Способ определения удельной энергии, необходимой для разрушения опасного астероида ядерным взрывом

Изобретение относится к области борьбы с астероидной опасностью в рамках техники моделирования физических процессов и природных явлений. Способ предусматривает изготовление микромодели (ММ) из вещества, подобного веществу астероида. ММ подвергают в вакуумной камере воздействию импульсного лазерного излучения, сфокусированного на её поверхности. Время воздействия выбирают много меньше времени прохождения поперечного размера микромодели звуковой волной, а диаметр лазерного пятна на поверхности ММ - много меньше поперечного размера ММ. Осуществляют несколько опытов, увеличивая энергию (E_мод) воздействия на массу (m_мод) ММ вплоть до разрушения последней. Удельную энергию разрушающего воздействия на астероид (массы m_мет) определяют по формуле: E_мет/m_мет = (E_мод/m_мод)/k, где k ~ 2 - поправочный коэффициент, связанный с различиями в механизмах поглощения энергии на начальной стадии в натурном и модельном случаях. Техническим результатом изобретения является определение удельной энергии гарантированного разрушения астероида ядерным взрывом путём моделирования процесса разрушения на основе принципа физическою и геометрического подобия. 6 ил.

 

Способ определения удельной энергии разрушения опасного астероида ядерным взрывом относится к технике моделирования физических процессов и природных явлений.

Падение крупного астероида представляет собой одну из самых больших катастроф для нашей планеты. Сегодня человечество достигло достаточно высокого уровня технического развития и может всерьез рассматривать возможности предотвращения или ослабления астероидной опасности. Одной из возможностей является заблаговременный запуск ракеты с ядерным зарядом и организация мощного взрыва на поверхности астероида, приводящего к его дроблению на мелкие составляющие, не представляющие значительной опасности при попадании в атмосферу Земли (патент RU №2533778 «Способ отклонения орбиты астероида (варианты)», опубл. 10.09.2014. С.А. Новиков. Мирные ядерные взрывы. Соросовский образовательный журнал, №11, 1999 г., с. 84-85).

Однако данный способ предполагает большие затраты на проведение натурного эксперимента, что исключает возможность наработки экспериментальной базы, подтверждающей теоретические предположения. При организации взрыва надо учитывать время прохождения радиоволн, время срабатывания взрывателя, температуру заряда, скорость детонации взрывчатки и т.п. Также необходимо провести исследование воздействия на астероид ядерного взрыва, происходящего на определенном расстоянии под поверхностью астероида. Не изучен вопрос о том, какую именно скорость передаст осколкам астероида ядерный взрыв.

Технически сложной задачей является синхронизация времени подрыва зарядов, их прицеливание и защита друг от друга при воздействии на астероид несколькими ядерными взрывами.

Таким образом, предпочтительней использовать один мощный ядерный взрыв для полного разрушения астероида на мелкие осколки, которые полностью сгорят в атмосфере планеты, либо, при достаточно раннем обнаружении и уничтожении астероида, вообще на планету не упадут.

Одним из ключевых вопросов в способе воздействия на астероид является знание критерия его заведомого разрушения ядерным взрывом.

Наиболее близкого источника известности, в котором решалась бы такая же задача, что и в заявляемом способе, при проведении патентного поиска найдено не было.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является исследование возможности разрушения опасного астероида хондритного типа с помощью ядерного взрыва.

Техническим результатом изобретения является определение удельной энергии (энергии, приходящейся на единицу массы вещества астероида, Дж/г) заведомого разрушения астероида ядерным взрывом с помощью процесса лазерного моделирования на основе принципа физического и геометрического подобия.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляется способ определения удельной энергии разрушения, необходимой для разрушения опасного астероида ядерным взрывом, основанный на применении принципа физического и геометрического подобия и состоящий из того, что изготавливают микромодель астероида, подобную натурному объекту, и подвергают ее воздействию импульсного лазерного излучения, сфокусированного на поверхности микромодели в вакуумной камере, причем время воздействия лазерного излучения выбирают много меньше времени прохождения поперечного размера микромодели звуковой волной, а диаметр лазерного пятна на поверхности устанавливают много меньше поперечного размера микромодели, при этом осуществляют несколько опытов, варьируя энергию воздействия и массу микромодели, с увеличением отношения энергии к массе, вплоть до разрушения, после чего делают вывод о требуемом энергетическом пороге разрушения микромодели и определяют энергию разрушающею воздействия на астероид, исходя из следующего условия: E_мет/m_мет=(Е_мод/m_мод)/k, где k - поправочный коэффициент, связанный с различиями в механизмах поглощения энергии на начальной стадии в натурном и модельном случаях.

В заявляемом способе предлагается заменить астероид диаметром в сотни метров его микромоделью из вещества того же состава, плотности и прочности как на сжатие, так и на растяжение диаметром всего несколько миллиметров. Энерговыделение ядерного взрыва на поверхности астероида заменить импульсным выделением лазерной энергии на малой площадке поверхности модели. Характер воздействия и характер разрушения на газодинамической стадии в обоих случаях физически подобны. Воздействие сфокусированного лазерного излучения на микромодель астероида и воздействие ядерного взрыва на астероид имеют точечный и мгновенный характер. Иными словами, размер области начального энерговыделения много меньше поперечного размера астероида (либо микромодели), а длительность начального энерговыделения много меньше характерного времени распространения ударной волны в натурном и модельном случаях соответственно.

Характерным и простым критерием моделирования газодинамических процессов разрушения является равенство отношений энергии к массе астероида и микромодели в натурном и модельном случаях. При этом вещество микромодели должно обладать такими же свойствами, что и вещество натурального астероида (в частности, пористостью и прочностными свойствами).

Этот критерий в точности соблюдается для заглубленного взрыва. Для случая взрыва на поверхности необходимо уточнение коэффициента пропорциональности между отношениями энергии к массе, который отличается от единицы из-за различия в механизмах поглощения энергии лазерного излучения и энергии ядерного взрыва на начальной тепловой стадии. Однако приближенно этот критерий может быть применен и для поверхностного ядерного взрыва.

Согласно предварительным лазерным экспериментам и пересчету в соответствии с критерием подобия с условий лазерных экспериментов на натурные условия ядерный взрыв с энергией 6 Мт разрушит каменный астероид (хондрит) с поперечным размером 200 м.

Как при ядерном взрыве на поверхности астероида, так и при воздействии импульса сфокусированного лазерного излучения на поверхность микромодели существует непродолжительная стадия, на которой определяющую роль играют процессы теплопереноса. Из-за того что эти процессы имеют различную природу, подобие между рассматриваемыми процессами на этой стадии отсутствует.

Основное время разрушающего воздействия приходится на продолжительную газодинамическую стадию, характеризующуюся распространением затухающих ударных волн. Подобие газодинамических течений на этой стадии между натуральной ситуацией и лазерным экспериментом, очевидно, имеет место при одинаковых отношениях энергии, содержащейся в ударной волне, к массе микромодели (астероида). Эта энергия составляет некоторую долю от полной энергии лазерного излучения (ядерного взрыва). Строго говоря, эти доли для натурального и модельного случаев отличаются друг от друга на множитель k~2 (1,5<k<2,5).

Значения этого коэффициента могут быть получены из сравнительного расчета начальных стадий ядерного взрыва и воздействия лазерного импульса. Следует отметить высокую степень обоснованности физического подобия: при отличии энергии ядерного взрыва (6 Мт) и лазерного излучения (500 Дж) на тринадцать порядков величина k равна всего лишь ~2 и может быть уточнена расчетами.

Для удобства оценок в дальнейшем будем пользоваться отношением полной энергии к массе, вводя поправочный коэффициент, учитывающий характер начальной тепловой стадии.

Процессы на газодинамической стадии в натуральном и модельном случаях описываются одинаковыми уравнениями газовой динамики. При соблюдении условий физического подобия выполняются требования одинаковости масштабов массовых скоростей для натурального и модельного случаев. Требование обеспечения в веществе микромодели той же скорости звука, плотности и прочности однозначно приводит к тому, что в безразмерных переменных параметры течений совпадают. В частности, характерные скорости разлета осколков должны совпадать в натуральном и модельном случаях, поскольку абсолютно все масштабы скорости в этих случаях одинаковы.

Заявляемый способ поясняется с помощью трафиков и графических изображений, представленных на фиг. 1-6.

На фиг. 1 представлены расчетные зависимости нормированных величин от приведенного времени в одной из точек наблюдения.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема экспериментального стенда, где:

1 - объектив, фокусирующий лазерное излучение;

2 - микромодель астероида;

3 - бокс, улавливающий осколки;

4 - электронно-оптический преобразователь (ЭОП);

5 - лампа-вспышка;

6 - камера обскура;

7 - коллиматор PDV (photon Doppler velocimetry).

На фиг. 3 - микромодель до и после эксперимента. Размер делений линейки 1 мм.

На фиг. 4 - динамика разлета микромодели, заснятая с помощью ЭОП (Нумерация кадров начинается с левого верхнего, идет построчно. Начало съемки - 500 мкс после облучения мишени, промежуток между кадрами 70 мкс, выдержка кадров 2 мкс).

На фиг. 5 - пятно излучения, полученное с использованием камеры-обскуры (а), изолинии распределения в нем интенсивности (б): диаметр эквивалентного пятна на полувысоте равен d_экв=129 мкм.

На фиг. 6 - регистрация движения тыльной стороны микромодели оптогетеродинной (PDV) методикой.

Заявляемый способ был реализован на стенде, расположенном в одном из каналов установки «Луч» (Гаранин С.Г., Зарецкий А.И., Илькаев P.И. и др. Канал мощной установки «Луч» для ЛТС с энергией импульса 3,3 кДж и длительностью 4 нс. Квантовая электроника. 2005 г., том 35, стр. 299-301). Облучение микромодели 2 (мишени) производилось на длине волны λ=0,527 мкм в режиме «острой фокусировки». Длительность лазерного импульса составляла 2 нс, диаметр пятна фокусировки 100 мкм. Мощность импульса варьировалась от 100 до 500 Дж. С выхода канала установки лазерное излучение после преобразователя частоты, через систему транспортных зеркал фокусирующим объективом 1 вводилось в 8-канальную вакуумную мишенную камеру. Микромодель 2 точечно закреплялась клеем к вертикально ориентированному штоку, угол между падающим излучением и штоком составлял ≈55°. Шток с микромоделью помещался в прозрачный бокс 3, который служил для улавливания осколков микромодели с последующим их массовым анализом. В вакуумной камере находилась система диагностики, измеряющая как параметры лазерного излучения, так и динамику разрушения микромодели.

Рентгеновская камера-обскура 6 осуществляла измерение свечения вторичного излучения из пятна облучения, что позволяло определить реальный диаметр пятна фокусировки и рассчитать интенсивность облучения на микромодели 2. Теневая регистрация около мишенной области с использованием 9-кадровой «лупы времени» на базе ЭОП 4 производилась с помощью боковой подсветки мишени синхронизированным импульсным источником подсветки (лампы-вспышки) 5. Также производилось измерение скорости движения осколков, отлетающих с тыльной стороны микромодели, доплеровским оптогетеродинным способом с регистрацией на осциллограф.

Микромодели были изготовлены из искусственного вещества, которое по химическому составу, плотности и прочности на сжатие и растяжение соответствовало натуральному астероидному. Микроструктура микромоделей имитировала уменьшенную в 50000 раз структуру натурального хондрита. Диаметр мишени варьировался от 3 до 7 мм.

Для мишеней с соотношением химических элементов SiO₂ - 43,5%, MgO - 28,5%, Fe₂O₃ - 20,5%, FeS - 8,5%; размерами микрогранул от 1 до 80 мкм; прочность на сжатие 240 кгс/см², а на растяжения ≈9,5 кгс/см² был получен порог разрушения в 600-800 Дж/г. Полностью разрушенными считались мишени, после которых не оставалось осколков диаметром больше 10% от первоначального.

Способ определения удельной энергии, необходимой для разрушения опасного астероида ядерным взрывом, основанный на применении принципа физического и геометрического подобия и состоящий в том, что изготавливают микромодель астероида, подобную натурному объекту, и подвергают ее воздействию импульсного лазерного излучения, сфокусированного на поверхности микромодели в вакуумной камере, причем время воздействия лазерного излучения выбирают много меньше времени прохождения поперечного размера микромодели звуковой волной, а диаметр лазерного пятна на поверхности устанавливают много меньше поперечного размера микромодели, при этом осуществляют несколько опытов, варьируя энергию (Е_мод) воздействия и массу (m_мод) микромодели, с увеличением отношения энергии к массе вплоть до разрушения, после чего делают вывод о требуемом энергетическом пороге разрушения микромодели и определяют энергию (Е_мет) разрушающего воздействия на астероид (массы m_мет), исходя из следующего условия Е_мет/m_мет = (Е_мод/m_мод)/k, где k - поправочный коэффициент, связанный с различиями в механизмах поглощения энергии на начальной стадии в натурном и модельном случаях.