взрыва.

Одновременно с  ионизацией прилегающего к зоне реакции  воздуха происходит его прогрев  рентгеновским излучением. В результате этого начинается формирование светящейся области, представляющей собой плазменное образование нагретых до высоких  температур воздуха и паров материалов конструкции боеприпаса (продуктов  взрыва).

За время существования  светящейся области температура  внутри ее изменяется от миллионов  до нескольких тысяч кельвинов.

В развитии светящейся области различают три фазы: начальную, первую и вторую. Длительность каждой из них зависит от мощности взрыва: чем больше мощность взрыва, тем  они длительнее. Продолжительность  начальной фазы составляет доли миллисекунд, первой — от нескольких миллисекунд  до сотен миллисекунд, второй - от десятых  долей секунды до десятков секунд.

Начальной фазой  называют период развития светящейся области с момента образования  до тех пор, пока распространение  ее границы происходит в результате послойного прогрева окружающего зону ядерной реакции холодного воздуха  сначала рентгеновским излучением, а затем, когда температура несколько  снизится, лучистым прогревом.

Явление расширения границы светящейся области в  неподвижном воздухе в результате послойного лучистого прогрева называют тепловой волной. Передняя граница  тепловой волны называется фронтом.

Высокая температура  внутри охваченной тепловой волной области  в тонком наружном слое резко уменьшается  до температуры окружающего холодного  воздуха. Такой перепад температуры  обусловливает возникновение около  фронта тепловой волны больших градиентов давления. На границе области, охваченной тепловой волной, накапливаются гидродинамические  возмущения, вследствие чего внутри светящейся области зарождается ударная  волна, которая представляет собой  резкое сжатие среды, распространяющееся со сверхзвуковой скоростью.

Некоторое время  ударная волна распространяется внутри светящейся области, так как  скорость лучистого прогрева, которая  определяет движение границы светящейся области, больше, чем скорость ударной  волны. По мере охлаждения светящейся области скорость распространения  тепловой волны уменьшается быстрее, чем скорость распространения ударной  волны. При температуре 300 тыс. К они становятся равными, а при температуре меньшей 300 тыс. К скорость ударной волны становится больше скорости тепловой волны и ее передняя граница (фронт) выходит вперед.

Момент выхода фронта ударной волны на поверхность  светящейся области является окончанием начальной фазы ее развития и началом  первой фазы.

Яркостная температура  светящейся области в начальной  фазе некоторое время остается равной 10 тыс. К.Это объясняется тем, что  воздух, нагретый до 10 тыс. К, полностью поглощает излучение внутренних более нагретых слоев. При подходе фронта воздушной волны к границе светящейся области оптическая толщина экранирующего слоя уменьшается и ее яркостная температура увеличивается за счет излучения сильно нагретого воздуха во фронте ударной волны. В момент выхода фронта ударной волны на поверхность светящейся области, ее яркостная температура становится практически равной температуре воздуха во фронте ударной волны.

Первой фазой называют период развития светящейся области, в  течение которого ее границей и источником интенсивного светового излучения  является фронт воздушной ударной  волны.

В этот период ударная  волна полностью экранирует излучение, идущее из внутренних более горячих  слоев светящейся области. При этом в то время, когда температура  воздуха во фронте выше 10 тыс. К, экраном является сам фронт, а при более низких температурах, когда фронт прозрачен, экранирование излучения внутренних слоев продолжается окислами азота, образовавшимися за фронтом ударной волны.

С течением времени  фронт воздушной ударной волны  перестает светиться и начинает отрываться (удаляться) от светящейся области. Момент отрыва воздушной ударной  волны от светящейся области считают  окончанием первой фазы ее развития и  началом второй.

Второй фазой называют период развития светящейся области  в течение которого источником светового излучения является нагретый воздух за прозрачным фронтом ударной волны.

В этой   фазе   светящаяся   область   начинает   подниматься (всплывать)  вертикально  вверх, вовлекая в себя окружающий воздух; яркостная температура сначала  возрастает   , достигает максимума, равного 8 - 10 тыс. К, а затем уменьшается; свет излучается не только поверхностью светящейся области, но и всем ее объемом.

По мере остывания  светящейся области ее свечение прекращается, пары конденсируются, она превращается в облако взрыва, представляющее собой  клубящуюся массу воздуха, перемешанную с отвердевшими частицами продуктов  взрыва, окислами азота воздуха, каплями  воды и частицами грунтовой пыли.

На вторую фазу приходится основная доля энергии светового  излучения (до 98%).

Форма светящейся области  во второй фазе зависит от высоты взрыва. При высоком воздушном взрыве она близка к сфере.

При высоком воздушном  взрыве она близка к сфере.

Светящаяся область  низкого воздушного взрыва в результате деформации ударной волной, отраженной от поверхности земли, имеет вид сферического сегмента.

Световое излучение  ядерного взрыва по своей природе  является в основном тепловым и проявляет  себя как мощный поражающий фактор.

При атомном и  обычном термоядерном взрывах в воздухе в световое излучение трансформируется около 35% их энергии.

Воздушная ударная  волна, возникшая при развитии светящейся области, распространяется со сверхзвуковой  скоростью. Она является одним из основных поражающих факторов ядерного взрыва.

В воздушную ударную  волну трансформируется примерно 50% энергии воздушного взрыва атомного и обычного термоядерного заряда.

Образовавшееся в  результате увеличения и охлаждения светящейся области облако взрыва вначале  имеет красный или красновато-коричневый цвет, затем, по мере увеличения количества капель воды, он становится белым. С  возрастанием высоты подъема облако взрыва за счет вовлечения в себя окружающего  воздуха и действия аэродинамических сил увеличивается по размерам и  массе, из сферы оно превращается в вихревой тороид. По мере подъема происходят выравнивание плотности и температуры внутри и вне облака, подъемная сила исчезает и его подъем прекращается.

Максимальная высота подъема облака при ядерных взрывах  средней мощности 8-12 км. На этой высоте горизонтальный размер облака достигает 5-9 км. Облако сверхкрупного термоядерного  взрыва может подняться в стратосферу  на высоту 25 км, его горизонтальный размер в этом случае может достигнуть десятков километров.

Облако взрыва радиоактивно. При подъеме и после стабилизации высоты подъема облако под действием  воздушных течений переносится  на большое расстояние и рассеивается. Во время движения облака содержащиеся в нем радиоактивные продукты, смешавшись с пылью и каплями воды, постепенно выпадают и вызывают радиоактивное заражение атмосферы и местности.

Поскольку облако ядерного взрыва радиоактивно и, кроме того, может оказывать аэродинамическое, тепловое и эрозионное (абразивное) действие на летательные аппараты, а также затруднять работу радиолокационных станций, его рассматривают как  поражающий фактор ядерного взрыва.

В результате воздействия  на грунт светового излучения, ударной  волны и воздушных потоков, следующих  за ней, а также воздушных потоков, появляющихся вследствие подъема сначала  светящейся области, а затем облака взрыва, образуется приземный запыленный слой атмосферы.

Приземный запыленный слой существует десятки минут. Его  максимальный диаметр зависит от мощности и высоты взрыва, свойств грунта, характера местности и растительного покрова в районе эпицентра взрыва. Одновременно с приземным запыленным слоем атмосферы вследствие всасывающего эффекта, возникающего в районе эпицентра взрыва в результате подъема сначала светящейся области, а затем облака взрыва, а также конвективного теплообмена воздуха с неравномерно нагретой световым излучением поверхностью земли, образуется пылевой столб - восходящий поток воздуха с частицами грунта. Пылевой столб имеет темно-коричневый цвет - цвет грунта в районе эпицентра взрыва.

При взрыве на высоте пылевой столб догоняет облако и  соединяется с ним. В этом случае в облако взрыва вносятся грунтовые частицы, оно приобретает коричневый цвет.

Если , пылевой столб не соединяется с облаком взрыва и оно практически не содержит грунтовых частиц.

Пылевые образования (приземный запыленный слой атмосферы  и пылевой столб) могут оказывать  аэродинамическое, тепловое и эрозионное (абразивное) действие на летательные  аппараты, затруднять работу радиолокационных станций, выводить из строя фильтровентиляционные  системы. Поэтому пылевые образования  рассматривают как поражающий фактор ядерного взрыва.

К концу своего развития внешняя картина воздушного ядерного взрыва приобретает грибовидный  вид.

Поражающими факторами  воздушного ядерного взрыва являются: воздушная ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, электромагнитный импульс, облако взрыва, ионизация и  радиоактивное заражение атмосферы. Кроме того, при воздушном взрыве над сушей могут возникать  пылевые образования, слабое радиоактивное  заражение местности, а также  слабые механические колебания грунта (сейсмовзрывные волны), образующиеся в результате воздействия на него воздушной ударной волны.

Воздушный ядерный  взрыв предназначен главным образом  для поражения наземных и надводных  целей. 
 
 

Космический ядерный взрыв

27 августа 1958 г.  был произведён первый ядерный  взрыв в космосе на высоте 160 км, через три дня на высоте 293 км — второй, а последний,  третий, взрыв на высоте 750 км —  6 сентября 1958 г.

По данным измерений, проведённых американскими и  советскими специалистами, после взрывов  происходило нарушение в работе радиоэлектронных приборов, радиосвязь в близлежащем районе прерывалась  на десятки минут.

Было выяснено, что  обычно взрыв ядерной бомбы на орбите сопровождает следующая последовательность событий. В первые десятки наносекунд происходит мощный выброс гамма-квантов, которые, сталкиваясь с нейтральными молекулами на высоте 30−40 км в атмосфере Земли, рождают высокоэнергичные электроны. Эти заряженные частицы, летящие с огромной скоростью, генерируют мощный ЭМИ, который может вывести из строя любую чувствительную электронику, находящуюся в пределах его досягаемости на поверхности Земли. В течение следующих нескольких секунд большая часть энергии боеголовки «высветится» в форме рентгеновского излучения. Когда эти мощные электромагнитные волны встречают на своём пути незащищённый спутник, они вызывают сильные токи и напряжения в теле спутника, отчего перегорает вся его электроника. 

Остатки боеголовки в виде ионизированного вещества расталкиваемые расширяющимся плазмоидом, пролетят ещё несколько сотен километров. Эти заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем Земли, отчего возникает электрическое поле меняющееся с низкой частотой . Эти медленно осциллирующие волны распространяются вокруг земного шара отражаясь от поверхности Земли и нижнего края ионосферы. Несмотря на то что электрическое поле слабо оно может создавать значительные напряжения между концами протяжённых наземных или подводных линий электропередач что разрушает электрические цепи даже вдали от места взрыва. 

В течение следующих  недель и месяцев энергичные электроны, захваченные магнитным полем  постепенно выведут из строя электрические  системы всех спутников на своём  пути. 
 

В некоторых точках околоземного пространства в результате высотного ядерного взрыва уровень радиации может увеличиться на 3−4 порядка и оставаться повышенным в течение двух лет. Все спутники, оказавшиеся в зоне с повышенным фоном, будут накапливать радиацию гораздо быстрее, чем предполагалось при проектировании, что значительно снизит быстродействие электроники и приведёт к росту потребления энергии. Вероятно, в первую очередь откажет система ориентации или связи, и спутники уже не смогут выполнять свои задачи или их срок службы значительно сократится. К тому же высокий уровень радиации помешает запуску ремонтных бригад. «Пилотируемые космические полеты должны быть прекращены на год или более, пока уровень радиации не снизится», — отмечается в отчёте.

Теоретически можно  создать флотилии специальных спутников, которые бы генерировали низкочастотные радиоволны в непосредственной близости от радиационных поясов. Поэтому DARPA совместно  с военно-воздушными силами проводит эксперименты с низкочастотными  излучателями в рамках проекта HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program — Программа активного высокочастотного исследования авроральной области) в местечке Гакона на Аляске. В HAARP учёные изучают активные образования в ионосфере и то, как можно искусственно управлять их свойствами. Проект предполагает исследования в области технологий связи с подводными лодками и другими объектами, находящимися под земной поверхностью. 
 

В 1963 г. был заключён Международный договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под  водой, и с той поры ядерные  взрывы перестали «греметь» в  околоземном пространстве. 
 

2. Подземный ядерный взрыв.

  Подземными  ядерными взрывами называют взрывы, для которых средой, окружающей зону реакции, является грунт.

  В результате воздействия рентгеновского излучения  на окружающий зону реакции грунт его тонкий сферический слой сильно прогревается и превращается в раскаленный газ, излучение этого слоя превращает в раскаленный газ следующий тонкий слой грунта и т. д.

  Таким образом, в грунте в результате его послойного прогрева образуется раскаленный объем. Процесс расширения этого объема в невозмущенном грунте называется тепловой волной в грунте.

Внутри раскаленного объема вследствие больших градиентов давления на его границе возникают  механические возмущения. По мере увеличения этого объема и уменьшения температуры среды в нем скорость распространения тепловой волны уменьшается быстрее, чем скорость распространения механических возмущений. Начиная с определенного момента времени, скорость распространения механических возмущений начинает превышать скорость тепловой волны и в окружающем раскаленном объеме грунта происходит скачкообразное увеличение давления, плотности, температуры и скорости его движения до максимальных значений. Процесс распространения этих возмущений называется ударной волной в грунте.

  В отличие  от взрыва в воздухе при ядерном  взрыве в грунте ударная волна существует лишь в самой ближней зоне.

  С увеличением  расстояния от центра взрыва увеличение давления и других возмущений в грунте до максимальных значений становится все более плавным. Процесс распространения плавно увеличивающихся давления и других возмущений в грунте до их максимальных значений называется волной сжатия.

  Итак, на начальной стадии развития подземного ядерного взрыва в грунте возникают  и распространяются тепловая волна, ударная волна и волна сжатая. В результате их воздействия на окружающую зону реакции грунтовую среду в окрестностях взрыва возникают механические колебания, называемые сейсмовзрывными волнами, которые распространяются набольшие расстояния.

  Процессы  развития подземного ядерного взрыва зависят от глубины заложения  заряда в грунте.

  Если подземный  ядерный взрыв происходит на большой  глубине, расширение находящихся в  небольшом объеме под высоким  давлением раскаленных газов  и продуктов, образовавшихся в результате термических превращений грунта, приводит к возникновению взрывной полости, зон механического разрушения грунта, трещин, пластических деформаций и механических колебаний грунта.

  Для большинства  грунтовых сред взрывная полость  не устойчива: происходит обрушение  кровли и она заполняется обломками породы.

  При подземном  ядерном взрыве на большой глубине  проникающая радиация и газовый поток полностью поглощаются грунтом, радиоактивные продукты взрыва остаются в полости и в толще разрушенной породы.

Подземные ядерные  взрывы, при которых не происходит раскрытие грунтового купола и отсутствует  прямой выход продуктов взрыва из его полости в атмосферу, называются камуфлетными. Минимальная глубина, начиная с которой не наблюдается выброс грунта, зависит от мощности взрыва и вида грунта. Ориентировочно она составляет м.

Поражающими факторами  камуфлетного ядерного взрыва являются: сейсмовзрывные волны и местное  действие на грунт (полость и зоны разрушения грунта, остаточные деформации в грунте, вспучивания, отколы и проседания грунта).

Если взрыв  происходит на небольшой глубине, вначале  происходят те же процессы, что и  при взрыве на большой глубине. Затем в результате расширения взрывной полости на поверхности земли вырастает грунтовый купол, который тут же раскрывается. Через раскрывшийся купол из полости вырываются газообразные продукты, вследствие чего в воздухе образуются воздушная ударная волна и облако взрыва. Вырвавшиеся наружу газы поднимают с собой в атмосферу большое количество грунта. В грунте образуется воронка, вокруг нее— навал грунта; возникают пылевые образования. Вместе с газами и грунтом в атмосферу выбрасываются радиоактивные продукты, которые, смешавшись с частицами пыли, в последующем выпадают и создают сильное радиоактивное заражение местности и воздуха.

Подземные ядерные  взрывы, при которых происходит раскрытие купола и прорыв газообразных продуктов наружу с выбросом в атмосферу грунта, называются взрывами с выбросом грунта. Отличительной особенностью таких взрывов является образование воронки в грунте и навала грунта вокруг воронки.

Поражающими факторами  подземного ядерного взрыва с выбросом грунта являются: сейсмовзрывные волны, местное действие взрыва (воронка, зоны разрушения, вспучивания и навал грунта, камнепад), сильное радиоактивное заражение местности и атмосферы, облако взрыва, пылевые образования.

Проникающая радиация и газовый поток при подземном  ядерном взрыве на небольшой глубине  практически полностью поглощаются  грунтом. 

Поражающие  факторы подземного ядерного взрыва

  Основными поражающими факторами подземного ядерного взрыва являются: сёйсмовзрывные волны, местное действие взрыва на грунт  и радиоактивное заражение местности (при взрыве с выбросом грунта).

  Источником  сейсмовзрывных волн при подземном  взрыве является передача энергии грунту непосредственно в центре взрыва. При этом в грунте образуется волна  сжатия.

  Волна сжатия—основной поражающий фактор подземного ядерного взрыва, определяющий его действие на котлованные и подземные сооружения; она более интенсивна, чем эпицентральная волна при наземном взрыве.

  Параметрами сейсмовзрывных волн, которые характеризуют их поражающее действие на заданном расстоянии от эпицентра взрыва, являются: давление (напряжение),  смещение, скорость смещения и ускорение (перегрузка) грунта.

  При взрыве с выбросом грунта в районе эпицентра  образуется воронка. Около 30—50% поднятого  взрывом грунта падает обратно в  воронку, уменьшая ее глубину до так  называемой видимой глубины воронки; остальная часть грунта падает за пределами воронки и образует зону навала, которая ввиду сильной радиоактивности и разрыхленности грунта может оказаться непроходимой для войск. Ширина зоны навала составляет два-три радиуса воронки, а максимальная высота гребня навала — 0,1 радиуса воронки.

  Размеры воронки при подземных ядерных  взрывах определяются мощностью и глубиной взрыва и видом грунта. При  увеличении глубины взрыва до м размеры воронки и объем выброшенного грунта увеличиваются, а при дальнейшем заглублении начинают уменьшаться и при глубине больше м. выброс грунта не наблюдается. 

  При подземном  взрыве с выбросом грунта образуется также воздушная ударная волна, параметры которой уменьшаются с увеличением глубины взрыва. При взрыве на глубине м и более воздушная ударная волна как поражающий фактор практического значения не имеет.

  Поражающее  действие сейсмовзрывных волн на заглубленные сооружения обусловливается тем, что приход волны в данную точку вызывает резкое смещение грунта, а вместе с ним и сооружений. Грунт и сооружения испытывают давление и деформации. В результате разрушаются или повреждаются сооружения, выводятся из строя вооружение и оборудование сооружений, а также находящийся в них личный состав даже в тех случаях, когда сами сооружения не повреждаются. Кроме  того, могут разрушаться наземные промышленные и гражданские здания в результате колебаний их оснований.