Ядерное отключение

Ядерное затемнение , также известное как затемнение огненного шара или радиолокационное затемнение , является эффектом, вызванным взрывами ядерного оружия , которое нарушает радиосвязь и приводит к затемнению или сильному преломлению радиолокационных систем, так что они больше не могут использоваться для точного отслеживания и наведения. В атмосфере эффект вызван большим объемом ионизированного воздуха, созданного энергией взрыва, тогда как над атмосферой он обусловлен действием высокоэнергетических бета-частиц, выделяемых распадающимися обломками бомбы. На больших высотах эффект может распространяться на большие площади, сотни километров. Эффект медленно затухает по мере рассеивания огненного шара.

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 в ходе ядерных испытаний Hardtack и Argus ^[1] , которые вызвали широкомасштабные 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 отключение электроэнергии и электромагнитный импульс (ЭМИ).

Blackout является особой проблемой для систем противоракетной обороны (ПРО). Взрывая боеголовку в верхних слоях атмосферы, находящихся за пределами радиуса действия оборонительных ракет, нападающий может покрыть большую область неба, за которой не будут видны дополнительные приближающиеся боеголовки. Когда эти боеголовки появятся из зоны затемнения, у оборонительной системы может не хватить времени, чтобы разработать информацию для отслеживания и атаковать их. Это было серьезной проблемой для программы LIM-49 Nike Zeus конца 1950-х годов и одной из причин, по которой она в конечном итоге была отменена. Ключевым открытием, выявленным в ходе испытаний, стало то, что эффект исчезал быстрее для более высоких частот. Более поздние конструкции противоракетной обороны использовали радары, работающие на более высоких частотах в диапазоне УВЧ и микроволнового диапазона, чтобы смягчить эффект.

Эффекты бомбы

В атмосфере

Когда ядерная бомба взрывается вблизи уровня земли, плотная атмосфера взаимодействует со многими субатомными частицами, которые высвобождаются. Обычно это происходит на небольшом расстоянии, порядка метров. Эта энергия нагревает воздух, быстро ионизируя его до раскаленного состояния и вызывая образование примерно сферического огненного шара в течение микросекунд. ^[2]

С меньшей скоростью происходит сам взрыв, который создает мощную ударную волну, движущуюся наружу. Энергии, выделяемой ударной волной, достаточно, чтобы сжать воздух и раскалить его добела, создав второй огненный шар. Этот второй огненный шар продолжает расширяться, минуя лучистый. По мере расширения количество энергии в ударной волне падает в соответствии с законом обратных квадратов , в то время как дополнительная энергия теряется через прямое излучение в видимом и ультрафиолетовом спектре. В конце концов ударная волна теряет так много энергии, что она больше не нагревает воздух достаточно, чтобы заставить его светиться. В этой точке, известной как отрыв , ударный фронт становится прозрачным, и огненный шар перестает расти. ^[2]

Диаметр огненного шара при взрыве бомбы над землей можно оценить по формуле: ^[3]

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

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

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

где - высота взрыва в футах. ^[3] Таким образом, тот же взрыв на высоте 50 000 футов (15 000 м) будет иметь давление около 0,1 атмосферы, что приведет к образованию огненного шара диаметром порядка 2150 метров (7050 футов), что примерно вдвое больше, чем у земли. Для взрыва на большой высоте, скажем, 250 000 футов (76 км), огненный шар расширится до диаметра около 46 километров (29 миль). ^[4] $ч$

За пределами атмосферы

Когда бомба взрывается вне атмосферы, как правило, на любой высоте выше 100 километров (330 000 футов), отсутствие взаимодействия с воздухом изменяет природу формирования 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 сами светящиеся обломки бомбы формируют огненный шар. При такого рода взрывах сам огненный шар не является существенной проблемой для радаров, но взаимодействие частиц с атмосферой под ними вызывает ряд вторичных эффектов, которые так же эффективны для блокирования радаров, как и огненный шар на низкой высоте. ^[3]

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

Два из этих эффектов особенно примечательны. Первый из них связан с гамма-лучами, которые появляются в виде всплеска прямо под взрывом и быстро ионизируют воздух, вызывая огромный импульс электронов, движущихся вниз. Нейтроны, появляющиеся немного позже и растянутые во времени, вызывают похожие эффекты, но менее интенсивные и в течение немного большего времени. Эти гамма-лучи и нейтроны являются источником ядерного электромагнитного импульса , или ЭМИ, который может повредить электронику, не защищенную от его воздействия. ^[3]

Второй важный эффект вызван высокоэнергетическими бета-частицами. Они постоянно создаются радиоактивным распадом уранового тампера, который окружает ядро термоядерной реакции, поэтому величина этого эффекта в значительной степени зависит от размера бомбы и ее физического рассеивания в пространстве. Поскольку бета-частицы и легкие, и электрически заряженные, они следуют за магнитным полем Земли. Это возвращает поднимающиеся вверх бета-частицы обратно на Землю, хотя, возможно, и не в то же самое место. ^[6]

В отличие от гамма-частиц, которые ионизируют только атомы, с которыми они сталкиваются, быстро движущаяся бета-частица индуцирует огромные магнитные поля в атомах, мимо которых она проходит, заставляя их ионизироваться, одновременно замедляя бета-частицу. Таким образом, каждая бета-частица может вызывать множественные ионизации, а также сама по себе быть свободным электроном. Это вызывает гораздо больший, но рассредоточенный импульс тока электронов с более низкой энергией, высвобождаемых из этих молекул воздуха. ^[7] Поскольку реакция происходит на расстоянии от 50 до 60 км, результатом является диск ионизированного воздуха толщиной около 10 км и (обычно) в несколько сотен километров в поперечнике. ^[8]

Кроме того, бета-частицы, движущиеся примерно параллельно магнитным полям Земли, будут пойманы в ловушку 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 путем взрыва бомбы в одном из этих мест, чтобы создать как можно более сильный сигнал в магнитно-сопряженной области . Известный как эффект Христофилоса , он был предметом серьезных исследований в конце 1950-х годов, но эффект оказался менее мощным, чем ожидалось. ^[9]

Эффекты затемнения

При связывании с атомами и молекулами квантовая механика заставляет электроны естественным образом принимать набор различных энергетических уровней. Некоторые из них соответствуют фотонам с различными энергиями, включая радиочастоты. В металлах энергетические уровни расположены так близко, что электроны в них будут реагировать практически на любой радиочастотный фотон, что делает их превосходными материалами для антенн . То же самое верно и для свободных электронов, но в этом случае нет никаких присущих им энергетических уровней вообще, и электроны будут реагировать практически на любой фотон. ^[10]

В огненных шарах

Внутри ядерного огненного шара воздух ионизирован, состоит из смеси ядер и свободных электронов. Последние так сильно преломляют радиоволны, что образуют зеркальную поверхность, когда плотность электронов превышает критическое значение. По мере того, как огненный шар излучает энергию и остывает, ионы и электроны снова преобразуются в атомы, и эффект медленно затухает в течение нескольких секунд или минут. Даже когда облако остывает, оно ослабляет сигналы, возможно, до такой степени, что становится бесполезным для использования радаром. ^[5]

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

$f_{p}=8970N_{e}^{\frac {1}{2}}$ Гц

где - число свободных электронов на кубический сантиметр. Для сигнала с длиной волны 1 м (300 МГц) это происходит, когда плотность составляет 10 ⁹ свободных электронов на кубический сантиметр. ^[6] Даже при очень низких плотностях ионизация будет преломлять радиоэнергию. Ослабление происходит посредством столкновений электронов с нейтралами согласно: ^[3] $N_{e}$

$F_{a}={\frac {8,686}{2c}}{\frac {(2\пи f_{p})^{2}f_{c}}{(2\пи f)^{2}+f_{c}^{2}}}=1,4$ × децибел/км $10^{-5}{\frac {(2\пи f_{p})^{2}f_{c}}{(2\пи f)^{2}+f_{c}^{2}}}$

где 8,686 — коэффициент преобразования в отношение мощности децибел из отношения амплитуды непера, — скорость света в километрах в секунду, — плазменная частота, как указано выше, — частота радиосигнала, — частота электронно-нейтральных столкновений. Последняя является функцией плотности и, следовательно, высоты: ^[3] $с$ $f_{p}$ $f$ $f_{c}$

$f_{c}=2$ × Гц $10^{11}{\frac {p}{p_{0}}}$

где — плотность воздуха на высоте взрыва, а — плотность на уровне моря (1 атм). Поскольку огненный шар может расширяться до сотен километров на большой высоте, это означает, что типичное затухание в 1 дБ на километр через огненный шар на средних и больших высотах, который расширяется до 10 км, полностью ослабит сигнал, что сделает отслеживание объектов на дальней стороне невозможным. ^[12] $p$ $p_{0}$

За пределами атмосферы

Эффекты экзоатмосферного бета-выброса оценить сложнее, поскольку многое зависит от геометрии взрыва. Однако можно определить плотность продуктов деления, а значит, и соотношение между размером ионизационного диска и его силой, рассмотрев выход продуктов для взрыва в мегатоннах: ^[3] $Y$

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

где - диаметр диска для данного взрыва. $д$

Срок службы затемнения

Когда взрыв происходит в атмосфере, огненный шар быстро формируется и изначально выделяет 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 эффект охлаждения происходит за счет теплопередачи с окружающей воздушной массой. Этот процесс занимает несколько минут, и поскольку на больших высотах воздуха меньше, огненный шар остается ионизированным в течение более длительного времени. ^[12]

На больших высотах, от 100 000 до 200 000 футов (30–60 км), плотность воздуха недостаточна, чтобы оказать существенное влияние, и огненный шар продолжает охлаждаться излучательно. Обычно процесс описывается константой излучательной рекомбинации , которая составляет около 10 ⁻¹² кубических сантиметров в секунду. Если начальная плотность электронов составляет 10 ¹² , плотность 10 ⁹ электронов/см ² не возникнет в течение 1000 секунд, около 17 минут. ^[12] $C_{r}$

Для чисто экзоатмосферных взрывов бета-частицы, вызывающие диск затемнения, непрерывно производятся событиями деления в обломках бомбы. Это зависит от периода полураспада реакций, порядка секунд. Чтобы поддерживать затемнение, необходимо удовлетворять уравнению: ^[13]

$yt^{-1.2}>10^{-2}$

Для создания полного затемнения с 10 ⁹ свободных электронов на кубический сантиметр требуется около 10 тонн продуктов деления на квадратный километр. Этого можно достичь с помощью одной типичной бомбы в 1 Мт. ^[13]

Блэкаут и противоракетная оборона

Blackout — 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 видны приближающиеся боеголовки. В зависимости от времени реакции перехватчиков, это может сделать их бесполезными, поскольку приближающиеся боеголовки появляются слишком поздно, чтобы перехватчик успел обнаружить траекторию и выпустить ракету. ^[7]

Для перехватчиков ближнего действия, таких как Sprint , затемнение не является серьезной проблемой, поскольку весь перехват происходит на расстояниях и высотах ниже, где огненные шары становятся достаточно большими, чтобы заблокировать значительную часть неба. На номинальной дальности Sprint в 45 километров (28 миль) его собственная боеголовка в несколько килотонн создаст огненный шар, возможно, 1 километр (3000 футов) в поперечнике, что представляет собой угол (1 км/45 км) ² ≈ 0,0005 стерадиан (ср). На той же высоте взрыв в 1 Мт создаст огненный шар порядка 10 километров (6 миль) в поперечнике, или около 0,05 ср, что все еще не является серьезной проблемой. ^[7]

Только атака, состоящая из нескольких десятков крупных боеголовок, будет достаточно значительной, чтобы вызвать проблему у перехватчика ближнего действия. ^[7] Но то же самое произошло бы с боеголовками ракет-перехватчиков, если бы они взорвались рядом друг с другом, что было бы типично, поскольку «необходимо было бы запустить более одной оборонительной ракеты по каждому приближающемуся опасному объекту... [чтобы] обеспечить достаточно высокую вероятность [уничтожения]». ^[1] Такие вопросы были исследованы в серии испытаний Operation Dominic 1962 года . Вывод из этих испытаний состоял в том, что единственным решением для такого профиля атаки было бы использование нескольких радиолокационных систем, объединенных вместе, и выбор той, которая имеет наиболее четкий обзор целей. ^[14] Это значительно увеличило бы стоимость системы ПРО, поскольку радары были одними из самых дорогих компонентов таких систем, как Nike-X . ^[1]

Для ракет с большей дальностью действия, таких как Spartan , эти же высотные взрывы представляли собой более серьезную проблему. В этом случае ожидалось, что ракета будет осуществлять перехваты на расстоянии до 500 километров (300 миль), расстояние, на которое требовалось некоторое время, чтобы достичь цели. Одиночный взрыв за пределами атмосферы мог покрыть область диском диаметром до 400 километров (250 миль) на высоте около 60 километров (40 миль). Боеголовка, появляющаяся из-за этого сигнала, была бы слишком близко для Spartan, чтобы атаковать ее своей рентгеновской боеголовкой, которая полагалась на взрыв, происходящий за пределами атмосферы. Обороне пришлось бы 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 могла быть частью такой атаки с отключением света. Сложные атаки с несколькими взрывами с отключением света были предметом некоторой озабоченности. ^[7]

Существует прямая связь между длиной волны радара и размером антенны, необходимой для обеспечения заданного разрешения. Это означает, что есть преимущество в использовании более высоких частот для поисковых радаров, поскольку они смогут разрешить объект заданного размера, такой как боеголовка или фрагменты ускорителя, с меньшей антенны. Однако, как правило, менее затратно генерировать радиомощность на более низких частотах, что компенсирует недостаток разрешения, позволяя строить более мощные радары. Компромисс между этими двумя эффектами требует тщательной оптимизации. ^[15]

Затемнение радара еще больше запутывает эти вопросы. Формуле выше присущ тот факт, что более высокие частоты затемняются на более короткие промежутки времени. Это говорит о том, что радары дальнего действия должны использовать как можно более высокую частоту, хотя это сложнее и дороже. Первоначально PAR США был разработан для работы в диапазоне VHF, чтобы быть чрезвычайно мощным и при этом относительно недорогим, но на этапе проектирования он был перемещен в диапазон UHF, чтобы помочь смягчить этот эффект. ^[16] Даже тогда он был бы сильно ослаблен. ^[7]

Это означает, что внеатмосферные взрывы очень эффективны против радаров дальнего обнаружения, таких как PAR или советский Dnestr . Одна боеголовка мощностью 1 Мт, взорванная на высоте 250 км, будет находиться на расстоянии около 600 километров (400 миль) по дальности при типичных траекториях 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, достаточный, чтобы скрыть любые боеголовки, приближающиеся по аналогичным траекториям. 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 дальности даже очень дальнего действия Spartan, такие операции могли бы серьезно нарушить направление рейда и общее планирование боя. Более того, поскольку взрыв происходит за пределами дальности перехватчиков, нет простых средств его остановки. ^[8]

Значительная неопределенность

Хотя приведенные выше формулы, вероятно, полезны для предварительных обсуждений, необходимо учитывать, что фактических испытаний этих эффектов было проведено мало из-за различных запретов на испытания. За всю историю испытаний в США было проведено всего семь испытаний с соответствующим оборудованием в верхних слоях атмосферы на высоте от 10 до 25 километров (33 000–82 000 футов), что было бы уместно для поздней стадии отключения электроэнергии, и только два были испытаны на внеатмосферных высотах. Ни один из этих испытаний не содержал множественных всплесков, которые можно было бы ожидать от любой атаки, намеренно создающей отключение электроэнергии. ^[7]

Примечания

^ Высота почти во всех частях света всегда выражается в футах (авиационные высотомеры также всегда калибруются в футах). Единственным исключением был бывший СССР, который выражал высоту в метрах и калибровал свои авиационные высотомеры в соответствии с этим. Такая практика сохраняется и сегодня, поскольку большинство стран бывшего СССР все еще используют метры, в основном из-за унаследованного парка самолетов.

Ссылки

Цитаты

^ abc Blades & Siracusa 2014, стр. 178.
^ ab Effects 1979, стр. 15–20.
^ abcdefgh Константа 2013, стр. 100.
^ ab Canavan 2003, стр. 113.
^ ab Mock 1966.
^ ab Garwin & Bethe 1968, стр. 29.
^ abcdefg Канаван 2003, стр. 14.
^ ab Canavan 2003, стр. 15.
^ Якобсен, Энни (2015). Мозг Пентагона. Литтл, Браун. ISBN 9780316371650.
^ «Квантовые числа и уровни атомной энергии». Гиперфизика .
↑ Константа 2013, стр. 99.
^ abc Гарвин и Бете 1968, стр. 30.
^ ab Garwin & Bethe 1968, стр. 31.
^ Картер и Шварц 1984, стр. 65.
↑ Канаван 2003, стр. 7–8.
↑ Bell Labs 1975, стр. 8-2.

Библиография

Bell Labs (октябрь 1975 г.). ABM Research and Development at Bell Laboratories, Project History (Technical report) . Получено 13 мая 2015 г. .
Блэйдс, Дэвид; Сиракуза, Джозеф (2014). История ядерных испытаний в США и ее влияние на ядерную мысль. Rowman & Littlefield. ISBN 9781442232013.
Канаван, Грегори (2003). Противоракетная оборона для 21-го века (PDF) . Фонд наследия. ISBN 0-89195-261-6.
Картер, Эштон; Шварц, Дэвид (1984). Противоракетная оборона. Brookings Institution Press. ISBN 9780815713128.
Констант, Джеймс (2013). Основы стратегического оружия: системы нападения и обороны. Springer. ISBN 9789401506496.
Гарвин, Ричард; Бете, Ганс (март 1968 г.). «Противоракетные системы» (PDF) . Scientific American . 218 (3): 21–31. Bibcode : 1968SciAm.218c..21G. doi : 10.1038/scientificamerican0368-21.
Мок, Джон (январь–февраль 1966 г.). «Высотные ядерные эффекты». Обзор университета Эйр .^{[ мертвая ссылка ]}
Последствия ядерной войны (PDF) . Управление по оценке технологий Конгресса США. Май 1979 г.