книги из ГПНТБ / Подводные и подземные взрывы сб. ст

в сухом базальте (7 = 0,057); 3—камуфлетный подземный взрыв I Мт на глубине 7000 футов в спекшемся туфе (7'=0,021).

&—порог выбивания стекол.

в сухих скальных породах на оптимальных для воронки глубинах получается небольшой импульс давления от выхода газов, а импульс GSI получается больше.

Волны от камуфлетных взрывов в аллювии сильнее затухают по сравнению с более сильными волнами, по­ лучаемыми при взрывах в скальной породе. Взрывы в солевых образованиях дают самую большую воздуш­ ную волну.

50

20

10

5

Z

1

Для получения результирующей зависимости давле­ ния от расстояния в разных применениях взрыва сле­ дует избыточное давление на рис. 1 умножить на соот­ ветствующий коэффициент передачи, взятый из рис. 4. Несколько примеров показано на рис. 5. Эти «стандарт­ ные» значения давления при взрывах в полупростран­ стве должны быть умножены на соответствующий коэф­ фициент фокусировки для конкретных условий атмо­ сферной рефракции.

При одновременном взрыве нескольких зарядов ударные волны складываются почти по акустическим законам, и избыточное давление получается больше, чем было бы от одного взрыва суммарной энергии. Этот

ВОЗДУШНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВАХ 403

эффект можно ослабить путем подрыва через некоторый интервал времени, однако при этом выброс уменьшится настолько, что такой способ становится невыгодным или нежелательным. Недавно были получены данные по одно­ временным рядным взрывам для образования тран­ шей. Ударная волна с максимальной амплитудой рас­ пространилась перпендикулярно рядам, минимальная излучалась с кондов рядов. Коэффициент усиления для этих двух направлений при взрывах разных чисел заря­ дов показан на рис. 6, а данные для промежуточных направлений могут быть получены интерполяцией. Осо­ бенности рядного взрывания все еще не очень хорошо понятны, так что по этой проблеме продолжаются испы­ тания и исследования. Суммарная ошибка от ошибок в определении коэффициента передачи, рядного эффек­ та и изменчивости атмосферных условий может изме­ нить результат в 3—4 раза.

5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ В АТМОСФЕРЕ

Рефракция ударных волн в атмосфере вызывает не­ монотонное распределение давления на больших рас­ стояниях. Простой пример показан на рис. 7. В реаль­ ной атмосфере температура изменяется с высотой, как это отражено на левой кривой, так что скорость звука на разных высотах разная. Изменения скорости ветра с высотой совместно с температурными вариациями ско­ рости звука определяют итоговую скорость распростра­ нения волн, которая изменяется с высотой так, как это показано пунктирной кривой. Плоская вертикальная волна, показанная справа, в такой атмосфере распро­ странялась бы на разных высотах с разными скоростя­ ми и все больше искривлялась бы с течением времени. Звуковые лучи, перпендикулярные волновому фронту, загибаются вверх от земли в слоях, в которых скорость распространения волн уменьшается с высотой. В слоях, где эта скорость возрастает с высотой, звуковые лучи пригибаются к земле.

Аналогичные искривления лучей от точечного источ­ ника или от взрыва показаны на рис. 8. Для взрывов наиболее важная особенность зависимости скорости

распространения от высоты состоит в том, что сначала эта скорость падает, а затем возрастает с высотой. Лучи, выходящие от места взрыва под разными углами

800 з о о т о т о т о

Рис. 7. Искривление фронта ударной волны из-за наличия гради­ ентов температуры и распределения ветра.

По оси абсцисс: слева —скорость, фут/с; справа — расстояние; по оси ординат: высота.

1— температурная зависимость скорости звука; 2—скорость ветра; 3 — суммар­ ная скорость звука; 4—положения волнового фронта; 5—звуковые лучи.

вверх, поворачиваются из-за градиента скоростей и воз­ вращаются на некотором расстоянии на землю уже вместе. Относительное усиление ударной волны можно предсказать по плотности возвращающихся лучей. Фо­ кусировка ударной волны в таких звуковых кольцевых зонах может быть разной интенсивности. Зависимость скорости распространения волн от высоты обычно та­

ВОЗДУШНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВАХ 405

кая, что на больших расстояниях получаются очень сильные сгущения лучей, называемые каустиками.

В атмосфере имеются три области, которые могут привести к распространению сильных звуковых или ударных волн. Нижний приземный инверсионный слой, показанный на рис. 9, обычно не вызывает существен­ ной фокусировки. Однако энергия волны в нем убывает

Высота

Р и с. 8. Типичная конфигурация лучей при взрывах.

скорее по цилиндрическому, а не по сферическому за­ кону, а это вызывает необычное высокое давление в ударных волнах. Поверхностный звуковой канал может быть вызван приземной температурной инверсией, при которой температура возрастает с высотой в узком (редко толще 1000 футов) слое. Инверсии образуются ночью, когда земля охлаждается из-за излучения, а за­ тем земля в свою очередь охлаждает прилегающие слои воздуха благодаря теплопроводности.

Если температура падает с высотой, что является нормальным в дневное время, когда земля нагревается солнцем, инверсию суммарной скорости распростране­ ния волн может вызвать изменение с высотой направ­ ления или скорости ветра. И в том, и в другом случаях отраженные звуковые лучи возвращаются на землю в первый раз на расстояниях меньше 2 миль. Эти зву­ ковые лучи почти полностью отражаются от земли (по

крайней мере для частот и длин воли большинства взрывов), и отражения повторяются много раз, как по­ казано на рисунке. Даже малые потери при отражении от земли становятся существенными после многократ­ ных повторений, так что этот атмосферный волновод

Рис. 9. Поверхностный инверсионный звуковой канал.

По оси абсцисс слева направо: скорость звука, скорость распространения волны, фут/с; расстояние, миля; по оси ординат: высота, фут.

I — температурная инверсия; 2—скорость звука; 3 — скорость распространения волн; 4—скорость ветра.

нужно принимать во внимание при предсказаниях ударных волн на несколько десятков миль. В Неваде этот невысокий звуковой канал обычно блокируется горами на расстоянии меньше 20 миль.

Метеорологические условия, показанные на рис. 10, вызвали обширные разрушения ударной волной на не­ обычно больших расстояниях. Струйные ветровые по­ токи, которые обычно дуют с западного направления, могут достигать скорости 250 узлов. Очень низкие тем­

стями ветра. В результате в направлении ветра на вы­ сотах около тропопаузы суммарные скорости распростра­ нения волн больше, чем на уровне земли.

ВОЗДУШНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВАХ 407

Тропопаузой называется высота, где температура пре­ кращает уменьшаться. Звуковые лучи с возможными сильными фокусировками могут падать на землю по вет­ ру на расстоянии от 30 до 100 миль в зависимости от вы­ соты и мощности каналов струйных ветровых потоков.

Рис. 10. Звуковой канал, образованный струйным течением.

По оси абсцисс слева направо: скорость, фут/с, расстояние, миля; по оси орди­ нат: высота, фут.

1— скорость распространения волны; 2 — скорость попутного ветрового потока; 3 —скорость звука; 4 — место возможной фокусировки..

На больших высотах, как показано на рис. 11, в озо* носфере имеется теплый слой, середина которого распо* ложена на высоте около 150 000 футов. Здесь темпера* туры и скорости звука почти такие же большие, как на уровне земли. На этих больших высотах дуют сильные почти постоянные ветры со скоростью до 150 узлов. На­ правление их зависит от сезона, а именно зимой ветер дует с запада, а летом — с востока. Это создает в на­ правлении ветра звуковой канал, в котором лучи воз* вращаются на землю на расстоянии от 70 до 150 миль.

Против ветра ударные волны из-за рефракции под* нимаются над землей. В зону тени проникают только слабые дифрагированные, или рассеянные, волны, тогда

как более сильные ударные волны проходят далеко по­ верху. Эти дифрагированные волны обладают иногда измеримой, но обычно незначительной интенсивностью — около 2% амплитуды давления в направлении ветра.

Еще выше, в ионосфере на высотах больше 300 000 футов, из-за очень высоких температур также обра­ зуется отражающий слой. Волны, отраженные от него,

Рис. II. Влияние ветра в озоиосфере на звуковой канал.

волна, рефрагированная к земле.

приходят на землю на расстояниях больше 100 миль. Этот слой обычно отражает волны в направлениях, про­ тивоположных направлению ветра в озоносфере. На та­ ких больших высотах низкая плотность воздуха приво­ дит к поглощению большей части энергии ударной волны, так что сообщений о повреждении строений волнами, распространяющимися этим путем, не было. Однако наблюдались отрывистые хлопки, треск высокой частоты, когда волны от больших взрывов, отраженные от ионосферы, достигали земли.

На больших расстояниях волны падают на землю под углом вплоть до 30°; при почти идеальном отраже­ нии их амплитуды удваиваются. По этой причине микро­ барографы записывают удвоенную величину по сравне­

ВОЗДУШНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВАХ 409

нию с вычисленной для падающей волны в свободной атмосфере, приведенной на рис. 2. Удвоение иногда включают в выражение для эффективного фактора фо­ кусировки, хотя схождение лучей из-за преломления в атмосфере дает только половину наблюдаемого эф’ фекта фокусировки.

Усиление ударной волны благодаря атмосферным волноводам и фокусировкам описывается коэффициентом фокусировки F, равным отношению наблюдаемой или вычисленной амплитуды избыточного давления Ад для реальной атмосферы к величине Ддо, которая получи­ лась бы при распространении взрывной волны от стан­ дартного взрыва в однородной спокойной среде:

F = Дд/Адо-

При распространении в приземном инверсионном слое коэффициент фокусировки F может быть равным 2 или 3, как это показали записи на расстоянии от 10 до 20 миль от ядерных взрывов в Неваде. Гористая мест­ ность в Неваде мешает распространению в приземном слое, поэтому нет данных наблюдений по распростране­ нию в этом звуковом канале на большие расстояния. Даже на расстоянии 10 миль атмосферные инверсии мо­ гут вызвать такое усиление взрывных волн, которое со­ ответствовало бы взрыву в десять раз больше взорван­ ного заряда. В сущности здесь взрывная волна очень близка к цилиндрической, а не к сферической волне.

Звуковой канал, образованный струйным течением, может вызвать более значительное усиление ударной волны. Эксперименты показывают, что в пределах 10 миль от ожидаемой каустики среднее усиление равно 1,6. Наблюдалось усиление F = 4,2, а статистическая эк­ страполяция показывает, что при некоторых взрывах ударные воздействия на некоторые дома и сооружения соответствуют усилению в 7,5 раза. Этот волновод обычно расположен в восточном направлении, так как струйные ветровые потоки обычно имеют большие за­ падные составляющие. Явления наблюдаются в средних широтах с ранней весны до поздней осени.

При распространении в озоносфере наблюдения обычно показывают усиление в 1,5 раза. Наибольшая

на расстоянии 135 миль от взрыва 15 т ВВ.

Неточность в определении состояния атмосферы иа таких больших расстояниях приводит к значительным ошибкам предсказываемых величин. Свойство нашей атмосферы изменяться в течение нескольких минут удваивает трудности. Ошибка в определении предска­ зываемых величин равна по крайней мере двум, иногда больше, иногда меньше. Более точные оценки ожидае­ мого ущерба можно сделать на основании теории вероят­ ности. Для уменьшения числа нежелательных случаев нужно приложить серьезные усилия.

6. ДЕЙСТВИЕ ВОЗДУШНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН МАЛОЙ АМПЛИТУДЫ

При лабораторных испытаниях оконные стекла не разбивались при избыточных давлениях меньше Юмбар. Однако число испытанных стекол во много раз меньше, чем число окон даже в маленьких городах.

Более правильная величина порога разрушений в го­ родах волнами ядерных испытаний может быть сделана по трем случаям разрушения больших старых оконных

избыточном давлении было разбито небольшое число стекол средних размеров в казармах на острове Джон­ стон от зарегистрированного избыточного давления 14 мбар при взрыве «Оранж». Максимальное избыточное давление 17 мбар было записано на контрольном пункте СР-1 в Юкка-Пасе на испытательном полигоне в Не­ ваде, но там были разбиты двери, сорвана и разбита световая арматура на потолке. Имелись также некоторые другие жалобы о повреждениях от взрывных волн, но из­ мерений соответствующих давлений не проводилось.

Чтобы связать вероятность разрушения с избыточ­ ным давлением, необходимо иметь более хорошие лабо­ раторные данные. Их можно получить путем изучения звуковых ударов при сверхзвуковых полетах. А пока по­ лезные данные по эмпирической связи вероятности раз­ рушения с избыточным давлением, размерами стекол и