Ядерное отключение

Ядерное затемнение , также известное как отключение огненного шара или отключение радара , - это эффект, вызванный взрывами ядерного оружия, который нарушает радиосвязь и приводит к отключению или сильному преломлению радиолокационных систем, поэтому их больше нельзя использовать для точного отслеживания и наведения. Внутри атмосферы эффект вызван большим объемом ионизированного воздуха, создаваемым энергией взрыва, а над атмосферой - действием высокоэнергетических бета-частиц, высвобождаемых из разлагающихся обломков бомбы. На больших высотах эффект может распространяться на большие площади, сотни километров. Эффект медленно исчезает по мере того, как огненный шар рассеивается.

Эффект был известен с первых дней ядерных испытаний, когда радиолокационные системы использовались для отслеживания ядерных грибовидных облаков на очень больших расстояниях. Его расширенные эффекты при взрыве за пределами атмосферы были впервые замечены в 1958 году в ходе ядерных испытаний Hardtack и Argus ^[1], которые вызвали широкие радиопомехи, простирающиеся на тысячи километров. Эффект был настолько обескураживающим, что и Советы, и США нарушили неофициальный мораторий на испытания, действовавший с конца 1958 года, чтобы провести серию испытаний для сбора дополнительной информации о различных высотных эффектах, таких как затемнение и электромагнитный импульс (ЭМИ).

Блэкаут вызывает особую озабоченность у систем противоракетной обороны (ПРО). Взрывая боеголовку в верхних слоях атмосферы сразу за пределами досягаемости защитных ракет, атакующий может покрыть широкую область неба, за которой дополнительные приближающиеся боеголовки не будут видны. Когда эти боеголовки появляются из зоны затемнения, у оборонительной системы может не хватить времени для получения информации слежения и атаки на них. Это было серьезной проблемой для программы LIM-49 Nike Zeus конца 1950-х годов и одной из причин ее отмены. Ключевое открытие, выявленное в ходе тестирования, заключалось в том, что эффект исчезал быстрее при более высоких частотах. В более поздних проектах противоракетной обороны использовались радары, работающие на более высоких частотах в диапазонах УВЧ и УВЧ.микроволновая область, чтобы смягчить эффект.

Эффекты бомбы [ править ]

В атмосфере [ править ]

Это изображение тестового выстрела Hardtack II Lea было сделано через миллисекунды после взрыва. Излучательный огненный шар уже сформировался, и расширяющаяся ударная волна продолжает расширение. Шипы внизу созданы из-за эффекта трюка с веревкой .

Когда ядерная бомба взрывается около уровня земли, плотная атмосфера взаимодействует со многими выделяющимися субатомными частицами. Обычно это происходит на небольшом расстоянии порядка метров. Эта энергия нагревает воздух, мгновенно ионизируя его до накала, в результате чего за микросекунды формируется примерно сферический огненный шар. ^[2]

Фактически происходит взрыв, который создает мощную ударную волну, движущуюся наружу. Энергии, выделяемой ударной волной, достаточно, чтобы сжать нагретый воздух до состояния накала, создавая второй огненный шар. Этот второй огненный шар продолжает расширяться, минуя лучистый. По мере расширения количество энергии в ударной волне падает по закону обратных квадратов , а дополнительная энергия теряется из-за прямого излучения в видимом и ультрафиолетовом спектрах. В конце концов, ударная волна теряет столько энергии, что не нагревает воздух настолько, чтобы вызвать его свечение. В этот момент, известный как отрыв , фронт ударной волны становится прозрачным, и огненный шар перестает расти. ^[2]

Диаметр огненного шара от взорвавшейся бомбы можно оценить по формуле: ^[3]

${\ displaystyle D = (Y {\ frac {\ rho _ {0}} {\ rho}}) ^ {\ frac {1} {3}}}$ километров

Где - мощность в мегатоннах, а - отношение плотности воздуха на уровне моря к плотности воздуха на высоте. Таким образом, бомба мощностью 1 мегатонна в тротиловом эквиваленте (4,2 ПДж), взорвавшаяся на высоте взрыва около 5000 футов (1500 м) ^[а] , расширится примерно до 1 километра (3300 футов). ^[4] Отношение можно рассчитать в широком диапазоне, предположив экспоненциальную зависимость:${\ displaystyle Y}$${\ displaystyle {\ frac {\ rho _ {0}} {\ rho}}}$${\ displaystyle {\ frac {\ rho _ {0}} {\ rho}}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ rho} {\ rho _ {0}}} = e ^ {-} {\ frac {h} {22000}}}$

где - высота взрыва в футах. ^[3] Таким образом, тот же самый взрыв на высоте 50 000 футов (15 000 м) произойдет при давлении около 0,1 атмосферы, в результате чего возникнет огненный шар порядка 2150 метров (7050 футов) в диаметре, что примерно в два раза больше, чем у земли. . При взрыве на большой высоте, скажем, 250 000 футов (76 км), огненный шар расширится до 46 километров (29 миль) в диаметре. ^[4]${\ displaystyle h}$

Вне атмосферы [ править ]

Когда бомба взрывается за пределами атмосферы, обычно на любой высоте выше 100 километров (330 000 футов), отсутствие взаимодействия с воздухом меняет характер образования огненного шара. В этом случае различные субатомные частицы могут перемещаться на произвольные расстояния и продолжать опережать расширяющиеся обломки бомбы. Отсутствие атмосферы также означает, что не образуется ударная волна, и только светящиеся обломки бомбы образуют огненный шар. В таких взрывах сам по себе огненный шар не является серьезной проблемой для радара, но взаимодействие частиц с атмосферой под ними вызывает ряд вторичных эффектов, которые столь же эффективны при блокировании радара, как и огненный шар на малой высоте. ^[3]

По простым геометрическим причинам около половины частиц, выпущенных взрывом, будут двигаться к Земле и взаимодействовать с верхними слоями атмосферы, а другая половина перемещается вверх в космос. ^[3] Частицы проникают в атмосферу на глубину, зависящую от их энергии: ^[5]

Два из этих эффектов особенно заметны. Первый связан с гамма-излучением, которое возникает в виде вспышки непосредственно под взрывом и быстро ионизирует воздух, вызывая мощный импульс движущихся вниз электронов. Нейтроны, прибывающие немного позже и растянутые во времени, вызывают аналогичные эффекты, но менее интенсивные и в течение немного более длительного времени. Эти гаммы и нейтроны являются источником ядерного электромагнитного импульса или ЭМИ, который может повредить электронику, не защищенную от его воздействия. ^[3]

Второй важный эффект вызван бета-частицами высоких энергий. Они постоянно создаются в результате радиоактивного распада уранового тампера, который окружает термоядерную зону, поэтому величина этого эффекта в значительной степени зависит от размера бомбы и ее физического рассеивания в космосе. Поскольку бета-версии легкие и электрически заряженные, они следуют за магнитным полем Земли. Это возвращает движущиеся вверх беты обратно на Землю, хотя, возможно, и не в том же месте. ^[6]

В отличие от гамма-излучения, которое ионизирует только атомы, на которые они наносят удар, быстро движущийся бета-сигнал вызывает огромные магнитные поля в атомах, которые они проходят рядом, заставляя их ионизироваться, замедляя бета-излучение. Таким образом, каждая бета может вызывать множественную ионизацию, а также сама по себе является свободным электроном. Это вызывает гораздо больший, но растянутый импульс тока электронов с меньшей энергией, высвобождаемых из этих молекул воздуха. ^[7] Поскольку реакция происходит на расстоянии от 50 до 60 км, в результате получается диск из ионизированного воздуха толщиной около 10 км и (обычно) в несколько сотен километров в поперечнике. ^[8]

Кроме того, бета-версии, которые движутся примерно параллельно магнитным полям Земли, будут захвачены и вызовут аналогичные эффекты там, где магнитное поле пересекает атмосферу. На любой заданной долготе есть два места, где это происходит, к северу и к югу от экватора, и эффект максимизируется за счет взрыва бомбы в одном из этих мест, чтобы создать как можно более сильный сигнал в области магнитного сопряжения . Этот эффект , известный как эффект Христофилоса , был предметом серьезных исследований в конце 1950-х годов, но эффект оказался менее сильным, чем ожидалось. ^[9]

Эффекты затемнения [ править ]

Когда электроны связаны с атомами и молекулами, квантовая механика заставляет электроны естественным образом принимать набор различных энергетических уровней. Некоторые из них соответствуют фотонам разной энергии, включая радиочастоты. В металлах уровни энергии расположены так близко друг к другу, что электроны в них будут реагировать практически на любой радиочастотный фотон, что делает их прекрасными материалами для антенн . То же самое верно и для свободных электронов, но в этом случае вообще нет собственных энергетических уровней, и электроны будут реагировать практически на любой фотон. ^[10]

В огненных шарах [ править ]

В ядерном огненном шаре воздух ионизирован и состоит из смеси ядер и свободных электронов. Последние настолько сильно преломляют радиоволны, что образуют зеркальную поверхность, когда концентрация электронов выше критического значения. Когда огненный шар излучает энергию и охлаждается, ионы и электроны снова превращаются в атомы, и эффект медленно исчезает в течение нескольких секунд или минут. Даже когда оно охлаждает, облако ослабляет сигналы, возможно, до такой степени, что оно становится бесполезным для использования радарами. ^[5]

Полное отражение от огненного шара происходит, когда радиочастота меньше плазменной частоты : ^[11]

${\displaystyle f_{p}=8970N_{e}^{\frac {1}{2}}}$ Гц

где - количество свободных электронов на кубический сантиметр. Для сигнала с длиной волны 1 м (300 МГц) это происходит при плотности 10 ⁹ свободных электронов на кубический сантиметр. ^[6] Даже при очень низких плотностях ионизация преломляет энергию радиоизлучения, ослабляя ее в соответствии с: ^[3]${\displaystyle N_{e}}$

${\displaystyle F_{a}=1.4^{1-5{\frac {(2\pi f_{p})^{2}}{(2\pi f)^{2}}}+f_{c}^{2}}}$ децибел / км

где - плазменная частота, как указано выше, - частота радиосигнала, - частота столкновений атомов в воздухе. Последнее зависит от плотности и, следовательно, от высоты: ^[3]${\displaystyle f_{p}}$${\displaystyle f}$${\displaystyle f_{c}}$

${\displaystyle f_{c}=2x10^{11}{\frac {p}{p_{0}}}}$ Гц

где - плотность воздуха на высоте взрыва, - плотность на уровне моря (1 атм). Поскольку огненный шар может расширяться до сотен километров на большой высоте, это означает, что типичное затухание 1 дБ на километр через огненный шар на средних и больших высотах, которое расширяется до 10 км, полностью ослабит сигнал, заставляя отслеживать объекты на дальней высоте. сторона невозможна. ^[12]${\displaystyle p}$${\displaystyle p_{0}}$

Вне атмосферы [ править ]

Эффекты бета-выброса вне атмосферы оценить труднее, потому что многое зависит от геометрии выброса. Однако можно определить плотность продуктов деления и, таким образом, взаимосвязь между размером ионизационного диска и его прочностью, рассматривая выход продуктов для взрыва в мегатоннах: ^[3]${\displaystyle Y}$

${\displaystyle y={\frac {Y}{2\pi d^{2}}}}$ тонн / единицу площади

где - диаметр диска для данного взрыва.${\displaystyle d}$

Время жизни затемнения [ править ]

Когда взрыв происходит в атмосфере, быстро образуется огненный шар, который вначале испускает значительную энергию в виде видимого и ультрафиолетового света. Это быстро охлаждает огненный шар примерно до 5000 ° C, после чего процесс охлаждения значительно замедляется. С этого момента основной охлаждающий эффект происходит за счет теплопередачи с окружающей воздушной массой. Этот процесс занимает несколько минут, и, поскольку на больших высотах меньше воздуха, огненный шар остается ионизированным в течение более длительных периодов времени. ^[12]

На больших высотах, от 100 000 до 200 000 футов (30–60 км), плотности воздуха недостаточно, чтобы оказывать значительное влияние, и огненный шар продолжает охлаждаться радиационным излучением. Как правило , процесс описывается излучательной рекомбинации константой , , которая составляет около 10 ^-12 кубических сантиметров в секунду. Если начальная плотность электронов равна 10 ¹² , плотность 10 ⁹  электронов / см ² не произойдет до 1000 секунд, примерно 17 минут. ^[12]${\displaystyle C_{r}}$

Для чисто внеатмосферных взрывов бета-версии, вызывающие затемнение диска, постоянно возникают в результате деления в обломках бомбы. Это зависит от периода полураспада реакции порядка секунд. Чтобы поддерживать затемнение, необходимо выполнить уравнение: ^[13]

${\displaystyle yxt^{-1.2}>10^{-2}}$

Для создания полного затемнения с 10 ⁹ свободными электронами на кубический сантиметр требуется около 10 тонн продуктов деления на квадратный километр. Это может быть достигнуто с помощью одной типовой бомбы мощностью в 1 Мт. ^[13]

Затемнение и противоракетная оборона [ править ]

Блэкаут - это особая проблема в системах противоракетной обороны, где этот эффект может использоваться для поражения наземных радаров путем создания больших непрозрачных областей, за которыми не видно приближающихся боеголовок. В зависимости от времени реакции перехватчиков, это может сделать их бесполезными, поскольку приближающиеся боеголовки снова появляются слишком поздно, чтобы перехватчик смог найти траекторию и запустить свою ракету. ^[7]

Для перехватчиков ближнего действия, таких как Sprint , затемнение не является серьезной проблемой, потому что весь перехват происходит на дальностях и высотах ниже, где огненные шары становятся достаточно большими, чтобы заблокировать значительную область неба. При номинальной дальности действия Sprint 45 километров (28 миль) его собственная боеголовка мощностью в несколько килотонн создаст огненный шар диаметром около 1 километра (3000 футов), что представляет собой угол 1 км / 45 км ² = 0,001  стерадиана (ср). На той же высоте взрыв мощностью 1 Мт создаст огненный шар размером порядка 10 километров (6 миль) в поперечнике или около 0,05 ср, что все еще не вызывает серьезного беспокойства. ^[7]

Только атака, состоящая из нескольких десятков больших боеголовок, будет достаточно значительной, чтобы вызвать проблемы с перехватчиком малой дальности. ^[7] Но то же самое произошло бы и с боеголовками ракет-перехватчиков, если бы они взорвались рядом друг с другом, что было бы типично, потому что «необходимо было запустить более одной оборонительной ракеты по каждому приближающемуся опасному объекту ... [для] обеспечения достаточно высокой вероятности [a] kill ». ^[1] Такие проблемы были исследованы в серии испытаний операции «Доминик» в 1962 году . Вывод из этих тестов в том , что единственным решением такого профиля атаки будет использовать несколько радарных систем неттинга их вместе, и выбор в зависимости от того один имеет ясное представление о цели. ^[14]Это значительно увеличило бы расходы на систему ПРО, поскольку радары были одними из самых дорогих компонентов таких систем, как Nike-X . ^[1]

Против ракет большой дальности, таких как Spartanэти же высотные взрывы представляли более серьезную проблему. В этом случае ожидалось, что ракета будет осуществлять перехват на дальностях до 500 километров (300 миль), а для достижения этого расстояния требовалось некоторое время. Единственный взрыв вне атмосферы может покрыть территорию диском диаметром 400 километров (250 миль) на высоте около 60 километров (40 миль). Боеголовка, появляющаяся из-за этого сигнала, была бы слишком близко для спартанца, чтобы атаковать ее своей рентгеновской боеголовкой, которая полагалась на взрыв, происходящий за пределами атмосферы. Защита должна будет либо иметь дело с последующими боеголовками с помощью своего оружия ближнего действия, такого как Sprint, либо атаковать каждую приближающуюся боеголовку на большом расстоянии, если она может быть частью такой атаки с затемнением.Изощренные атаки с множественными взрывами затемнения вызвали некоторую озабоченность.^[7]

Существует прямая зависимость между длиной волны радара и размером антенны, необходимой для обеспечения заданного разрешения. Это означает, что использование более высоких частот для поисковых радаров является преимуществом, поскольку они смогут обнаружить объект заданного размера, такой как боеголовка или фрагменты ускорителя, с помощью меньшей антенны. Однако, как правило, дешевле генерировать радиомодуль на более низких частотах, что компенсирует недостаток разрешения, позволяя создавать более мощные радары. Компромисс между этими двумя эффектами требует тщательной оптимизации. ^[15]

Затемнение радара еще больше усложняет эти проблемы. Приведенной выше формуле является тот факт, что более высокие частоты затемняются на более короткое время. Это предполагает, что радары дальнего действия должны использовать как можно более высокую частоту, хотя это более сложно и дорого. Изначально US PAR был разработан для работы в диапазоне VHF, чтобы обеспечить чрезвычайно высокую мощность и при этом относительно низкую стоимость, но на этапе проектирования он был перемещен в регион UHF, чтобы помочь смягчить этот эффект. ^[16] Даже тогда он будет сильно ослаблен. ^[7]

Это означает, что экзоатмосферные взрывы очень эффективны против радаров дальнего радиолокационного обнаружения, таких как ФАР или советский Днестр . Одиночная боеголовка мощностью 1 Мт, взорванная на высоте 250 км, будет находиться на расстоянии около 600 км (400 миль) вниз с учетом типичных траекторий и, как можно ожидать, создаст ионизационный диск диаметром 300 км (200 миль). Как видно с радара, это будет угол 300 км / 600 км ^2.= 0,3 ср, достаточно, чтобы скрыть любые боеголовки, приближающиеся по аналогичным путям. Это позволило бы, например, одной боеголовке из определенного ракетного поля скрыть все последующие из того же поля. Хотя это не повлияло бы на работу перехватчиков напрямую, находясь за пределами досягаемости даже спартанцев очень дальнего действия, такие операции могли серьезно нарушить направление рейда и общее планирование боя. Более того, поскольку взрыв происходит за пределами досягаемости перехватчиков, нет простых способов его остановить. ^[8]

Значительная неопределенность [ править ]

Хотя приведенные выше формулы, вероятно, полезны для скрытых обсуждений, необходимо учитывать, что фактическое тестирование этих эффектов проводилось мало из-за различных запретов на тестирование. За всю историю испытаний в США было проведено только семь испытаний с соответствующими приборами на высотах от 10 до 25 километров (33 000–82 000 футов) в верхних слоях атмосферы, которые были бы подходящими для поздней стадии затемнения, и только два были испытаны на высотах вне атмосферы. . Ни один из этих тестов не содержал множественных всплесков, которые можно было бы ожидать от любой атаки, преднамеренно вызывающей затемнение. ^[7]

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Цитаты [ править ]

Библиография [ править ]

• Bell Labs (октябрь 1975 г.). Исследования и разработки ABM в Bell Laboratories, История проекта (Технический отчет) . Дата обращения 13 мая 2015 .CS1 maint: ref=harv (link)
• Blades, Дэвид; Сиракуза, Джозеф (2014). История ядерных испытаний в США и их влияние на ядерную мысль . Роуман и Литтлфилд. ISBN 9781442232013.
• Канаван, Грегори (2003). Противоракетная оборона в 21 веке (PDF) . Фонд «Наследие». ISBN 0-89195-261-6.
• Картер, Эштон; Шварц, Дэвид (1984). Противоракетная оборона . Издательство Брукингского института. ISBN 9780815713128.
• Константа, Джеймс (2013). Основы стратегического оружия: системы нападения и защиты . Springer. ISBN 9789401506496.
• Гарвин, Ричард; Бете, Ганс (март 1968 г.). "Противоракетные системы" (PDF) . Scientific American . 218 (3): 21–31. DOI : 10.1038 / Scientificamerican0368-21 .
• Мок, Джон (январь – февраль 1966 г.). «Высотные ядерные эффекты» . Обзор авиационного университета .
• Последствия ядерной войны (PDF) . Офис оценки технологий Конгресса США. Май 1979 г.