поражающее действие ударной воздушной волны характеризуется параметрами
Характеристика воздушной ударной волны как поражающего фактора ядерного взрыва
Поражающие факторы ядерного взрыва
При ядерном взрыве действуют пять поражающих факторов:
• радиоактивное заражение местности,
Ударная волна ядерного взрыва — один из основных поражающих факторов. В зависимости от того, в какой среде возникает и распространяется ударная волна — в воздухе, воде или грунте, ее называют соответственно воздушной волной, ударной волной (в воде) и сейсмовзрывной волной (в грунте). На взрывную волну расходуется до 50% энергии ядерного взрыва.
Рис. 2. Изменение давления при прохождении воздушной ударной волны через точку пространства
Воздушной ударной волной называется область резкого сжатия воздуха, распространяющаяся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Обладая большим запасом энергии, ударная волна ядерного взрыва способна наносить поражения людям, разрушать различные сооружения, боевую технику и другие объекты на значительных расстояниях от места взрыва.
Характер изменения давления в точке пространства при прохождении через нее воздушной ударной волны показан на рис. 2. Как только ударная волна спустя некоторое время Ө после взрыва достигает определенной точки пространства (расстояние R), мгновенно в этой точке повышаются давление и температура, воздух начинает распространяться в направлении ударной волны. С течением времени давление снижается и через время τ+ после момента подхода фронта волны становится равным атмосферному.
Дальнейшее уменьшение давления приводит к разрежению. В это время воздух начинает двигаться в сторону взрыва. Как только действие пониженного давления закончится, прекратится и движение воздуха.
На рис. 2 показаны также основные параметры, определяющие механическое действие ударной волны на объект.
1. Максимальное избыточное давление воздуха непосредственно за фронтом ударной волны ΔРф. Это основная характеристика воздушной ударной волны, поскольку определяет скачок давления, который происходит практически мгновенно при подходе волны к месту регистрации давления.
2. Время действия избыточного давления τ+. Время действия ударной волны в фазе разрежения обычно не учитывается ввиду его второстепенного значения.
Кроме указанных параметров воздушная ударная волна характеризуется скоростью распространения фронта UΔ, скоростью воздуха во фронте ударной волны UФ, температурой воздуха во фронте Tф, скоростным напором ΔРск.
Различные разрушения, вызываемые действием воздушной ударной волны, определяются в основном величиной ΔРф.
Изменение избыточного давления воздушной ударной волны ΔРф в зависимости от расстояния R и мощности взрыва q подчиняется закону подобия, согласно которому расстояние от места взрыва до точки с заданными параметрами во фронте воздушной ударной волны пропорционально корню кубическому из тротилового эквивалента, т. е. если R1 — расстояние от центра ядерного взрыва мощностью q1 то при взрыве мощностью q2 одинаковые величины избыточного давления ΔРф, а также всех остальных параметров будут иметь место на расстоянии R 2, определяемом из выражения:
(1)
По данной формуле (1) с использованием данных табл. 2.1 можно определить ориентировочные значения радиусов зон поражения для различных мощностей взрыва.
Под действием ударной волны происходит разрушение зданий, сооружений, транспортных магистралей. Так как во фронте ударной волны температура воздуха может достигать высоких величин (при избыточном давлении равна 100 кПа — до 350 о С), то возможно возникновение пожаров.
Незащищенные люди получают закрытые и открытые повреждения. Причиной открытых повреждений являются чаще всего вторичные факторы действия ударной волны — летящие обломки зданий, сооружений и т.п. Продолжительность действия ударной волны около 15 сек.
Поражающее воздействие ударной волны характеризуется избыточными давлениями в ее фронте, выраженными в килограммах на квадратный сантиметр (кГ/см 2 ).
Травмы от действия ударной волны делятся на легкие, средние, тяжелые и крайне тяжелые.
При воздействии ударной волны с избыточным давлением свыше 1 кГ/см 2 незащищенный человек получает тяжелые поражения. От воздействия ударной волны человека надежно могут защитить убежища и укрытия, построенные с учетом противоядерной защиты.
Степень поражения и разрушения от ударной волны зависит от мощности боеприпаса, вида и расстояния от центра (эпицентра) взрыва, положения людей, зданий, техники во время воздействия ударной волны, рельефа местности и т. д.
Ударная волна в воздухе
Воздушная ударная волна представляет собой область резкого сжатия воздуха, распространяющуюся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Источником возникновения воздушной ударной волны является высокое давление в центре взрыва, достигающее миллиардов атмосфер. Продукты взрыва стремятся расшириться и сжимают окружающие их слои воздуха. Эта уплотненная масса воздуха в свою очередь расширяется и передает давление соседним слоям. Так давление быстро передается от слоя к слою, образуя ударную волну в воздухе.
Передняя граница сжатого слоя воздуха, характеризующаяся резким увеличением давления, называется фронтомударной волны. Фронт ударной волны, быстро удаляясь от огненного шара, напоминает движущуюся стену сильно сжатого воздуха. Толщина слоя сжатого воздуха все время нарастает за счет вовлечения новых масс воздуха по мере увеличения радиуса действия ударной волны.
Наряду с быстрым движением фронта ударной волны происходит также перемещение частиц воздуха в сжатом слое в направлении pacпространения ударной волны. Воздух движется за фронтом ударной волны со сверхзвуковой скорости и представляет собой ураган огромной силы.
Направление и скорость движения воздуха за фронтом ударной волны изменяются. Когда фронт доходит до какой-либо точки на поверхности земли, в этой точке мгновенно скачком повышаются избыточное давление и температура и воздух начинает перемещаться в сторону движения ударной волны. В дальнейшем, по мере продвижения ударной волны, давление падает ниже атмосферного и воздух движется в обратную сторону. Следовательно, за зоной сжатия следует зона разрежения (рис. 3). Кроме изменения давления, изменяется также
Рис 3. Изменение давления по времени в какой-либо точке на поверхности земли при прохождении через нее ударной волны
температура. В зоне сжатия температура повышается, а в зоне разрежения—снижается. Однако изменение температуры и разрежение воздуха не имеют такого значения, как избыточное давление.
Характер действия ударной волны зависит от вида взрыва.
При воздушном ядерном взрыве образуется сферическая ударная волна, которая в ближней зоне, т. е. на расстоянии, меньшем высоты взрыва (R
В дальней зоне, т. е. на расстоянии, большем высоты взрыва (R>H), отраженная волна распространяется в воздухе, нагретом и сжатом при прохождении падающей волны. Поэтому скорость отраженной волны больше скорости волны падающей. В результате происходит сложение падающей и отраженной волн и образуется головнаяволна, давление в которой в 4—5 раз больше давления во фронте свободно распространяющейся сферической
Рис. 4 Распространение ударной волны при воздушном взрыве:
1—падающая волна 2—отраженная волна 3—головная волна
волны. Головная волна распространяется вдоль поверхности земли (см. рис. 4).
Область, где наблюдается образование и распространение головной ударной волны, называется дальней зоной, или зоной нерегулярного отражения.
Таким образом, поражающее действие ударной волны воздушного ядерного взрыва в ближней зоне определяется давлением отраженной волны, а в дальней зоне— давлением головной ударной волны.
При наземном ядерном взрыве ударная волна, имеющая форму непрерывно увеличивающегося полушария, распространяется параллельно поверхности земли (рис. 5) и не имеет столь сложной картины, как при воздушном взрыве.
Рис 5 Распространение ударной волны при наземном взрыве
Если провести границу на определенном расстоянии от центра наземного взрыва, то избыточное давление во фронте ударной волны на этом расстоянии будет таким же, как и при воздушном взрыве равной мощности. Ближе к центру наземного взрыва от этой границы избыточное давление будет большим, чем на том же расстоянии при воздушном взрыве. Дальше от этой границы избыточное давление при наземном взрыве будет меньшим, чем при воздушном взрыве такой же мощности.
Таким образом, радиус поражения ударной волной наземного ядерного взрыва примерно на 20% меньше радиуса поражения при воздушном взрыве одинаковой мощности.
Основными параметрами, определяющими поражающее действие ударной волны, являются избыточное давление, скоростной напор воздуха и время действия избыточного давления (время действия фазы сжатия).
Поражающее действие ударной волны определяется главным образом избыточным давлением.
Избыточное давление (Арф)—это разность между атмосферным давлением перед фронтом волны и максимальным давлением во фронте ударной волны. Оно измеряется в кГ/см 2 или в н/м 2 (1 кн/м 2 =0,01 кГ/см 2 ).
Продолжительность действия избыточного давления (τ+) (время действия фазы сжатия) измеряется секундами. Чем продолжительнее действует ударная волна, тем сильнее ее поражающее действие. С увеличением мощности взрыва время действия фазы сжатия увеличивается.
Косвенным поражением называется поражение, наносимое человеку обломками зданий, деревьев и другими предметами, которые под действием скоростного напора воздуха начинают перемещаться.
При действии ударной волны у людей возникают переломы, повреждения внутренних органов, контузии, т. е. травмы различной тяжести, которые подразделяют на:
— легкие, возникающие при избыточном давлении 0,2— 0,4 кГ/см 2 и характеризующиеся ушибами, вывихами, временными повреждениями слуха, общей контузией;
— средние, появляющиеся при избыточном давлении 0,4—0,6. кГ/см 2 и характеризующиеся серьезными контузиями всего организма, повреждениями органов слуха, кровотечениями из носа и ушей, а также сильными вывихами конечностей;
— тяжелые, возникающие при избыточном давлении 0,6— 1,0 кГ/м 2 и характеризующиеся сильными контузиями всего организма, тяжелыми переломами конечностей и сильными кровотечениями из носа и ушей;
Радиусы поражения ударной волной ядерного взрыва и виды травм зависят от мощности взрыва.
При защите от ударной волны учитывают как непосредственные действия ударной волны, так и ее косвенные воздействия.
Для защиты от ударной волны необходимы подземные сооружения — убежища, рассчитанные на сопротивление воздействию ударной волны. При отсутствии убежищ используются построенные укрытия, а также подземные выработки, шахты, естественные укрытия и рельеф местности.
Защитные свойства местности зависят от размеров и характеристики расположения относительно взрыва элементов рельефа.
На скатах высот, обратных по отношению к центру взрыва, давление ударной волны уменьшается, а поэтому уменьшается и ее поражающее действие.
В среднем можно считать, что на обратных скатах высот, имеющих крутизну до 30°, давление ударной волны снижается на 5—15%, а при крутизне более 30°—на 15—30%,
Защитные свойства канав, промоин, оврагов и лощин зависят от их расположения относительно распространения ударной волны, глубины и ширины. Канавы, промоины, овраги и лощины, вытянутые в направлении распространения ударной волны, усиливают ее поражающее действие. Если же такие формы рельефа расположены перпендикулярно направлению распространения ударной волны, то они значительно ослабляют ее поражающее действие. В этом случае на дне углубления давление может быть в 2—3 раза меньше, чем во фронте проходящей волны. Степень снижения давления тем выше, чем больше глубина и меньше ширина углубления.
Лучшую защиту обеспечивают крупные формы рельефа: возвышенности, лощины и овраги больших размеров. Однако и небольшие местные предметы, такие, как курганы, ямы, воронки, способны ослабить действия ударной
2. Воздействие воздушной ударной волны на здания и сооружения связано с величинами избыточного давления и скоростного напора воздуха, движущегося за фронтом ударной волны. Избыточное давление ударной волны и скоростной напор воздуха, воздействуя на сооружения, вызывают их разрушения.
Давление отражения можно рассчитать по формуле
где Δp отр—давление отражения;
Δрфо —избыточное давление во фронте ударной волны,
Рис. 6 Действие ударной волны на здани
|
По мере обтекания здания ударной волной давление отражения на переднюю его стену ослабляется.
Значения избыточного давления и скоростного напора воздуха при разрушении сооружений ударной волной могут быть различны в зависимости от конструкции сооружения, размеров и положения относительно направления распространения ударной волны.
Рис. 7. Обтекание ударной волной вертикальной преграды: а) фронт достиг преграды и действует полное давление отражения; б) фронт проходит преграду и частично-действует давление отражения; в) заканчивается действие давления отражения, но за преградой ударная волна отражается от поверхности земли. |
Большие здания, имеющие значительную площадь стен, разрушаются главным образом под действием первоначального кратковременного удара, возникшего в результате отражения ударной волны. Это происходит потому, что для обтекания ударной волны требуется некоторое время, а это вызывает сравнительно длительное действие давления отражения ударной волны.
Из наземных зданий и сооружений наиболее устойчивы монолитные железобетонные сооружения, здания с металлическим каркасом и сооружения антисейсмической конструкции, которые разрушаются полностью при избыточном давлении ударной волны, равном 0,5—0,8 кГ/см 2
Рис. 8. Обтекание ударной волной преграды (вид в плане):
а) фронт достиг преграды, создается давление отражения и начинается обтекание; б) фронт прошел преграду и два потока движутся к тыльной стороне; в) фронт движется далее, за преградой образуется зона повышенного давления вследствие соударения двух потоков.
На разрушения зданий и сооружений влияет наличие в стенах проемов (окон, дверей), так как ударная волна, легко разрушая их, быстро проникает внутрь здания, а давление отражения ослабляется за счет действия избыточного давления изнутри.
Особенностью действия ударной волны является ее способность затекать внутрь убежищ, укрытий и других сооружений через отдушины, воздухозаборные трубы и производить там разрушения и поражать людей. При проникании ударной волны внутрь сооружения там быстро повышается давление, которое может стать причиной гибели людей. Во избежание этого в убежищах и укрытиях все отверстия заделываются, а воздухозаборные каналы снабжаются волногасительными устройствами.
Ударная волна быстро обтекает высокие сооружения с малой площадью (телеграфные столбы, заводские трубы, буровые вышки и другие сооружения) и поэтому они менее чувствительны к давлению отражения. Для этих сооружений разрушающее действие ударной волны определяется действием скоростного напора воздуха. Такие сооружения, рассчитанные на действие ветровой нагрузки, разрушаются под действием скоростного напора воздуха.
Нефтяные металлические вышки более устойчивы, чем промышленные здания. Они теряют устойчивость и опрокидываются при несколько большем давлении, разрушающем промышленные здания. Наиболее слабыми элементами вышек являются анкерные крепления на опорах, узловые соединения и тяжи.
Городские железобетонные и металлические мосты обладают значительной устойчивостью, так как, имея небольшую площадь, менее подвержены действию скоростного напора воздуха.
Здания теплоцентралей разрушаются при тех же значениях давлений ударной волны, как и многоэтажные кирпичные здания.
Доменные печи выходят из строя при давлении ударной волны, несколько большем, чем давление полного разрушения промышленных зданий. У доменных печей в первую очередь разрушаются воздуховоды, обстройка и загрузочная эстакада.
Сооружения, заглубленные в землю, меньше подвержены воздействию ударной волны, так как при своем движении ударная волна не встречает препятствий и не происходит увеличения давления при отражении ударной волны.
Подземные сети коммунального хозяйства города достаточно устойчивы к воздействию ударной волны. В первую очередь разрушаются вместе со зданиями домовые сети, а также повреждаются колодцы.
Убежища и укрытия, заглубленные в землю, могут выдерживать значительно большие давления ударной волны.
Здания и сооружения в зависимости от нагрузок, создаваемых ударной волной, могут получать разрушения различной степени.
А. Каменные, железобетонные и деревянные каркасные и бескаркасные жилые, административные и промышленные здания:
1. Полное разрушение характеризуется разрушением и обрушением всех или большей части стен, сильной деформацией или обрушением перекрытий. Из обломков образуется завал в пределах контура здания и вокруг него. Восстановление разрушенных зданий невозможно.
2. Сильное разрушение характеризуется разрушением части стен и перекрытий нижних этажей и подвалов, в результате чего повторное использование помещений невозможно или нецелесообразно.
3. Среднее разрушение характеризуется разрушением главным образом встроенных элементов: внутренних перегородок, дверей, окон и крыши; появлением трещин в стенах и обрушением чердачных перекрытий и отдельных участков верхних этажей. Подвалы сохраняются и пригодны для временного использования после разборки завалов над входами. Вокруг здания завалы не образуются, но отдельные обломки конструкций могут быть отброшены на значительные расстояния. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта.
4. Слабое разрушение характеризуется разрушением оконных и дверных заполнений и легких перегородок, появлением трещин в стенах верхних этажей. Подвалы и нижние этажи сохраняются и пригодны для временного использования. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта.
Б. Убежища и укрытия капитальных конструкций:
1. Полное разрушение характеризуется разрушением основных защитных конструкций, входов, защитных дверей и внутреннего оборудования. Восстановление и повторное использование совершенно невозможно.
2. Сильное разрушение характеризуется частичным разрушением основных защитных конструкций, входов, дверей и защитного оборудования. Восстановление и повторное использование невозможно.
3. Среднее разрушение характеризуется разрушением входов, смещением и деформацией основных конструктивных элементов. Повторное использование сооружения возможно после ремонта.
4. Слабое разрушение характеризуется частичным разрушением или завалом входов и повреждением несущих и ограждающих конструкций. Сооружение пригодно к повторному использованию после расчистки входов.
В. Противорадиационные укрытия, возводимые при угрозе нападения:
1. Полное разрушение характеризуется обрушением крутостей, завалом помещений грунтом и элементами перекрытия. Восстановление и дальнейшее использование сооружений невозможно.
2. Сильное разрушение характеризуется значительным обрушением крутостей и частичным завалом помещения. Повторное использование невозможно.
3. Среднее разрушение характеризуется частичным обрушением крутостей, разрушением входов, дверей и дверных коробок. Повторное использование сооружения возможно после ремонта.
4. Слабое разрушение характеризуется частичным разрушением входов и примыкающих к ним частей сооружения, незначительным смещением и деформацией покрытия. Сооружение пригодно к повторному использованию.
Г. Инженерные сети, линии электропередач и связи:
1. Полное разрушение характеризуется разрывом кабелей, разрушением трубопроводов, опор воздушных линий электропередач и связи на значительном участке.
2. Сильное разрушение характеризуется разрывом кабелей, частичным разрушением трубопроводов, опор воздушных линий передач и связи на отдельных участках.
3. Среднее разрушение характеризуется отдельными разрывами и деформацией кабелей и трубопроводов, деформацией и разрушением отдельных опор воздушных линий электропередач и связи.
4. Слабое разрушение характеризуется незначительной деформацией отдельных элементов сетей и линий.
Значения избыточного давления, вызывающие разрушения различной степени зданий и сооружений, приведены в табл. 1.
Объем разрушений в городе зависит от характера строений и их этажности, плотности застройки, так как в условиях городской застройки одни здания могут экранироваться другими, т. е. стоящие ближе к центру взрыва здания могут воспринимать на себя нагрузку от ударной волны и снижать ее действие на здания, находящиеся за ними. Однако эффект экранирования заметен только при плотности застройки 50%. В этом случае избыточное давление ударной волны на здания может быть на 20—40% меньше, чем на здания, стоящие на открытой местности на таком же расстоянии от центра взрыва.
При плотности же застройки менее 30% экранирующее действие зданий незначительно и не имеет практического значения.
Расстояния, на которых возможны избыточные давления во фронте ударной волны, приведены в табл. 4.
ПРИМЕЧАНИЕ. В числителе приведены расстояния для воздушного взрыва, в знаменателе — для наземного.
Воздушная ударная волна (ВУВ)
Основными параметрами ударной волны, характеризующими разрушающее и поражающее действие, являются избыточное давление во фронте ударной волны, давление скоростного напора, продолжительность действия волны – длительность фазы сжатия и скорость фронта ударной волны.
Таблица 1.3 – Избыточные давления ВУВ при различных мощностях ядерного заряда и
расстояниях от центра взрыва (для наземного взрыва)
q, кт
Избыточное давление Pф, кПа
Расстояние до центра (эпицентра), км
Таблица 1.4 – Характер и степени поражения людей в зависимости от величины избыточного
Давления фронта ВУВ
Степень поражения | Характер поражения | Рф, кПа |
1 | Лёгкие (ушибы, вывихи, общая контузия) | 20–40 |
2 | Средней тяжести травмы (травмы головы с потерей сознания, переломы и вывихи конечностей, потеря слуха) | 40–60 |
3 | Тяжелые (переломы, сильные кровотечения) | 60–100 |
4 | Крайне тяжёлые (крайне тяжелые травмы) | Более 100 |
Люди, находящиеся около и внутри сооружений, могут получить поражения различными разрушающимися деталями сооружений и при более низких избыточных давлениях ВУВ. Так, оконные стекла разрушаются при 3–5 кПа. Однако зоной поражения ВУВ условно считают пространство, в пределах которого Рф > 10 кПа.
Таблица 1.5 – Степени разрушения элементов объектов при различных избыточных
давлениях ВУВ(в кПа)
Элементы объектов
Степень разрушения:
Производственные, административные и жилые здания
Коммунально-энергетические сооружения и сети
Степень разрушения:
Средства транспорта, мосты, стройтехника, плотины, аэродромы, дороги
Степень разрушения:
Средства связи
Защитные сооружения
Световое излучение
Световое излучение (СИ) ядерного взрыва представляет собой электромагнитное излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Основным параметром, характеризующим поражающее действие светового излучения, является световой импульс – количество световой энергии, падающей на 1 м 2 освещаемой поверхности, перпендикулярной к направлению излучения, за время свечения области взрыва. В системе СИ световой импульс измеряется килоджоулях на квадратный метр (в кДж/м 2 ).