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高空核爆炸能量在大气层中的沉积规律

彭国良 张俊杰 王仲琦 任泽平 谢海燕 杜太焦

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高空核爆炸能量在大气层中的沉积规律

彭国良, 张俊杰, 王仲琦, 任泽平, 谢海燕, 杜太焦

High-altitude nuclear explosion energy accumulation law in atmosphere

Peng Guo-Liang, Zhang Jun-Jie, Wang Zhong-Qi, Ren Ze-Ping, Xie Hai-Yan, Du Tai-Jiao
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  • 建立了高空核爆炸X射线辐射能和碎片动能在大气层中沉积的计算模型, 利用该模型模拟了美国和苏联的4次大威力高空核爆炸试验(Checkmate, Starfish, K3, K4)的能量沉积情况, 分析了碎片动能在海拔100—200 km的沉积规律. 计算结果表明, 与X射线沉积区相比, 碎片动能沉积区范围较小, 能量密度较大; 碎片动能沉积在较短时间内(约0.5 s)完成, 在爆心附近和海拔115 km附近存在两个吸收峰; 动能沉积区在水平截面大体上为椭圆形, 爆炸纬度越高, 椭圆偏心率越小, 水平截面积随海拔高度的增加而增大, 随爆高的增大而减小; 距爆点较远、远离磁泡时, 动能沉积峰值点在穿过爆心的地磁场磁力线附近; 距爆点较近、磁泡内部的动能沉积峰值点在爆心投影点附近.
    An accumulation model of X-ray and debris in a high altitude nuclear explosion is built in this work. Using the established model, we simulate the energy accumulations of four large scale experiments (i.e. the Checkmate, Starfish, K3 and K4) conducted by the United States and the Soviet Union. The dynamics of the kinetic accumulation at 100–200 km altitude is analyzed. Our simulation results show that the kinetic patch spreads a relatively small spatial region and has a large energy density compared with the X-ray patch. The accumulation of the debris ions can be finished within around 0.5 s, and two absorption peaks (hence two kinetic patches) can be observed at an altitude of about 115 km and the burst point. The shape of the kinetic region projected onto the horizontal plane is roughly elliptical, the eccentricity will be smaller at higher latitudes, and the area will be larger at higher altitudes. Away from the bursting point, the maximum energy density of the kinetic patch is near the magnetic field line that crosses the bursting point. Within the magnetic bubble, the maximum energy density of the kinetic patch occurs near the bursting point.
      通信作者: 彭国良, pgl02@163.com
      Corresponding author: Peng Guo-Liang, pgl02@163.com
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  • 图 1  大气压随海拔高度的变化

    Fig. 1.  Atmosphere pressure vs. altitude.

    图 2  $ \lg ({\eta _{\text{X}}}) $等值线图 (a) Checkmate; (b) K4; (c) K3; (d) Starfish

    Fig. 2.  Contour of $ \lg ({\eta _{\text{X}}}) $: (a) Checkmate; (b) K4; (c) K3; (d) Starfish.

    图 3  碎片动能沉积与X射线能量沉积的比值$ {\eta _{{\text{DX}}}} $等值线云图 (a) Checkmate; (b) K4; (c) K3; (d) Starfish

    Fig. 3.  Contour of energy ratio $ {\eta _{{\text{DX}}}} $ of the debris and X-ray: (a) Checkmate; (b) K4; (c) K3; (d) Starfish.

    图 4  海拔高度115 km归一化碎片动能沉积线密度$ {\delta _{\text{D}}} $随时间的变化

    Fig. 4.  Time variation of the normalized debris kinetic energy line density $ {\delta _{\text{D}}} $ at altitude 115 km.

    图 5  爆后1 s归一化碎片动能沉积线密度$ {\delta _{\text{D}}} $随海拔高度的变化

    Fig. 5.  Altitude variation of the normalized line debris kinetic energy density $ {\delta _{\text{D}}} $ at 1 s after detonation.

    图 6  不同海拔的归一化碎片动能沉积云图, 图中, *为过爆点的背景地磁场磁力线在面内的位置, +为动能沉积密度最大的位置 (a) Checkmate, altitude = 105 km ; (b) Checkmate, altitude = 115 km; (c) Checkmate, 海拔高度为125 km; (d) Checkmate, 海拔高度为145 km; (e) K4, 海拔高度为105 km; (f) K4, 海拔高度为115 km; (g) K4, 海拔高度为125 km; (h) K4, 海拔高度为145 km; (i) K3, 海拔高度为105 km; (j) K3, 海拔高度为115 km; (k) K3, 海拔高度为125 km; (l) K3, 海拔高度为145 km; (m) Starfish, 海拔高度为105 km; (n) Starfish, 海拔高度为115 km; (o) Starfish, 海拔高度为125 km; (p) Starfish, 海拔高度为145 km

    Fig. 6.  Normalized debris energy accumulation at various altitudes, where, “*” denotes the magnetic field line which crosses the burst point, and “+” denotes the peak of the accumulated kinetic energy density: (a) Checkmate, altitude = 105 km; (b) Checkmate, altitude = 115 km; (c) Checkmate, altitude = 125 km; (d) Checkmate, altitude = 145 km; (e) K4, altitude = 105 km; (f) K4, altitude = 115 km; (g) K4, altitude = 125 km; (h) K4, altitude = 145 km; (i) K3, altitude = 105 km; (j) K3, altitude = 115 km; (k) K3, altitude = 125 km; (l) K3, altitude = 145 km; (m) Starfish, altitude = 105 km; (n) Starfish, altitude = 115 km; (o) Starfish, altitude = 125 km; (p) Starfish, altitude = 145 km.

    表 1  高空核爆实验参数

    Table 1.  High-altitude nuclear tests parameters.

    爆高/km当量/kt维度/(°)质量/kg
    Checkmate14741017440
    Starfish4001400171500
    K330030047320
    K415030047.6320
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-03
  • 修回日期:  2022-08-29
  • 上网日期:  2022-10-13
  • 刊出日期:  2022-10-20

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