Ударная волна в воздухе

Воздушная ударная волна представляет собой область резкого сжатия воздуха, распространяющуюся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Источником возникновения воздушной ударной волны является высокое давление в центре взрыва, достигающее миллиардов атмосфер. Продукты взрыва стремятся расшириться и сжимают окружающие их слои воздуха. Эта уплотненная масса воздуха в свою очередь расширяется и передает давление соседним слоям. Так давление быстро передается от слоя к слою, образуя ударную волну в воздухе.

Передняя граница сжатого слоя воздуха, характеризующаяся резким увеличением давления, называется фронтом ударной волны. Фронт ударной волны, быстро удаляясь от огненного шара, напоминает движущуюся стену сильно сжатого воздуха. Толщина слоя сжатого воздуха все время нарастает за счет вовлечения новых масс воздуха по мере увеличения радиуса действия ударной волны.

В непосредственной близости от центра взрыва скорость ударной волны в несколько раз превышает скорость звука в воздухе. По мере удаления от центра скорость ударной волны постепенно уменьшается и ее давление ослабевает. Скорость движения и расстояние, на которое распространяется ударная волна, зависят от мощности взрыва. Чем мощнее взрыв, тем больше скорость и радиус распространения ударной волны. Кроме того, на радиус действия ударной волны оказывают влияние рельеф местности, метеорологические условия и ветер.

Наряду с быстрым движением фронта ударной волны происходит также перемещение частиц воздуха в сжатом слое в направлении pacпространения ударной волны. Воздух движется за фронтом ударной волны со сверхзвуковой скорости и представляет собой ураган огромной силы.

Направление и скорость движения воздуха за фронтом ударной волны изменяются. Когда фронт доходит до какой-либо точки на поверхности земли, в этой точке мгновенно скачком повышаются избыточное давление и температура и воздух начинает перемещаться в сторону движения ударной волны. В дальнейшем, по мере продвижения ударной волны, давление падает ниже атмосферного и воздух движется в обратную сторону. Следовательно, за зоной сжатия следует зона разрежения (рис. 3). Кроме изменения давления, изменяется также

Рис 3. Изменение давления по времени в какой-либо точке на поверхности земли при прохождении через нее ударной волны

температура. В зоне сжатия температура повышается, а в зоне разрежения—снижается. Однако изменение температуры и разрежение воздуха не имеют такого значения, как избыточное давление.

Характер действия ударной волны зависит от вида взрыва.

При воздушном ядерном взрыве образуется сферическая ударная волна, которая в ближней зоне, т. е. на расстоянии, меньшем высоты взрыва (R<H), падает вниз и называется падающей (рис. 4). Дойдя до поверхности земли, ударная волна мгновенно отражается, образуя отраженную волну. Вследствие торможения частиц воздуха и сложения падающей и отраженной волн избыточное давление удваивается. Ближняя зона иначе называется зоной регулярного отражения.

В дальней зоне, т. е. на расстоянии, большем высоты взрыва (R>H), отраженная волна распространяется в воздухе, нагретом и сжатом при прохождении падающей волны. Поэтому скорость отраженной волны больше скорости волны падающей. В результате происходит сложение падающей и отраженной волн и образуется головная волна, давление в которой в 4—5 раз больше давления во фронте свободно распространяющейся сферической

Рис. 4 Распространение ударной волны при воздушном взрыве:

1—падающая волна 2 — отраженная волна 3—головная волна

волны. Головная волна распространяется вдоль поверхности земли (см. рис. 4).

Область, где наблюдается образование и распространение головной ударной волны, называется дальней зоной, или зоной нерегулярного отражения.

Таким образом, поражающее действие ударной волны воздушного ядерного взрыва в ближней зоне определяется давлением отраженной волны, а в дальней зоне— давлением головной ударной волны.

При наземном ядерном взрыве ударная волна, имеющая форму непрерывно увеличивающегося полушария, распространяется параллельно поверхности земли (рис. 5) и не имеет столь сложной картины, как при воздушном взрыве.

Рис 5 Распространение ударной волны при наземном взрыве

Если провести границу на определенном расстоянии от центра наземного взрыва, то избыточное давление во фронте ударной волны на этом расстоянии будет таким же, как и при воздушном взрыве равной мощности. Ближе к центру наземного взрыва от этой границы избыточное давление будет большим, чем на том же расстоянии при воздушном взрыве. Дальше от этой границы избыточ­ное давление при наземном взрыве будет меньшим, чем при воздушном взрыве такой же мощности.

Таким образом, радиус поражения ударной волной наземного ядерного взрыва примерно на 20% меньше радиуса поражения при воздушном взрыве одинаковой мощности.

Основными параметрами, определяющими поражающее действие ударной волны, являются избыточное давление, скоростной напор воздуха и время действия избыточного давления (время действия фазы сжатия).

Поражающее действие ударной волны определяется главным образом избыточным давлением.

Избыточное давление (Арф)— это разность между атмосферным давлением перед фронтом волны и максимальным давлением во фронте ударной волны. Оно измеряется в кГ/см² или в н/м² (1 кн/м²=0,01 кГ/см²).

Скоростной напор воздуха (Δр_ск) — это динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха. Как и избыточное давление, скоростной напор измеряется в кГ/см². Величина скоростного напора зависит от скорости и плотности воздуха за фронтом волны и тесно связана со значением максимального избыточного давления ударной волны. Скоростной напор воздуха заметно сказывается при избыточных давлениях свыше 0,5 кг/см².

Продолжительность действия избыточного давления (τ+) (время действия фазы сжатия) измеряется секундами. Чем продолжительнее действует ударная волна, тем сильнее ее поражающее действие. С увеличением мощности взрыва время действия фазы сжатия увеличивается.

1. Воздействие ударной волны на людей. Непосредственное поражение человека ударной волной возникает в результате воздействия на него избыточного давления и скоростного напора воздуха. Ударная волна почти мгновенно охватывает человека и сжимает со всех сторон. Мгновенное повышение давления в момент прихода ударной волны воспринимается как резкий удар. Скоростной напор воздуха обладает метательным действием и может отбросить человека, причинив ему травмы.

Косвенным поражением называется поражение, наносимое человеку обломками зданий, деревьев и другими предметами, которые под действием скоростного напора воздуха начинают перемещаться.

При действии ударной волны у людей возникают переломы, повреждения внутренних органов, контузии, т. е. травмы различной тяжести, которые подразделяют на:

- легкие, возникающие при избыточном давлении 0,2— 0,4 кГ/см² и характеризующиеся ушибами, вывихами, временными повреждениями слуха, общей контузией;

- средние, появляющиеся при избыточном давлении 0,4—0,6. кГ/см² и характеризующиеся серьезными контузиями всего организма, повреждениями органов слуха, кровотечениями из носа и ушей, а также сильными вывихами конечностей;

- тяжелые, возникающие при избыточном давлении 0,6— 1,0 кГ/м² и характеризующиеся сильными контузиями всего организма, тяжелыми переломами конечностей и сильными кровотечениями из носа и ушей;

- крайне тяжелые, наблюдающиеся при избыточном давлении свыше 1 кГ/см², Эти травмы могут привести к смертельному исходу.

Радиусы поражения ударной волной ядерного взрыва и виды травм зависят от мощности взрыва.

Радиус поражения людей обломками зданий, особенно осколками стекол, разрушающихся при избыточном давлении 0,02—0,07 кГ/см², может превышать радиус непосредственного поражения ударной волной.

При защите от ударной волны учитывают как непосредственные действия ударной волны, так и ее косвенные воздействия.

Для защиты от ударной волны необходимы подземные сооружения — убежища, рассчитанные на сопротивление воздействию ударной волны. При отсутствии убежищ используются построенные укрытия, а также подземные выработки, шахты, естественные укрытия и рельеф местности.

Защитные свойства местности зависят от размеров и характеристики расположения относительно взрыва элементов рельефа.

На скатах высот, обратных по отношению к центру взрыва, давление ударной волны уменьшается, а поэтому уменьшается и ее поражающее действие.

В среднем можно считать, что на обратных скатах высот, имеющих крутизну до 30°, давление ударной вол­ны снижается на 5—15%, а при крутизне более 30°—на 15—30%,

Защитные свойства канав, промоин, оврагов и лощин зависят от их расположения относительно распространения ударной волны, глубины и ширины. Канавы, промоины, овраги и лощины, вытянутые в направлении распространения ударной волны, усиливают ее поражающее действие. Если же такие формы рельефа расположены перпендикулярно направлению распространения ударной волны, то они значительно ослабляют ее поражающее действие. В этом случае на дне углубления давление может быть в 2—3 раза меньше, чем во фронте проходящей волны. Степень снижения давления тем выше, чем больше глубина и меньше ширина углубления.

Лучшую защиту обеспечивают крупные формы рельефа: возвышенности, лощины и овраги больших размеров. Однако и небольшие местные предметы, такие, как курганы, ямы, воронки, способны ослабить действия ударной

волны

2. Воздействие воздушной ударной волны на здания и сооружения связано с величинами избыточного давления и скоростного напора воздуха, движущегося за фронтом ударной волны. Избыточное давление ударной волны и скоростной напор воздуха, воздействуя на сооружения, вызывают их разрушения.

Пока ударная волна движется, не встречая препятствий, она создает изменяющуюся по времени нагрузку, равную избыточному давлению в проходящей ударной волне. При подходе ударной волны к преграде она отражается (образуется давление отражения р_отр) и происходит торможение масс движущегося воздуха, избыточное давление повышается в 2—8 раз. В результате этого преграда испытывает удар огромной силы, увеличившийся за счет давления отражения.

Давление отражения можно рассчитать по формуле

где Δp _отр—давление отражения;

Δр_фо —избыточное давление во фронте ударной волны,

р_о — атмосферное давление.

Если, например, ударная волна встречает на своем пути дом, происходит удар по стене, обращенной к центру взрыва При избыточном давлении 0,5 кГ/см стена дома испытывает давление 5 Т/м² а при увеличении избыточного давления в 2 раза-10 Т/м². При увеличении избыточного давления в 8 раз стена будет испытывать удар 40 Т/м². Такое давление стена испытывает в первоначальный момент. Вслед за этим ударная волна начинает обтекать дом, оказывая давление на боковые стены и верх, а затем и на заднюю стену В результате этого дом оказывается охваченным высоким давлением и сжатсо всех сторон (рис 6) Однако наибольшее давление испытывает стена, обращенная к взрыву. Характер действия ударной волны при обтекании зданий представляет собой сложное взаимодействие потоков, обтекающих здание сверху и с боков и создающих завихрения и зоны повышенного давления. Обтекание ударной волны вертикальной преграды показано на рис. 7, когда ударная волна отражается от поверхности земли за преградой. Обтекание здания ударной волной с боков создает повышенное давление в результате встречи двух потоков (рис. 8).

Рис. 6 Действие ударной волны на здани

По мере обтекания здания ударной волной давление отражения на переднюю его стену ослабляется.

Значения избыточного давления и скоростного напора воздуха при разрушении сооружений ударной волной могут быть различны в зависимости от конструкции сооружения, размеров и положения относительно направления распространения ударной волны.

Рис. 7. Обтекание ударной волной вертикальной преграды: а) фронт достиг преграды и действует полное давление отражения; б) фронт проходит преграду и частично-действует давление отражения; в) заканчивается действие давления отражения, но за преградой ударная волна отражается от поверхности земли.

Большие здания, имеющие значительную площадь стен, разрушаются главным образом под действием первоначального кратковременного удара, возникшего в результате отражения ударной волны. Это происходит потому, что для обтекания ударной волны требуется некоторое время, а это вызывает сравнительно длительное действие давления отражения ударной волны.

Жилые здания с кирпичными стенами менее, устойчивы и полностью разрушаются при избыточном давлении ударной волны, равном 0,3—0,4 кг/см², а деревянные строения полностью разрушаются при давлении 0,1::0,2 кГ/см².

Из наземных зданий и сооружений наиболее устойчивы монолитные железобетонные сооружения, здания с металлическим каркасом и сооружения антисейсмической конструкции, которые разрушаются полностью при избыточном давлении ударной волны, равном 0,5—0,8 кГ/см²

Рис. 8. Обтекание ударной волной преграды (вид в плане):

а) фронт достиг преграды, создается давление отражения и начинается обтекание; б) фронт прошел преграду и два потока движутся к тыльной стороне; в) фронт движется далее, за преградой образуется зона повышенного давления вследствие соударения двух потоков.

На разрушения зданий и сооружений влияет наличие в стенах проемов (окон, дверей), так как ударная волна, легко разрушая их, быстро проникает внутрь здания, а давление отражения ослабляется за счет действия избыточного давления изнутри.

Полное разрушение остекления различных зданий происходит при давлении во фронте ударной волны, составляющем 0,02—0,07 кГ/см², а частичное разрушение— при 0,01— 0,02 кГ/см².

Особенностью действия ударной волны является ее способность затекать внутрь убежищ, укрытий и других сооружений через отдушины, воздухозаборные трубы и производить там разрушения и поражать людей. При проникании ударной волны внутрь сооружения там быстро повышается давление, которое может стать причиной гибели людей. Во избежание этого в убежищах и укрытиях все отверстия заделываются, а воздухозаборные каналы снабжаются волногасительными устройствами.

Ударная волна быстро обтекает высокие сооружения с малой площадью (телеграфные столбы, заводские трубы, буровые вышки и другие сооружения) и поэтому они менее чувствительны к давлению отражения. Для этих сооружений разрушающее действие ударной волны определяется действием скоростного напора воздуха. Такие сооружения, рассчитанные на действие ветровой нагрузки, разрушаются под действием скоростного напора воздуха.

Нефтяные металлические вышки более устойчивы, чем промышленные здания. Они теряют устойчивость и опрокидываются при несколько большем давлении, разрушающем промышленные здания. Наиболее слабыми элементами вышек являются анкерные крепления на опорах, узловые соединения и тяжи.

Крекинг-заводы еще устойчивее нефтяных вышек. Слабыми элементами секций крекинг-заводов с металлической обстройкой являются - кольцеобразные железобе­тонные постаменты.

Городские железобетонные и металлические мосты обладают значительной устойчивостью, так как, имея небольшую площадь, менее подвержены действию ско­ростного напора воздуха.

Здания теплоцентралей разрушаются при тех же значениях давлений ударной волны, как и многоэтажные кирпичные здания.

Доменные печи выходят из строя при давлении ударной волны, несколько большем, чем давление полного разрушения промышленных зданий. У доменных печей в первую очередь разрушаются воздуховоды, обстройка и загрузочная эстакада.

Сооружения, заглубленные в землю, меньше подвержены воздействию ударной волны, так как при своем движении ударная волна не встречает препятствий и не происходит увеличения давления при отражении ударной волны.

Подземные сети коммунального хозяйства города достаточно устойчивы к воздействию ударной волны. В первую очередь разрушаются вместе со зданиями домовые сети, а также повреждаются колодцы.

Убежища и укрытия, заглубленные в землю, могут выдерживать значительно большие давления ударной волны.

Здания и сооружения в зависимости от нагрузок, создаваемых ударной волной, могут получать разрушения различной степени.

А. Каменные, железобетонные и деревянные каркасные и бескаркасные жилые, административные и промышленные здания:

1. Полное разрушение характеризуется разрушением и обрушением всех или большей части стен, сильной деформацией или обрушением перекрытий. Из обломков образуется завал в пределах контура здания и вокруг него. Восстановление разрушенных зданий невозможно.

2. Сильное разрушение характеризуется разрушением части стен и перекрытий нижних этажей и подвалов, в результате чего повторное использование помещений невозможно или нецелесообразно.

3. Среднее разрушение характеризуется разрушением главным образом встроенных элементов: внутренних перегородок, дверей, окон и крыши; появлением трещин в стенах и обрушением чердачных перекрытий и отдельных участков верхних этажей. Подвалы сохраняются и пригодны для временного использования после разборки завалов над входами. Вокруг здания завалы не образуются, но отдельные обломки конструкций могут быть отброшены на значительные расстояния. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта.

4. Слабое разрушение характеризуется разрушением оконных и дверных заполнений и легких перегородок, появлением трещин в стенах верхних этажей. Подвалы и нижние этажи сохраняются и пригодны для временного использования. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта.

Б. Убежища и укрытия капитальных конструкций:

1. Полное разрушение характеризуется разрушением основных защитных конструкций, входов, защитных дверей и внутреннего оборудования. Восстановление и повторное использование совершенно невозможно.

2. Сильное разрушение характеризуется частичным разрушением основных защитных конструкций, входов, дверей и защитного оборудования. Восстановление и повторное использование невозможно.

3. Среднее разрушение характеризуется разрушением входов, смещением и деформацией основных конструктивных элементов. Повторное использование сооружения возможно после ремонта.

4. Слабое разрушение характеризуется частичным разрушением или завалом входов и повреждением несущих и ограждающих конструкций. Сооружение пригодно к повторному использованию после расчистки входов.

В. Противорадиационные укрытия, возводимые при угрозе нападения:

1. Полное разрушение характеризуется обрушением крутостей, завалом помещений грунтом и элементами перекрытия. Восстановление и дальнейшее использование сооружений невозможно.

2. Сильное разрушение характеризуется значительным обрушением крутостей и частичным завалом помещения. Повторное использование невозможно.

3. Среднее разрушение характеризуется частичным обрушением крутостей, разрушением входов, дверей и дверных коробок. Повторное использование сооружения возможно после ремонта.

4. Слабое разрушение характеризуется частичным разрушением входов и примыкающих к ним частей сооружения, незначительным смещением и деформацией покрытия. Сооружение пригодно к повторному использованию.

Г. Инженерные сети, линии электропередач и связи:

1. Полное разрушение характеризуется разрывом кабелей, разрушением трубопроводов, опор воздушных линий электропередач и связи на значительном участке.

2. Сильное разрушение характеризуется разрывом кабелей, частичным разрушением трубопроводов, опор воздушных линий передач и связи на отдельных участках.

3. Среднее разрушение характеризуется отдельными разрывами и деформацией кабелей и трубопроводов, деформацией и разрушением отдельных опор воздушных линий электропередач и связи.

4. Слабое разрушение характеризуется незначительной деформацией отдельных элементов сетей и линий.

Значения избыточного давления, вызывающие разрушения различной степени зданий и сооружений, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Наименования зданий и сооружений	Избыточное давление, вызывающее разрушения, кГ/см2
полное	дальное	среднее	слабое	повреждения
Здания с металличе-ским каркасом Здания кирпичные малоэтажные Здания кирпичные многоэтажные Здания деревянные Подземные линии водопровода и газопровода Смотровые колодцы и задвижки Воздушные линии свя­зи Мосты металлической конструкции с пролетным строением 30—45 м Мосты железобетонные с пролетным строением 25 м Шоссейные дороги с асфальтовым и бетонным покрытием Взлетно-посадочные площадки аэродромов	0,8 0,45 0,4 0,3 0,7 2,5	0,5 0,35 0,3 0,22 - 2,0 1,5	0,3 0,25 0,2 0,12 7,0 3,0 0,35 1,5 1,2	0,2 0,15 0,1 0,07 3,0 2,0 - 1,0 1.0	0,05 0,05 0,05 0,04 2,0 1,2 - 0,5 0,5 1—2 1-2

Объем разрушений в городе зависит от характера строений и их этажности, плотности застройки, так как в условиях городской застройки одни здания могут экранироваться другими, т. е. стоящие ближе к центру взрыва здания могут воспринимать на себя нагрузку от ударной волны и снижать ее действие на здания, находящиеся за ними. Однако эффект экранирования заметен только при плотности застройки 50%. В этом случае избыточное давление ударной волны на здания может быть на 20—40% меньше, чем на здания, стоящие на открытой местности на таком же расстоянии от центра взрыва.

При плотности же застройки менее 30% экранирующее действие зданий незначительно и не имеет практического значения.

Расстояния, на которых возможны избыточные давления во фронте ударной волны, приведены в табл. 4.

Таблица 4

Избыточное давление Δрф кГ1см Мощность q, кТ		0,6	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1
Удаление от центра взрыва, км
	0,6	0,7	0,8	0,85	0,9	1,0	1,1	1,5	2,0	3,2
0,7 0,8	0,8 0,9	0,9 1,0	0,95 1,1	0,1 1,2	1,1 1,3	1,2 1,4	1,5 2,0	1.9 2,7	3,0 4,5
1,0 1,0	1,1 1,2	1,2 1,3	1,25 1,4	1,3 1,6	1,4 1,7	1,5 2,1	2,0 2,6	2,6 3,8	4,2 6,5
1,2 1,2	1,3 1,4	1,4 1,5	1,5 1,6	1,7 1,8	1,9 1,9	2,2 2.5	2,5 2,9	3,2 4,4	5,2 7,9
1.5 1,7	1,6 1,9	1,7 2,0	1,8 2,3	2,0 2,6	2,2 3,0	2,6 3,4	3,0 4,2	3,8 6,0	6,4 11,5
2,1 2,2	2,3 2,4	2,4 2,7	2,6 3,0,	2,8 3,3	3,2 3,6	3,6 4,3	4,4 5,3	5,5 7,5	9,0 14,3
2,9 2,7	3,0 3,0	3.4 3,3	3,5 3,6	3,6 4,2	4,0 4,6	4,5 5,6	5,4 6,8	7,0 9,5	11,2 18,9
3,4 3,2	3,7 3,4	3,9 3,7	4,2 4,2	4,6 4,6	5,2 5,4	5,7 6,3	7,0 7,8	8,8 11,0	14,2 20,5
4,0 3,7	4,2 4,2	4,5 4,4	4,8 5,0	5,2 5,6	5,7 6,5	6,5 7,6	8,0 9,2	10,1 13,0	16,2 24,0
4,7 4,8	5,0 5,3	5,4 5,6	5,7 6,3	6,2 7,0	6,8 7,9	7,8 9,3	9,3 11.4	12,0 16,2	19,5 31,4 24,5
6,9	6,3	6,7	7.2	7,7	8,5	9,6	11,6	15,3	24,5

ПРИМЕЧАНИЕ. В числителе приведены расстояния для воздушного взрыва, в знаменателе — для наземного.