Ударная волна ядерного взрыва

Воздушная ударная волна является основным поражающим фактором ядерного взрыва. Она способна наносить различные механические повреждения объектам и поражать личный состав на значительных расстояниях от центра взрыва. Для защиты от ударной волны необходимо иметь прочные сооружения.

Ударная волна представляет собой область резкого и значительного по величине сжатия среды, распространяющегося от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью.

При распространении ударной волны ядерного взрыва в воздухе можно выделить две зоны (рис.1.10).

Первая зона, где давление превышает атмосферное (Р > Р_о), называется зоной сжатия, а вторая, где Р < Р_о – зоной разрежения. Передняя граница зоны сжатия представляет собой фронт ударной волны. Разность между давлением Р в данной точке ударной волны и атмосферным давлением Р_о обозначается через ΔР и называется избыточным давлением. Избыточное давление на фронте волны ΔР_ф имеет максимальное значение.

 

 

Рис. 1.10. Распределение давления в атмосфере при воздушном ядерном

Взрыве в зависимости от расстояния до его центра в фиксированный момент времени

 

Рассмотрим, как изменяется давление во времени в данной точке пространства (R = const) при прохождении через неё ударной волны (рис.1.11).

 

 

Рис. 1.11. Изменение давления во времени в фиксированной точке пространства при прохождении через неё воздушной ударной волны

 

До подхода фронта ударной волны к заданной точке, давление в ней равно атмосферному давлению Р_о. В момент прихода фронта волны давление скачком изменяется до величины R_ф, а затем оно постепенно понижается и становится ниже атмосферного. Пройдя через минимальное значение, давление опять монотонно возрастает, пока не достигнет значения, равного Р_о.

Промежуток времени, в течение которого давление в данной точке превышает атмосферное, называется фазой сжатия (τ₊). Промежуток времени, в течение которого в данной точке давление оказывается ниже атмосферного, называется фазой разрежения (τ_–). Длительность фазы сжатия τ₊ часто называют временем действия ударной волны в данной точке.

Одновременно с подходом ударной волны ранее покоящийся воздух внезапно приобретает скорость в направлении движения фронта волны. Скорость воздуха является наибольшей в момент прохождения фронта волны через данную точку. Затем она уменьшается, становится равной нулю и приобретает отрицательное давление, т.е. воздух движется в сторону взрыва и, в конце концов, останавливается.

Чем больше избыточное давление во фронте волны, тем больше скорость движения воздуха. При взаимодействии движущегося воздуха с каким-либо объектом возникает сила давления скоростного напора, которая может обладать сильным метательным действием.

Параметры ударной волны

Основными параметрами воздушной ударной волны, которые характеризуют её поражающие свойства, являются:

ΔР_ф – избыточное давление во фронте ударной волны, Па;

ΔР_ск – скоростной напор, Па;

τ₊    – продолжительность фазы сжатия, с.

Эти величины параметров во фронте волны определяют характер поражений и связаны друг с другом.

Избыточное давление является основной характеристикой ударной волны и определяет характер поражающего действия на объекты. Величина избыточного давления во фронте ударной волны зависит от мощности взрыва и расстояния от центра взрыва.

 

ΔРф=а1				^3√q	+а2	^3√q^2	+а3	q	кПа, где:	(1.2)
				R		R^2		R^3
	R	–	расстояние от центра взрыва, км;
	q	–	тротиловый эквивалент взрыва, кт.

 

Из формулы (1.2) видно, что с увеличением расстояния от центра взрыва избыточное давление уменьшается.

Важной характеристикой, обусловливающей метательное действие ударной волны для малоразмерных объектов, является скоростной напор ΔР_ск. Величина скоростного напора характеризует давление, которое испытывает единичная площадка, поставленная перпендикулярно направлению потока воздуха, в результате полной остановки движущегося воздуха.

 

ΔРск =	2,5ΔРф	кПа	(1.3)
	ΔРф + 7,2

Максимальное значение скоростного напора в данной точке пространства будет иметь место при прохождении через эту точку фронта ударной волны.

Избыточное давление действует на объект относительно небольшого размера практически одновременно со всех сторон, поэтому он даже при разрушении остаётся на своём месте. Скоростной напор действует на объект лишь со стороны взрыва, так как воздух в зоне сжатия движется только в одном направлении. Поэтому скоростной напор является причиной метательного действия ударной волны. На сравнительно небольших расстояниях от центра взрыва, где величина скоростного напора больше избыточного давления, ударная волна может отбрасывать даже такие тяжёлые объекты военной техники, как танки, орудия и др.

Из уравнения (1.2) можно заметить, что величина ΔР_ф не меняется, если остаётся постоянным отношение ³√q/R. Это означает, что при двух взрывах с различными эквивалентами q₁ и q₂ одно и то же значение давления ΔР_ф будет на расстояниях, которые относятся как

 

R₁/R₂ = ³√q₁/³√q₂.                                                  (1.4)

 

Формула (1.4) является математическим выражением закона подобия для воздушных ядерных взрывов.

Закон подобия даёт возможность определить параметры воздушной ударной волны на различных расстояниях от центра взрыва любой мощности, если эти параметры известны для взрыва какой-либо определённой мощности.

При наземном взрыве фронт ударной волны имеет форму полусферы

(рис.1.12). Ввиду этого концентрация энергии в ударной волне примерно в два раза выше, чем при взрыве в воздухе. Часть энергии, которая при взрыве в воздушном пространстве пошла бы на образование нижней полусферы ударной волны, при наземном взрыве почти целиком отражается от земной поверхности и складывается с энергией, распространяющейся в верхнюю полусферу.

 

 

 

Рис. 1.12. Ударная волна наземного взрыва

Фронт ударной волны, распространяясь в приземном слое воздуха, всё время остаётся перпендикулярным к поверхности земли, т.е. ударная волна как бы скользит по земле.

При воздушном взрыве распространение ударной волны происходит следующим образом (рис.1.13).

 

 

Рис. 1.13. Ударная волна воздушного взрыва

В начале взрыва образуется ударная волна, имеющая сферический фронт. Эта волна называется падающей. Через некоторое время после взрыва фронт падающей волны доходит до поверхности земли и отражается от неё. В зависимости от условий отражения различают ближнюю и дальнюю зоны.

В дальней зоне (R_э > Н) на некоторой высоте от поверхности земли фронты падающей и отражённой волн сливаются между собой, образуя вертикальный фронт головной ударной волны (волны Маха). По мере увеличения расстояния от эпицентра взрыва увеличивается высота фронта головной ударной волны.

Параметры отражённой (головной) ударной волны ΔР_{ф отр} и ΔР_{ск отр} значительно превышает значения их во фронте падающей волны.

В зависимости от вида взрыва формирование ударных волн происходит по разному. Как же это сказывается на поражающем действии?

На рис.1.14 видно, что на небольших расстояниях от центра (эпицентра) взрыва для одной и той же мощности взрыва избыточное давление ΔР_ф наземного взрыва превосходит ΔР_ф воздушного взрыва. С увеличением расстояния ΔР_ф наземного взрыва падает быстрее, чем ΔР_ф воздушного взрыва.

 

 

Рис. 1.14. Изменение избыточного давления с расстоянием при наземном и воздушном взрывах

Следовательно, для объектов большой прочности, выходящих из строя при ΔР_ф > 1кгс/см², радиус зоны разрушающего действия ударной волны будет наибольшим при наземном взрыве. Для малопрочных объектов, выходящих из строя при ΔР_ф < 1кгс/см², наибольший радиус разрушений будет при воздушном взрыве.