핵 정전

Nuclear blackout

파이어볼 블랙아웃 또는 레이더 블랙아웃으로도 알려진 핵 블랙아웃핵무기의 폭발로 인해 발생하는 효과로, 무선 통신을 방해하고 레이더 시스템이 블랙아웃되거나 심하게 굴절되어 더 이상 정확한 추적과 안내를 위해 사용될 수 없게 된다.대기권 내에서는 폭발의 에너지에 의해 생성되는 대량의 이온화 공기에 의해 영향이 발생하는 반면, 대기권 위에서는 붕괴하는 폭탄 잔해에서 방출되는 고에너지 베타 입자의 작용에 기인한다.높은 고도에서 그 영향은 수백 킬로미터에 이르는 넓은 지역으로 확산될 수 있습니다.그 효과는 불덩어리가 사라지면서 서서히 사라집니다.

그 효과는 핵버섯 구름을 매우 먼 거리에서 추적하기 위해 레이더 시스템을 사용한 핵실험 초기부터 알려져 있었다.대기권 밖에서 폭발했을 때 그것의 확장된 영향은 1958년 수천 킬로미터에 이르는 광범위한 전파 간섭을 야기한 하드택아르고스 핵실험의 [1]일부로 처음 발견되었다.그 효과는 너무 당황스러워서 소련과 미국 모두 정전 및 전자기 펄스(EMP)와 같은 다양한 고공 효과에 대한 추가 정보를 수집하기 위해 1958년 말부터 시행되어 온 비공식적인 시험 유예 기간을 깼다.

블랙아웃은 탄도탄 요격미사일(ABM) 시스템의 특별한 우려 사항이다.방어용 미사일의 사정거리 바로 너머 상공에서 탄두를 폭발시킴으로써, 공격자는 추가적인 접근 탄두를 볼 수 없는 넓은 범위의 하늘을 덮을 수 있다.이 탄두들이 정전 지역에서 나오면 방어 시스템이 추적 정보를 개발하고 공격할 시간이 충분하지 않을 수 있다.이것은 1950년대 후반의 LIM-49 나이키 제우스 프로그램에게 심각한 걱정거리였고, 결국 취소된 이유 중 하나였다.테스트에서 밝혀진 중요한 발견은 주파수가 높을수록 효과가 더 빨리 제거된다는 것입니다.이후 비산물 방어 설계는 영향을 완화하기 위해 UHF마이크로파 영역에서 더 높은 주파수로 작동하는 레이더를 사용했다.

폭탄 효과

대기권 내

Hardtack II Lea 테스트샷의 이 이미지는 폭발 후 몇 밀리초 후에 촬영되었습니다.방사화구가 이미 형성되어 확대되는 충격파가 팽창을 계속하고 있습니다.바닥에 있는 스파이크는 로프 트릭 효과 때문입니다.

핵폭탄이 지면에서 폭발할 때, 고밀도 대기는 방출되는 많은 아원자 입자와 상호작용한다.이 작업은 일반적으로 미터 단위로 가까운 거리에서 수행됩니다.이 에너지는 공기를 가열하여 즉시 이온화하여 마이크로초 [2]이내에 대략 구형 불덩어리를 형성합니다.

더 느린 속도로 진행하는 것이 실제 폭발이며, 이는 바깥쪽으로 이동하는 강력한 충격파를 생성합니다.충격파에 의해 방출되는 에너지는 공기를 압축하여 제2의 불덩어리를 만들기에 충분합니다.이 두 번째 불덩어리는 방사선을 통과하면서 계속 팽창합니다.팽창함에 따라 충격파의 에너지량은 역제곱 법칙에 따라 감소하지만 가시광선과 자외선 스펙트럼에서 직접 방사선을 통해 추가 에너지가 손실된다.결국 충격파는 너무 많은 에너지를 잃어서 더 이상 빛을 발할 만큼 공기를 가열하지 못한다.이탈로 알려진 그 지점에서 충격 전선이 투명해지고 불덩어리는 성장을 [2]멈춘다.

지면에서 떨어진 곳에서 폭발한 폭탄의 화구 직경은 다음 [3]공식을 사용하여 추정할 수 있다.

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

서 Y Y 메가톤 단위의 산출량이고, {\(\ 고도 공기 밀도에 대한 해수면 공기 밀도의 비율입니다.따라서, 1메가톤의 TNT 폭탄이 약 5,000피트 (1,500미터)[a]의 고도에서 폭발하면 약 1킬로미터 (3,300피트)[4]까지 확장될 것이다.비율 0 style 지수 관계를 가정하여 광범위한 범위에서 계산할 수 있습니다.

서 h h 버스트의 고도(피트)[3]입니다.따라서 50,000피트(15,000m)에서 동일한 폭발은 약 0.1기압에서 발생하며, 지름이 2,150미터(7,050ft)인 불덩어리가 지면에 가까운 불덩어리의 약 두 배 크기입니다.고도 폭발의 경우, 예를 들어 76km(25,000피트)의 화구는 직경이 [4]약 46km(29마일)까지 확장됩니다.

대기권 밖

불가사리 프라임의 폭탄 잔해는 지구의 자기선을 따라 이 부채꼴의 불덩어리를 만들었다.아래에서는 이 잔해들이 방출하는 베타 입자가 하늘의 대부분을 덮고 있는 붉은 이온화 원반을 일으킵니다.

폭탄이 대기권 밖에서 폭발할 때, 일반적으로 약 100km(330,000ft) 이상의 고도에서 공기와의 상호작용이 부족하면 화구 형성의 성격이 변한다.이 경우, 다양한 아원자 입자는 임의의 거리를 이동할 수 있으며, 팽창하는 폭탄 파편을 계속 앞지를 수 있습니다.대기의 부족은 또한 충격파가 형성되지 않는다는 것을 의미하며, 불덩어리를 형성하는 것은 빛나는 폭탄 잔해 그 자체일 뿐이다.이런 종류의 폭발에서, 화구 자체는 큰 레이더 문제는 아니지만, 그 아래의 대기와의 입자의 상호작용은 낮은 [3]고도에서 화구처럼 레이더를 차단하는 데 효과적인 많은 2차 효과를 일으킨다.

단순한 기하학적 이유로, 폭발에 의해 방출된 입자의 약 절반은 지구를 향해 이동하며 대기의 상층부와 상호작용할 것이고, 나머지 절반은 우주로 [3]위쪽으로 이동할 것이다.입자는 [5]에너지에 따라 대기에 깊이까지 침투합니다.

입자들. 에너지 고도
핵분열 잔해 150킬로미터
엑스레이 4 keV 80킬로미터
베타 입자 1 MeV 60킬로미터
감마선 3 MeV 30킬로미터
중성자 1 MeV 30킬로미터

이러한 효과 중 두 가지는 특히 주목할 만하다.첫 번째 원인은 감마스입니다. 감마스는 폭발 바로 아래에 있는 폭발로 도착하여 즉시 공기를 이온화시켜 아래쪽으로 이동하는 전자의 거대한 펄스를 일으킵니다.중성자는 조금 늦게 도착해 제시간에 뻗어나가지만, 비슷한 효과를 발생시키지만, 강도는 덜하고, 약간 더 길다.이러한 감마 및 중성자는 [3]영향으로부터 보호되지 않는 전자장치를 손상시킬 수 있는 핵 전자기 펄스(EMP)의 원천이다.

두 번째 중요한 효과는 높은 에너지 베타 입자에 의해 발생합니다.이것들은 핵융합핵을 둘러싼 우라늄 변조기의 방사능 붕괴에 의해 지속적으로 생성되고 있기 때문에, 이 효과의 크기는 주로 폭탄의 크기와 우주에서의 물리적 분산의 함수이다.베타들은 가볍고 전기적으로 충전되어 있기 때문에 지구의 자기장을 따라갑니다.이것은 같은 위치는 [6]아니지만 지구로 다시 위쪽으로 이동한다.

충돌하는 원자만 이온화하는 감마와는 달리, 빠르게 움직이는 베타는 그들이 근처를 통과하는 원자에서 거대한 자기장을 유도하여 베타 속도를 늦추면서 이온화를 일으킨다.따라서 각각의 베타는 스스로 자유 전자가 될 뿐만 아니라 다중 이온화를 일으킬 수 있습니다.이것은 이러한 공기 [7]분자로부터 방출되는 낮은 에너지 전자의 전류 펄스를 훨씬 더 크게 하지만 확산시킵니다.이 반응은 50에서 60km 사이에서 일어나기 때문에, 그 결과는 두께 약 10km, 그리고 [8](일반적으로) 수백km의 이온화된 공기로 이루어진 원반이다.

게다가, 지구의 자기장과 거의 평행하게 이동하는 베타들은 갇히게 되고 자기장이 대기와 교차하는 곳에서 비슷한 효과를 일으킬 것이다.어떤 경도에도 적도의 북쪽과 남쪽 두 곳이 있으며, 그 효과는 자기공역 영역에서 가능한 한 강한 신호를 만들기 위해 이 장소들 중 한 곳에서 폭탄을 폭발시킴으로써 극대화된다.크리스토필로스 효과로 알려진 이것은 1950년대 후반에는 진지한 연구의 주제였지만,[9] 그 효과는 예상보다 덜 강력했다.

정전 효과

원자와 분자에 결합할 때, 양자역학은 자연스럽게 전자가 특정한 에너지 수준의 집합을 가정하도록 합니다.이들 중 일부는 무선 주파수를 포함한 다양한 에너지의 광자에 해당합니다.금속에서는 에너지 레벨이 매우 촘촘히 떨어져 있기 때문에 금속 내 전자는 거의 모든 무선 주파수 광자에 반응하기 때문에 우수한 안테나 재료가 됩니다.자유 전자도 마찬가지지만, 이 경우, 고유의 에너지 레벨이 전혀 없고, 전자는 거의 모든 [10]광자에 반응합니다.

불덩어리

핵 불덩어리 안에서 공기는 핵과 자유 전자의 혼합물로 구성되어 이온화된다.후자는 전자 밀도가 임계치 이상일 때 거울과 같은 표면을 형성할 정도로 강한 굴절 전파입니다.불덩어리가 에너지를 방출하고 식으면 이온과 전자는 원자로 다시 형성되고 효과는 몇 초 또는 몇 분 동안 서서히 사라집니다.클라우드가 냉각되더라도 신호를 감쇠시켜 레이더 [5]사용에 무용지물이 될 수 있습니다.

무선 주파수가 플라즈마 [11]주파수보다 작을 때 파이어볼로부터의 전체 반사가 발생합니다.

p 1 ({}=Hz

서 Ne(\ 입방 센티미터당 자유 전자 수입니다.1m 파장(300MHz) 신호의 경우 밀도가 [6]입방센티미터당 10개의 자유 전자일 때9 발생합니다.매우 낮은 밀도에서도 이온화는 전파 에너지를 굴절시켜 다음과 같이 [3]감쇠시킵니다.

a .41~ )2 ( ) + 2 (2 ) \ displaystyle } .4{( f_ {(2 f2}} {(2\ 데시벨/km

서 f 위와 같은 플라즈마 주파수, {\f}는 무선 신호의 주파수, c {\}}는 공기 중 원자의 충돌 주파수입니다.후자는 밀도의 함수이며,[3] 따라서 고도는 다음과 같습니다.

c (\}=2} (\ 10Hz

p(\p)는 폭발 고도에서의 공기 이고 p 0 해수면에서의 밀도(1atm)입니다.화구는 고도에서 수백 km까지 확장되기 때문에 10km까지 확장되는 화구를 통해 km당 1dB의 일반적인 감쇠가 신호를 완전히 감쇠시켜 멀리 있는 물체를 추적할 [12]수 없게 된다.

대기권 밖

외부 대기 베타 방출의 영향은 폭발의 형상에 따라 크게 달라지기 때문에 평가하기가 더 어렵다.단, 핵분열 생성물의 밀도와 원반의 와 강도의 관계는 메가톤 [3]단위로 Y Y 폭발 생성물의 수율을 고려하여 결정할 수 있다.

2 2 { y ={ Y} { d2}}}}톤/단위면적

서 dd는 특정 폭발에 대한 디스크 직경입니다.

정전 수명

폭발이 대기권 내에서 일어나면 화구는 빠르게 형성되고 처음에는 가시광선과 자외선의 형태로 상당한 에너지를 방출합니다.이렇게 하면 화구가 약 5000°C까지 빠르게 냉각되고 냉각 프로세스가 상당히 느려집니다.이때부터 1차 냉각 효과는 주변 공기량과의 열 전달을 통해 이루어집니다.이 과정은 몇 분이나 걸리고, 더 높은 고도에서 공기가 적기 때문에,[12] 화구는 더 오랫동안 이온화된 상태를 유지합니다.

10만 피트부터 20만 피트(30-60km)의 고도에서 공기의 밀도는 큰 영향을 미치기에는 충분하지 않으며, 불덩어리는 계속 복사적으로 식는다.일반적으로 이 과정은 초당 약−12 10입방센티미터의 r로 기술된다.초기 전자 밀도가 10이면12 약 17분 [12]동안 1,000초 동안 10 전자/cm의2 밀도가9 발생하지 않습니다.

순수 대기권 외 폭발의 경우, 정전 원반을 일으키는 베타스는 폭탄 잔해에서 핵분열 사건에 의해 지속적으로 생성된다.이것은 반응의 반감기의 영향을 받습니다(초 단위).정전 상태를 유지하려면 다음 [13]방정식을 충족해야 합니다.

입방 센티미터 당 10개의 자유 전자를 가진9 완전한 정전기를 만들기 위해서는 평방 킬로미터 당 약 10톤의 핵분열 생성물이 필요하다.이것은 하나의 전형적인 1 Mt [13]폭탄으로 달성할 수 있다.

정전 및 미사일 방어

블랙아웃은 미사일 방어 시스템의 특별한 우려 사항으로, 이 시스템은 접근 중인 탄두를 볼 수 없는 거대한 불투명 영역을 만들어냄으로써 지상 기반 레이더를 격퇴하는 데 사용될 수 있다.요격기의 반응 시간에 따라서는 접근 중인 탄두가 너무 늦게 나타나 요격기가 궤적을 개발하고 미사일을 [7]발사할 수 없기 때문에 요격기의 반응 시간이 무용지물이 될 수도 있다.

스프린트와 같은 단거리 요격기의 경우, 전체 요격은 하늘의 상당한 영역을 차단할 수 있을 만큼 충분히 큰 불덩어리가 자라는 범위와 아래의 고도에서 발생하기 때문에 정전은 심각한 문제가 아니다.스프린트의 공칭 사거리 45km(28mi)에서, 몇 킬로톤의 탄두는 직경 약 1km(3,000ft)의 화구를 만들어 낼 것이며, 이는 (1km/45km)2 0 0.0005 스테라디안(sr)의 각도를 나타낸다.같은 고도에서 1Mt 폭발이 일어나도 직경 10km(6mi) 또는 약 0.05sr의 불덩어리가 생성되며, 이는 여전히 심각한 [7]문제는 아니다.

수십 개의 대형 탄두들로 구성된 공격만이 단거리 요격미사일에 [7]문제를 일으키기에 충분할 정도로 중요하다.그러나 요격 미사일 탄두가 서로 가까이에서 폭발한다면, 이는 전형적으로 "오는 위험물마다 방어 미사일을 하나 이상 발사해야 하기 때문에..." 때문이다.[[1]a] 살인에 충분한 확률을 확보한다.이러한 문제는 1962년 도미닉 작전 테스트 시리즈에서 탐구되었다.이러한 테스트의 결론은 이러한 공격 프로파일에 대한 유일한 해결책은 여러 개의 레이더 시스템을 사용하여 그것들을 한데 묶어 [14]표적을 가장 명확하게 보는 것 중 하나를 선택하는 것입니다.레이더는 Nike-X와 [1]같은 시스템의 가장 비싼 부품 중 하나였기 때문에 ABM 시스템의 비용이 크게 증가할 것입니다.

스파르타와 같은 장거리 미사일에 대해, 이와 같은 고공 폭발은 더 심각한 문제를 야기했다.이 경우 미사일은 도달하는 데 다소 시간이 걸리는 거리인 500km(300mi)까지 요격할 것으로 예상됐다.대기권 밖에서 한 번의 폭발이 이 지역을 약 60km의 고도에서 지름 400km의 원반으로 덮을 수 있다.이 신호 뒤에서 나타나는 탄두는 대기권 밖에서 일어나는 폭발에 의존하는 X선 탄두로 공격하기에는 너무 가까울 것이다.방위군은 스프린트와 같은 단거리 무기로 후속 탄두를 다루거나, 정전 공격의 일부일 경우에 대비해 접근하는 모든 탄두를 장거리 공격해야 할 것이다.다수의 정전 폭발과 함께 정교한 공격이 우려의 [7]대상이었다.

레이더 파장과 주어진 분해능을 제공하는 데 필요한 안테나의 크기 사이에는 직접적인 관계가 있습니다.이것은 검색 레이더가 작은 안테나에서 탄두나 부스터 파편과 같은 특정 크기의 물체를 해결할 수 있기 때문에 더 높은 주파수를 사용하는 것이 유리하다는 것을 의미한다.그러나, 낮은 주파수에서 무선 전력을 생성하는 것은 일반적으로 비용이 적게 들고, 보다 강력한 레이더를 구축함으로써 분해능의 단점을 상쇄합니다.이 두 효과 사이의 트레이드오프에는 신중한 [15]최적화가 필요합니다.

레이더 정전은 이러한 문제들을 더욱 혼란스럽게 한다.위의 공식에는 높은 주파수가 짧은 시간 동안 차단된다는 것이 있습니다.이는 장거리 레이더가 더 어렵고 비용이 많이 들지만 가능한 한 높은 주파수를 사용해야 한다는 것을 의미합니다.US PAR는 초기에 VHF 영역에서 작동하도록 설계되어 있어 매우 강력하면서도 상대적으로 비용이 적게 들도록 설계되었지만, 설계 단계에서 이러한 [16]영향을 완화하기 위해 UHF 영역으로 이동했다.그래도 감쇠가 [7]심합니다.

이것은 대기권 밖 폭발이 PAR이나 소련 드네스트르같은 장거리 조기 경보 레이더에 매우 효과적이라는 것을 의미한다.250km 고도에서 폭발한 1Mt 탄두 1발은 일반적인 궤도로 볼 때 약 600km(400mi) 하방이며 지름 300km(200mi)의 이온화 원반을 만들 것으로 예상된다.레이더에서 볼 수 있듯이, 이것은 (300 km/600 km)2 0 0.3 sr의 각도로, 유사한 경로를 따라 접근하는 탄두를 숨기기에 충분하다.이를테면 특정 미사일장의 탄두 1개가 다음 탄두를 모두 같은 분야에서 숨길 수 있게 된다.비록 이것이 요격기의 운용에 직접적인 영향을 미치지는 않겠지만, 매우 먼 스파르타인의 사정거리 밖에 있기 때문에, 그러한 작전은 급습 방향과 전반적인 전투 계획을 심각하게 뒤엎을 수 있었다.게다가 폭발은 요격기의 범위 밖에서 발생하기 때문에 이를 [8]막을 수 있는 간단한 수단이 없다.

상당한 불확실성

위의 공식은 이면 논의에 유용하지만 다양한 테스트 금지 사항으로 인해 이러한 효과에 대한 실제 테스트가 거의 수행되지 않았다는 점을 고려할 필요가 있다.미국 테스트의 역사 동안, 후기의 정전에 적합한 10 - 25km(33,000 - 82,000ft)의 상층 대기 고도에서 적절한 계측기를 사용한 7개의 테스트만 수행되었고, 외기 고도에서 2개의 테스트만 수행되었다.이들 테스트에는 여러 개의 버스트가 포함되어 있지 않았습니다.이는 의도적으로 [7]블랙아웃을 일으키는 공격에서 예상할 수 있는 것입니다.

메모들

  1. ^ 세계 거의 모든 지역의 고도는 항상 피트 단위로 표시됩니다(항공 고도계는 비슷하게 항상 피트 단위로 보정됩니다).유일한 예외는 고도(m)를 미터로 표시하고 항공기 고도계를 그에 맞게 보정하는 구 소련이었다.이는 오늘날에도 여전히 대부분의 옛 소련 국가들이 주로 계승된 항공기 비행대 때문에 미터기를 사용하고 있는 관행이다.

레퍼런스

인용문

  1. ^ a b c 블레이드 & 시라쿠사 2014, 페이지 178.
  2. ^ a b 1979년 효과, 페이지 15-20.
  3. ^ a b c d e f g h 상수 2013, 페이지 100
  4. ^ a b Canavan 2003, 페이지 113
  5. ^ a b 모의 1966년.
  6. ^ a b Garwin & Bethe 1968, 29페이지
  7. ^ a b c d e f g Canavan 2003, 페이지 14
  8. ^ a b 카나반 2003, 페이지 15
  9. ^ Jacobsen, Annie (2015). The Pentagon's Brain. Little, Brown. ISBN 9780316371650.
  10. ^ "Quantum Numbers and Atomic Energy Levels". Hyperphysics.
  11. ^ 상수 2013, 99페이지
  12. ^ a b c Garwin & Bethe 1968, 30페이지
  13. ^ a b Garwin & Bethe 1968, 31페이지
  14. ^ 카터 & 슈워츠 1984, 페이지 65
  15. ^ Canavan 2003, 페이지 7-8.
  16. ^ 벨 연구실 1975, 8-2페이지

참고 문헌