Перераспределение энергии в гетерогенных материалах элементов конструкции объекта может оказать существенное влияние на параметры термомеханических процессов, что влияет на уровни разрушения объекта. Разделение зарядов в диэлектрических материалах может вызвать его растрескивание, обусловленное электрическими пробоями.

Особый интерес представляет направленный поток электронов через поверхность, который является источником электромагнитных полей. Эти поля генерируют наведенные токи и потенциалы в линиях связи и элементах радиоэлектронной аппаратуры, вызывая нарушения функционирования объектов.

При взаимодействии короткого импульса ионизирующих излучений ядерного взрыва с объектом формируется целый ряд электродинамических процессов, называемых вторичными электромагнитными эффектами. Природа образования этих эффектов едина – электромагнитное поле формируется за счет переноса и разделения зарядов, прежде всего быстрых электронов, создаваемых ионизирующим излучением при взаимодействии с веществом объекта. Однако многообразие условий облучения и различие структуры объектов создают существенные отличия в механизме формирования эффектов в каждом конкретном случае.

Падающие на объект кванты рентгеновского и гамма-излучения ядерного взрыва выбивают из внешних конструкций электроны с широкими распределениями по энергии и углу, которые создают радиационный сторонний ток у облучаемой поверхности. В свою очередь, сторонний ток создает в окрестности объекта электромагнитное поле, а во внешних конструкциях индуцирует импульсный ток.

В условиях ядерного взрыва электронные системы могут подвергаться действию комплекса радиационных и электромагнитных факторов. Радиационные факторы представляют собой набор мгновенных и длиннопериодных составляющих нейтронного, гамма- и рентгеновского излучения различного происхождения. Электромагнитные факторы включат в себя составляющие ЭМИ ядерного взрыва (радиальное и поперечное поле) и вторичные электромагнитные эффекты, генерируемые при взаимодействии ионизирующих излучений с объектом. Эти составляющие вместе с радиационным сторонним током и радиационно-наведенной проводимостью внешней и внутренней среды определяют электромагнитное действие излучений ядерного взрыва на электронные системы. Набор и характеристики воздействующих факторов зависят от условий взрыва, расстояния от него и свойств конструкции объекта и системы.

Действие излучений ядерного взрыва на электронные системы характеризуется значительной сложностью процессов и разнообразием механизмов и эффектов воздействия (ионизационных, тепловых, структурных, электродинамических и др.). Это обусловлено специфическими характеристиками воздействующих факторов, разнообразием конструкций и принципов работы элементов систем, наличием электрических связей между элементами, узлами и устройствами. Результат действия излучений на систему в целом определяется во многих случаях совокупной реакцией элементов и при одном и том же воздействии существенно зависит от конструкции системы и состава используемых элементов.

8.4. Возможности ядерных технологий для решения некоторых фундаментальных задач

В данном разделе мы кратко рассмотрим некоторые фундаментальные задачи, решения которых связывались с возможностями использования ядерных взрывов. К этим работам, в частности, относились:

•использование ядерных взрывов для ракетного двигателя;

•использование ядерных взрывов для борьбы с астероидной опасностью;

•использование ядерных взрывов для изменения климата.

Эти направления исследований были впервые определены в США в рамках анализа возможных применений ядерных взрывов. В СССР эти направления работ также вызывали интерес в различные периоды времени. Так, например, задача создания ядерного взрывного ракетного двигателя достаточно интенсивно обсуждалась в период первого моратория на ядерные испытания в 1958–1961 годах.

8.4.1. Разработка в США ядерного взрывного двигателя

Поскольку работы по исследованию возможности создания ядерного взрывного двигателя находились в рамках режимных ограничений, то мы изложим в этом разделе некоторые данные по программе исследований, проводившихся в США. По этим работам имеется достаточно много открытой информации, позволяющей представить существо проблемы.

Работы по исследованию в США возможностей ядерного взрывного двигателя были сконцентрированы в рамках проекта Orion. Этот проект является хорошей иллюстрацией усилий ученых и инженеров по использованию энергии ядерных взрывов в нетрадиционных областях. Проект представлял собой разработку космического корабля, который двигался бы за счет энергии взрывов ядерных бомб. Эти взрывы должны были толкать специальную платформу, размещенную сзади корабля, и таким образом ускорять его. Несмотря на очевидные проблемы безопасности запусков таких кораблей с Земли, было проработано значительное количество вариантов этой концепции. Исследования проводились в период с 1958 до 1965 год. Конец этого проекта неизвестен, однако Orion никогда не летал. Несмотря на внешнюю абсурдность этой идеи, многие выдающиеся физики работали над этим проектом, и они были уверены, что в принципе он может быть практически реализован.

Важные конкурирующие исследования проводились по изучению возможностей использования ядерных реакторов для ракетных двигателей.

Отдельные работы, известные как проект ROVER (позднее – проект NERVA), были связаны с исследованиями возможности создания ядерного реактора для ракетного двигателя, предполагавшего как военное, так и гражданское применение. Первоначально эта возможность рассматривалась применительно к МБР, затем – к созданию второй стадии двигателя для лунной программы и для программы полета людей на Марс. На Невадском полигоне в период с 1959 по 1969 год в рамках этих работ был проведен 21 эксперимент с ядерными реакторами. 21 января 1965 года специальный реактор был целенаправленно разрушен, что позволило откалибровать модели его поведения в условиях быстрого энергетического нагружения. Программа находилась в списке национальных приоритетов, и работы по ней шли в период с 1961 по 1973 год.

Идея «атомного двигателя» возникла в общем виде в 30-е годы ХХ века. По-видимому, Станислав Улам и Фредерик де Хоффман впервые провели серьезные исследования по проблеме атомного двигателя для космических полетов в 1944 году, когда они работали по проекту «Манхэттен». В течение четверти века КАЭ США, а затем Министерство энергетики рассматривали различные проекты ядерных двигателей для ракет, известные как Dumbo, Kivi, Pluto, кульминацией которых был проект NERVA. Основная идея, лежавшая в основе этих проектов, состояла в нагреве рабочего вещества при его прохождении через ядерный реактор с последующим его расширением и выходом через сопло. Хотя эта идея весьма проста, инженерные проблемы по ее осуществлению были исключительно сложными. Одной из характеристик ракетных двигателей является специфический «импульс»

Isp ~ F / dmdt , определяемый как отношение приложенной силы (в кг) к количеству (кг) продуктов

сгорания, выходящих за единицу времени (сек). Если J – импульс, приобретаемый аппаратом, то dJ ~ Isp dm , так что Isp определяет эффективность использования массы «продуктов сгорания» для

ускорения аппарата. Для лучших ракет на химическом топливе (криогенные кислородно-водородные двигатели) величина Isp составляет около 450 секунд. В проекте NERVA удавалось только удвоить эту величину, несмотря на огромное потенциальное превосходство калорийности ядерного горючего. Основные проблемы были связаны с тем, что реактор работает при постоянной температуре, и эта температура ограничена температурой плавления основных материалов (около 3000°С).

В 50-е годы было предложено значительное количество проектов, в которых пытались обойти температурное ограничение и более основательно использовать огромную мощность атомной бомбы. Компания Маrtin проектировала ядерный импульсный ракетный двигатель на основе «камеры сгорания» диаметром в 40 м. В этой камере должны были взрываться небольшие атомные бомбы с энерговыделением в 0,1 кт со скоростью один взрыв в сек. В камеру должна была также поступать вода, которая использовалась как рабочее вещество ракетного двигателя. Подобный двигатель обладал Isp = 1150 секунд и мог создавать максимальную скорость в 8 км/с. Предполагалось, что до высоты в 240 км аппарат будет выводиться ракетами на химическом топливе. Подобный проект рассматривался в это время и в LLNL; он известен под названием проект Helios.

Всекретной работе 1955 года Станислав Улам и Корнелиус Эверетт исключили из проекта камеру сгорания. Вместо этого бомбы выбрасывались в пространство после специальных разгоняющих дисков. Взрывы испаряли эти диски, и образующаяся плазма ударяла по толкающей платформе, на которой размещался космический аппарат. Преимущество этой системы состояло в том, что она не накладывала ограничений на взрывы, предполагая, что в ней могут быть использованы бомбы с относительно большим энерговыделением. Такие системы не имели исходных (заложенных в них по существу) ограничений по температуре или мощности энерговыделения. Улам, повидимому, использовал возможности наземных ядерных испытаний на атолле Эниветак, когда в 10 метрах от центра взрыва размещались стальные сферы с графитовым покрытием. Эти сферы были найдены после взрыва сохранившимися, при этом с них был унесен тонкий слой графита.

Проект Orion был следующим шагом в реализации этих идей. Он появился в 1958 году в компании General Atomic. Эта компания была основана Фредериком де Хоффманом для производства коммерческих ядерных реакторов. Руководителем проекта был Теодор Тейлор, один из ветеранов военных программ Лос-Аламоса. Де Хоффман убедил принять участие в проекте Фримена Дайсона, известного теоретика из Принстона.

Специальностью Тейлора в Лос-Аламосе было исследование эффектов ядерного взрыва. Он был специалистом по ядерным зарядам, имевшим относительно небольшую мощность, в то время когда магистральной линией было создание зарядов с очень большим энерговыделением. Он также знал о технологиях направленного взрыва, когда продукты взрыва разлетаются преимущественно в одном направлении. Тейлор использовал идею Улама о «толкающей платформе», но вместо разгоняющих дисков он предложил использовать вещество для разгона и ядерный заряд в едином модуле. В качестве разгоняющего вещества предполагалось использовать пластик, вероятно, полиэтилен. Преимущество системы с «толкающей платформой» состояло в том, что в ней одновременно можно было произвести мощный толчок и обеспечить высокую скорость. Эффективность Isp составляла в ней более 10000 секунд. Сила, воздействующая на платформу, была огромной, и она порождала неприемлемые перегрузки для пилотируемого аппарата. Поэтому между платформой и собственно аппаратом размещалась зона для гашения ударных волн.

Врамках проекта Orion было построено несколько моделей для испытаний платформы из алюминия; вопрос состоял в том, выдержит ли она быстрый рост температуры и давления, создаваемых химическими взрывами. Некоторые испытания были неудачными, но в ноябре 1959 года состоялся 100-метровый полет платформы, обеспеченный шестью последовательными взрывами, который был удачным и продемонстрировал, что импульсный режим полета может быть стабильным. В экспериментах было показано также, что платформа может иметь профилированную толщину (толще в центре, тоньше по краям) для получения максимума эффективности при минимуме веса.

Сохранность и долговременность работы платформы были одним из главных условий. Облако расширяющейся плазмы взрыва могло иметь температуру в десятки тысяч градусов, даже когда взрыв происходил на расстоянии около 100 м от платформы. В некоторых вариантах проект предусматривал нанесение между взрывами на поверхность платформы защитного слоя (вероятно, на основе графита). Неизвестно, сохранился ли этот подход в поздних версиях проекта Orion. Специальные эксперименты проводились по изучению процессов разрушения взрывами платформы с помощью применения взрывных плазменных генераторов на основе гелия. Эксперименты показали, что платформа подвергалась воздействию максимальных температур в течение одной миллисекунды от действия каждого взрыва, и что абляция захватывала только тонкий поверхностный слой платформы. Воздействие высоких температур было столь кратковременным, что поток тепла в платформу был невелик и специального охлаждения платформы, по-видимому, не требовалось. Эксперименты показали, что такие материалы, как алюминий или сталь, подходят для изготовления платформы.

Правительство США на ранних стадиях проекта Orion проявило к нему интерес и его агентство APRA в составе Министерства обороны согласилось его финансировать в 1958 году с начальным уровнем в один миллион долларов в год.

Тейлор и Дайсон были убеждены, что подход NASA к проблеме запуска космических кораблей являлся неправильным. Ракеты на химическом топливе были очень дорогими, имели крайне ограниченную полезную нагрузку и не могли использоваться для полетов за пределы Луны.

Тейлор первоначально предполагал возможность наземного запуска корабля Orion, вероятно,

стерритории Невадского полигона. Корабль был похож на наконечник пули высотой в 16 этажей с платформой в 40 м в диаметре. Интуитивно казалось, что чем больше будет платформа, тем более эффективной будет система.

В1959 году администрация США приняла решение, что все гражданские проекты, связанные

скосмосом, регулируются правительством, и что ВВС США отвечают за все проекты, связанные с военными применениями в космосе. APRA прекратила поддержку проекта Orion, поскольку он не имел отношения к решению военных задач, а NASA в 1959 году приняло стратегическое решение о том, что космические программы должны быть неядерными (по крайней мере, в ближайшем будущем). В конце концов, ВВС США решили поддержать проект Orion, но только в том случае, если для него будет найдено военное применение.

Обсуждалось, что корабль Orion мог бы использоваться как военная платформа, двигающаяся по орбите, проходящей через полюса. В этом случае со временем она оказалась бы над любой точкой земной поверхности. Его преимуществом было также то, что он мог обеспечить собственную защиту (благодаря большой полезной нагрузке) против ракетной атаки противника. Эта идея имела конкурентов в виде проекта использования «обычных спутников» в качестве носителей оружия. Вместе с тем, как США, так и СССР, развертывали в это время МБР, способные доставить к цели за 15 минут заряды с энерговыделением в несколько Мт, и вопросы о развертывании в космосе платформ с ядерными боеголовками стали неактуальными.

После смены администрации новое руководство Министерства обороны США прекратило поддержку проекта, так как было уверено в том, что он не имеет военного значения. Некоторая поддержка ему была оказана в NASA, так как проект Orion заинтересовал Вернера фон Брауна. Однако в NASA продолжала действовать стратегия об использовании в космосе ядерных технологий, а деятельность самого этого агентства была очень «прозрачной» и доступной для критики. Кроме того, в 1963 году был заключен Московский договор о запрещении ядерных испытаний в атмосфере,

вкосмосе и под водой, и, с точки зрения международного права, проект Orion стал «незаконной» программой. В 1964 году проект Orion был закрыт.

8.4.2. Возможности использования ядерных взрывов для борьбы с астероидной опасностью

Одним из направлений исследований нетрадиционного использования энергии ядерного взрыва, которые также проводились в ядерных центрах СССР (и сейчас продолжаются в России), являлся вопрос о противодействии угрозе столкновения крупного космического тела (астероида) с Землей. Это сложная многоплановая проблема, в которой здесь мы затронем только некоторые аспекты, связанные собственно с использованием ядерных устройств. После идентификации факта угрозы проблема сводится в основном к обеспечению необходимого сдвига орбиты космического тела или его фрагментации. Рассматривались различные варианты воздействия энергии ядерного взрыва на космическое тело. Одним из механизмов воздействия предполагалось создание взрывом достаточного импульса для необходимого изменения орбиты. При этом исследовались варианты взрыва ядерного устройства на некоторой высоте над поверхностью космического тела с испарением и уносом тонкого слоя массы, формирующего импульс на значительных расстояниях от взрыва. В этом случае прогрев уносимой массы определяется фотопоглощением энергии излучения ядерного взрыва в холодном материале («холодный режим»). В других случаях подрыв ядерного устройства рассматривался на поверхности космического тела, когда испарение и унос материала реализуются в условиях процесса лучистой теплопроводности («горячий режим»).

Интегральный импульс, создаваемый излучением ядерного взрывного устройства и передаваемый космическому телу в первом варианте приподнятого подрыва, может быть оценен соотношением:

	ε0μe e−	mμ
J = ∫ds∫dm 2		e	−Q,
		υ
	υ

где ε0 = 4πER0 2 υ – местный поток энергии излучения на поверхности в единицу мощности;

υ=cos θ, где θ – угол между нормалью к поверхности и направлением на центр взрыва; μe – эф-

фективный коэффициент поглощения энергии излучения в теле объекта, определяемый материалом тела и спектром излучения; Q – теплота испарения материала тела; E0 – энергия излучения ядерного устройства.

В предположении взрыва на высоте h над центром плоской поверхности тела в виде круга с радиусом R

		E0			R2
J =	2π			+		2
		μe	h ln 1		h

с максимумом функции при h ~ 0,5R.

Величина интегральной испаряемой массы со всей поверхности рассматриваемого круга может быть оценена соотношением:

∫

∫

υ

μ

ε

2πh2

R2

μ

e

E

0

M =

dsm

(ρ) =

2ρds

ln

e

0

=

1 +

Λ; Λ ≤ l

.

2

r

4πQ(h

2

2

)

0

μe

Qυ

μe

h

+ R

Рассмотрим конкретный пример скального космического объекта с характерным размером L ≈ 100 м и объемом V ≈ 106 м3. Для космического тела, состоящего из SiO2, при интегральном выходе энергии излучения в E0 = 10 Мт величина J = 2,9 1015 г см/сек, и при массе тела в M0 = 3 106 тонн передаваемая скорость составит приблизительно 10 м/сек. Величина интегральной испаряемой массы оценивается в данном примере в M ≈ 190 тонн, а характерная средняя скорость разлета испаренного материала составляет υ0 = 150 км/сек. Для сдвига орбиты на величину порядка радиуса Земли необходим ресурс времени после производства взрыва в τ ≈ 6,4 105 секунд ≈ 7,5 суток. Такой ресурс представляется малореальной величиной с точки зрения возможности заблаговременного обнаружения цели и ее практического перехвата баллистической ракетой. Тем более это будет относиться к космическим телам, состоящим в основном из железа, а также – в случае уменьшения энерговыделения ядерного заряда.

При контактном подрыве ядерного устройства на поверхности космического тела, величина импульса, передаваемого этому телу вследствие прогрева его вещества тепловой волной, также зависит от конкретных предположений о параметрах излучения ядерного заряда и характеристиках материала. В целом эта величина не превосходит величины импульса, получаемого в «холодном режиме», и в некоторых конкретных вариантах может быть, например, на порядок меньше ее.

В этом случае, однако, важное значение имеет процесс механического разрушения космического тела, связанный с образованием воронки выброса вещества. Уже при мощности взрыва 1 Мт величина радиуса воронки выброса может быть оценена в Rс ~ 100 м при ее глубине hс ~ 30–40 м с объемом выброшенной породы в (0,5–0,6) 106 м3. При этом зона значительных смещений (разрушения) породы реализуется на расстояниях до (2–2,5) Rс = 200–250 м. Таким образом, мы приходим к выводу, что космическое тело из скальной породы размером 200 м может быть разрушено при контактном ядерном взрыве энерговыделением E = 1 Мт.

При увеличении энерговыделения взрыва до 10 Мт размер разрушаемого тела возрастает до 400 м. При этом радиус воронки выброса составит Rс ~ 200 м, а ее глубина hс ~ 60–70 м; зона значительных смещений (разрушения) породы составит при этом (400–500) от центра взрыва.

Отметим, что перехват подобного космического тела может быть важным событием. Масса такого объекта составляет приблизительно 108 тонн, а его энергия, которая может выделиться при столкновении с Землей, может быть оценена на уровне от 5 до 10 Гт (при относительной скорости столкновения в 20–30 км/сек).

Следующий шаг в направлении повышения эффективности использования энергии ядерного взрыва для разрушения космических тел может быть связан с исследованием возможности производства заглубленных ядерных взрывов, причем процесс заглубления обеспечивался специальной конструкцией корпуса боеголовки, содержащей ядерный заряд. При уровне энерговыделения ядерного устройства в 1 Мт характерный размер зоны дробления породы составляет до 250 м в скальном грунте, а зона разрушения, связанная с созданием трещин, составляет до 500 м от центра взрыва. В предположении, что вся энергия взрыва может быть преобразована в кинетическую энергию