Файл: Подводные и подземные взрывы сб. ст.pdf

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

ВОЗДУШНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВАХ 411

другими факторами получены в Медине, Техас, при слу­ чайном взрыве в ноябре 1963 г. Из 12 миллионов окон, имевшихся в Сан-Антонио, 3644 были разбиты под дей­ ствием избыточного давления, изменявшегося примерно

ю«

100 000 жителей.

По оси абсцисс: избыточное давле­ ние, мбар; по оси ординат: число разбитых стекол.

1—примерная область средних дан­ ных; 2—экстраполяция.

ю

от 1 до 10 мбар и возникшего от взрыва 115 т химиче­ ского ВВ.

В целом, как показано на рис. 12, для типичного города с населением 100000 человек ожидаемое число разбитых стекол может быть оценено в зависимости от ожидаемого избыточного давления. Когда этот оценоч­ ный метод был применен к одиночному дому, где было разбито одно окно при испытательном взрыве около горо­ да Седар, штат Юта, в октябре 1968 г., то получилось, что должно было бы быть разбито только 47% стекол,

шения— растрескивание штукатурки, повреждение до­ машних вещей и т. д. — существенно увеличивают стои­ мость убытков и составляют около 40% стоимости по­ врежденных окон. Испытания со звуковыми ударами находятся в согласии с этими данными. Технические подробности реакции конструкций на эти разнообраз­ ные воздействия получить практически невозможно.

К чисто экономическим расчетам ограничений на воздушные ударные волны взрывов по программе «Плаушер» нужно добавить возможность ранения лю­ дей. Барабанная перепонка может лопнуть при избы­ точном давлении около 5 фунт/дюйм2, или 350 мбар. При меньших давлениях не будет никаких прямых фи­ зиологических повреждений людей. Однако при давле­ нии 1 фунт/дюйм2 могут быть ранения при падении или от других действий, например испуга, вызванных удар­ ной волной. При много меньших давлениях вторичная опасность исходит от разбитых или треснувших стекол, а она выходит за рамки стоимостных оценок. К счастью, серьезных сведений об этом практически нет. Никто не был ранен стеклом, разбитым от ядерного испытания или от случайного взрыва в Медине. Однако имеются 15 случаев ранения, когда было выбито 300 стекол при недавнем звуковом ударе в академии USAF. Есть на­ дежда, что детальный доклад об этом случае поможет оценить потенциальную опасность при выбивании окон.

7. ВЫВОДЫ

Прогнозные расчеты действия ударных волн начи­ наются с гидродинамического определения волны около источника, которое хорошо известно и зависит от энер­ гии, взрывчатки и других известных параметров. Взрывы на выброс по программе «Плаушер» вызывают воздуш­ ную ударную волну, ослабленную или диссипированную в разной степени в соответствии с глубиной взрыва и свойствами окружающей породы. Для адекватного опре­ деления этой части продолжают проводиться опыты.

Поскольку воздушная ударная волна взаимодей­ ствует с атмосферой, ее распространение на большие