空間核爆對地面與航天活動的影響

夏 彥，孫韶蕾，楊艷斌，趙春晴，徐 飛，何世熠，沈自才，丁義剛，范鵬，朱成林，馮思亮，歐陽曉平

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；2.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室：北京100094；3.西北核技術(shù)研究所：西安710024）

0 引言

一個國家擁有了核武器就具備了一種對外超越常規(guī)的物理震懾，從一定程度上加大了其外交籌碼和硬性強度[1-2]。自1945年第一顆原子彈爆炸成功后，世界核格局風起云涌。據(jù)“國際婦女爭取和平和自由聯(lián)盟”（WILPE）發(fā)布的軍備報告，各擁有核武器的國家仍然在核武器現(xiàn)代化進程中投入巨大，預算規(guī)模達到每年數(shù)十億到數(shù)百億美元，全球核軍備和核擴散局勢明顯。

核武器中，空間這一高度的核爆能造成特殊的效應與影響。國際上公開的空間核爆試驗僅有19次，有關(guān)其對空間目標（如導彈、衛(wèi)星）的破壞效應、對地面設(shè)施的毀傷效果以及對全球長期的影響等的研究報道非常少且信息分散。因此，本文對空間核爆的定義、景觀、效應和影響做一次較為全面的整理，以期為將來的深入研究打下基礎(chǔ)。

1 空間核爆定義

核爆分層術(shù)語尚未有統(tǒng)一規(guī)范，本文先對空間核爆的定義做一個高度范圍內(nèi)的約束。美國國防部將核爆按照不同爆炸高度分為：1）地下、水下核爆；2）地面、水面核爆；3）低空核爆；4）過渡區(qū)（太陽風和磁層相互作用的區(qū)間）核爆；5）空間核爆。中國習慣上將核爆按照不同爆炸高度分為：1）地下、水下核爆；2）地面、水面核爆；3）低空、大氣層核爆，即爆炸高度＜30km 范圍內(nèi)的核爆；4）高空、深層大氣核爆，即爆炸高度＞30km 范圍的核爆；5）空間核爆，指爆炸高度在上百km，可以認為超出大氣層，形成空間核爆。中國也有專家學者將低空核爆稱為內(nèi)層大氣核爆，將高空及空間核爆稱為外層大氣核爆；或者將上述高空與空間核爆統(tǒng)稱高空核爆或空間核爆。

本文沿用最后者的定義，即所討論的空間核爆是指爆炸高度≥30km、近似真空條件下的核爆炸[3]，包含中國通常所說的高空和空間核爆，美國所說的過渡區(qū)核爆和空間核爆。

2 空間核爆毀傷因素與景觀特征

空間核爆的毀傷因素和景觀特征與低空核爆有較大不同。地面和大氣層核爆以沖擊波為主要毀傷因素，景觀上表現(xiàn)為沖擊波、火球和上升蘑菇云。而高空核爆的光輻射份額隨爆炸高度增加逐漸增大，成為主要毀傷因素，景觀上表現(xiàn)為閃光。爆炸高度繼續(xù)增加，真空度提升，大氣對X 射線和早期核輻射的衰減作用逐漸消失，導致早期核輻射逐漸成為主要毀傷因素，例如，爆心在80 km 高度處時，X 射線能量占爆炸能量的70%～80%，爆點不形成火球和閃光，無直觀景觀，但在爆點下方的大氣層一定區(qū)域內(nèi)形成餅狀火球，并會引發(fā)人造極光[4-5]?？臻g核爆因為爆點缺少大氣參與，物理過程與現(xiàn)象同地面及大氣層核爆完全不同，因此其影響和態(tài)勢感知都與地面或大氣層核爆不盡相同。本文主要討論空間核爆的效應與影響。

3 空間核爆主要物理效應

空間核爆會產(chǎn)生大量瞬時粒子、射線與電磁脈沖，會引起人造極光、人造輻射帶、地磁擾動、電離層擾動等非瞬時效應，各現(xiàn)象的顯著程度取決于核爆類型、爆炸高度以及爆炸當量等級。圖1為空間核爆的物理效應示意總圖。

3.1 空間核爆致核電磁脈沖

空間核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖有3種：一是核爆產(chǎn)生的瞬發(fā)γ 射線、X 射線向下傳播，在距離地面20～40km 的區(qū)域與稀薄大氣作用，產(chǎn)生的康普頓電子在地球磁場中圍繞磁力線作螺旋運動，可以在很大的空間內(nèi)激勵起電磁脈沖，即早期空間核電磁脈沖；二是稍后到達的中子與大氣作用產(chǎn)生γ 射線，進而引發(fā)電子流，激勵電磁脈沖，即中期空間核電磁脈沖；三是核爆產(chǎn)生的高溫、高壓等離子體在地球磁場中高速膨脹時激發(fā)出的電磁脈沖，即晚期空間核電磁脈沖[6-8]。三者的強度量級逐級降低，但持續(xù)時間依次變長，詳見表1。

表1 空間核爆致核電磁脈沖Table1The spacenuclear explosion generated electromagnetic pulses

3.2 空間核爆致瞬時能量沉積效應

3.2.1瞬時電流效應

物體（如導彈）在遭受空間核爆炸產(chǎn)生的γ 射線、X 射線直接照射時，其腔內(nèi)會散射出電子流，激勵瞬時電流；與此同時，體外表面會發(fā)射光電子，出現(xiàn)電流。這些瞬時電流會使電子學薄弱節(jié)點產(chǎn)生瞬態(tài)效應和單粒子效應，使其燒毀、閂鎖或反轉(zhuǎn)，帶來永久損傷。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，節(jié)點單元尺寸越來越小，單元抗瞬時沉積效應的能力更加脆弱。

3.2 .2瞬時熱效應

以X 射線為代表的早期核輻射照射物體表面能量時瞬時沉積在受照面極薄的薄層內(nèi)，產(chǎn)生瞬時高溫并向內(nèi)形成熱沖擊波，使被照物表面因汽化、液化等而發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，導致變形、層裂破壞，進而解體[9]。

3.3 空間核爆致附加電離層

空間核爆的能量最終基本都是以電離形式終結(jié)，其產(chǎn)生的X 射線、γ 射線、中子與β粒子及裂變碎片等，可直接或間接引起大氣電離，形成附加電離區(qū)。不同于大氣核爆在爆心附近產(chǎn)生火球電離區(qū)，煙云頂部的緩發(fā)γ射線在電離層D層形成附加電離區(qū)，空間核爆沒有聚集在爆心附近的火球電離區(qū)，但會在電離層形成范圍更大、持續(xù)時間更長的附加電離區(qū)[5,10-12]。

3.4 空間核爆致人造輻射帶

空間核爆產(chǎn)生的β粒子和其他帶電粒子被地磁場俘獲后，會形成輻射帶，可能使衛(wèi)星電子設(shè)備因總劑量效應和充放電效應而功能失效，且其影響時間可能長達數(shù)年。

4 空間核爆對地面與航天活動的影響

空間核爆產(chǎn)生的X 射線以及早期核輻射產(chǎn)生的多種瞬時和中長期效應可以造成彈道導彈和衛(wèi)星等空間飛行器的毀傷，干預地面日常生活和正?；顒樱ㄈ鐖D2所示），因此需對空間核爆的影響進行研究，以便采取有效的防護措施[6]。

圖2 空間核爆對人類活動的影響Fig.2Impactsof spacenuclearexplosionsonhuman activities

4.1 典型破壞

4.1.1造成彈道導彈損傷與失控

若核爆引發(fā)于導彈附近，高速運行中的導彈會因瞬時能量沉積效應而導致殼體受損、屈曲甚至解體，或因瞬時核電磁脈沖使其核心數(shù)據(jù)、指令、控制、導航、感知、自動規(guī)劃路徑的能力遭到破壞[13]。

4.1.2造成衛(wèi)星損傷與失效

若核爆引發(fā)于衛(wèi)星附近，衛(wèi)星會因瞬時核電磁脈沖而燒毀、喪失功能或短暫失效。核爆形成的人造輻射帶也可能給運行于某一高度范圍內(nèi)的衛(wèi)星帶來累積損傷，使其壽命大大縮短。

4.1.3造成電子設(shè)施損傷

對于任何暴露在電磁場中的電子設(shè)備，指揮、控制、通信、計算機等電子系統(tǒng)及其供電系統(tǒng)，核電磁脈沖可成為電磁能量的收集器，通過這些電子設(shè)備或系統(tǒng)的天線、電力網(wǎng)、電纜網(wǎng)甚至是孔縫耦合能量，造成電子設(shè)施損傷。對于電子學系統(tǒng)來說，核電磁脈沖是無孔不入的，可能造成極大危害[14-15]。

4.1.4造成電力和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)損傷

瞬時電磁脈沖104V/m 的強度會作用于數(shù)十到數(shù)千km 范圍，而由長電纜引入的電系統(tǒng)對此種瞬時脈沖的易受損特性極為明顯，即使深埋在地下和被建筑物嚴密屏蔽也同樣會受到嚴重威脅。因此，電力和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)極易受到瞬時脈沖的損壞，造成大面積城市或功能區(qū)癱瘓。

4.1.5使無線電通信受到干擾

電波通過附加電離區(qū)時會被吸收、偏轉(zhuǎn)，不僅信號會減弱甚至完全中斷，電波在電離層反射點的位置還會改變，從而影響預定點的接收，在某區(qū)域形成特定時間長度的無線電通信失效[16]。

4.2 典型高度與當量

核爆對通信的影響以爆心正上方或下方投影點為中心形成電離層圓形影響區(qū)域，其影響范圍和持續(xù)時間與爆炸當量及爆炸高度有關(guān)。據(jù)美國的試驗信息：大氣層內(nèi)，十幾萬噸TNT當量級的核爆對短波通信無明顯的影響，50萬噸TNT當量級的核爆可使小范圍內(nèi)的短波通信明顯減弱，百萬噸TNT當量級的核爆可使通過附加電離層區(qū)的短波通信中斷達數(shù)小時；高度50～100km 以上的大威力核爆炸，會在離爆心投影點80～1100 km 范圍內(nèi)產(chǎn)生104V/m的瞬時大強度電磁脈沖。根據(jù)美國的核試驗公開結(jié)果進行簡單的規(guī)律性分析可知，核爆對通信、雷達的影響范圍隨爆炸高度和爆炸當量的增加而增加，影響的持續(xù)時間隨爆炸高度的增加而縮短。

核爆對衛(wèi)星和導彈帶來不可忽視的影響，這種影響是成類球形范圍分布，隨著距離增加而減小，與核爆當量和類型有關(guān)。以百萬噸TNT當量級的空間核爆為例，衛(wèi)星或?qū)椌嚯x核爆點120km 以內(nèi)，會遭受巨大X 射線和γ 流的瞬時效應引起的熱?力學破壞，導致毀傷、變形、甚至解體；衛(wèi)星或?qū)椌嚯x核爆點120～800 km 范圍內(nèi)，會遭受X 射線與γ 射線導致的高能電離輻射效應以及X 射線引起的瞬時表面充放電、γ 射線引起的瞬時內(nèi)電磁脈沖的影響，導致電子學系統(tǒng)的失效與毀傷；衛(wèi)星或?qū)椌嚯x核爆點800 km 以上則基本可以只考慮總劑量率效應可能導致的電子學系統(tǒng)失效與壽命縮減。

4.3 主要特點分析

空間核爆的影響具有與水下、地面和低空核爆不同的性質(zhì)，主要在于：

1）物理損傷弱?？臻g核爆不對建筑物和人員造成可見毀傷，以切斷各種常規(guī)功能效果為主。

2）影響范圍廣。地面和大氣核爆也會產(chǎn)生大量的核電磁脈沖；但空間核爆隨其爆炸高度的增加，源區(qū)范圍變大，覆蓋區(qū)域可以更廣，影響時間相對縮短，與地面和大氣核爆相比各有特點。

3）核污染小。與地面和大氣核爆會造成大面積長期核污染相比，空間核爆的碎片污染一大部分向外層空間發(fā)射，殘余部分停止在大氣層頂端，因此同當量空間核爆的長期核污染效果較小。

4）影響時間長。空間核爆對電離層和輻射帶的影響不是瞬態(tài)的，會在地球物理過程中造成長期甚至不可恢復的影響。如：電離層隨時間漂移異常，會在全球大范圍內(nèi)引發(fā)通信異常；而輻射帶電子增加，會很長時間內(nèi)無選擇地對經(jīng)過該輻射帶的衛(wèi)星造成長期損傷。

5 空間核爆的國際局勢

目前已解密的文獻顯示，美國和蘇聯(lián)在1958年—1962年間進行過19次空間核爆試驗。隨后，美、英、蘇簽署有限禁核條約，針對性禁止在大氣層、外層空間和水下進行核武器試驗[17]。已解密的19次空間核爆試驗信息如表2、表3所示[4]，表中有部分核爆高度在30km 以內(nèi)的試驗，但因其以空間核爆測試為目的，所以也被歸納進入統(tǒng)計范圍內(nèi)。

表2 已解密的美國空間核試驗[4]Table 2Declassified U.S.spacetests[4]

表3 已解密的蘇聯(lián)空間核試驗[4]Table 3Declassified Soviet Union space tests[4]

1963年—1970年期間，美國建立“維拉”衛(wèi)星星座，陸續(xù)發(fā)射12顆核爆專用高軌衛(wèi)星，其主要原因是懷疑蘇聯(lián)仍在進行空間核爆試驗[18-19]。自“維拉”星座以后，美、俄（蘇聯(lián)）始終在導航和預警衛(wèi)星上搭載探測載荷長期維持著核爆監(jiān)測能力，美國探測核爆高度范圍包含并重點監(jiān)測空間核爆；俄羅斯（蘇聯(lián)）的數(shù)據(jù)公開有限，但從其探測內(nèi)容分析也包含空間核爆監(jiān)測能力[20]。近年來，美國在進行預警衛(wèi)星和核爆探測系統(tǒng)的升級換代，其指定新一代天基預警衛(wèi)星SBIRD搭載新一代核爆探測載荷SABRS在2000年—2018年頻繁進行的試驗都更針對30km 以上高度的空間核爆偵測[21-23]?？梢钥闯?，美國長期并仍高度重視保持空間核爆探測能力。因此針對可能存在的空間核爆，中國亦應研究其對地面與航天活動的影響，以有針對性地進行防護，保證日常生活和正?；顒拥挠行蜻M行。

6 結(jié)束語

空間核爆的破壞性影響顯著：盡管對人和建筑物沒有明顯損傷、沒有嚴重核污染，卻可以在距爆心一定范圍內(nèi)造成導彈、衛(wèi)星等飛行器毀傷，在更大范圍內(nèi)使飛行器電子系統(tǒng)失效，還可以使指定區(qū)域的短波通信受到干擾和造成電力網(wǎng)癱瘓，對人類日常生活和正常活動造成威脅。美國和俄羅斯（蘇聯(lián)）從20世紀50年代末到60年代初頻繁進行空間核爆試驗，到《不擴散核武器條約》的簽定，再到發(fā)展出具有空間核爆監(jiān)測能力的天基全球核爆探測系統(tǒng)，由此可看出，在現(xiàn)階段研究空間核爆的影響及其防護仍具有一定的意義。

空間核爆的公開報道很少且發(fā)表時間久遠，對空間核爆主要數(shù)據(jù)和效應的規(guī)律掌握有限。本文較為全面地總結(jié)了空間核爆的物理效應及其對地面與航天活動的影響，以備同行未來研究之用。