Последствия детонации: Детонация двигателя: причины, способы устранения | SUPROTEC

Причины и последствия детонации двигателя

Согласитесь, очень неприятно слышать громкие «раздирающие мотор» стуки под капотом при каждом нажатии на педаль акселератора, а также при подъеме в гору на высокой (прямой) передаче.

Резкий металлический стук двигателя следует отличать от сдавленного еле слышного, поскольку, в первом случае, это явление детонации — неспецифически высокой скорости горения бензовоздушной смеси в цилиндрах блока двигателя, а во втором, – халатное отношение к двигателю при движении на малой скорости на неадекватно высокой передаче.

Что это?

Теоретически, оптимальная скорость горения топливовоздушной смеси в цилиндрах блока двигателя должна быть не более 250 м/с (норма около 20). Сгорание бензина со скоростью более 2000 м/с. принято называть детонацией, точнее сказать, – фактически микровзрывом. Происходит неравномерное, несвоевременное, ударное возгорание воздушно-топливной смеси, при более высокой температуре и скорости, сопровождающееся характерным звонким металлическим стуком. Такое возгорание происходит не в области свечи и не от нее, и распространяется на поступающую порцию воздушно-топливной смеси.

Возгорание под высоким давлением происходит в дизельных движках, зажигание же смеси паров бензина и воздуха под давлением не нормально для бензинового мотора.

И если движение на высокой передаче с низкой скоростью — это едва ли не осознанное нанесение вреда двигателю, то детонация может принести весьма печальные последствия для двигателя вплоть до его поломки.

Причины происхождения:

1. Одна из самых распространенных причин появления детонационных стуков — это использование некачественного или низкооктанового бензина. Все дело в том, что для бензина октановое число является показателем его детонационной стойкости, точнее, его способности сгорать равномерно при любых условиях. Так например, у бензина марки АИ-92 эта стойкость будет ниже, чем у АИ-95 или АИ-98. Современные двигатели имеют сравнительно высокую степень сжатия, которая в этом случае является одним из главных ключевых факторов образования этого негативного явления. Фактически, степень сжатия определяется объемом камеры сгорания. Для двигателей с малой степенью сжатия вполне подойдет низкооктановый бензин. Но, этот же бензин при более высоком сжатии неизбежно потеряет свою детонационную стойкость. Его горение в цилиндрах будет взрывообразным, что может привести к, в полном смысле, разрушительным для мотора последствиям. Поэтому, заправка современного двигателя низкооктановым или низкокачественным топливом может стать для него фатальной.
2. В другом случае, может возникать как следствие перегрева двигателя. Причины перечислять не будем, их довольно много.
3. В ряде случаев в возникновении детонации виноваты неисправные свечи, благодаря которым происходят пропуски моментов зажигания, либо дизелинг — самопроизвольное воспламенение топливовоздушной смеси, когда поршень еще движется в направлении верхней мертвой точки. Такие свечи необходимо заменять.
4. Четвертая и самая распространенная причина данного явления — неисправность системы зажигания. В данном случае, причиной детонации будет слишком раннее зажигание – это когда подается искра прежде, чем поршень подошел к верхней мертвой точке. В этом случае, топливовоздушная смесь, сгорая начинает расширяться, но поршень продолжает совершать поступательное движение вверх. В результате, давление в цилиндре нарастает и возникает детонация. Особенно явно это явление заметно при движении под нагрузкой. Последствия неправильной регулировки зажигания могут вылиться в аналогичные, что и при использовании некачественного низкооктанового топлива.

Последствия.

При таком «неправильном» сгорании топлива температура в цилиндрах резко повышается, что пагубно сказывается на свечах зажигания, клапанах и поршневых кольцах. Резкая температура способствует выгоранию масляной пленки на цилиндрах, что в свою очередь, неизбежно приводит к более интенсивному износу цилиндропоршневой группы вплоть до залегания колец и появления задиров на стенках цилиндров. Выгорание электродов свечей, трещины, зазубрины и оплавления на поршнях, клапанах и цилиндрах, – это далеко не полный список последствий детонационных стуков в двигателе.

Наряду с высокой температурой возникает и ударная нагрузка на все движущиеся части механизмов двигателя. В первую очередь страдает кривошипно-шатунный механизм.

Сильные ударные нагрузки негативно сказываются на состоянии поршня, шатуна, а также коренных и шатунных вкладышей и коленчатого вала. Другими словами, ни один механизм двигателя не приспособлен к детонационным нагрузкам.

Как избежать?

Чтобы избежать последствий данной проблемы, рекомендуется:

1. Заправлять автомобиль только бензином с октановым числом, отмеченным в руководстве по эксплуатации машины и только на сертифицированных АЗС.
2. Важно следить за состоянием элементов системы охлаждения, регулярно проверять уровень охлаждающей жидкости, при необходимости заменять ее. Также рекомендуется регулярно осматривать радиатор, при необходимости очищать его, а также следить за работоспособностью охлаждающего вентилятора. Выполнение этих несложных условий поможет избежать внезапного перегрева двигателя и как его следствия, детонации.
3. Также верным избавлением от этой дисфункции двигателя служит регулировка угла опережения зажигания. После регулировки зажигания желательно сделать пробный заезд, на котором следует разогнать автомобиль до 40-50 км/ч и резко нажать педаль акселератора. Если при этом характерные звуки под капотом несильные и непродолжительные, то зажигание можно считать отрегулированным. Если же нет, процедуру регулировки необходимо повторить.
4. Ну и, разумеется, свечи и проводка должны быть чистыми и исправными.

Зная, что такое детонация и методы ее устранения, можно обеспечить двигателю своего автомобиля долгую и безаварийную жизнь.

Детонация двигателя, причины, последствия и способы устранения выявленных дефектов мотора

Процесс, при котором происходит неконтролируемое самовозгорание топливовоздушной смеси в цилиндрах, называется детонация двигателя. Данный дефект является взрывом, он производит разрушительные действия на узлы и детали силовых агрегатов любого вида.

В физическом смысле детонация представляет из себя разрушительную взрывную волну, созданную при избыточном давлении и сверхвысокой температуре топлива.

Описание детонации и ее последствий

Во время разгона автомобиля водитель давит на педаль акселератора, топливная смесь, попадая в цилиндры, испытывает воздействие очень высокого давления и температуры. Давление возрастает от перемещения поршня вверх и возгорания топлива от свечи накаливания. Пламя, расползаясь по камере сгорания, генерирует добавочное давление.

Под воздействием сверхвысокой температуры и возросшего давления остатки горючей смеси самовоспламеняются, создавая одну за другой взрывные волны со стремительным возрастанием амплитуды.

Возникает эффект неконтролируемой цепной реакции, в ходе которой пламя на огромной скорости давит на гильзу, обороты двигателя растут до бесконечности — движок идет вразнос, раскручиваясь самопроизвольно

. Такую ситуацию трудно взять под контроль.

Последствия детонации двигателя выражены появлением следующих поломок:

1. Срыв кромок поршней.
2. Повреждение стенок цилиндров.
3. Разрыв прокладки головки цилиндров.
4. Поломка датчика дроссельной заслонки.

При стабильной работе мотора происходит равномерное сгорание топливной смеси с последующей передачей энергии на поршни.

Причины возникновения детонации при включении мотора на холодную

Детонация при запуске двигателя возникает при поступлении в один или несколько цилиндров обедненных топливовоздушных смесей. Причиной обеднения смеси является засоренность специальных распылителей — форсунок.

При появлении засоров, нарушается расчетная величина объема подаваемого топлива. Чтобы установить причину появления засорения, необходимо произвести проверку фильтра грубой очистки, а также фильтров каждой форсунки.

Холодный мотор после прогрева часто восстанавливает свою работу, и детонация двигателя прекращается.

Корректировка работы двигателя при помощи электронного управления

Электронный блок управления (ЭБУ), установленный в автомобилях с инжекторным двигателем, регулирует параметры топливной смеси. При помощи ЭБУ производится коррекция угла опережения зажигания с вынужденным снижением объема впрыскиваемой топливной смеси.

Причины детонации частично исчезают, но в результате подобного регулирования мощность силового агрегата существенно снижается. При высоком уровне засоренности форсунок ЭБУ не всегда может осуществлять компенсирующие функции.

Детонация мотора после прогрева

Причины детонации прогретого мотора:

• поломан датчик заслонки;
• использование топлива, имеющего низкое октановое число;
• неисправность и засор форсунок.

После восстановления или замены датчика заслонки двигатель готов к эксплуатации на любых, в том числе и на повышенных режимах. Узнать, есть ли детонация двигателя, причины ее возникновения на прогретом моторе, можно только под нагрузкой при включенной передаче.

Низкое качество топлива, пониженное значение его октанового числа является одной из основных причин, которые способствуют повышению температуры в камере сгорания и увеличению давления в топливных цилиндрах, приводящих к возникновению взрывов.

Чем выше данный показатель топлива, тем лучше оно противостоит самовоспламенению и детонации. Высокое значение октанового числа бензина — это антидетонационный индекс.

Влияние качества топлива и свечей зажигания

Детонация двигателя также может быть вызвана нарушением хрупкого баланса между двумя факторами:

• качество свеч зажигания;
• сила сжатия топлива.

Применение неверно подобранных свечей зажигания, может явиться причиной возникновения детонации в двигателе. Назначение данных приборов состоит в контроле внутренней среды двигателя, от точности срабатывания свечей зависит своевременность и качество сгорания топлива.

При нарушении режима сжигания топлива происходит наращивание температуры в камере сгорания и перегреву элементов силового агрегата, приводящее к детонации. Чтобы устранить появившийся дефект, необходимо сменить имеющиеся свечи зажигания на другой рекомендуемый вид.

Недостаточное сжатие топлива в цилиндрах приводит к неполному сгоранию смеси и прилипанию оставшихся компонентов к стенкам цилиндров в виде нагара. В зависимости от качества бензина и уровня очистки топлива происходит образование отложений нагара, что существенно уменьшает объем цилиндра и вызывает детонацию.

Для уничтожения вредных отложений применяются специальные присадки или производится замена марки топлива на другую.

Устранение детонации мотора

На появление детонации инжекторного двигателя влияют следующие параметры:

1. Угол опережения зажигания.
2. Обеднение топливной смеси.

Многих автовладельцев интересует, как устранить детонацию двигателя своими руками. Для того чтобы избавиться от взрывного горения горючих смесей, умельцы часто используют следующие приемы:

1. Эксплуатация движка на более высоких передачах. При работе на высокой скорости сокращается время сгорания топлива на фоне максимального давления. Разгон автомобиля приводит к снижению вероятности появления детонации.
2. Замена свечей зажигания.
3. Увеличение влажности воздуха. Более влажный воздух существенно снижает температуру в камере сгорания.
4. Использование охладителя воздуха интеркулера для снижения температуры воздуха перед нагнетанием его в цилиндры.
5. Замена бензина на топливо, имеющее более высокое октановое число.
6. Перемещение трамблера для изменения угла опережения зажигания в сторону уменьшения для стабильной работы карбюраторного двигателя на холостых оборотах.
7. Торможение двигателя для опережения момента зажигания.

Применение метода корректировки положения трамблера используется на короткое время, чтобы добраться до ближайшей автозаправки и сменить топливо на более высокооктановый бензин. После этого трамблер необходимо установить в прежнее положение для обеспечения оптимального значения угла опережения.

Бывают случаи, когда автовладельцы осознанно производят корректировку угла опережения зажигания в сторону увеличения, обедняя горючую смесь. В результате происходит повышение динамических характеристик автомобиля, увеличивается крутящий момент. При проведении данной операции существенно возрастает вероятность появления детонации двигателя.

Устранение или уменьшение детонации двигателя является сложной задачей. Чтобы выявить настоящую причину возникновения взрывов внутри мотора, необходимо тщательно изучить принцип работы силового агрегата и понять, что способствует их появлению.

Признаки появления детонации движка

В результате ударных нагрузок, возникающих при взрывах, появляются характерные звуки в виде звонкого стука, изменяется состав и цвет выхлопных газов, детали двигателя получают серьезные дефекты. Кроме ярких шумовых эффектов, имеются внешние признаки появления детонации:

• кратковременный выход черного дыма из выхлопной трубы;
• уменьшение температуры отработавших газов;
• кратковременная потеря мощности двигателя;
• потеря управления работой двигателя вследствие ее неустойчивости;
• критический перегрев элементов движка.

Элементы, входящие в состав силового агрегата, изготовлены с расчетом на работу при определенных значениях температуры и давления. Ударные нагрузки, возникающие при детонации, превышают все допустимые значения.

Детонационный эффект является наиболее опасным для транспортного средства. Он может возникнуть при неравномерном распределении воздуха и топлива внутри цилиндров, что приводит к внезапным неконтролируемым взрывам.

Для своевременного выявления данного дефекта нужно регулярно контролировать появление посторонних звуков и постукиваний, исходящих со стороны силового агрегата транспортного средства. Именно источники этих звонких сигналов нужно выявить и немедленно убрать причину их возникновения.

Детонация является потенциальной опасностью для движка, поэтому ее нужно постоянно держать под контролем. Она не должна присутствовать при нормальной работе двигателя. Даже небольшой шум в двигателе необходимо постоянно исследовать и убирать причины, вызвавшие его.

Причины и последствия детонации в двигателе

Александр [Alex2226]

14.03.2019, Просмотров: 1720

Детонацией называют неправильное горение топливовоздушной смеси, при котором на детали цилиндропоршневой группы, ГБЦ и блока цилиндров оказывается разрушительное воздействие. Нередко водители путают это явление с выработкой пальца и его посадочного места в поршне, а поэтому предполагают, что возникающий при резком нажатии на газ звон – следствие естественного износа. Давайте рассмотрим, почему возникает детонация и как можно избежать дорогостоящего капитального ремонта мотора.

Характеристика и последствия детонации

Топливовоздушная смесь за определенное количество градусов до верхней мертвой точки поршня (ВМТ) поджигается искрой от свечи зажигания. Вокруг дугового разряда возникает очаг горения, от которого фронт пламени равномерно направляется к стенкам камеры сгорания. Угол опережения зажигания (УОЗ) для каждого из цилиндров рассчитывается по углу поворота кривошипа и нагрузке на двигатель. На исправном двигателе УОЗ подбирается таким образом, чтобы пиковая энергия от воспламенения ТПВС давила на поршень примерно на 10° после ВМТ. Именно так происходит нормальный процесс горения смеси, при котором заряд выполняет максимум полезной работы, а детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ) не испытывают ударных нагрузок.

В случае детонации происходит самопроизвольное воспламенение ТПВС, при котором возникает ударная волна со сверхзвуковой скоростью. Нормальная скорость распространения фронта пламени не превышает 30-40 м/с, тогда как при детонации скорость ударной волны может достигать 2000 м/с.

Последствия детонации:

• Переламывание, оплавление перегородок поршней. Отломанные частицы нередко задирают зеркало цилиндра.
• Прогар днища, трещины, разломы поршней.

Природа явления

С внедрением даунсайзинговых технологий и выявления такого эффекта как LSPI, изучению проблемы детонации стали уделять больше внимания, но знания еще далеко не исчерпывающие. На сегодняшний день специалисты выделяют 2 основные фактора, которые приводят к детонации в двигателе.

1. Высокое давление в цилиндре в конце такта сжатия. Давление зависит от фактической степени сжатия. В современном бензиновом двигателе давление на подходе поршня к ВМТ достигает порядка 12 Атм. По мере распространения фронта пламени давление в цилиндре повышается, что создает благоприятные условия для возникновения детонации. Если степень сжатия не будет соответствовать октановому числу топлива, топливо начнет самовспламенятся до подачи искры (преимущественно в жаркое время года). Причина может быть в неподходящей прокладке ГБЦ или появлению на поршнях и стенках ГБЦ большого количества нагара. Раскаленные частицы сажи также могут стать очагом самопроизвольного воспламенения смеси.
2. Слишком бедная смесь. Для стехиометрического горения ТПВС должно соблюдаться условие, при котором на 14,7 порций воздуха приходится 1 порция топлива. Допускается незначительное обеднение или обогащение смеси. Обедненная смесь опасна большой долей окислителя (кислорода), из-за чего вблизи разгоряченных стенок камеры сгорания начинаются предпламенные реакции, перерастающие в детонацию.

LSPI

Аббревиатура LSPI (Low Speed Pre-Ignation) обозначает преждевременное зажигание ТПВС, которое характерно для бензиновых турбированных ДВС с непосредственным впрыском. Проблема проявляет себя при движении с постоянной скоростью и невысокими оборотами. У владельцев авто, столкнувшихся с LSPI, при движении по трассе ни с того не сего разламываются, прогорают поршни и трескаются перегородок между кольцами.

Производители присадочных пакетов к моторным маслам после проведения ряда экспериментов пришли к тому, что LSPI возникает в определенных режимах работы двигателя из-за частиц масла. Мелкодисперсные капли при высоком давлении в камере сгорания легко самовоспламеняются, провоцируя детонацию. Тем не менее незначительность принятых изменений в составе моторных масел заставляет усомниться в верности гипотезы. А не очередной ли это маркетинговый ход, направленный на увеличение продаж масел?

Несколько простых советов, которые помогут уберечь турбированный бензиновый ДВС с непосредственным впрыском от LSPI:

• заправляйте автомобиль на проверенных АЗС бензином с октановым числом не ниже АИ-98. Езда на АИ-95 допустима только в зимнее время и при условии спокойного стиля вождения;
• следите за расходом масла. Неэффективная работа маслосъемных колец, задубелые сальники клапанов и неисправная система вентиляции картера способствуют прогару и оплавлению поршней;
• периодически проводите капельный тест масла, период замены рассчитывайте по моточасам, а не по пройденным километрам;
• владельцам авто с МКПП стоит научиться правильно педалировать. К примеру, вовремя переходить на пониженную ступень и не нажимать педаль газа в пол с низких оборотов.

Как уберечь двигатель?

Владельцу современного авто для предотвращения детонации достаточно заливать бензин с рекомендованным октановым числом. Чем технологичнее и более форсирован двигатель, тем большие требования выдвигаются к качеству бензина. В случае фрезеровки ГБЦ, БЦ следует правильно подобрать толщину прокладки блока цилиндров. Иначе объем камеры сгорания уменьшится и придется переходить на бензин с большим октановым числом. К аналогичным последствиям ведет обрастание стенок плотным слоем нагара. Происходит это при постоянной эксплуатации автомобиля в зоне низких оборотов. Поэтому периодически двигателю нужно давать продышаться – поднимайте на разгоне обороты выше 2,5-3 тыс. /мин.

В остальном система управления двигателя (ECM) с распределительным впрыском через обратную связь по датчику детонации (ДД) способна предотвращать разрушительные процессы. ЭБУ при фиксации детонирования топлива откатывает УОЗ, делая его максимально безопасным.

В случае обнаружения обрыва цепи ДД ECM превентивно откатывает углы зажигания, заставляя двигатель работать в аварийном, но максимально безопасном режиме.

The Blast Wave

Ядерные взрывы производят как немедленные, так и отсроченные разрушительные последствия. Взрывная волна, тепловое излучение и мгновенное ионизирующее излучение вызывают значительные разрушения в течение нескольких секунд или минут после ядерного взрыва. Отсроченные эффекты, такие как радиоактивные осадки и другие возможные воздействия на окружающую среду, наносят ущерб в течение продолжительного периода времени от нескольких часов до нескольких лет. Каждый из этих эффектов рассчитывается от точки детонации.

Эпицентр

Термин «эпицентр» относится к точке на поверхности земли непосредственно ниже (или выше) точки детонации. Для взрыва над (или под) водой соответствующую точку обычно называют «нулевой поверхностью». Термин «поверхностный ноль» или «поверхностный нуль» также обычно используется для наземных и подземных взрывов. В некоторых публикациях наземный (или поверхностный) ноль называют «гипоцентром» взрыва.

Эффекты взрыва

Основной урон наносится взрывным взрывом. Ударная волна воздуха распространяется наружу, вызывая внезапные изменения давления воздуха, которые могут раздавить предметы, и сильный ветер, который может сбить предметы. Как правило, большие здания разрушаются изменением атмосферного давления, а люди и объекты, такие как деревья и столбы, разрушаются ветром.

Величина эффекта взрыва связана с высотой взрыва над уровнем земли. Для любого заданного расстояния от центра взрыва существует оптимальная высота взрыва, при которой происходит наибольшее изменение давления воздуха, называемое избыточным давлением, и чем больше расстояние, тем больше оптимальная высота взрыва. В результате взрыв на поверхности создает наибольшее избыточное давление на очень близких расстояниях, но меньшее избыточное давление, чем воздушный взрыв на несколько больших расстояниях.

Когда ядерное оружие детонирует на поверхности Земли или вблизи нее, взрыв вырывает большой кратер. Часть материала, который использовался в кратере, откладывается на краю кратера; остальное уносится в воздух и возвращается на Землю в виде радиоактивных осадков. Взрыв, который происходит дальше от поверхности Земли, чем радиус огненного шара, не образует кратер и производит незначительные немедленные осадки. По большей части ядерный взрыв убивает людей косвенным путем, а не прямым давлением.

Эффекты теплового излучения

Приблизительно 35 процентов энергии ядерного взрыва приходится на интенсивный выброс теплового излучения, т. е. тепла. Эффекты аналогичны эффекту двухсекундной вспышки огромного солнечного фонаря. Поскольку тепловое излучение распространяется примерно со скоростью света, вспышка света и тепла предшествует взрывной волне на несколько секунд, точно так же, как молния видна раньше, чем слышен гром.

Видимый свет вызывает слепоту у людей, смотрящих в направлении взрыва. Внезапная слепота может длиться несколько минут, после чего наступает полное выздоровление. Если вспышка сфокусирована через хрусталик глаза, это приведет к необратимому ожогу сетчатки. В Хиросиме и Нагасаки было много случаев ослепления, но только один случай ожога сетчатки среди выживших. С другой стороны, любой человек, ослепший во время вождения автомобиля, может легко нанести необратимую травму себе и другим.

Ожоги кожи возникают в результате более интенсивного света и поэтому возникают ближе к точке взрыва. Ожоги первой, второй и третьей степени могут возникнуть на расстоянии пяти миль от места взрыва и более. Ожоги третьей степени более 24 процентов тела или ожоги второй степени более 30 процентов тела приведут к серьезному шоку и, вероятно, приведут к летальному исходу, если не будет оказана своевременная специализированная медицинская помощь. Во всех Соединенных Штатах есть помещения для лечения 1000 или 2000 случаев тяжелых ожогов. Одно ядерное оружие может произвести более 10 000 ядер.

Тепловое излучение ядерного взрыва может непосредственно воспламенить материалы для растопки. Как правило, горючие материалы за пределами дома, такие как листья или газеты, не окружены достаточным количеством горючих материалов, чтобы вызвать самоподдерживающийся огонь. Пожары с большей вероятностью распространения вызваны тепловым излучением, проходящим через окна и воспламеняющим кровати и мягкую мебель внутри домов. Другой возможный источник пожаров, который может быть более разрушительным в городских районах, является косвенным. Повреждение взрывом складов, водонагревателей, печей, электрических цепей или газопроводов может привести к возгоранию там, где много топлива.

Прямое воздействие ядерного излучения

Прямое излучение возникает во время взрыва. Он может быть очень интенсивным, но его диапазон ограничен. Для крупного ядерного оружия дальность интенсивного прямого излучения меньше дальности летального действия взрывной волны и теплового излучения. Однако в случае оружия меньшего размера прямое излучение может быть смертельным с наибольшей дальностью действия. Прямая радиация нанесла существенный ущерб жителям Хиросимы и Нагасаки. Реакция человека на ионизирующее излучение является предметом большой научной неопределенности и острых споров. Кажется вероятным, что даже малые дозы радиации наносят некоторый вред.

Fallout

Выпадение радиации происходит от частиц, которые становятся радиоактивными в результате взрыва и впоследствии распространяются на различные расстояния от места взрыва. В то время как любой ядерный взрыв в атмосфере производит некоторые осадки, осадки намного больше, если взрыв происходит на поверхности, или, по крайней мере, достаточно низко, чтобы огненный шар коснулся земли. Значительную опасность представляют частицы, поднятые с земли и облученные ядерным взрывом. Радиоактивные частицы, поднявшиеся на небольшое расстояние (те, что находятся в «стволе» знакомого нам грибовидного облака), в течение нескольких минут упадут обратно на землю, приземлившись близко к центру взрыва. Такие частицы вряд ли станут причиной многих смертей, потому что они упадут в районы, где уже погибло большинство людей. Однако радиоактивность усложнит усилия по спасению или возможной реконструкции. Радиоактивные частицы, которые поднимутся выше, будут унесены ветром на некоторое расстояние, прежде чем вернуться на Землю, и, следовательно, площадь и интенсивность выпадения осадков сильно зависят от местных погодных условий. Большая часть материала просто уносится по ветру длинным шлейфом. Дождь также может оказать существенное влияние на способы осаждения радиации от меньшего оружия, поскольку дождь уносит загрязненные частицы на землю. Области, получающие такие загрязненные осадки, станут «горячими точками» с большей интенсивностью радиации, чем их окрестности.

---

Страница 2 из 24

FM 8-9 Часть I/Глава 3 Эффекты ядерных взрывов

Таблица содержания

---

FM 8-9 Часть I/Глава 3 Эффекты ядерных взрывов

ГЛАВА 3

ПОСЛЕДСТВИЯ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ

РАЗДЕЛ I — ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

301.

Введение.

Основные различия в механизмах производства энергии и связанные с ними характеристики обычных взрывов по сравнению с ядерными взрывами обсуждались в главе 2. В этой главе это обсуждение будет расширено за счет рассмотрения форм, в которых энергия, образующаяся при таких взрывах, воздействует на окружающую среду. . Расположение точки детонации в окружающей среде так же важно, как и выход, в определении способа распределения энергии, и этот фактор будет обсуждаться более подробно.

302. Общие последствия ядерных взрывов.

а. В то время как разрушительное действие обычных взрывов почти полностью обусловлено передачей энергии в виде взрывной волны с последующим механическим повреждением, энергия ядерного взрыва передается в окружающую среду в трех различных формах: взрыв; тепловое излучение; и ядерное излучение. Распределение энергии между этими тремя формами будет зависеть от мощности оружия, места взрыва и характеристик окружающей среды. Для маловысотного атмосферного взрыва оружия среднего размера в килотонном диапазоне энергия распределяется примерно следующим образом:

(1) 50% в виде струйной обработки;

(2) 35% в виде теплового излучения; состоит из широкого спектра электромагнитного спектра, включая инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет, а также некоторое мягкое рентгеновское излучение, испускаемое во время взрыва; и

(3) 15% в виде ядерного излучения; в том числе 5 % исходного ионизирующего излучения, состоящего в основном из нейтронов и гамма-лучей, испускаемых в течение первой минуты после взрыва, и 10 % остаточного ядерного излучения. Остаточное ядерное излучение представляет собой опасность радиоактивных осадков.

б. Значительные отклонения от этого распределения будут происходить при изменении мощности или места детонации. Лучше всего это видно при сравнении дальностей поражения, вызванного этими воздействиями оружия разной мощности (табл. 3-I).

в. Распределение мощности оружия существенно изменяется за счет ядерной боеголовки с усиленным излучением. Проще говоря, усиленная радиационная боеголовка разработана специально для снижения процента энергии, рассеиваемой в виде взрыва и тепла, с последующим увеличением процентного выхода исходного излучения. Приблизительный процент энергии составляет 30% взрыва; 20% термический; 45% начальное излучение; и 5% остаточного излучения.

303. Начальная передача энергии и формирование огненного шара.

а. Из-за огромного количества энергии, выделяющейся на единицу массы при ядерном взрыве, в непосредственной близости от взрыва развиваются температуры в несколько десятков миллионов градусов по Цельсию. Это резко контрастирует с несколькими тысячами градусов обычного взрыва. При этих очень высоких температурах нерасщепленные части ядерного оружия испаряются. Атомы выделяют энергию не в виде кинетической энергии, а в виде большого количества электромагнитного излучения. При атмосферном взрыве это электромагнитное излучение, состоящее в основном из мягкого рентгеновского излучения, поглощается в пределах нескольких метров от места взрыва окружающей атмосферой, нагревая ее до чрезвычайно высоких температур и образуя ярко раскаленный шар из воздуха и газового оружия. остатки, так называемый огненный шар. Сразу же после образования огненный шар начинает быстро расти и подниматься вверх, как воздушный шар. В течение миллисекунды после детонации диаметр огненного шара от воздушного взрыва мощностью 1 мегатонна (Мт) составляет 150 м. Это увеличивается до максимума 2200 м в течение 10 секунд, в это время огненный шар также поднимается со скоростью 100 м/сек. Первоначальное быстрое расширение огненного шара сильно сжимает окружающую атмосферу, создавая мощную взрывную волну, обсуждаемую ниже.

б. Сам огненный шар испускает огромное количество электромагнитного излучения, похожего по своему спектру на солнечный свет. Это обычно называют тепловым излучением. Компонент видимого света объясняет ослепляющую вспышку, наблюдаемую при детонации, а также последующую яркость огненного шара, в то время как инфракрасный компонент приводит к обширным ожогам и зажигательным эффектам.

в. По мере расширения до своего максимального диаметра огненный шар остывает, и примерно через минуту его температура снижается до такой степени, что он больше не излучает значительного количества теплового излучения. Сочетание восходящего движения и охлаждения огненного шара приводит к образованию характерного грибовидного облака. Когда огненный шар остывает, испаренные в нем материалы конденсируются, образуя облако твердых частиц. После взрыва воздуха сконденсировавшиеся капли воды придают ему типичный вид белого облака. В случае поверхностного взрыва это облако также будет содержать большое количество грязи и другого мусора, который испаряется, когда огненный шар касается поверхности земли, или впоследствии всасывается сильными восходящими потоками, придавая облаку грязно-коричневый вид. Грязь и мусор загрязняются радиоизотопами, образующимися при взрыве или активируемыми нейтронным излучением, и выпадают на землю в виде радиоактивных осадков.

д. Облако поднимается в течение примерно 10 минут до стабилизированной высоты, которая зависит от тепловой мощности оружия и атмосферных условий. Он будет продолжать расти в стороны, принимая знакомую грибовидную форму, и может оставаться видимым в течение часа или более при благоприятных условиях. Например, ядерное облако от наземного взрыва мощностью 1 Мт стабилизируется на высоте более 20 километров (км) и будет иметь средний поперечный диаметр 35 км.

304. Виды взрывов.

Относительное воздействие взрыва, тепла и ядерного излучения будет в значительной степени определяться высотой, на которой происходит детонация оружия. Ядерные взрывы обычно классифицируются как воздушные взрывы, надводные взрывы, подземные взрывы или высотные взрывы.

а. Воздушные взрывы. Воздушный взрыв – это взрыв, при котором боеприпас взрывается в воздухе на высоте менее 30 км, но на достаточной высоте, чтобы огненный шар не касался поверхности земли. После такого разрыва взрывная волна может причинить значительный ущерб и травмы. Высота воздушного взрыва может варьироваться для получения максимальных эффектов взрыва, максимальных тепловых эффектов, желаемых эффектов излучения или сбалансированной комбинации этих эффектов. Ожоги открытых участков кожи могут быть получены на площади в несколько квадратных километров, а повреждения глаз — на еще большей площади. Первоначальное ядерное излучение будет представлять значительную опасность для оружия меньшего размера, но опасность радиоактивных осадков можно игнорировать, поскольку локальные радиоактивные осадки от воздушного взрыва практически отсутствуют. Продукты деления обычно рассеиваются на большой площади земного шара, если только не выпадают локальные осадки, приводящие к локализованным выпадениям осадков. В непосредственной близости от эпицентра может быть небольшая область нейтронной активности, которая может быть опасной для войск, которым необходимо пройти через эту зону. Тактически воздушные очереди чаще всего используются против наземных войск.

б. Поверхностный взрыв. Поверхностный взрыв — это взрыв, при котором оружие детонирует на поверхности земли или над ней так, что огненный шар фактически касается земли или поверхности воды. В этих условиях площадь поражения взрывной волной, тепловым излучением и первичным ядерным излучением будет меньше, чем при воздушном взрыве аналогичной мощности, за исключением области эпицентра, где сосредоточены разрушения. В отличие от воздушных взрывов, локальные осадки могут представлять опасность на гораздо большей территории с подветренной стороны, чем та, на которую воздействует взрывная волна и тепловое излучение.

в. Подземный взрыв. Подповерхностный взрыв — это взрыв, при котором точка детонации находится под поверхностью земли или воды. Кратерирование обычно происходит в результате подземного взрыва, как и в случае поверхностного взрыва. Если взрыв не проникает через поверхность, единственной другой опасностью будет удар о землю или воду. Если взрыв достаточно неглубокий, чтобы проникнуть сквозь поверхность, будут присутствовать эффекты взрыва, теплового и начального ядерного излучения, но они будут меньше, чем при поверхностном взрыве сравнимой мощности. Местные осадки будут очень сильными, если произойдет проникновение.

д. Высотный взрыв. Взрыв на большой высоте — это взрыв, при котором оружие взрывается на такой высоте (более 30 км), что первоначальное мягкое рентгеновское излучение, генерируемое детонацией, рассеивает энергию в виде тепла в гораздо большем объеме молекул воздуха. Там огненный шар намного больше и расширяется намного быстрее. Ионизирующее излучение от выброса на большой высоте может распространяться на сотни миль, прежде чем будет поглощено. Может происходить значительная ионизация верхних слоев атмосферы (ионосферы). Серьезные сбои в связи могут возникнуть после взрывов на большой высоте. Они также приводят к генерации интенсивных электромагнитных импульсов (ЭМИ), которые могут значительно ухудшить работу или вывести из строя сложное электронное оборудование. Биологические эффекты ЭМИ неизвестны; однако косвенные последствия могут возникнуть в результате выхода из строя критического медицинского оборудования.

РАЗДЕЛ II — ВЗРЫВ

305. Формирование взрывной волны.

а. В результате очень высоких температур и давлений в месте детонации горячие газообразные остатки движутся наружу радиально от центра взрыва с очень высокими скоростями. Большая часть этого материала содержится в относительно тонкой и плотной оболочке, известной как гидродинамический фронт. Действуя подобно поршню, который давит на окружающую среду и сжимает ее, фронт импульсно передает энергию атмосфере и генерирует сферически расширяющуюся взрывную или ударную волну с крутым фронтом. Сначала эта ударная волна отстает от поверхности развивающегося огненного шара. Однако в течение доли секунды после детонации скорость расширения огненного шара уменьшается до такой степени, что ударная волна догоняет, а затем начинает двигаться впереди огненного шара. На долю секунды плотный фронт ударной волны скроет огненный шар, что объясняет характерный двойной пик света, наблюдаемый при ядерном взрыве.

б. По мере ее расширения пиковые давления взрывной волны уменьшаются, а скорость распространения уменьшается от начальной сверхзвуковой скорости до скорости звука в передающей среде. Однако при отражении от земной поверхности давление в волне будет усилено описанным ниже слиянием падающей и отраженной волн (эффект Маха).

в. Большая часть разрушений, вызванных ядерным взрывом, связана с эффектами взрывной волны. Объекты на пути взрывной волны подвергаются сильным, резким повышениям атмосферного давления и чрезвычайно сильным кратковременным ветрам. Большинство зданий, за исключением армированных или взрывостойких конструкций, будут повреждаться от умеренных до серьезных при воздействии избыточного давления всего в 35,5 кПа (кПа) (0,35 атм). Скорость сопутствующего дуновения ветра может превышать несколько сотен км/час. Большинство материальных целей чувствительны к сопротивлению или ветру.

д. Дальность действия взрыва значительно увеличивается с взрывной мощностью оружия. При типичном воздушном взрыве указанные выше значения избыточного давления и скорости ветра будут преобладать на расстоянии 0,7 км для мощности 1 килотонна (кт); 3,2 км для 100 тыс. тонн; и 15,0 км для 10 м.

306. Распространение взрывной волны в воздухе.

Во время прохождения взрывной волны через перегретую атмосферу в огненном шаре она распространяется со сверхзвуковой скоростью. После того, как он покинет окрестности огненного шара, он замедлится до нормальной скорости звука в атмосфере. Пока взрывная волна распространяется радиально, ее интенсивность уменьшается примерно пропорционально квадрату расстояния. Однако когда расширяющаяся взрывная волна от ядерного воздушного взрыва ударяется о поверхность земли, она отражается (рис. 3-I), и отраженная волна усиливает и усиливает первичную волну.

а. Цели вблизи эпицентра могут фактически подвергаться воздействию двух взрывных волн: начальной или падающей волны, за которой несколько позже следует вторичная отраженная волна. Эта ограниченная область вблизи эпицентра, в которой падающая и отраженная волны разделены, известна как область регулярного отражения.

б. За пределами области регулярного отражения при прохождении через воздух, уже нагретый и сжатый падающей взрывной волной, отраженная волна будет двигаться гораздо быстрее и очень быстро догонит падающую волну. Затем они сливаются, образуя объединенный волновой фронт, известный как ствол Маха. Высота стебля Маха увеличивается по мере того, как взрывная волна движется наружу и становится почти вертикальным фронтом взрыва. В результате давление взрывной волны на поверхность не будет уменьшаться пропорционально квадрату расстояния, а большинство непосредственных повреждений от взрывной волны будет направлено горизонтально, например, на стены здания, а не на крышу.

в. По мере уменьшения высоты взрыва для взрыва заданной мощности или увеличения мощности взрыва для данной высоты взрыва маховское отражение начинается ближе к нулевой отметке, а избыточное давление вблизи нулевой отметки становится больше. Однако, поскольку высота взрыва уменьшается, общая площадь действия взрывной волны также заметно уменьшается. Выбор высоты взрыва во многом зависит от характера цели. Относительно устойчивые цели требуют концентрированного взрыва малой высоты или надводного взрыва, в то время как чувствительные цели могут быть повреждены менее сильной взрывной волной от взрыва на большей высоте. В последнем случае может быть поражена большая площадь и, следовательно, большее количество целей.

д. Поверхностный взрыв приводит к максимально возможному избыточному давлению вблизи эпицентра. При таком взрыве фронт ударной волны имеет форму полусферы, и практически все объекты подвергаются воздействию фронта ударной волны, подобного описанному выше в маховской области. Подповерхностный взрыв производит наименьший воздушный взрыв, поскольку большая часть энергии рассеивается при образовании кратера и образовании наземной ударной волны.

307. Статическое избыточное давление и динамическое давление.

а. С взрывной волной в воздухе связаны два различных, хотя и одновременных явления:

(1) Статическое избыточное давление, т. е. резкое повышение давления вследствие сжатия атмосферы. Это давление создается плотной стенкой воздуха, образующей фронт волны. Величина избыточного давления в любой данной точке прямо пропорциональна плотности воздуха в волне.

(2) Динамические давления, т. е. силы лобового сопротивления, создаваемые сильным кратковременным порывистым ветром, связанным с движением воздуха, необходимым для образования взрывной волны. Эти силы называются динамическими, потому что они имеют тенденцию толкать, кувыркаться и разрывать объекты и вызывать их резкое смещение.

б. В общем, статическое избыточное давление очень резко возрастает от нормального атмосферного в незатронутом воздухе перед взрывной волной до резкого пика (рис. 3-II). Затем она уменьшается позади фронта. По мере удаления взрывной волны от эпицентра пиковое избыточное давление фронта уменьшается, а спад избыточного давления за фронтом становится более постепенным. После прохождения достаточного расстояния от огненного шара давление за фронтом фактически падает ниже нормального атмосферного давления, так называемая отрицательная фаза взрывной волны.

в. Проходя через атмосферу, взрывная волна сообщает свою энергию молекулам окружающего воздуха, приводя их в движение в направлении наступающего фронта ударной волны. Движение этих молекул воздуха проявляется в виде сильных кратковременных ветров, известных как «взрывные ветры», которые сопровождают взрывную волну. Разрушительная сила, связанная с этими ветрами, пропорциональна квадрату их скорости и измеряется динамическим давлением. Эти ветры представляют собой силы распада, которые производят большое количество снарядов и кувыркающихся предметов. Эти динамические силы очень разрушительны.

д. Большая часть материального ущерба, вызванного ядерным воздушным взрывом, вызвана сочетанием высоких статических избыточных давлений и динамических давлений или давлений порывистого ветра. Относительно большая продолжительность фазы сжатия взрывной волны (рис. 3-II) имеет значение еще и тем, что структуры, ослабленные первоначальным ударом фронта волны, буквально разрываются на части последующими силами и давлениями. Фазы силы сжатия и сопротивления вместе могут длиться несколько секунд или дольше, в течение которых присутствуют силы, во много раз превышающие силы самого сильного урагана. Они сохраняются даже в отрицательной фазе взрывной волны, когда присутствует частичный вакуум из-за сильного смещения воздуха.

эл. Имеет практическое значение изучение изменения давления в фиксированном месте в зависимости от времени. В течение короткого промежутка времени после ядерного взрыва в воздухе повышения давления не будет, так как фронт ударной волны достигает заданной точки за конечное время. Это время прибытия, которое может варьироваться от нескольких секунд до минут, будет зависеть в первую очередь от расстояния до центра взрыва и в меньшей степени от мощности взрыва. Первоначально скорость ударного фронта во много раз превышает скорость звука, потому что он движется в перегретом воздухе, но по мере удаления от огненного шара он замедляется до скорости звука, 330 м/с, в нормальной атмосфере. При детонации высокой мощности начальная скорость фронта ударной волны и расстояние, проходимое по перегретому воздуху, больше. Поэтому времени несколько меньше. С приходом фронта ударной волны как статическое избыточное давление, так и динамическое давление практически сразу увеличиваются от нуля до своих максимальных значений. Пиковые значения давления будут, конечно, зависеть от расстояния от эпицентра, высоты взрыва и мощности, а также будут изменяться в зависимости от рельефа местности и метеорологических условий. При прохождении фронта взрыва как статическое, так и динамическое давление уменьшаются, хотя и с несколько разной скоростью. Наибольший ущерб от взрыва будет нанесен во время положительной фазы или фазы сжатия волны. Продолжительность этой положительной фазы увеличивается с увеличением мощности и расстояния от эпицентра и колеблется от 0,2–0,5 с для воздушного ядерного взрыва мощностью 1 кт до 4–10 с для взрыва мощностью 10 Мт. Это сравнимо с длительностью взрывной волны от обычного осколочно-фугасного взрыва всего лишь сотые доли секунды.

ф. Из-за гораздо большей продолжительности взрывной волны от ядерного взрыва конструкции подвергаются максимальной нагрузке в течение соответственно более длительных периодов времени, и повреждения при заданном пиковом избыточном давлении будут гораздо более значительными, чем можно было бы ожидать в противном случае. Во время отрицательной фазы, которая обычно длится еще дольше, статическое давление упадет ниже нормального атмосферного давления, а порывы ветра фактически изменят направление и вернутся к эпицентру. Однако ущерб, нанесенный во время отрицательной фазы, обычно незначителен, поскольку пиковые значения разрежения и скорости ветра относительно низки. Эффекты взрыва, связанные с положительным и отрицательным фазовым давлением, показаны на рис. 3-III.

308. Взрывная загрузка.

Когда взрывная волна ударяет по поверхности твердой цели, такой как здание, отраженная волна будет усиливать падающую волну, и фасад здания будет подвергаться избыточному давлению в 2-8 раз больше, чем только падающая волна. Тяжесть этого дополнительного напряжения зависит от многих факторов, включая пиковое избыточное давление падающей взрывной волны, а также угол, под которым волна ударяет по зданию. По мере продвижения фронт ударной волны изгибается или дифрагирует вокруг здания, и давление на переднюю стенку быстро уменьшается. Однако в течение короткого промежутка времени, в течение которого взрывная волна еще не охватила всю конструкцию, существует значительный градиент давления спереди назад, который оказывает сильное давление на здание. Для небольших объектов этот период так называемой дифракционной нагрузки настолько мал, что не возникает значительных напряжений. Однако для больших зданий напряжение от дифракционной нагрузки будет значительным. Даже после того, как ударный фронт пройдет через здание, конструкция все еще будет подвергаться серьезной силе сжатия и сильному сопротивлению от кратковременных ветров. Фактическое избыточное давление, необходимое для серьезного повреждения чувствительных к дифракции целей, на самом деле довольно низкое. В Таблице 3-II показано разрушение чувствительных элементов конструкции при воздействии ударной нагрузки с избыточным давлением.

309. Перетаскивание Загрузка.

Все объекты на пути взрывной волны, независимо от размера или конструкции, будут подвергаться динамической нагрузке от давления или силам сопротивления порыва ветра. На нагрузку сопротивления в умеренной степени влияет форма мишени. Круглые предметы относительно не подвержены ветру, в то время как плоские или углубленные поверхности обладают большим сопротивлением и, следовательно, подвергаются повышенному ударному давлению и вероятности повреждения. Эффект динамического давления обычно зависит от пикового значения динамического давления и его продолжительности. В то время как динамическое давление на фасаде здания, как правило, меньше, чем пиковое избыточное давление из-за взрывной волны и ее отражения, период динамического нагружения намного больше, чем у дифракционного нагружения, и, следовательно, повреждения зданий каркасного типа, мосты и другие сооружения будут значительны. Оборудование и персонал относительно устойчивы к статическому избыточному давлению, но очень уязвимы к динамическому давлению. Например, военные автомобили, от джипов до танков, чаще всего получают повреждения, когда их толкают, переворачивают и швыряет порывами ветра. Точно так же порывы ветра являются причиной большинства взрывных травм. Из-за силы ветров, связанной даже с низкими значениями избыточного давления, механические повреждения от снарядов, приводимых в движение ветром, или от насильственного телесного перемещения будут намного превосходить по количеству прямые взрывные травмы из-за фактического сжатия организма.

310. Ударные волны в других средах.

а. При поверхностных и подземных выбросах значительная часть продукции передается в виде ударных волн грунта или воды. В случае поверхностного взрыва на суше в эпицентре образуется кратер, размер которого зависит в первую очередь от урожайности. От удара грунта будет происходить относительно небольшой ущерб на расстоянии примерно трех радиусов кратера. Больше всего повреждений будет из-за сопутствующей воздушной взрывной волны. При подземных взрывах кратер будет образовываться либо в результате выброса материала, как при неглубоком взрыве, либо в результате обрушения грунта в полость, образованную более глубоким взрывом. Поскольку избыточное давление в наземной ударной волне очень быстро уменьшается с расстоянием, ударное повреждение снова будет ограничено областью, близкой к точке детонации.

б. Наземные ударные волны также будут индуцироваться в результате воздушного взрыва. Если избыточное давление во взрывной волне очень велико, удар грунта проникнет на некоторое расстояние в землю и может повредить подземные сооружения и заглубленные коммуникации и т. д.

в. Из-за плотности и относительной несжимаемости воды ударные волны в этой среде имеют очень высокие пиковые значения избыточного давления и скорости распространения. Пиковое избыточное давление на расстоянии 1 км от подводного взрыва мощностью 10 кт составляет примерно 6080 кПа (60 атм (атмосфер давления)), а пиковое избыточное давление в воздухе на том же расстоянии от воздушного взрыва составляет всего 111,4 кПа (1,1 атм ). Возникающие при этом поверхностные волны на этом расстоянии будут иметь высоту примерно 10 м. Фронт ударной волны также будет двигаться примерно в пять раз быстрее скорости взрывной волны в воздухе. Ударная волна, вызванная подводным или надводным взрывом, может привести к серьезным повреждениям военно-морских судов. Хотя большая часть энергии удара распространяется в воде, значительная ее часть также передается по поверхности, как при типичном воздушном взрыве. Эта взрывная волна, вероятно, могла бы стать основным источником поражения наземных целей, если бы взрыв произошел в прибрежной зоне.

РАЗДЕЛ III — ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

311. Формирование теплового излучения.

Большое количество электромагнитного излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра испускается с поверхности огненного шара в течение первой минуты или меньше после взрыва. Это тепловое излучение распространяется от огненного шара со скоростью света 300 000 км/сек. Главной опасностью теплового излучения является получение ожогов и травм глаз у облученного персонала. Такие термические поражения могут возникать даже на таких расстояниях, где воздействие взрыва и начального ядерного излучения минимально. Поглощение теплового излучения также вызовет воспламенение горючих материалов и может привести к возгоранию, которое затем быстро распространится среди обломков, оставленных взрывом. Спектр теплового воздействия заметно увеличивается с увеличением мощности оружия.

312. Распространение тепловой энергии.

а. Большая часть энергии, выделяющейся в процессах деления или синтеза, первоначально находится в виде кинетической энергии продуктов реакций (например, осколков деления и т. д.). В течение миллионных долей секунды после взрыва многочисленные неупругие столкновения этих испаренных атомов приводят к образованию плазмы сильно раскаленных остатков оружия. Поскольку температура этой системы составляет несколько десятков миллионов градусов по Цельсию, она излучает огромное количество энергии в виде электромагнитного излучения. Это излучение впоследствии поглощается окружающей атмосферой, которая нагревается до чрезвычайно высоких температур, заставляя ее испускать дополнительное излучение с несколько меньшей энергией. Этот сложный процесс лучистой передачи энергии является основным механизмом формирования и расширения огненного шара.

б. Поскольку это тепловое излучение распространяется со скоростью света, а его длина свободного пробега (расстояние между точкой излучения и точкой поглощения) относительно велика, начальное расширение огненного шара происходит чрезвычайно быстро, гораздо быстрее, чем движение газов наружу. материал из центра взрыва, ответственный за образование взрывной волны. Следовательно, фронт взрывной волны сначала отстает от радиационного фронта (поверхности огненного шара).

с. Однако по мере того, как огненный шар расширяется и его энергия выделяется во все увеличивающемся объеме, его температура снижается, и передача энергии тепловым излучением становится менее быстрой. В этот момент фронт взрывной волны начинает догонять поверхность огненного шара, а затем движется впереди нее, этот процесс называется гидродинамическим отрывом. Из-за колоссального сжатия атмосферы взрывной волной воздух перед огненным шаром нагревается до накала. Таким образом, после гидродинамического разделения огненный шар фактически состоит из двух концентрических областей: горячего внутреннего ядра, известного как изотермическая сфера; и внешний слой светящегося ударно-нагретого воздуха.

д. Внешний слой первоначально поглощает большую часть излучения изотермической сферы, и, следовательно, кажущаяся температура поверхности огненного шара и количество испускаемого им излучения после отделения уменьшаются. Но по мере дальнейшего продвижения ударного фронта температура ударного воздуха падает, и он становится все более прозрачным. Это приводит к демаскированию все еще раскаленной изотермической области и увеличению кажущейся температуры поверхности огненного шара. Это явление называется отрывом.

313. Коэффициент теплового излучения.

а. Скорость теплового излучения огненного шара определяется его кажущейся температурой поверхности. Из вышеизложенного должно быть очевидно, что тепловая мощность ядерного воздушного взрыва будет тогда происходить в виде двух импульсов (рис. 3-IV), начальный импульс, состоящий в основном из ультрафиолетового излучения, который содержит только около 1% всего лучистой энергии взрыва и прекращается по мере движения фронта ударной волны впереди огненного шара, а второй импульс возникает после отрыва.

б. Тепловое излучение, испускаемое с поверхности болида во время второго теплового импульса, ответственно за большую часть тепловых эффектов. Он состоит главным образом из излучения в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра. Термическое воздействие (измеряемое в джоулях на единицу площади открытой поверхности) будет меньше по мере удаления от центра взрыва, поскольку излучение распространяется на большую площадь и ослабляется при прохождении через промежуточный воздух. Поскольку огненный шар находится очень близко к точечному источнику теплового излучения, количество теплового излучения в любой данной точке изменяется примерно пропорционально квадрату расстояния от взрыва. Закон обратных квадратов не применяется именно потому, что тепловое излучение, особенно ультрафиолетовое, также будет поглощаться и рассеиваться атмосферой. Степень атмосферной видимости влияет на ослабление тепловой энергии с расстоянием в ограниченной степени, но в меньшей степени, чем можно было бы ожидать, исходя из чисто поглощающих свойств атмосферы, поскольку уменьшение пропускания в значительной степени компенсируется увеличением рассеянного излучения.

314. Экранирование.

Поскольку тепловое излучение распространяется от огненного шара по прямым линиям (если только оно не рассеяно), любой непрозрачный объект, находящийся между огненным шаром и целью, будет действовать как щит и обеспечивать значительную защиту от теплового излучения. Если присутствует значительное рассеяние, как в случае плохой видимости, тепловое излучение будет приниматься со всех направлений, и экранирование будет менее эффективным.

315. Выход и высота.

а. Выход. Общее количество теплового излучения, период времени, в течение которого оно испускается, и дальность теплового воздействия увеличиваются с мощностью ядерного взрыва (рис. 3-V).

б. Эффекты высоты. Интенсивность теплового излучения в данной точке будет зависеть от высоты и типа взрыва. Как правило, термическая опасность является наибольшей в случае воздушного взрыва на малой высоте. Общие тепловые эффекты будут меньше для поверхностных взрывов и часто отсутствуют для подземных взрывов. При поверхностных взрывах большая часть тепловой энергии поглощается землей или водой вокруг эпицентра. Кроме того, экранирование из-за неровностей местности от пыли, влаги и различных газов в воздухе у поверхности земли будет иметь тенденцию к уменьшению количества тепловой энергии, достигающей цели. При подземных выбросах без заметного проникновения большая часть тепловой энергии поглощается и рассеивается при нагревании и испарении почвы и воды под поверхностью.

в. Высотные эффекты. При высотных воздушных взрывах (выше 30 км) малая плотность атмосферы меняет характер процесса теплового излучения, так как первичное тепловое излучение поглощается в значительно большем объеме воздуха, и температура системы соответственно меньше . В то время как больший процент мощности взрыва проявляется в виде теплового излучения, большая часть излучения испускается настолько медленно, что становится неэффективной. Около 25-35% общего выхода излучается в одном импульсе очень короткой продолжительности. Кроме того, из-за относительно большого расстояния между центром взрыва и земной поверхностью интенсивность теплового излучения на уровне земли, как правило, невелика.

316. Тепловые эффекты.

а. Когда тепловое излучение попадает на объект, часть его отражается, часть передается, а остальная часть поглощается. Доля падающего излучения, которая поглощается, зависит от природы и цвета материала. Тонкий материал может передавать большую часть падающей на него лучистой энергии. Объект светлого цвета может отражать большую часть падающего излучения и, таким образом, не повреждаться. Термическое повреждение и травма обусловлены поглощением большого количества тепловой энергии в течение относительно коротких промежутков времени. Поглощенное тепловое излучение повышает температуру поглощающей поверхности и приводит к подгоранию, обугливанию и возможному воспламенению горючих органических материалов, таких как дерево, бумага, ткани и т. д. Если материал мишени является плохим проводником тепла, поглощенная энергия большей частью ограничивается поверхностным слоем материала.

б. Радиационное воздействие (# Дж/кв.см), необходимое для воспламенения материалов и других тепловых эффектов, увеличивается с мощностью оружия (таблица 3-III). Это связано с тем, что требуется повышенная тепловая энергия для компенсации потерь энергии за счет проводимости и конвекции во время более длительного теплового импульса оружия большей мощности. Для оружия меньшей мощности тепловой импульс настолько короткий, что этим процессам не хватает времени для охлаждения открытой поверхности. Следовательно, гораздо более высокий процент выделенной тепловой энергии эффективен для создания термических повреждений. Это повышенное тепловое требование не означает, что термическая опасность менее значительна для более высоких урожаев. Наоборот, общая тепловая энергия, выделяющаяся при ядерном взрыве, заметно возрастает с увеличением мощности, и эффекты распространяются на гораздо большие расстояния. Следовательно, хотя для создания заданного теплового отклика для взрыва большой мощности требуется больше тепловой энергии, эффективный диапазон, на который распространяется этот уровень, намного больше.

в. Фактическое воспламенение материалов, подвергшихся тепловому излучению, сильно зависит от ширины теплового импульса (который зависит от мощности оружия) и природы материала, особенно его толщины и влажности. В местах, близких к эпицентру, где радиационное тепловое воздействие превышает 125 Дж/кв. см, почти все горючие материалы воспламеняются, хотя горение может не поддерживаться (таблица 3-III). С другой стороны, на больших расстояниях воспламеняются только наиболее легко воспламеняющиеся материалы, хотя может произойти обугливание открытых поверхностей. Вероятность значительных пожаров после ядерного взрыва зависит от плотности очагов воспламенения, наличия и состояния горючего материала (горячее, сухое, влажное), ветра, влажности и характера окружающей местности. Зажигательные эффекты усугубляются вторичными пожарами, вызванными воздействием взрывной волны, например, из-за опрокинутых печей и печей, разрывов газопроводов и т. Д. В Хиросиме в течение 20 минут после взрыва разразилась мощная огненная буря. Огненная буря горит сама по себе с большой свирепостью и характеризуется ураганными ветрами, дующими к центру огня со всех сторон компаса. Однако это явление не характерно для ядерных взрывов, поскольку оно часто наблюдалось при крупных лесных пожарах и после зажигательных налетов во время Второй мировой войны.

РАЗДЕЛ IV — ЯДЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

317.

Источники ядерного излучения.

Взрывные и тепловые эффекты в той или иной степени проявляются во всех типах взрывов, как обычных, так и ядерных. Выброс ионизирующего излучения, однако, представляет собой явление, уникальное для ядерных взрывов, и является дополнительным механизмом, вызывающим несчастные случаи, наложенным на взрывные и тепловые эффекты. Это излучение в основном бывает двух видов: электромагнитное и корпускулярное, и испускается не только во время детонации (начальное излучение), но и в течение длительных периодов времени после него (остаточное излучение). Первичное или мгновенное ядерное излучение — это ионизирующее излучение, испускаемое в течение первой минуты после детонации и почти полностью возникающее в результате ядерных процессов, происходящих при детонации. Остаточное излучение определяется как излучение, испускаемое позднее чем через 1 минуту после детонации и возникающее главным образом в результате распада радиоизотопов, образовавшихся во время взрыва.

318. Исходное излучение.

Около 5% энергии, выделяемой при воздушном ядерном взрыве, передается в виде начального нейтронного и гамма-излучения. Нейтроны образуются почти исключительно в результате реакций деления и синтеза, производящих энергию, в то время как начальное гамма-излучение включает излучение, возникающее в результате этих реакций, а также в результате распада короткоживущих продуктов деления. Интенсивность исходного ядерного излучения быстро уменьшается по мере удаления от точки взрыва из-за распространения излучения на большую площадь по мере удаления от места взрыва, а также из-за поглощения, рассеяния и захвата атмосферой. Характер излучения, полученного в данном месте, также меняется в зависимости от расстояния до места взрыва. Вблизи точки взрыва интенсивность нейтронов больше интенсивности гамма-излучения, но с увеличением расстояния нейтронно-гамма-отношение уменьшается. В конечном итоге нейтронная составляющая начального излучения становится пренебрежимо малой по сравнению с гамма-составляющей. Диапазон значительных уровней начального излучения не увеличивается заметно с увеличением мощности оружия, и в результате начальное излучение становится менее опасным с увеличением мощности. При использовании более крупного оружия мощностью более 50 Кт взрывное и тепловое воздействие настолько важны, что мгновенными радиационными эффектами можно пренебречь.

319. Остаточная радиация.

Остаточная радиационная опасность ядерного взрыва проявляется в виде радиоактивных осадков и нейтронной активности. Остаточное ионизирующее излучение возникает из-за:

а. Продукты деления. Это изотопы промежуточного веса, которые образуются, когда тяжелое ядро ​​урана или плутония расщепляется в реакции деления. Существует более 300 различных продуктов деления, которые могут возникнуть в результате реакции деления. Многие из них радиоактивны с сильно различающимися периодами полураспада. Некоторые из них очень короткие, т. е. доли секунды, а некоторые достаточно длинные, чтобы материалы могли представлять опасность в течение месяцев или лет. Их основной способ распада – испускание бета- и гамма-излучения. На килотонну выхода образуется около 60 граммов продуктов деления. Расчетная активность этого количества продуктов деления через 1 минуту после детонации равна 1,1 х 10 ²¹ Бк (30 миллионов килограммов радия) в равновесии с продуктами его распада.

б. Нерасщепленный ядерный материал. Ядерное оружие относительно неэффективно в использовании расщепляющегося материала, и большая часть урана и плутония рассеивается взрывом, не подвергаясь делению. Такой нерасщепленный ядерный материал распадается с испусканием альфа-частиц и имеет относительно небольшое значение.

в. Активность, индуцированная нейтронами. Если атомные ядра захватывают нейтроны под воздействием потока нейтронного излучения, они, как правило, становятся радиоактивными (нейтронно-индуцированная активность) и затем распадаются с испусканием бета- и гамма-излучения в течение длительного периода времени. Нейтроны, испускаемые как часть исходного ядерного излучения, вызовут активацию остатков оружия. Кроме того, атомы материала окружающей среды, такого как почва, воздух и вода, могут быть активированы в зависимости от их состава и расстояния от взрыва. Например, небольшая территория вокруг эпицентра может стать опасной в результате воздействия на минералы в почве начального нейтронного излучения. В основном это связано с захватом нейтронов натрием (Na), марганцем, алюминием и кремнием в почве. Это незначительная опасность из-за ограниченной области поражения.

320. Осадки.

а. Fallout по всему миру. После воздушного взрыва продукты деления, нерасщепленный ядерный материал и остатки оружия, испарившиеся под действием тепла огненного шара, конденсируются в тонкую взвесь очень мелких частиц диаметром от 0,01 до 20 микрометров. Эти частицы могут быть быстро унесены в стратосферу, особенно если мощность взрыва превышает 10 кт. Затем они будут рассеяны атмосферными ветрами и постепенно осядут на земную поверхность через недели, месяцы и даже годы в виде глобальных осадков. Радиобиологическая опасность выпадений во всем мире носит, по сути, долгосрочный характер из-за потенциального накопления долгоживущих радиоизотопов, таких как стронций-9.0 и цезий-137 в организме в результате приема пищи, содержащей эти радиоактивные материалы. Эта опасность гораздо менее серьезна, чем те, которые связаны с локальными радиоактивными осадками, и поэтому подробно в этой публикации не обсуждается. Местные радиоактивные осадки представляют гораздо большую непосредственную оперативную озабоченность.

б. Местные осадки. При взрыве на поверхности земли или воды большое количество земли или воды испаряется под действием тепла огненного шара и втягивается в радиоактивное облако. Этот материал станет радиоактивным, если он сконденсируется с продуктами деления и другими радиоактивными загрязнителями или станет активированным нейтронами. При поверхностном взрыве образуется большое количество частиц диаметром от менее 0,1 микрометра до нескольких миллиметров в дополнение к очень мелким частицам, которые способствуют выпадению осадков во всем мире. Более крупные частицы не поднимутся в стратосферу и, следовательно, осядут на землю в течение примерно 24 часов в виде местных осадков. Сильное локальное загрязнение радиоактивными осадками может распространяться далеко за пределы взрывной волны и теплового воздействия, особенно в случае поверхностной детонации с высокой мощностью. Всякий раз, когда люди остаются в радиологически зараженной зоне, такое загрязнение приведет к немедленному внешнему облучению, а также к возможной внутренней опасности в результате вдыхания и проглатывания радиоактивных загрязнителей. В тяжелых случаях загрязнения радиоактивными осадками могут быть получены смертельные дозы внешнего облучения, если не будут приняты меры защиты или уклонения. В случае взрывов на поверхности воды (и на мелководье) частицы имеют тенденцию быть более легкими и меньшими и, таким образом, производят меньше локальных осадков, но будут распространяться на большую площадь. Частицы содержат в основном морскую соль с небольшим количеством воды; они могут влиять на засев облаков, вызывая локальные дожди и районы с сильными локальными осадками. Для подземных всплесков присутствует дополнительное явление, называемое «базовым выбросом». Базовый выброс представляет собой облако, которое катится наружу от нижней части колонны, образовавшейся в результате подземного взрыва. Для подводных всплесков видимая волна представляет собой облако капель жидкости (воды), обладающее свойством течь почти так же, как если бы это была однородная жидкость. После испарения воды может сохраняться невидимый базовый выброс мелких радиоактивных частиц. В случае подземных взрывов волна состоит из мелких твердых частиц, но она по-прежнему ведет себя как жидкость. Почвенно-земляная среда благоприятствует формированию базисных волн при подземном взрыве.

в. Метеорологические эффекты. Метеорологические условия будут сильно влиять на радиоактивные осадки, особенно местные. Атмосферные ветры способны распространять осадки на большие территории. Например, в результате надводного взрыва 15-мегатонного термоядерного устройства на атолле Бикини 1 марта 1954 г. образовался примерно сигарообразный участок Тихого океана, простирающийся по ветру более чем на 500 км и варьирующийся по ширине до 100 км. сильно загрязнены. Снег и дождь, особенно если они идут со значительной высоты, ускорят выпадение местных осадков. При особых метеорологических условиях, таких как локальный ливневый дождь, возникающий над радиоактивным облаком, могут образовываться ограниченные области сильного загрязнения.

Зоны поражения после ядерного взрыва: идеализированная карта

• Репрезентативные зоны поражения для гипотетических ядерных взрывов мощностью 0,1, 1,0 и 10 кт.
• Области кругов идеализированы для целей планирования и иллюстрации и вряд ли будут такими симметричными.
• Границы между зонами, скорее всего, будут менее четкими.

Источник: Руководство по планированию реагирования на ядерный взрыв, второе издание, 6/2010 (PDF — 2,62 МБ) (Сотрудник национальной безопасности, Межведомственный подкомитет по координации политики по обеспечению готовности и реагированию на радиологические и ядерные угрозы, рис. 1.2)

Расстояния до зон для взрывов мощностью 0,1, 1 и 10 КТ показаны для сравнения размеров зон.

Источник: Руководство по планированию реагирования на ядерный взрыв, второе издание, 6/2010 (PDF — 2,62 МБ) (Сотрудник национальной безопасности, Межведомственный подкомитет по координации политики по обеспечению готовности и реагированию на радиологические и ядерные угрозы, рис. 1.3)

• Легкий урон (LD) Зона:
  • Повреждения вызываются ударами, подобными ударам грома или звуковым ударам, но с гораздо большей силой. Хотя некоторые окна могут быть разбиты на расстоянии более 10 миль (16 км), травма, связанная с летящим стеклом, обычно происходит при избыточном давлении выше 0,5 фунта на квадратный дюйм. Это повреждение может соответствовать расстоянию около 3 миль (4,8 км) от эпицентра ядерного взрыва мощностью 10 кт. Ущерб в этой области будет сильно различаться, поскольку ударные волны многократно отскакивают от зданий, местности и даже атмосферы.
  • По мере того, как спасатель будет двигаться внутрь, окна и двери будут выбиты ветром, а водосточные желоба, оконные ставни, крыши и легкие постройки будут получать все больший ущерб. Мусор и щебень будут увеличиваться по мере приближения к эпицентру, и будет увеличиваться количество заглохших и разбившихся автомобилей, что затруднит проезд машин скорой помощи.
  • Расчетное избыточное давление взрыва, характеризующее зону LD, составляет около 0,5 фунта на квадратный дюйм на внешней границе и 2–3 фунта на квадратный дюйм на внутренней границе. Более значительные структурные повреждения зданий будут свидетельствовать о попадании в зону умеренного повреждения.
• Средний ущерб (MD) Зона:
  • Респонденты могут ожидать, что они переходят в зону MD, когда повреждение здания становится значительным. Это повреждение может соответствовать расстоянию около одной мили (1,6 км) от эпицентра ядерного взрыва мощностью 10 кт. Определение производится по изображениям на уровне земли и/или сверху.
  • Наблюдения в зоне МО включают значительные структурные повреждения, взорванные внутренние помещения зданий, взорванные коммуникации, перевернутые автомобили, обрушившиеся крыши, некоторые обрушившиеся здания и пожары. Некоторые телефонные столбы и столбы уличного освещения будут снесены ветром. В зоне MD более прочные здания (например, железобетонные) останутся стоять, более легкие коммерческие и многоквартирные жилые дома могут рухнуть или стать неустойчивыми, а многие деревянные каркасные дома будут разрушены.
  • Ожидается значительное количество завалов, разбитых и перевернутых транспортных средств на улицах, что затруднит или сделает невозможным эвакуацию и проезд спасательных транспортных средств без расчистки улиц. Двигаясь к эпицентру в зоне MD, щебень полностью заблокирует улицы и потребует тяжелой техники для расчистки.
  • В зоне МО ожидаются обрывы водопроводных, газовых, электрических и коммуникационных линий и возникнут пожары.
  • Многие раненые в зоне MD выживут, и эти выжившие, по сравнению с выжившими в других зонах, больше всего выиграют от неотложной медицинской помощи.
  • В зоне ПРО следует ожидать ряд опасностей, в том числе повышенный уровень радиации, потенциально находящиеся под напряжением оборванные линии электропередач, разорванные газопроводы, неустойчивые конструкции, острые металлические предметы и битое стекло, разорванные топливные баки транспортных средств и другие опасности.
  • Видимость на большей части зоны ПРО может быть ограничена в течение часа и более после взрыва из-за пыли, поднятой ударной волной, и обрушившихся зданий. Дым от пожаров также ухудшает видимость.
  • Избыточное давление взрыва, которое характеризует зону MD, составляет внешнюю границу около 2-3 фунтов на квадратный дюйм и внутреннюю границу около 5-8 фунтов на квадратный дюйм. Когда большинство зданий серьезно повреждены или разрушены, спасатели столкнулись с зоной серьезного повреждения.
• Серьезные повреждения (SD) Зона:
  • Немногие, если таковые имеются, здания, как ожидается, будут конструктивно прочными или даже будут стоять в зоне SD, и очень немногие люди выживут; однако некоторые люди, защищенные в стабильных сооружениях (например, в подземных гаражах или туннелях метро) во время взрыва, могут пережить первоначальный взрыв.