Ядерное отключение - Nuclear blackout

Ядерное отключение, также известный как затемнение огненного шара или отключение радара, это эффект, вызванный взрывами ядерное оружие это нарушает радиосвязь и вызывает затемнение или сильное преломление радиолокационных систем, поэтому их нельзя больше использовать для точного отслеживания и наведения. Внутри атмосферы эффект вызван большим объемом ионизированный воздух создается энергией взрыва, а над атмосферой - действием высокоэнергетических бета-частицы освобожден от 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 самых 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 как часть Hardtack и Аргус ядерные испытания,[1] что вызвало обширные радиопомехи, распространяющиеся 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 противобаллистическая ракета (ПРО) системы. Взрывая боеголовку в верхних слоях атмосферы сразу за пределами досягаемости защитных ракет, атакующий может покрыть широкую область неба, за которой невозможно увидеть дополнительные приближающиеся боеголовки. Когда эти боеголовки выходят из зоны затемнения, у оборонительной системы может не хватить времени для получения информации слежения и атаки на них. Это было серьезной проблемой для LIM-49 Nike Zeus программа конца 1950-х годов и одна из причин, по которой она была в конечном итоге отменена. Ключевым открытием, выявленным в ходе тестирования, было то, что эффект исчезал быстрее при более высоких частотах. В более поздних проектах противоракетной обороны использовались радары, работающие на более высоких частотах в УВЧ и микроволновая печь регион, чтобы смягчить эффект.

Эффекты бомбы

В атмосфере

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 возникают из-за эффект 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, быстро ионизируя его, чтобы накал и формирование примерно сферического огненного шара за микросекунды.[2]

Фактический взрыв происходит с меньшей скоростью, что создает мощный ударная волна движется наружу. Энергии, выделяемой ударной волной, достаточно, чтобы тепло сжатия воздух накаляется, создавая второй огненный шар. Этот второй огненный шар продолжает расширяться, минуя лучистый. По мере расширения количество энергии в ударной волне падает в соответствии с закон обратных квадратов, а дополнительная энергия теряется из-за прямого излучения в видимом и ультрафиолетовом спектре. В конце концов, ударная волна теряет столько энергии, что не нагревает воздух настолько, чтобы заставить его светиться. В этот момент, известный как вырватьсяфронт ударной волны становится прозрачным, и болид перестает расти.[2]

Диаметр огненного шара для бомбы, разорвавшейся без земли, можно оценить по формуле:[3]

километров

Где - доходность в мегатоннах, а - отношение плотности воздуха на уровне моря к плотности воздуха на высоте. Итак, бомба мощностью 1 мегатонна в тротиловом эквиваленте (4,2 ПДж) взорвалась на высоте порядка 5000 футов (1500 м).[а] расширится примерно до 1 километра (3300 футов).[4] Соотношение можно рассчитать в широком диапазоне, предполагая экспоненциальную зависимость:

где высота взрыва в футах.[3] Таким образом, такой же взрыв на высоте 50 000 футов (15 000 м) произойдет при давлении около 0,1 атмосферы, в результате чего возникнет огненный шар диаметром порядка 2150 метров (7050 футов), 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]

За пределами атмосферы

Обломки бомбы от Морская звезда Прайм проследовал по магнитным линиям Земли, создав этот огненный шар в форме веера. Ниже бета-частицы, выделяемые этими обломками, вызывают красный ионизационный диск, покрывающий большую часть неба.

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. При таких взрывах огненный шар сам по себе 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 в результате взрыва, 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]

ЧастицыЭнергияВысота
осколки деления150 километров
Рентгеновские лучи4 кэВ80 км
бета-частицы1 МэВ60 километров
гамма лучи3 МэВ30 км
нейтроны1 МэВ30 км

Два из этих эффектов особенно заметны. Первая связана 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 большего времени. Эти гаммы и нейтроны являются источником ядерный электромагнитный импульс, или ЭМИ, которые могут повредить электронику, не защищенную от его воздействия.[3]

Второй важный эффект вызван бета-частицами высокой энергии. 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 в другом месте.[6]

В отличие от гамма-излучения, которое ионизирует только атомы, на которые они ударяются, быстро движущееся бета-излучение вызывает огромные магнитные поля в атомах, которые они проходят рядом, заставляя их ионизоваться, 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 югу от экватора, и эффект максимизируется за счет взрыва бомбы в одном из этих мест, чтобы создать как можно более сильный сигнал в точке магнитно-сопряженная область. Известный как Эффект Христофилоса, это было предметом серьезных исследований в конце 1950-х годов, но эффект оказался менее сильным, чем ожидалось.[9]

Эффекты затемнения

Когда он связан с атомами и молекулами, квантовая механика заставляет электроны естественным образом принимать набор различных энергетических уровней. Некоторые из них соответствуют фотоны различных энергий, в том числе радиочастот. В металлах уровни энергии расположены так близко друг к другу, что электроны в них будут реагировать практически на любой радиочастотный фотон, что делает их отличными. антенна материалы. 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

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 плазменная частота:[11]

Гц

где - количество свободных электронов на кубический сантиметр. Для сигнала с длиной волны 1 м (300 МГц) это происходит, когда плотность составляет 109 свободных электронов на кубический сантиметр.[6] Даже при очень низких плотностях ионизация будет преломлять энергию радиоизлучения, ослабляя ее в соответствии с:[3]

децибел / км

где плазменная частота, как указано выше, - частота радиосигнала, а это частота столкновений атомов в воздухе. Последнее является функцией плотности и, следовательно, высоты:[3]

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 невозможно.[12]

За пределами атмосферы

Эффекты бета-выброса вне атмосферы оценить труднее, потому что многое зависит от геометрии взрыва. Однако можно определить плотность продуктов деления и, таким образом, соотношение между размером ионизационного диска и его прочностью, учитывая Уступать продуктов для взрыва в мегатоннах:[3]

тонн / единицу площади

где диаметр диска для данного взрыва.

Время жизни затемнения

Когда взрыв происходит в атмосфере, быстро формируется 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. Обычно процесс описывается константа излучательной рекомбинации, , что составляет около 10−12 кубические сантиметры в секунду. Если начальная концентрация электронов 1012, плотность 109 электронов / см2 не произойдет до 1000 секунд, около 17 минут.[12]

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

Чтобы создать полное затемнение, с 109 свободных электронов 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]

Блэкаут и противоракетная оборона

Блэкаут - это особая проблема в системах противоракетной обороны, где этот эффект может быть использован 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 определить траекторию и запустить свою ракету.[7]

Для перехватчиков ближнего действия, таких как Спринт, 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 в 45 километров (28 миль) его собственная боеголовка мощностью в несколько килотонн создаст огненный шар диаметром около 1 километра (3000 футов), что соответствует углу 1 км / 45 км.2 = 0.001 стерадианы (SR). 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 типичным, потому что «необходимо было запустить более одной оборонительной ракеты по каждому приближающемуся опасному объекту ... [для] обеспечения достаточно высокой вероятности [a] ] убить ".[1] Такие вопросы исследовались в 1962 г. Операция Доминик серия испытаний. Вывод из этих испытаний заключался в том, что единственным решением такого профиля атаки было бы использование нескольких радарных систем. сетка их вместе и выбирая тот из них, который дает наиболее четкое представление о целях.[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 Спартанский эти 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. Одиночный 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, чтобы спартанец мог атаковать ее своей рентгеновской боеголовкой, которая полагалась на взрыв, происходящий за пределами атмосферы. Защите придется либо иметь дело с последующими боеголовками с помощью своего оружия ближнего действия, такого как Sprint, либо атаковать каждую приближающуюся боеголовку на большом расстоянии, если это может быть частью такой атаки затемнения. 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, менее затратно генерировать радиосигнал 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 сложнее и дороже. Соединенные штаты PAR изначально был разработан для работы в диапазоне УКВ, чтобы иметь чрезвычайно высокую мощность и при этом относительно низкую стоимость, но на этапе проектирования он был перемещен в диапазон УВЧ, чтобы уменьшить этот эффект.[16] Даже тогда он был бы сильно ослаблен.[7]

Это означает, что экзоатмосферные взрывы очень эффективны против дальних радары раннего предупреждения подобно PAR или советский Днестр. Одиночная боеголовка мощностью 1 Мт, взорванная на высоте 250 км, будет находиться на расстоянии около 600 километров (400 миль) вниз с учетом типичных траекторий и, как можно ожидать, создаст ионизационный диск диаметром 300 километров (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, потому что взрыв происходит за пределами досягаемости перехватчиков, простых способов его остановить.[8]

Значительная неопределенность

Хотя приведенные выше формулы, вероятно, будут полезны для скрытых дискуссий, 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 подходят 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]

Примечания

  1. ^ Высота почти во всех частях света всегда выражается в футах (авиационные высотомеры точно так же всегда калибруются в футах). Единственным исключением был бывший СССР, который выражал высоту в метрах и откалибровал высотомеры своих самолетов для соответствия. Это продолжается и сегодня, поскольку большинство стран бывшего СССР все еще используют счетчики в основном из-за унаследованного парка самолетов.

Рекомендации

Цитаты

  1. ^ а б c Blades и Сиракуза 2014, п. 178.
  2. ^ а б Эффекты 1979 С. 15–20.
  3. ^ а б c d е ж грамм час Постоянный 2013, п. 100.
  4. ^ а б Канаван 2003, п. 113.
  5. ^ а б Макет 1966.
  6. ^ а б Гарвин и Бете, 1968 г., п. 29.
  7. ^ а б c d е ж грамм Канаван 2003, п. 14.
  8. ^ а б Канаван 2003, п. 15.
  9. ^ Якобсен, Энни (2015). Мозг Пентагона. Маленький, Браун. ISBN  9780316371650.
  10. ^ «Квантовые числа и уровни атомной энергии». Гиперфизика.
  11. ^ Постоянный 2013, п. 99.
  12. ^ а б c Гарвин и Бете, 1968 г., п. 30.
  13. ^ а б Гарвин и Бете, 1968 г., п. 31.
  14. ^ Картер и Шварц 1984, п. 65.
  15. ^ Канаван 2003 С. 7-8.
  16. ^ Bell Labs 1975 г., п. 8-2.

Библиография