ГЛАВА II ВОЗДЕЙСТВИЕ ОРУЖИЯ МАССОВОГО ПОРАЖЕНИЯ ПРОТИВНИКА НА ПРОМЫШЛЕННЫЕ ОБЪЕКТЫ
Для организации и проведения мероприятий по защите объектов и ликвидации последствий применения противником оружия массового поражения необходимы знания поражающего действия ядерного, химического, бактериологического (биологического) оружия и других средств нападения противника.
В зависимости от вида примененного противником оружия массового поражения могут образовываться очаги ядерного, химического, бактериологического (биологического) поражения и зоны радиоактивного, химического и бактериологического (биологического) заражения. Очаги поражения могут возникать и при применении обычных средств поражения противника. При воздействии двух видов и более оружия массового поражения образуется очаг комбинированного поражения. Первичные действия поражающих факторов ОМП и других средств нападения противника могут привести к возникновению взрывов, пожаров, затоплений местности и распространению на ней сильнодействующих ядовитых веществ. При этом образуются вторичные очаги поражения,
§ 6. Воздействие ядерного оружия
Поражающее действие ядерного взрыва определяется механическим воздействием ударной волны, тепловым воздействием светового излучения, радиационным воздействием проникающей радиации и радиоактивного заражения. Для некоторых элементов объектов поражающим фактором является электромагнитное излучение (электромагнитный импульс) ядерного взрыва.
Распределение энергии между поражающими факторами ядерного взрыва зависит от вида взрыва и условий, в которых он происходит. При взрыве в атмосфере примерно 50 % энергии взрыва расходуется на образование ударной волны, 30 — 40% — на световое излучение, до 5 % — на проникающую радиацию и электромагнитный импульс и до 15 % — на радиоактивное заражение.
Для нейтронного взрыва характерны те же поражающие факторы, однако несколько по-иному распределяется энергия взрыва: 8—10%—на образование ударной волны, 5—8% — на световое излучение и около 85 % расходуется на образование нейтронного и гамма-излучений (проникающей радиации).
Действие поражающих факторов ядерного взрыва на людей и элементы объектов происходит не одновременно и различается по длительности воздействия, характеру и масштабам поражения.
Ударная волна — это область резкого сжатия среды, которая в виде сферического слоя распространяется во все стороны от места взрыва со сверхзвуковой скоростью. В зависимости от среды распространения различают ударную волну в воздухе, в воде или грунте (сейсмовзрывные волны).
Ударная волна в воздухе образуется за счет колоссальной энергии, выделяемой в зоне реакции, где исключительно высокая температура, а давление достигает миллиардов атмосфер (до 105 млрд. Па). Раскаленные пары и газы, стремясь расшириться, производят резкий удар по окружающим слоям воздуха, сжимают их до больших давления и плотности и нагревают до высокой температуры. Эти слои воздуха приводят в движение последующие слои. И так сжатие и перемещение воздуха происходит от одного слоя к другому во все стороны от центра взрыва, образуя воздушную ударную волну. Расширение раскаленных газов происходит в сравнительно малых объемах, поэтому их действие на более заметных удалениях от центра ядерного взрыва исчезает и основным носителем действия взрыва становится воздушная ударная волна. Вблизи центра взрыва скорость распространения ударной волны в несколько раз превышает скорость звука в воздухе. С увеличением расстояния от места взрыва скорость распространения волны быстро падает, а ударная волна ослабевает; на больших удалениях ударная волна переходит, по-существу, в обычную акустическую волну и скорость ее распространения приближается к скорости звука в окружающей среде, т. е. к 340 м/с. Воздушная ударная волна при ядерном взрыве средней мощности проходит примерно 1000 м за 1,4 с, 2000 м — за 4 с, 3000 м — за 7 с, 5000 м — за 12 с. Отсюда следует, что человек, увидев вспышку ядерного взрыва, за время до прихода ударной волны, может занять ближайшее укрытие (складку местности, канаву, кювет, простенок и т. п.) и тем самым уменьшить вероятность поражения ударной волной.
Характер изменения давления по времени в какой-либо фиксированной точке пространства (поверхности земли) при прохождении через нее ударной волны показан на рис. 9. Перед фронтом ударной волны давление в воздухе равно атмосферному Ро. С приходом фронта ударной волны в данную точку пространства давление резко (скачком) увеличивается и достигает максимального Рф = Ро + ∆Рф. Также резко в этой точке возрастает плотность, температура и скорость движения среды (воздуха).
После того как фронт ударной волны (ее передняя граница) проходит данную точку пространства, давление в ней постепенно снижается и через некоторый промежуток времени становится равным атмосферному. Образовавшийся слой сжатого воздуха называют фазой сжатия τ+. В этот период времени воздушная ударная волна обладает наибольшим разрушающим действием. С удалением от центра взрыва давление во фронте ударной волны уменьшается, а толщина слоя сжатия все время возрастает. Последнее происходит в результате вовлечения в движение новых масс воздуха.
В дальнейшем, продолжая уменьшаться, давление становится ниже атмосферного и воздух начинает двигаться в направлении, противоположном распространению ударной волны, т. е. к центру взрыва. Эта зона пониженного давления называется фазой разрежения τ_. В фазе разрежения ударная волна производит меньшие разрушения, чем в фазе сжатия, так как максимальное отрицательное давление значительно меньше максимального избыточного давления во фронте ударной волны.
После окончания периода действия фазы разрежения, когда давление достигает значения давления окружающей среды, практически прекращается движение масс воздуха, а следовательно, и разрушающее действие воздушной ударной волны.
Непосредственно за фронтом ударной волны, в области сжатия, движутся массы воздуха. Вследствие торможения этих масс воздуха, при встрече с преградой возникает давление скоростного напора воздушной ударной волны. Когда фронт ударной волны достигает данной точки пространства (преграды), скоростной (ветровой) напор, как и избыточное давление, моментально поднимается от нуля до максимального значения. По мере удаления от фронта скоростной напор уменьшается до нуля несколько позднее, нежели избыточное давление. Это объясняется инерцией движущегося за фронтом ударной волны воздуха. Однако для оценки разрушающего действия воздушной ударной волны ядерного взрыва эта разница несущественна и при расчетах принимают продолжительность воздействия скоростного напора равным времени действия фазы сжатия. В фазе разрежения скоростной напор весьма незначителен и его разрушающее действие, так же как и действие избыточного давления, не учитывают.
Основные параметры ударной волны, характеризующие ее разрушающее и поражающее действие: избыточное давление во фронте ударной волны, давление скоростного напора, продолжительность действия волны — длительность фазы сжатия и скорость фронта ударной волны.
Избыточное давление во фронте ударной волны (∆Рф — это разность между максимальным давлением во фронте ударной волны и нормальным атмосферным давлением Р0перед этим фронтом (см. рис. 9). Единица избыточного давления— паскаль (Па) или килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2):
1 Па = 1Н/м2 = 0,102 кгс/м2 = 1,02.10-5 кгс/см2.
1 кгс/см2 = 98,1 кПа или 1 кгс/см2 ≈ 100 кПа.
Значение избыточного давления в основном зависит от мощности и вида взрыва и расстояния. Влияние других условий (рельефа местности, метеоусловий и др.) может быть учтено путем введения соответствующих поправок в значения величин, определяемых для различных условий взрыва.
Для наземного взрыва, когда энергия взрыва распределяется в полусфере и ударная волна перемещается вдоль поверхности земли, избыточное давление во фронте ударной волны может быть рассчитано по формуле [3]:
Здесь ∆Рф — избыточное давление во фронте ударной волны, кПа; qу.в— тротиловый эквивалент ядерного взрыва по ударной волне, кг, qу.в = 0,5 q, где q — мощность взрыва (тротиловый эквивалент), кг; R — расстояние от центра взрыва, м.
При наземном взрыве на поверхность земли в каждый определенный момент времени действует такое давление, до которого сжат воздух в соответствующей части воздушной ударной волны.
В случае ядерных взрывов на больших высотах исключается влияние отражающего действия земной поверхности на значения параметров воздушной ударной волны. Поэтому при взрыве в однородной безграничной среде значение избыточного давления будет значительно меньше. Это объясняется тем, что в отличие от наземного взрыва энергия распределяется не в полусфере, а в объеме всей сферы.
При расчете избыточного давления во фронте ударной волны следует вместо значений qу.в в формуле (1) подставлять значение в 2 раза меньше.
Характер взаимодействия ударной волны с поверхностью при воздушном взрыве показан на рис. 10. При распространении ударной волны в воздухе, т. е. на расстояниях от центра взрыва R, меньших высоты взрыва Н, избыточное давление может быть определено как для взрыва в однородной безграничной среде. Эта падающая волна П при достижении поверхности земли отражается, образуя отраженную ударную волну О. В районе эпицентра взрыва (в зоне радиусом, не превышающим высоты взрыва, R' < H), в так называемой зоне регулярного отражения, давление отражения зависит от давления воздуха во фронте ударной волны и давления от резкой остановки движущихся за фронтом ударной волны слоев сжатого воздуха, а также направления движения волны.
Если направление распространения ударной волны перпендикулярно бесконечной плоской преграде (например, поверхности земли), то при достижении падающей волной преграды максимальное избыточное давление отражения может быть вычислено по формуле [3, 5]
где ∆Ротр — избыточное давление в отраженной волне; Р0—атмосферное давление, при нормальных условиях Р0= 101,3 кПа.
Из уравнения (2) видно, что избыточное давление в отраженной ударной волне приближается к 8∆Рф— для больших значений избыточного давления падающей волны и стремится к 2∆Рф —для малых значений избыточного давления.
В зоне регулярного отражения не происходит слияние фронтов падающей и отраженной волн. В этом случае на предмет, расположенный на некотором расстоянии от земли, будет воздействовать давление падающей волны, а через некоторый промежуток времени — давление отраженной ударной волны.
На расстояниях от эпицентра взрыва, превышающих его высоту (R' > H), — в зоне нерегулярного отражения падающая волна опережает отраженную. Отраженная ударная волна, распространяясь в воздухе, нагретом и сжатом падающей волной, движется быстрее падающей волны. В результате происходит слияние падающей и отраженной волн и образуется один общий фронт головной ударной волны, перпендикулярной поверхности земли. С возрастанием расстояния от эпицентра взрыва высота фронта головной ударной волны увеличивается. Предметы, находящиеся в области действия головной ударной волны, испытывают от ее действия один удар, а расположенные выше фронта головной волны (например, верхняя часть высотного здания) — испытывают давления в виде двух ударов. Первый удар происходит в результате действия падающей ударной волны, второй удар, через небольшой промежуток времени, — от отраженной волны.
На поверхности земли, в зоне нерегулярного отражения, разрушающее и поражающее действие ударной волны оценивается по избыточному давлению во фронте головной ударной волны (∆Рф), которое значительно выше избыточного давления во фронте падающей волны и зависит не только от мощности и расстояниям эпицентра взрыва, но и от высоты воздушного ядерного взрыва. Оптимальной высотой взрыва считается такая, при которой достигается наибольшая площадь разрушения. Так, разрушение городской застройки происходит при воздействии избыточного давления 20— 30 кПа (0,2—0,3 кгс/см2); при этом наибольшие площади, при которых возможно такое воздействие взрыва мощностью 1 Мт, образуются при взрыве на высоте 2100 м.
Значения избыточных давлений во фронте ударной волны и соответствующие им расстояния для воздушного и наземного ядерного взрыва мощностью 1 Мт приведены в табл. 1 [4].
Из рассмотренного характера распространения волны видно, что радиус поражения ударной волной наземного ядерного взрыва на сравнительно небольших расстояниях больше, чем радиус поражения ударной волной воздушного взрыва одинаковой мощности. На более удаленных расстояниях, наоборот, — радиус поражения ударной волной воздушного взрыва больше, так как сказывается влияние совместного воздействия падающей и отраженной ударных волн — головной воздушной ударной волны. Например, избыточное давление во фронте воздушной ударной волны, равное 80 кПа, при взрыве ядерного боеприпаса мощностью 1 Мт будет наблюдаться при наземном взрыве на растоянии 3100 м, при воздушном — 2600 м; избыточное давление 10 кПа — на расстояниях 11000 и 14 000 м соответственно.
Степень разрушения конструкций определяется не только воздействием давления фронта волны, но и торможением движения масс воздуха, следующих за фронтом волны. Динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха, называется давлением скоростного напора. Единица давления скоростного напора, как и избыточного давления, паскаль (Па) или килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2).
Скоростной напор воздуха находится в прямой зависимости от скорости и плотности воздуха за фронтом ударной волны и равен:
где Рск—скоростной напор воздуха, Па; υ — скорость частиц воздуха непосредственно за фронтом ударной волны, м/с; ρ — плотность воздуха за фронтом ударной волны, кг/м3. Скорость и плотность частиц воздуха зависят от избыточного давления ударной волны и окружающей среды.
Таблица 1
Избыточное давление
|
Расстояние, км,
от взрыва
|
Избыточное давление
|
Расстояние, км, от взрыва
|
кПа
|
Кгс/см2
|
Воздуш-ный
|
Назем-ный
|
кПа
|
Кгс/см2
|
Воздуш-ный
|
Назем-ный
|
1
|
0,01
|
40,0
|
31,0
|
35
|
0,35
|
4,6
|
4,8
|
5
|
0,05
|
22,0
|
20,0
|
40
|
0,4
|
4,3
|
4,5
|
6
|
0,06
|
20,0
|
17,2
|
45
|
0,45
|
3,9
|
4,3
|
8
|
0,08
|
17,0
|
13,8
|
50
|
0,5
|
3,6
|
4,0
|
10
|
0,1
|
14,0
|
11,1
|
55
|
0,55
|
3,4
|
3,8
|
12
|
0,12
|
12,3
|
9,8
|
60
|
0,6
|
3,2
|
3,6
|
15
|
0,15
|
10,0
|
8,5
|
65
|
0,65
|
3,1
|
3,5
|
20
|
0,2
|
7,5
|
7,0
|
70
|
0,7
|
2,9
|
3,3
|
25
|
0,25
|
6,4
|
6,0
|
80
|
0,8
|
2,6
|
3,1
|
30
|
0,3
|
5,3
|
5,4
|
100
|
1,0
|
2,2
|
2,9
|
Для средних температур воздуха [5]
Здесь С0 — скорость распространения звуковых волн, в воздухе при нормальных условиях С0=340 м/с, в воде С0= 1500 м/с; ρ — плотность воздуха, перед фронтом ударной волны при нормальных условиях ρ 0== 1,29 кг/м3 = 0,125 кгс-с2/м4. Правая часть равенства (3) получается путем проведения преобразований после подставления значений v и р из уравнения (4).
Зная избыточное давление во фронте ударной волны, можно рассчитать скоростной напор, давление во фронте отраженной волны, скорость и плотность частиц воздуха за фронтом ударной волны ядерного взрыва.
Избыточное давление во фронте ударной волны для эталонной мощности ядерного взрыва и заданного расстояния от центра (эпицентра) взрыва определяют, как правило, с помощью таблиц и графиков (табл. 1). Для вычисления параметров ударной волны другой мощности взрыва используют закон подобия. Пример расчета приведен в приложении 3. .
Закон подобия взрывов теоретически вытекает из закона геометрического подобия, так как расстояние от центра взрыва, на котором образуется данное давление, пропорционально кубическому корню из мощности взрыва
(объема одного и того же взрывчатого вещества):
где R1 и R2—расстояния от центра (эпицентра) взрывов с тротиловыми эквивалентами q1 и q2 соответственно. Если в качестве эталонного взрыва взять взрыв мощностью в 1 Мт (табл. 1), при котором q1 равняется 1, то из уравнения (5) следует
где R1 — расстояние от центра взрыва мощностью в 1 Мт.
Следовательно, для заданного расстояния R2 можно вычислить мощность взрыва q2, необходимую для того, чтобы образовалось определенное избыточное давление. Или, наоборот, для известной мощности взрыва q2 из уравнения (6) можно вычислить соответствующее расстояние.
Приведенные соотношения также справедливы для давления в отраженной ударной волне и скоростного напора. |
