Ударная волна

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 10⁵ млрд. Па. Основные параметры ударной волны, характеризующие ее разрушающее и поражающее действие: избыточное давление во фронте ударной волны, давление скоростного напора, продолжительность действия ударной волны.

Продукты взрыва, стремясь расшириться, 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. В непосредственной близости от центра взрыва скорость распространения ударной волны в несколько раз превышает скорость звука в воздухе. По мере удаления от центра скорость постепенно уменьшается, а ударная волна ослабевает.

Скорость движения и расстояние, на которое распространяется ударная волна, зависят от мощности взрыва. Чем мощнее взрыв, тем больше скорость и радиус действия ударной волны. Кроме того, на радиус действия ударной волны оказывают влияние рельеф местности, метеорологические условия и ветер.

При быстром движении ударной волны происходит также перемещение частиц воздуха в сжатом слое в направлении распространения ударной волны. Воздух движется за фронтом волны со сверхзвуковой скоростью и представляет собой ураган огромной силы.

Направление и скорость движения воздуха за фронтом ударной волны изменяются. Когда фронт ударной волны доходит до какой-либо точки на поверхности земли, то в этой точке мгновенно повышаются избыточное давление и температура, а 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 фазой сжатия следует фаза разрежения. 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. Дойдя до поверхности земли, ударная, волна мгновенно отражается, образуя отраженную волну. В дальней зоне, т. е. на расстоянии, большем высоты взрыва (R>H), 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 волны. Головная волна распространяется вдоль поверхности земли (рисунок 6).

1 - падающая волна; 2 - отраженная волна; 3 - головная волна.

Рисунок 6 — Распространение ударной волны при воздушном взрыве.

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 (рисунок 7) и не имеет столь сложной картины, как при воздушном взрыве.

Рисунок 7 - Распространение ударной волны при наземном взрыве.

Радиус поражения ударной волной наземного ядерного взрыва примерно на 20% меньше, чем радиус поражения воздушного взрыва 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 - это разность между нормальным атмосферным давлением перед фронтом волны и максимальным давлением во фронте ударной волны. Оно измеряется в ньютонах на квадратный метр (1 H/m²s 1 Па). Эта единица давления - паскаль (Па); (1 кПа = 0,01 кгс/см).

Скоростной напор воздуха - это динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха. Как и избыточное давление, скоростной напор воздуха измеряется в Паскалях (Па). Величина скоростного напора воздуха 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 50 кПа.

Продолжительность действия избыточного давления (время действия фазы сжатия) измеряется секундами (с). Чем продолжительнее воздействие ударной волны, тем сильнее ее поражающее действие. С увеличением мощности взрыва время действия фазы сжатия увеличивается. Например, при взрыве мощностью 20 кт время действия фазы сжатия составляет 0,6 с, а при мощности взрыва 1 Мт — 3 с.

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

Косвенными поражениями называются поражения, наносимые человеку обломками зданий, деревьев и другими предметами, которые под действием скоростного напора воздуха перемещаются с большой скоростью. Воздействуя на людей, ударная волна вызывает переломы, повреждение внутренних органов, контузии, т. е. вызывает травмы различной тяжести, которые подразделяются на:

а) легкие, возникающие при избыточном давлении 20 - 40 кПа и характеризующиеся ушибами, вывихами, временными повреждениями слуха, общей контузией;

б) средние, появляющиеся при избыточном давлении 40 - 60 кПа, характеризующиеся серьезными контузиями всего организма, повреждениями органов слуха, кровотечением из носа и ушей, а также сильными вывихами конечностей;

в) тяжелые, возникающие при избыточном давлении 60 - 100 кПа, характеризующиеся сильными контузиями всего организма, тяжелыми переломами конечностей и сильными кровотечениями из носа и ушей;

г) крайне тяжелые, наблюдающиеся при избыточном давлении свыше 100 кПа. 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 2 — 7 кПа, может превышать радиус непосредственного поражения ударной волной.

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 рельефа местности зависят от его характера. Лучшую защиту обеспечивают крупные формы рельефа: возвышенности, лощины, овраги больших размеров. Однако и небольшие курганы, ямы, воронки способны ослабить действие ударной волны.

Воздействие воздушной ударной волны ядерного взрыва на здания и сооружения связано с величиной избыточного давления и скоростного напора воздуха, движущегося за фронтом ударной волны. Однако в зависимости от конструктивных особенностей того или иного сооружения степень его разрушения может определяться либо избыточным давлением, либо скоростным напором.

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

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

Такое давление преграда (например, здание) испытывает в первоначальный момент. Вслед за этим ударная волна начинает обтекать здание, оказывая давление на боковые стены и верх, а затем и на заднюю стену. В результате этого здание оказывается охваченным высоким давлением и сжато со всех сторон. 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 волной вертикальной преграды показано на рисунке 8, когда ударная волна отражается от поверхности земли за преградой. Обтекание здания ударной волной с боков создает повышенное давление в результате встречи двух потоков (рисунок 9). По мере обтекания здания ударной волной давление отражения на переднюю стену ослабляется.

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

Рисунок 8 — Обтекание ударной волной вертикальной преграды.

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 потоков

Рисунок 9 - Обтекание ударной волной преграды (вид в плане).

В большей степени разрушаются отдельно стоящие здания и высокие сооружения, особенно расположенные фасадом к направлению движения ударной волны.

Из наземных зданий и сооружений наиболее устойчивыми являются здания с металлическим каркасом и сооружения антисейсмической конструкции, которые разрушаются при давлении ударной волны 50 - 80 кПа. Жилые кирпичные здания менее устойчивы и полностью разрушаются при давлении ударной волны 30-40 кПа, а деревянные строения полностью разрушаются при давлении 10-20 кПа.

На разрушение 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 вследствие действия избыточного давления изнутри. Полное разрушение остекления различных зданий происходит при избыточном давлении во фронте ударной волны 2-7кПа, а частичное разрушение - при 1-2 кПа, т. е. при значительно меньших давлениях.

Высокие сооружения с малой площадью (телеграфные столбы, заводские трубы, мачты, буровые вышки и другие сооружения) быстро обтекаются ударной волной и сжимаются со всех сторон, а противоположные давления уравновешиваются. Поэтому они менее чувствительны к воздействию избыточного давления. Для этих сооружений разрушающее действие ударной волны определяется действием скоростного напора воздуха.

Скоростной напор воздуха, подобно урагану, действует с одной стороны и вызывает разрушение (срыв с опор) таких сооружений, так как эти сооружения, рассчитанные на действие ветровой нагрузки, разрушаются под действием скоростного напора воздуха, превышающего ветровые нагрузки в несколько раз.

Сооружения, заглубленные в землю, меньше подвержены воздействию ударной волны, так как при своем движении ударная волна не встречает препятствия и не происходит увеличения избыточного давления из-за отражения ударной волны. По этой причине убежища, укрытия и подземные сети коммунального хозяйства, заглубленные в грунт, могут выдержать значительно большие давления, чем наземные здания.

Особенностью действия ударной волны является ее способность (в следствии относительно большой продолжительности ее действия- несколько секунд) затекать внутрь убежищ, укрытий и других сооружений через воздухозаборные трубы, отдушины, наносить там разрушения и поражать людей.

При проникании ударной волны внутрь сооружения там быстро повышается давление, которое может стать причиной гибели людей. Во избежание поражения людей затекающей волной воздухозаборные каналы убежищ снабжаются волногасительными устройствами.

Другой особенностью ударной волны является разряжение, возникающее вслед за высоким давлением. Разряжение значительно слабее ударной волны, но увеличивает эффект воздействия прямого удара и вызывает ряд специфических явлений, которые следует учитывать при проведение спасательных работ.

Степень разряжения, т.е. снижение давления ниже атмосферного, не превышает 300кПа и быстро затухает по мере удаления от центра взрыва и снижения давления на фронте ударной волны. Однако длительность фазы разряжения превышает время фазы сжатия.

Так при взрыве мощностью 1Мт фаза сжатия длится 1-5 секунд в зависимости от расстояния, а фаза разряжения—до 13 секунд при воздействии ударной волны сооружения испытывают всестороннее сжатие. В фазе разряжения сооружения так же испытывают нагрузки, но усилие значительно слабее и действует в обратном направлении (так называемый отсос). Оголовки смотровых колодцев на сетях коммунального хозяйства перекрывают стальными или чугунными крышками. Они выдерживают давление ударной волны 200-300кПа. Однако эти же крышки будут испытывать силу отсоса и за счет суммарного усилия направленного из нутрии колодца крышка может быть отброшена. Завал может быть завершен после того, как ударная волна прошла. Поэтому крышки закрепляют.

Здания и сооружения в зависимости от нагрузок, создаваемых ударной волной, могут получать полные, сильные, средние и слабые разрушения:

а) полное разрушение характеризуется разрушением и обрушением всех или большей части стен, сильной деформацией или обрушением перекрытий (Рисунок 10 а,б). Из обломков образуется завал в пределах контура здания и вокруг него. Восстановление разрушенных зданий невозможно;

Рисунок 10 а

Рисунок 10б

б) сильное разрушение характеризуется разрушением части стен и перекрытий нижних этажей и подвалов, в результате чего повторное использование помещений невозможно или нецелесообразно (Рисунок 11а,б);

Рисунок 11а

Рисунок 11б

в) среднее разрушение характеризуется разрушением главным образом встроенных элементов: внутренних перегородок, дверей, окон и крыш; появлением трещин в стенах и обрушением чердачных перекрытий и отдельных участков верхних этажей (Рисунок 12). Подвалы сохраняются и пригодны для временного использования после разборки завалов над входами. Вокруг здания завалов не образуется, но отдельные обломки конструкций могут быть отброшены на значительное расстояние. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта;

Рисунок 12

г) слабое разрушение характеризуется разрушением оконных и дверных заполнений и легких перегородок, появлением трещин в стенах верхних этажей (рисунок 13). Подвалы и нижние этажи сохраняются и пригодны для временного использования. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта.

Рисунок 13

Объем разрушений в городе зависит от характера строений, их этажности и плотности застройки. При плотности застройки 50 % давление ударной волны на здания может быть меньше (на 20 — 40 %), чем на здания, стоящие на открытой местности, на таком же расстоянии от центра взрыва.

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

Энергетическое, промышленное и коммунальное оборудование может иметь следующие степени разрушений:

а) слабые разрушения: деформации трубопроводов, их повреждения на стыках; повреждения и разрушения контрольно-измерительной аппаратуры; повреждение верхних частей колодцев на водо-, тепло-, газовых сетях, отдельные разрывы на ЛЭП, повреждение станков, требующих замены электропроводки, приборов и других поврежденных частей (Рисунок 14);

Рисунок 14

б) средние разрушения: отдельные разрывы и деформации трубопроводов, кабелей; деформации повреждения отдельных опор ЛЭП; деформация и смещение на опорах цистерн, разрушение их выше уровня жидкости; повреждение станков, требующих капитального ремонта (Рисунок 15);

Рисунок 15

в) сильные разрушения: массовые разрывы трубопроводов, кабелей, разрушение опор ЛЭП и другие разрушения, которые нельзя восстановить капитальным ремонтом.

Наиболее стойки подземные энергетические сети. Они разрушаются только при наземных взрывах в непосредственной близости от центра при давлении ударной волны 600-1500 кПа. Степень и характер разрушения зависят от диаметра и материала труб, глубины их прокладки.

Станочное оборудование предприятий разрушается при избыточном давлении 35-70 кПа, а измерительное – при 2030 кПа. Для гидроузлов наиболее опасными являются надводный и подводный взрывы со стороны верхнего бьефа.

Наиболее устойчивые элементы гидроузлов - бетонные и земляные плотины, которые разрушаются при давлении более 1000КПа. Наиболее слабые - гидрозатворы водосливных плотин, оборудование и различные надстройки. Транспортные средства повреждаются в зависимости от их положения относительно направления распространения ударной волны. Наиболее устойчивы морские и речные суда и железнодорожный транспорт, очень уязвим самолет.

При избыточном давлении более 50КПа происходит полное повреждение лесного массива.

Для определения возможного характера разрушений и установления объема поисково-спасательных и других неотложных работ, обусловленных воздействием воздушной ударной волны, очаг ядерного поражения делят на четыре зоны (Рисунок 16).

Рисунок 16

Зона полных разрушений возникает там, где избыточное давление во фронте ударной волны достигает 50кПа (0,5 кгс/см²) и более. На рисунке 17 показаны полные разрушения после бомбардировки Нагасаки 24 сентября 1945 года

Нагасаки до и после ядерного взрыва Нагасаки через 6 недель

Рисунок 17

Характер разрушений этой зоны такой же как при землетрясении 9 и более балов. В этой зоне полностью разрушаются жилые дома, промышленные здания и противорадиационные укрытия. Вокруг центра взрыва разрушаются убежища, получают различные разрушения или повреждения подземные сети коммунально-энергетического хозяйства.

Большинство убежищ в зоне полных разрушений сохраняются. На территории населенных пунктов и объектов образуются сплошные завалы.

Для зоны полных разрушений характерны массовые потери среди незащищенного населения, а также будут наблюдаться горения и тления в завалах.

Зона сильных разрушений образуется при избыточном давлении во фронте ударной волны от 50 до 30 кПа (0,5-0,3 кгс/см^2) и составляет около 10% всей площади очага. Характер разрушений как при землетрясении баллов. Наземные здания и сооружения в основном будут иметь сильные разрушения. Сильное разрушение характеризуется разрушением несущих конструкций и перекрытий верхних этажей, образованием трещин в стенах и деформацией перекрытий нижних этажей.

Убежища и подземные сети коммунально - энергитического хозяйства, а также большинство противорадиационных укрытий сохраняются.

Подвалы в зданиях не повреждаются, если их перекрытия удержат нагрузку от обрушенных стен и междуэтажных перекрытий.

В результате разрушений зданий и сооружений образуются местные завалы, переходящие ближе к границе зоны полных разрушений в сплошные.

Для зоны характерны массовые, в значительной части безвозвратные потери среди незащищенной части населения.

Люди, оставшиеся в зданиях, могут быть завалены, либо могут получить травмы и ожоги вне зданий легкой и средней тяжести. Кроме того, возможны поражения обломками построек, осколками стекла и другими летящими предметами, а также ‘’ вторичные ожоги ‘’ от пламени горящих зданий горючесмазочных материалов и т.п.

При попадании в зону радиоактивного заражения, образующуюся при наземных и подземных взрывах, население подвергнется воздействию радиоактивных веществ.

Зона средних разрушений характеризуется избыточным давлением во фронте ударной волны от 30 до 20кПа (0,3-0,2кгс/см^2) и занимает около 18% площади очага ядерного поражения. Характер разрушений как при землетрясении баллов.

Убежища, противорадиационные укрытия и подвальные помещения полностью сохраняются. Деревянные здания будут сильно или полностью разрушены, каменные - получают средние и слабые разрушения.

Среднее разрушение проявляется в разрушении крыш и встроенных перегородок, окон, а также в возникновении трещин в стенах, обрушении отдельных участков чердачных перекрытий и стен верхних этажей. Подвалы сохраняются. После расчистки и ремонта может быть использована часть помещений нижних этажей.

Слабое разрушение проявляется в разрушении оконных и дверных заполнений, легких перегородок; Частично разрушается кровля, возможны трещины в стенах верхних этажей. Подвалы и нижние этажи сохраняются полностью. Находиться в здании безопасно, и оно может эксплуатироваться после проведения текущего ремонта.

В зоне средних разрушений образуются отдельные завалы. Для зоны характерны массовые санитарные потери среди незащищенного населения. Люди могут получить легкие травмы, ожоги, а при наземных взрывах возможны поражения радиоактивными осадками.

Зона слабых разрушений образуется при избыточном давлении во фронте ударной волны от 20 до 10кПа (0,2-0,1кгс/см^2). На ее долю приходиться до 60% площади всего очага. В пределах этой зоны здания получают слабые разрушения. В некоторых местах образуются отдельные завалы.

Незащищенные люди могут получить ожоги, легкие травмы, а также поражения радиоактивными веществами при наземных взрывах.

За приделами зон разрушений очага поражения здания и сооружения могут получить незначительные повреждения: разрушение остекления, повреждение оконных рам, дверей, кровли. Возможно также возникновение отдельных очагов пожаров. В этих условиях люди могут получить легкие ранения и ожоги.

В системе мероприятий гражданской обороны важное значение имеет организация и ведение работ по спасению населения, оказавшегося в очагах поражения и ликвидации последствий аварий, катастроф и стихийных бедствий.

Как показывают аварии на АЭС, а также на крупных химических, нефтеперерабатывающих, металлургических и многих других предприятиях могут привести к катастрофическим последствиям, гибели людей, большим материальным потерям.

Для успешного выполнения аварийных работ требуется заблаговременная инженерная подготовка городского и объектового КЭХ, повышение его устойчивости, умение быстро находить грамотные решения по организации и ведению этих работ.

Последнее достигается обучением личного состава формирований гражданской обороны и населения умелым действиям в ЧС. Для формирования инженерно-технических мероприятий ОХК, необходимо заблаговременно оценить возможную инженерную и пожарную обстановку.

Инженерная обстановка - состояние современной системы инженерного оборудования в городах, на промышленных и других объектах. Она включает многочисленные линии трубопроводов городского и промышленного водоснабжения, канализации, газовых сетей теплоснабжения, электрокабелей и др., а также различных зданий и сооружений.

Инженерная обстановка выявляется с целью определения характера возможных разрушений, аварий и поражений на объектах хозяйствования при образовании очагов поражения ЧС техногенного и природного характера. На планах и схемах границы зон разрушений показываются в виде концентрических окружностей красного цвета.

Радиусы окружностей зоны разрушений определяют по таблицам, а также по формуле Закона подобия взрывов.

Закон подобия взрывов - теоретически вытекает из закона геометрического подобия, так как расстояние от центра взрыва, на котором образуется данное давление, пропорционально кубическому корню из мощности взрыва:

при DР_ф=const, (1)

где R₁ и R₂ - расстояния от центра взрыва с тротиловым эквивалентами q₁ и q₂ соответственно.

Если в качестве эталонного взрыва взять взрыв мощностью в 1 Мт, при котором q₁ = 1, то из уравнения (1) следует:

при DР_ф=const, (2)

где R_{1 -} расстояние от центра взрыва мощностью в 1 Мт.

Следовательно, для известной мощности взрыва q₂ из уравнения (2) можно вычислить расстояние R₂.

,

, (3)

,

,

где R_1|50| ¸ R_4|10| - радиусы окружностей, соответственно, зоны полных, сильных, средних и слабых разрушений, в километрах при мощности взрыва q₂;

R_1n ¸ R_4n - тоже самое, но при мощности взрыва q₁=1Мт и наземном взрыве.

Дата добавления: 2014-01-05