2.3. Ударная волна ядерного взрыва

Ударная волна представляет собой некоторую область скачко­образного изменения параметров среды, перемещающуюся со скоростью, большей, чем скорость распространения звука в дан­ной среде. Скачкообразно изменяются такие параметры среды как давление, плотность, температура и скорость вещества, а так­же энтропия, энтальпия и другие его термодинамические харак­теристики. Эти параметры в волне сначала резко возрастают, а затем претерпевают более или менее плавный спад. С течением времени одни параметры уменьшаются до своих значений в невозмущенной среде (давление и скорость) и даже ниже ('плотность), а другие (температура, энтропия и энтальпия) сохраняют неко­торые повышенные значения. Ударная волна ядерного взрыва в основном подобна ударной волне обычного взрыва. Но так как мощность взрыва ядерных боеприпасов существенно превосходит взрывы обычных средств поражения, то ударная волна ядерного взрыва является более сильной и более продолжительной по вре­мени. В зависимости от того, в какой среде распространяется волна — в воздухе, воде или грунте, ее называют соответственно воздушной ударной волной, ударной волной в воде и сейсмовзрывной волной в грунте.

Воздушная ударная волна представляет собой резкое сжатие воздуха, распространяющееся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Передняя граница волны назы­вается фронтом. В зависимости от формы поверхности фронта ударные волны могут быть плоскими, цилиндрическими и сфери­ческими. Перед фронтом ударной волны давление в воздухе рав­но атмосферному, р₀. С приходом фронта волны в какую-либо точку пространства давление резко (скачком) увеличивается от атмосферного р₀ до давления во фронте волны р_Ф (рис. 2.6).

Разность давления р_ф=р_ф—р₀ называется избыточным дав­лением во фронте ударной волны. Избыточное давление во фрон­те воздушной ударной волны может быть вычислено по формуле советского академика М. А. Садовского:

где R — расстояние в метрах от центра взрыва до точки, в которой определяется избыточное давление; р₀ и p_н — давление соответственно невозмущенного воздуха у поверхности земля и на высоте взрыва; q_ув — тротиловый эквивалент ядерного взры­ва по ударной волне, кг; _ф—избыточное давление, кгс/см².

Под тротиловым эквивалентом по ударной волне понимают энергию ядерного взрыва, уносимую ударной волной. Величина тротилового эквивалента взрыва по ударной волне q_ув зависит от мощности и высоты взрыва. При взрыве у земли связь q_ув с общим тротиловым эквивалентом определяется равенством q_ув = 0,5 q_. Это значит, что если при взрыве заряда тротила в приземных слоях атмосферы на формирование ударной волны идет пример­но 70% всей выделившейся энергии, то при взрыве ядерного за­ряда — лишь 35% энергии ядерного взрыва. С увеличением высоты ядерного взрыва доля энергии, идущая на формирование ударной волны уменьшается, так как большая доля энергии уносится световым излучением.

При наземных взрывах фронт ударной волны имеет вид полу­сферы и плотность энергии в такой ударной волне практически вдвое больше, чем при воздушном взрыве той же мощности. Поэтому величину q_ув в формуле Садовского для наземного взрыва необходимо удваивать, т. е. брать q_ув= q_.

Столь же резко во фронте ударной волны (точка А) (рис. 2.6) возрастает плотность _ф. температура Т_ф и скорость воздуха и_ф, движущегося за фронтом ударной волны. Фронт ударной волны будет перемещаться от центра взрыва с некоторой скоростью D_ф. Все параметры воздуха во фронте волны, как следует из теории ударных волн, связаны между собой через р_ф следующими соотношениями (при Со = 340 м/с; Cp/Cv = 1,4); ₀= 0,125 кгс^.с/м⁴;

Т_о = 228 К; р_о = 1,0332 кгм/см²):

—скорость движения фронта волны (в м/с)

• скорость (массовая) воздуха в ударной волне (м/с)

• плотность воздуха во фронте волны (кгс^.с²/м⁴)

• температура воздуха (в К)

• скорость звука во фронте ударной волны (в м/с)

Давление в ударной волне в направлении от точки А к точке В (рис. 2.6) будет уменьшаться. Очевидно, что и массовая ско­рость слоя воздуха, сжатого ударной волной, будет тем меньше, чем меньше будет давление в этом слое, т. е. чем дальше этот слой будет удален от фронта ударной волны. В точке В массовая скорость воздуха и избыточное давление близки к нулю. Зона от точки А до точки В называется фазой (зоной) сжатия ударной волны. В фазе сжатия воздух движется за франтом ударной волны, а левее точки В — в зоне (фазе) разрежения — воздух движется к центру взрыва. В фазе (зоне) разрежения давление воздуха ниже существовавшего, до прихода фронта волны и дос­тигает 0,3 кгс/см². Скорость перемещения точки В в силу малых возмущений воздуха (р0) примерно равна скорости звука в невозмущенной среде. Фронт ударной волны распространяется со сверхзвуковой скоростью (D_ф>С₀). Разность в скоростях движе­ния фронта волны (точка А) и границы зоны разрежения (точ­ка В) приводит к тому, что с течением времени (с увеличением расстояния, проходимого фронтом ударной волны) ширина зоны сжатия будет увеличиваться. Время, в течение которого давление в волне превышает атмосферное, называется длительностью фа­зы сжатия или временем действия ударной волны в секундах, ко­торое может быть вычислено (для (р_ф=0,1—100 кгс/см²):

где R — расстояние от центра взрыва, м; q — мощность взрыва, т;

_сж — время движения ударной волны, с.

Время действия ударной волны ядерного взрыва достигает 1 — 2 с и более. Продолжительность фазы сжатия в несколько раз меньше фазы разрежения. В фазе сжатия воздух движется в на­правлении от центра взрыва, а в фазе разрежения — в обратную сторону, к центру взрыва. По мере удаления от центра взрыва ударная волна обхватывает все большее [Пространство, увеличи­вается площадь поверхности волны, и, следовательно, возрастает масса вовлеченного в движение воздуха. При сжатии этого воз­духа его кинетическая энергия переходит в тепловую. Поэтому с расстоянием от центра взрыва избыточное давление ударной волны и скорость воздуха уменьшаются.

При давлении во фронте ударной волны близком к атмосферному (р_ф<0,001 кгс/см²) ударная волна вырождается в звуковую волну.

Движущийся воздух за фронтом ударной волны (зона сжатия) создает сильное ветровое давление, которое называется скорост­ным напором р_ск: р_ск=_фи²_ф/2. Скоростной напор, даже при сравнительно невысоком избыточном давлении играет большую роль в поражающем действии ударной волны. Скоростной напор в зависимости от мощности взрыва может продолжаться от долей секунды до нескольких секунд и способен сбить с ног и отбросить человека, перевернуть находящийся вне укрытия самолет или причинить значительные разрушения жилым и промышленным зданиям.

Основными параметрами ударной волны являются р_ф и _сж, а поражающее действие ударной волны определяется тремя па­раметрами: р_ф , _сж и р_ск.