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(yáng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京100094；3.西北核技術(shù)研究所：西安710024）

0 引言

一個(gè)國(guó)家擁有了核武器就具備了一種對(duì)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(qiáng)度[1-2]。自1945年第一顆原子彈爆炸成功后，世界核格局風(fēng)起云涌。據(jù)“國(guó)際婦女爭(zhēng)取和平和自由聯(lián)盟”（WILPE）發(fā)布的軍備報(bào)告，各擁有核武器的國(guó)家仍然在核武器現(xiàn)代化進(jìn)程中投入巨大，預(yù)算規(guī)模達(dá)到每年數(shù)十億到數(shù)百億美元，全球核軍備和核擴(kuò)散局勢(shì)明顯。

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

1 空間核爆定義

核爆分層術(shù)語(yǔ)尚未有統(tǒng)一規(guī)范，本文先對(duì)空間核爆的定義做一個(gè)高度范圍內(nèi)的約束。美國(guó)國(guó)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(guò)渡區(qū)（太陽(yáng)風(fēng)和磁層相互作用的區(qū)間）核爆；5）空間核爆。中國(guó)習(xí)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(rèn)為超出大氣層，形成空間核爆。中國(guó)也有專家學(xué)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(guó)通常所說(shuō)的高空和空間核爆，美國(guó)所說(shuō)的過(guò)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?dú)蛩?，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?dú)蛩兀坝^上表現(xiàn)為閃光。爆炸高度繼續(xù)增加，真空度提升，大氣對(duì)X 射線和早期核輻射的衰減作用逐漸消失，導(dǎo)致早期核輻射逐漸成為主要?dú)蛩?，例如，爆心?0 km 高度處時(shí)，X 射線能量占爆炸能量的70%～80%，爆點(diǎn)不形成火球和閃光，無(wú)直觀景觀，但在爆點(diǎn)下方的大氣層一定區(qū)域內(nèi)形成餅狀火球，并會(huì)引發(fā)人造極光[4-5]?？臻g核爆因?yàn)楸c(diǎn)缺少大氣參與，物理過(guò)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(shì)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(yīng)與影響。

3 空間核爆主要物理效應(yīng)

空間核爆會(huì)產(chǎn)生大量瞬時(shí)粒子、射線與電磁脈沖，會(huì)引起人造極光、人造輻射帶、地磁擾動(dòng)、電離層擾動(dòng)等非瞬時(shí)效應(yīng)，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(dāng)量等級(jí)。圖1為空間核爆的物理效應(yīng)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(chǎng)中圍繞磁力線作螺旋運(yùn)動(dòng)，可以在很大的空間內(nèi)激勵(lì)起電磁脈沖，即早期空間核電磁脈沖；二是稍后到達(dá)的中子與大氣作用產(chǎn)生γ 射線，進(jìn)而引發(fā)電子流，激勵(lì)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(chǎng)中高速膨脹時(shí)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(qiáng)度量級(jí)逐級(jí)降低，但持續(xù)時(shí)間依次變長(zhǎng)，詳見(jiàn)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(shí)能量沉積效應(yīng)

3.2.1瞬時(shí)電流效應(yīng)

物體（如導(dǎo)彈）在遭受空間核爆炸產(chǎn)生的γ 射線、X 射線直接照射時(shí)，其腔內(nèi)會(huì)散射出電子流，激勵(lì)瞬時(shí)電流；與此同時(shí)，體外表面會(huì)發(fā)射光電子，出現(xiàn)電流。這些瞬時(shí)電流會(huì)使電子學(xué)薄弱節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生瞬態(tài)效應(yīng)和單粒子效應(yīng)，使其燒毀、閂鎖或反轉(zhuǎn)，帶來(lái)永久損傷。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)單元尺寸越來(lái)越小，單元抗瞬時(shí)沉積效應(yīng)的能力更加脆弱。

3.2 .2瞬時(shí)熱效應(yīng)

以X 射線為代表的早期核輻射照射物體表面能量時(shí)瞬時(shí)沉積在受照面極薄的薄層內(nèi)，產(chǎn)生瞬時(shí)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(dǎo)致變形、層裂破壞，進(jìn)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(méi)有聚集在爆心附近的火球電離區(qū)，但會(huì)在電離層形成范圍更大、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)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(chǎng)俘獲后，會(huì)形成輻射帶，可能使衛(wèi)星電子設(shè)備因總劑量效應(yīng)和充放電效應(yīng)而功能失效，且其影響時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。

4 空間核爆對(duì)地面與航天活動(dòng)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(shí)和中長(zhǎng)期效應(yīng)可以造成彈道導(dǎo)彈和衛(wèi)星等空間飛行器的毀傷，干預(yù)地面日常生活和正常活動(dòng)（如圖2所示），因此需對(duì)空間核爆的影響進(jìn)行研究，以便采取有效的防護(hù)措施[6]。

圖2 空間核爆對(duì)人類活動(dòng)的影響Fig.2Impactsof spacenuclearexplosionsonhuman activities

4.1 典型破壞

4.1.1造成彈道導(dǎo)彈損傷與失控

若核爆引發(fā)于導(dǎo)彈附近，高速運(yùn)行中的導(dǎo)彈會(huì)因瞬時(shí)能量沉積效應(yīng)而導(dǎo)致殼體受損、屈曲甚至解體，或因瞬時(shí)核電磁脈沖使其核心數(shù)據(jù)、指令、控制、導(dǎo)航、感知、自動(dòng)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(huì)因瞬時(shí)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(yùn)行于某一高度范圍內(nèi)的衛(wèi)星帶來(lái)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(duì)于任何暴露在電磁場(chǎng)中的電子設(shè)備，指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)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(guò)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(duì)于電子學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，核電磁脈沖是無(wú)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(shí)電磁脈沖104V/m 的強(qiáng)度會(huì)作用于數(shù)十到數(shù)千km 范圍，而由長(zhǎng)電纜引入的電系統(tǒng)對(duì)此種瞬時(shí)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(yán)密屏蔽也同樣會(huì)受到嚴(yán)重威脅。因此，電力和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)極易受到瞬時(shí)脈沖的損壞，造成大面積城市或功能區(qū)癱瘓。

4.1.5使無(wú)線電通信受到干擾

電波通過(guò)附加電離區(qū)時(shí)會(huì)被吸收、偏轉(zhuǎn)，不僅信號(hào)會(huì)減弱甚至完全中斷，電波在電離層反射點(diǎn)的位置還會(huì)改變，從而影響預(yù)定點(diǎn)的接收，在某區(qū)域形成特定時(shí)間長(zhǎng)度的無(wú)線電通信失效[16]。

4.2 典型高度與當(dāng)量

核爆對(duì)通信的影響以爆心正上方或下方投影點(diǎn)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(shí)間與爆炸當(dāng)量及爆炸高度有關(guān)。據(jù)美國(guó)的試驗(yàn)信息：大氣層內(nèi)，十幾萬(wàn)噸TNT當(dāng)量級(jí)的核爆對(duì)短波通信無(wú)明顯的影響，50萬(wàn)噸TNT當(dāng)量級(jí)的核爆可使小范圍內(nèi)的短波通信明顯減弱，百萬(wàn)噸TNT當(dāng)量級(jí)的核爆可使通過(guò)附加電離層區(qū)的短波通信中斷達(dá)數(shù)小時(shí)；高度50～100km 以上的大威力核爆炸，會(huì)在離爆心投影點(diǎn)80～1100 km 范圍內(nèi)產(chǎn)生104V/m的瞬時(shí)大強(qiáng)度電磁脈沖。根據(jù)美國(guó)的核試驗(yàn)公開(kāi)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的規(guī)律性分析可知，核爆對(duì)通信、雷達(dá)的影響范圍隨爆炸高度和爆炸當(dāng)量的增加而增加，影響的持續(xù)時(shí)間隨爆炸高度的增加而縮短。

核爆對(duì)衛(wèi)星和導(dǎo)彈帶來(lái)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(dāng)量和類型有關(guān)。以百萬(wàn)噸TNT當(dāng)量級(jí)的空間核爆為例，衛(wèi)星或?qū)椌嚯x核爆點(diǎn)120km 以內(nèi)，會(huì)遭受巨大X 射線和γ 流的瞬時(shí)效應(yīng)引起的熱?力學(xué)破壞，導(dǎo)致毀傷、變形、甚至解體；衛(wèi)星或?qū)椌嚯x核爆點(diǎn)120～800 km 范圍內(nèi)，會(huì)遭受X 射線與γ 射線導(dǎo)致的高能電離輻射效應(yīng)以及X 射線引起的瞬時(shí)表面充放電、γ 射線引起的瞬時(shí)內(nèi)電磁脈沖的影響，導(dǎo)致電子學(xué)系統(tǒng)的失效與毀傷；衛(wèi)星或?qū)椌嚯x核爆點(diǎn)800 km 以上則基本可以只考慮總劑量率效應(yīng)可能導(dǎo)致的電子學(xué)系統(tǒng)失效與壽命縮減。

4.3 主要特點(diǎn)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?yè)p傷弱?？臻g核爆不對(duì)建筑物和人員造成可見(jiàn)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(huì)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(shí)間相對(duì)縮短，與地面和大氣核爆相比各有特點(diǎn)。

3）核污染小。與地面和大氣核爆會(huì)造成大面積長(zhǎng)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(dāng)量空間核爆的長(zhǎng)期核污染效果較小。

4）影響時(shí)間長(zhǎng)?？臻g核爆對(duì)電離層和輻射帶的影響不是瞬態(tài)的，會(huì)在地球物理過(guò)程中造成長(zhǎng)期甚至不可恢復(fù)的影響。如：電離層隨時(shí)間漂移異常，會(huì)在全球大范圍內(nèi)引發(fā)通信異常；而輻射帶電子增加，會(huì)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)選擇地對(duì)經(jīng)過(guò)該輻射帶的衛(wèi)星造成長(zhǎng)期損傷。

5 空間核爆的國(guó)際局勢(shì)

目前已解密的文獻(xiàn)顯示，美國(guó)和蘇聯(lián)在1958年—1962年間進(jìn)行過(guò)19次空間核爆試驗(yàn)。隨后，美、英、蘇簽署有限禁核條約，針對(duì)性禁止在大氣層、外層空間和水下進(jìn)行核武器試驗(yàn)[17]。已解密的19次空間核爆試驗(yàn)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(yàn)，但因其以空間核爆測(cè)試為目的，所以也被歸納進(jìn)入統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。

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

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

1963年—1970年期間，美國(guó)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(jìn)行空間核爆試驗(yàn)[18-19]。自“維拉”星座以后，美、俄（蘇聯(lián)）始終在導(dǎo)航和預(yù)警衛(wèi)星上搭載探測(cè)載荷長(zhǎng)期維持著核爆監(jiān)測(cè)能力，美國(guó)探測(cè)核爆高度范圍包含并重點(diǎn)監(jiān)測(cè)空間核爆；俄羅斯（蘇聯(lián)）的數(shù)據(jù)公開(kāi)有限，但從其探測(cè)內(nèi)容分析也包含空間核爆監(jiān)測(cè)能力[20]。近年來(lái)，美國(guó)在進(jìn)行預(yù)警衛(wèi)星和核爆探測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)換代，其指定新一代天基預(yù)警衛(wèi)星SBIRD搭載新一代核爆探測(cè)載荷SABRS在2000年—2018年頻繁進(jìn)行的試驗(yàn)都更針對(duì)30km 以上高度的空間核爆偵測(cè)[21-23]?？梢钥闯?，美國(guó)長(zhǎng)期并仍高度重視保持空間核爆探測(cè)能力。因此針對(duì)可能存在的空間核爆，中國(guó)亦應(yīng)研究其對(duì)地面與航天活動(dòng)的影響，以有針對(duì)性地進(jìn)行防護(hù)，保證日常生活和正?；顒?dòng)的有序進(jìn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

空間核爆的破壞性影響顯著：盡管對(duì)人和建筑物沒(méi)有明顯損傷、沒(méi)有嚴(yán)重核污染，卻可以在距爆心一定范圍內(nèi)造成導(dǎo)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(duì)人類日常生活和正?；顒?dòng)造成威脅。美國(guó)和俄羅斯（蘇聯(lián)）從20世紀(jì)50年代末到60年代初頻繁進(jìn)行空間核爆試驗(yàn)，到《不擴(kuò)散核武器條約》的簽定，再到發(fā)展出具有空間核爆監(jiān)測(cè)能力的天基全球核爆探測(cè)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(hù)仍具有一定的意義。

空間核爆的公開(kāi)報(bào)道很少且發(fā)表時(shí)間久遠(yuǎn)，對(duì)空間核爆主要數(shù)據(jù)和效應(yīng)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(yīng)及其對(duì)地面與航天活動(dòng)的影響，以備同行未來(lái)研究之用。