Подземный ядерный взрыв

Взрывы, производимые на некоторой глубине от земной поверхности, называются подземными. Подземные взрывы производятся в целях разру­шения прочных подземных сооружений и убежищ типа метро.

С увеличением глубины взрыва возрастает расход энергии на испаре­ние, плавление грунта и образование в нем волны сжатия. Количество энер­гии, расходуемой на образование воздушной ударной волны, уменьшается. Часть энергии расходуется на выброс грунта (образование воронки). При подземном взрыве в скальных грунтах образуется воронка, диаметр которой (d) в метрах может быть определен по формуле:

d = 3,5 ∙ ³√g. (1.23)

Выброшенный грунт перемешан с радиоактивными продуктами взрыва, поэтому в районе взрыва создается сильное радиоактивное заражение мест­ности. Глубина воронки примерно в 4 раза меньше ее диаметра.

Основным поражающим фактором подземного ядерного взрыва явля­ются сильные волны сжатия (сейсмовзрывные волны) в грунте. Они вызыва­ют колебание почвы, напоминающее землетрясение, а их действие на различ­ные сооружения подобно действию сейсмических волн.

Световое излучение при подземном взрыве отсутствует, его энергия по­глощается грунтом. Проникающая радиация значительно ослаблена. Она со­стоит преимущественно из гамма-излучения, так как нейтроны при взаимо­действии с атомами элементов грунта почти полностью поглощаются ими. Огненный шар и грибовидное облако при подземных взрывах отсутствуют.

Контрольные вопросы

1. Назовите виды ядерных взрывов и дайте им краткую характеристику.

2. Какие поражающие факторы присущи ядерному взрыву и в какой по­следовательности они действуют на объект?

3. Назовите фазы развития светящейся области и ее основные характе­ристики.

4. Чем отличается наземный ЯВ от воздушного?

5. Укажите основное отличие внешней картины подземного и подвод­ного ядерных взрывов от воздушного.

6. Каковы особенности поражающего действия высотного ядерного взрыва?

Глава 3

ПОРАЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА

§ 1. Ударная волна

Структура ударной волны и ее основные параметры

Ударная волна представляет собой ограниченную резким фронтом об­ласть сжатого воздуха, распространяющуюся во все стороны от центра (эпи­центра) взрыва со сверхзвуковой скоростью. Фронтом ударной волны приня­то называть ее переднюю границу. За фронтом ударной волны последова­тельно расположены ее области сжатия и область разрежения (рис. 13).

Рис. 13. Структура ударной волны

Основными параметрами, характеризующими поражающее действие ударной волны, являются избыточное давление во фронте ударной волны ΔР_ф и скоростной напор Р_ск, создаваемый массой воздуха, который движется за фронтом ударной волны. Непосредственно за фронтом ударной волны ско­рость движения воздуха имеет максимальное значение, а затем постепенно уменьшается. В зоне сжатия воздух движется в направлении от центра взры­ва, а в зоне разрежения – в обратную сторону, к центру взрыва.

Избыточным давлением во фронте ударной волны называется разность между полным давлением во фронте ударной волны Р_ф и давлением в невоз­мущенном воздухе Р_а:

ΔР_ф = Р_ф – Р_а, кг/см². (1.24)

Давление невозмущенного воздуха, или нормальное атмосферное дав­ление, принимается равным 1,033 кг/см² (на уровне моря).

Скоростной напор характеризует метательное действие ударной волны и зависит от скорости V_ср и плотности ρ_ф воздуха в ударной волне. Величина скоростного напора определяется выражением:

(1.25)

Метательное действие ударной волны можно представить как действие кинетической энергии движущейся массы воздуха на преграду. Метательное действие ударной волны аналогично действию урагана. Однако скорость движения воздуха в ударной волне может в десятки и более раз превосходить скорость движения воздуха при урагане.

Таким образом, степень поражения ударной волной различных объек­тов зависит от избыточного давления во фронте ударной волны, определяю­щего силу динамического удара, а также от скорости и плотности воздуха в ударной волне, определяющих метательное действие ударной волны.

Кроме указанных параметров ударная волна характеризуется скоростью движения фронта волны и температурой воздуха во фронте волны. Эти пара­метры связаны с величиной избыточного да­вления и могут быть легко опре­делены, если известно избыточное давление.

Поражающее действие ударной волны определяется ее параметрами. Поэтому величины параметров имеют важное значение для практических расчетов при проведении мероприятий по защите от ядерного оружия.

Избыточное давление во фронте ударной волны определяется мощно­стью ядерного взрыва, его видом и расстоянием от центра (эпицентра) взры­ва.

Особенности распространения ударной волны

при наземном и воздуш­ном ядерных взрывах

Ударная волна наземного взрыва. Фронт ударной волны при наземном ядерном взрыве имеет полусферическую форму, как показано на рис. 14. При этом часть энергии, которая во время взрыва в неограниченном про­странстве пошла бы на образование нижней полусферы, в данном случае, от­ражаясь от земной поверхности, складывается с энергией, идущей сразу вверх. Поэтому ударная волна наземного взрыва обладает такими же пара­метрами, как ударная волна воздушного взрыва с удвоенным тротиловым эк­вивалентом. В связи с этим избыточное давление во фронте ударной волны наземного взрыва на небольших расстояниях от центра взрыва больше, чем во фронте ударной волны воздушного взрыва той же мощности.

Ударная волна воздушного взрыва. При воздушном взрыве действие ударной волны на наземные объекты будет иным, чем при наземном взрыве. В этом случае ударная волна имеет сферический фронт, а отражение ее от земной поверхности происходит на различном удалении от эпицентра взрыва по-разному.

Рис. 14. Последовательное положение фронта ударной волны (а – при наземном ядерном взрыве; б – при воздушном ядерном взрыве)

В сфере действия ударной волны воздушного взрыва различают две зо­ны: ближнюю, или зону регулярного отражения, и дальнюю, или зону нерегу­лярного отражения (рис. 15).

Радиус ближней зоны примерно равен высоте взрыва. За пределами ближней зоны начинается дальняя зона, в которой действие ударной волны продолжается до превращения ее в обычную звуковую волну.

Характер отражения ударной волны от земной поверхности и ее поражающее действие в ближней и дальней зонах различны. В бли­жней зоне при встрече падающей ударной волны с поверхностью земли образуется отраженная вол­на, которая будет распространяться в обратном направлении – ввepx от по­верхности земли. Подобное отражение, свойственное многим волнам (свето­вым, звуковым, водяным), называется регулярным отражением.

Рис. 15. Последовательное положение фронтов падающей, отраженной и го­ловной ударных волн при воздушном взрыве

Поражающее действие ударной волны в зоне регулярного отражения определяется не избыточным давлением падающей ударной волны, а избы­точным давлением отраженной волны (давление отражения), которое превышает давление падающей волны в 2 раза и более.

Причина данного явления заключается в том, что воздух, движущийся с большой скоростью в падающей ударной волне, при соприкосновении с по­верхностью земли в результате резкого торможения уплотняется и давление увеличивается. За счет кинетической энергии движущегося воздуха давление при малых Р_ф повышается в 2 раза, а при больших (несколько десятков кг/см² ) – в 8 раз.

Характер отражения и действия ударной волны воздушного взрыва в зоне нерегулярного отражения совсем иной. В этой зоне в воздухе распро­страняются две волны – падающая (прямая) и отраженная.

На границе ближней зоны по мере увеличения угла между фронтом па­дающей волны и поверхностью земли до 45° (что соответствует расстоянию от эпицентра взрыва, равному высоте взрыва) фронт отраженной волны, имеющий бόльшую скорость, чем скорость фронта падающей волны, перего­няет фронт падающей ударной волны. Образуется единый фронт так назы­ваемой головной ударной волны, которая в дальнейшем и определяет воздей­ствие взрыва на объекты, расположенные в дальней зоне.

Таким образом, головная ударная волна представляет собой соединение падающей и отраженной от земли ударных волн воздушного взрыва. Перед­няя граница этой волны называется фронтом головной ударной волны. Высо­та ее с увеличением расстояния от эпицентра взрыва растет.

Если сравнивать наземный и воздушный взрывы, то вблизи эпицентра более высокое давление создает наземный взрыв, так как здесь сказывается "удвоение" тротилового эквивалента и меньшее удаление от центра взрыва. Однако на больших расстояниях преимущество оказывается за воздушным взрывом, так как рост давления во фронте ударной волны, обусловленный образованием головной волны, более существен, чем "удвоение" тротилового эквивалента.

Кроме ударной волны в воздухе, особенно при низком воздушном взрыве, как результат давления на грунт образуется волна сжатия в грунте, которая оказывает разрушительное действие и на заглубленные в землю со­оружения.

Закон подобия при взрывах по ударной волне

Поражающее действие воздушной ударной волны ядерного взрыва оп­ределяется величиной избыточного давления во фронте волны. По величине избыточного давления во фронте могут быть определены все основные пара­метры ударной волны. Следовательно, для оценки воздействия ядерного взрыва в воздухе на различные объекты достаточно определить зависимость избыточного давления во фронте ударной волны от мощности взрыва и рас­стояния от места взрыва.

Существует довольно простая зависимость между тротиловым эквива­лентом взрыва q и расстоянием от центра взрыва R, на котором наблюдается определенная величина избыточного давления во фронте ударной волны Р_ф. Эта зависимость называется законом подобия.

П ри двух взрывах, тротиловые эквиваленты которых равны соответст­венно g₁, g₂, одинаковые избыточные давления Р_ф во фронте ударных волн будут наблюдаться на расстояниях R₁ и R₂ (от центров первого и второго взрывов соответственно), отношение которых равно корню третьей степени из отношения тротиловых эквивалентов:

(1.26)

Это значит, что радиус поражающего действия ударной волны изменя­ется значительно слабее, чем мощность взрыва. Так, например, для увеличе­ния радиуса зоны поражений или разрушений в 2 раза мощность взрыва не­обходимо увеличить в 8 раз, для увеличения ра­диуса зоны в 3 раза мощность взрыва необходимо увеличить в 27 раз и т.д. Чем больше мощность ядерного взрыва, тем менее эффективно используется энергия взрыва для поражения целей ударной волной. Увеличение тротилового эквивалента в 1000 раз при­водит к возрастанию радиуса зоны поражения в 10 раз, а площади зоны пора­же­ния – в 100 раз. Следовательно, эффективность использования эне­р­гии взрыва уменьшилась в данном случае в 10 раз. Расчеты, сделанные на ос­нове закона подобия, показывают, что для поражения объектов боль­ших размеров более эффективным является использование не од­ного ядерного боеприпаса крупного или сверхкрупного калибра, а нескольких боеприпасов среднего ка­либра.

Закон подобия имеет большое практическое значение. Он позволяет определить основные параметры воздушной ударной волны на различных расстояниях от центра (эпицентра) взрыва любой мощности, если эти пара­метры определены экспериментальным путем для ядерного взрыва какой-либо одной определенной мощности. Достаточно произвести один экспери­ментальный взрыв, для того чтобы определить все параметры ударной волны на любых расстояниях от центра для взрыва любой мощности.

Влияние рельефа местности на распространение

и поражающее дейст­вие ударной волны

Рельеф местности оказывает влияние на характер распространения и действие ударной волны при крутизне скатов более 10° (рис. 16). Давление ударной волны на скатах возвышенностей, обращенных к центру (эпицентру) взрыва, крутизной свыше 45° увеличивается в 2 раза и более. Это объясняется тем, что при встрече ударной волны с возвышенностью перед скатом образу­ется зона повышенного давления.

В горах площади поражения вследствие поглощения энергии взрыва складками местности уменьшаются до 50%. Но на склонах гор, обращенных к взрыву, поражающее действие может значительно увеличиться за счет образования зоны повышенного давления. За крутыми обрывами давление ударной волны понижается в 1,5 – 2 раза.

Рис. 16. Влияние рельефа местности на изменение избыточного давления

Лесные участки местности уменьшают радиус поражения ударной вол­ны примерно в 1,5 раза. Это объясняется тем, что лес снижает метательное действие волны в 2 – 3 раза, тогда как избыточное давление во фронте ударной волны в лесу повышается на 10 – 15% по сравнению с открытой местностью.

Поражающее действие ударной волны и принципы защиты от нее

Поражение ударной волной вызывается как действием избыточного давления во фронте, так и ее скоростным напором.

Роль избыточного давления и метательного действия ударной волны в поражении объекта зависит в каждом конкретном случае от условий распо­ложения, размеров и прочности поражаемого объекта. Разрушение заглуб­ленных сооружений и объектов определяется в основном избыточным давле­нием в волне. Объекты и сооружения, расположенные на поверхности земли, выходят из строя в результате совместного действия избыточного давления и метательного действия волны. Сооружения относительно больших размеров (промышленные и жилые здания), как правило, разрушаются от действия из­быточного давления. Сооружения и объекты небольших размеров, а также боевая техника (ракетные пусковые установки, артиллерийские орудия, тан­ки) и личный состав, расположенный открыто, поражаются в основном мета­тельным действием ударной волны. Такие объекты отбрасываются волной на большие расстояния и повреждаются при ударе о грунт.

Поражения, наносимые личному составу ударной волной, подразделя­ются на смертельные, крайне тяжелые, тяжелые, средней тяжести и легкие.

При давлении во фронте ударной волны свыше 1 кг/см² возникают крайне тяжелые поражения открыто расположенного личного состава.

При дав­лении 0,6 – 1 кг/см² возникают тяжелые поражения.

При тяжелых (крайне тяжелых) поражениях могут наблюдаться трав­мы головного мозга с длительной потерей сознания, повреждения органов грудной и брюшной полости, переломы костей, кровотечение из носа и ушей. Пострадавшие с такими поражениями нуждаются в немедленной госпитали­зации и продолжительном (более 2 месяцев) лечении.

При давлении 0,3 – 0,6 кг/см² возникают поражения средней тяжести, сопровождающиеся потерей сознания, кровотечением из носа и ушей, расстройством речи и слуха. Срок лечения 1 – 2 месяца.

При давлении 0,2 – 0,3 кг/см² возникают легкие поражения, сопровождающиеся головокружением, головной болью, звоном в ушах. Личный состав нуждается в медицинском наблюдении в течение 1 – 2 недель. При давления 0,1– 0,2 кг/см² личный состав не теряет боеспособности.

Кроме прямого поражающего действия ударной волны могут возникать поражения личного состава в результате косвенного ее воздействия, которое обусловлено тем, что волна, разрушая дома, сооружения и т.п., вовлекает в движение большое количество твердых предметов. Так, при избыточном дав­лении во фронте ударной волны 0,1 – 0,6 кг/см² плотность опасных для челове­ка летящих частиц (осколков стекла и песчинок) составляет от 48 до 4300 штук на 1 м², масса их 0,1 – 1,5 г, скорость движения 30 – 85 м/с. Разрушение стекол в окнах домов и поражение осколками людей возможно при избыточных давлениях 0,035 – 0,07 кг/см².

Большое количество косвенных поражений может быть и при открытом расположении личного состава в лесу. При давлении в ударной волне 0,3 – 0,5 кг/см² возможны многочисленные травмы от ударов падающих деревьев, их обломков и ветвей.

Значения величин избыточного давления, которые не вызывают пора­жения личного состава, расположенного открыто, в сооружениях и других объектах, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Ориентировочное значение безопасного избыточного давления, кг/см²

Условия расположения личного состава	Безопасное избыточное давление, кг/см2
Вне укрытий	0,1
В БТР закрытого типа	0,25
В танках: при наземных взрывах при воздушных взрывах	0,5 0,4
В блиндажах	0,5
В убежищах легкого типа	1

Ударная волна при воздействии на боевую технику выводит ее из строя. Наиболее подвержены воздействию ударной волны самолеты, которые полу­чают повреждения при избыточном давлении во фронте ударной волны 0,07 – 0,08 кг/см² , а при давлении 0,2 – 0,3 кг/см² полностью выходят из строя (полное разрушение конструкции).

Артиллерийские орудия и реактивная техника получают повреждения при избыточном давлении во фронте ударной волны, равном 0,5 кг/см², и вы­ходят из строя при давлении 1,2 кг/см².

Наиболее устойчивыми к воздействию ударной волны являются танки. Полный их выход из строя наблюдается при давлении 5 кг/см², а средние раз­рушения, выводящие танки из строя, наблюдаются при давлении 1,5 кг/см².

Воздействие ударной волны на оборонительные сооружения выражает­ся в разрушении траншей и различных фортификационных сооружений. Пол­ное разрушение траншей без одежды крутостей достигается при избыточном давлении 0,8 – 1,0 кг/см², траншей с одеждой крутости – 1,6 – 3,0 кг/см², подбрустверных блиндажей – 3,5 – 5 кг/см², убежищ легкого типа – 5 – 10 кг/см², соору­жений тяжелого типа 10 – 40 кг/см², долговременных сооружений – 20 –200 кг/см².

Поражающее действие ударной волны на личный состав и различные объекты может быть значительно ослаблено или полностью исключено про­ведением защитных мероприятий.

Наиболее надежную защиту обеспечивают прочные, полностью герме­тизированные сооружения – убежища.

Для защиты объектов, которые выходят из строя в результате метатель­ного действия ударной волны (танки, бронетранспортеры, артиллерийские орудия, ракеты, личный состав), используются открытые сооружения – окопы, траншеи, ходы сообщения, а также складки местности и прочные местные предметы, уменьшающие действие ударной волны. Для защиты личного со­става используются также закрытые фортификационные сооружения. Личный состав, находящийся в момент взрыва на открытой местности, в момент вспышки должен лечь на землю ногами в сторону ядерного взрыва. В таком положении действие скоростного напора снижается до минимума. Кроме то­го, использование углублений и небольших по размерам, но прочных мест­ных предметов также приводит к снижению действия скоростного напора.

Защита личного состава от повреждения барабанных перепонок избы­точным давлением в ударной волне может осуществляться специальными противошумными устройствами, танковыми шлемами, противогазовыми масками и шапками-ушанками.

Контрольные вопросы

1. Начертите график изменения давления в фиксированной точке про­странства при прохождении ударной волны. Укажите на графике момент прохождения фронта волны, зону сжатия и зону разрежения.

2. Сформулируйте закон подобия при взрывах. Назовите задачи, кото­рые можно решать с помощью этого закона.

3. В чем различия в характере распространения ударной волны при наземном и воздушном взрывах? Что такое головная ударная волна?

4. Какие факторы оказывают влияние на распространение и действие ударной волны?

5. При каких избыточных давлениях во фронте ударной волны наносят­ся поражения личному составу, вооружению и боевой технике?

6. Какие меры необходимо принять для защиты от ударной волны ядер­ного взрыва?