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案例——物理学与声、电磁、核武器

发布日期:2009/5/13 16:53:19浏览次数:2158 作者:刘福根

高玉涛

前一课时,我们介绍了武器中的力学和光学知识。本节课,我们接着介绍武器中声学、电磁及核知识:即声波武器、电磁武器、核武器。

3  声波武器

我们知道,声波是机械纵波,它可以在固体、液体和气体中传播。人们日常可以听到的声音便是 20-20000Hz频率范围内的声波。

目前军事领域中应用的主要是次声波部分(即频率低于20Hz的声波)。和可闻声波相比,次声波在介质中传播时,能量衰减缓慢,隐蔽性好,不易为敌人察觉,所以军事上常用次声波接收装置来侦察敌情。

另一方面,次声波武器还可直接消灭敌人的有生力量。那么,它的杀伤原理是什么呢?这里要涉及到物理学的一个重要概念——共振。原来,次声武器是利用和人体器官固有频率相近的次声波与人体器官发生共振,导致器官变形、移位、甚至破裂,以达到杀伤目的的。次声武器大体可分为两类:(l)“神经型”次声武器。次声频率和人脑阿尔法节律(8-12Hz)很接近,所以次声波作用于人体时便要刺激人的大脑,引起共振,对人的心理和意识产生一定影响:轻者感觉不适,注意力下降,情绪不安,导致头昏、恶心;严重时使人神经错乱,癫狂不止,休克昏厥,丧失思维能力。(2)“器官型”次声武器。当次声波频率和人体内脏器官的固有频率(4 -18Hz)相近时,会引起人的五脏六腑产生强烈共振。轻者肌肉痉挛,全身颤抖,呼吸困难;重者血管破裂,内脏损伤,甚至迅速死亡。次声武器的优点在于:①突袭性。次声波在空气中的传播速度为每秒三百多米,在水中传播更快,每秒可达 1500m左右。次声波是常人听不到、看不见的,故除了传播迅速之外,次声波又具有良好的隐蔽性。②作用距离远。根据物理学原理,声波的频率越低,传播时介质对它的吸收就越小,波的传播距离也越远。比如,炮弹产生的可闻声波,由于衰减快,在几千米外就听不到了,但它产生的次声波,可传到80km以外;而氢弹产生的欢声波可绕地球传播好几圈,行程十几万千米。故高强度的次声武器具有洲际作战能力。③穿透力强。传播介质对低频率的声波吸收较小,故次声波具有很强的穿透能力。一般的可闻声波,一堵墙即可将其挡住,而实验表明,次声波能穿透几十米厚的钢筋混凝土。因此,无论敌人是在掩体内躲藏,还是乘坐在坦克中,或深海的潜艇里,都难以逃脱次声武器的袭击。④次声波在杀伤敌人的同时,不会造成环境污染,不破坏对方的武器装备,可作为战利品,取而用之。

需指出的是,目前次声武器发出的次声波的强度和方向性等因素尚待进一步研究,所以真正应用于战争的次声武器还不多见。

据说,第一台次声波发生器是由法国人在1972年发明的,它产生的次声波可以损害5km以外的人。发明者还得出结论:频率为7Hz的次声波可对人体造成致命的打击。有报道称,美军在干预索马里期间已经试用过某些音响或声音武器的样品。这些武器可以使人的内脏发生震动,把人震昏,使人感到恶心,甚至使肠子里的粪便液化,不断腹泻。

超声波在军事上的应用也很多。由于海水有良好的导电性,对电磁波的吸收能力很强,因而电磁雷达无法探测水下作战目标(如潜水艇)的方位和距离。所谓超声波,是指高频率的机械波(频率大约在 20kHz以上)。它具有能流密度大,方向性好,穿透力强等特点。超声波在空气中衰减较快,而在固体、液体中的衰减却很小,这正好与电磁波相反。这种情况下,超声波雷达——声纳,便可发挥巨大的威力。

声纳

声纳是利用水中声波进行探测、定位和通信的电子设备。声学(声纳)是各国海军进行水下监视使用的主要技术,用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪;进行水下通信和导航,保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。此外,声纳技术还广泛用于鱼雷制导、水雷引信,以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。声纳可按工作方式,按装备对象,按战术用途、按基阵携带方式和技术特点等分类方法分成为各种不同的声纳。例如按工作方式可分为主动声纳和被动声纳;按装备对象可分为水面舰艇声纳、潜艇声纳、航空声纳、便携式声纳和海岸声纳,等等。

声纳装置一般由基阵、电子机柜和辅助设备三部分组成。基阵由水声换能器以一定几何图形排列组合而成,其外形通常为球形、柱形、平板形或线列行,有接收基阵、发射机阵或收发合一基阵之分。电子机柜一般有发射、接收、显示和控制等分系统。辅助设备包括电源设备、连接电缆、水下接线箱和增音机、与声纳基阵的传动控制相配套的升降、回转、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等装置,以及声纳导流罩等。

主动声纳技术是指声纳主动发射声波"照射"目标,而后接收水中目标反射的回波以测定目标的参数。大多数采用脉冲体制,也有采用连续波体制的。被动声纳技术是指声纳被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号,以测定目标的方位。

影响声纳工作性能的因素除声纳本身的技术状况外,外界条件的影响很严重。比较直接的因素有传播衰减、多路径效应、混响干扰、海洋噪声、自噪声、目标反射特征或辐射噪声强度等,它们大多与海洋环境因素有关。例如,声波在传播途中受海水介质不均匀分布和海面、海底的影响和制约,会产生折射、散射、反射和干涉,会产生声线弯曲、信号起伏和畸变,造成传播途径的改变,以及出现声阴区,严重影响声纳的作用距离和测量精度。现代声纳根据海区声速--深度变化形成的传播条件,可适当选择基阵工作深度和俯仰角,利用声波的不同传播途径(直达声、海底反射声、会聚区、深海声道)来克服水声传播条件的不利影响,提高声纳探测距离。又如,运载平台的自噪声主要与航速有关,航速越大自噪声越大,声纳作用距离就越近,反之则越远;目标反射本领越大,被对方主动声纳发现的距离就越远;目标辐射噪声强度越大,被对方被动声纳发现的距离就越远。

4   电磁武器

电磁波是指迅速变化的电磁场在空间的传播。人类从形成之日起便生活在电磁波的汪洋大海之中。电磁波在军事上的应用异常丰富。所谓电子对抗(又称电子战)便是指敌我双方利用专门的设备、器材产生和接收处于无线电波段内的电磁波,以电磁波为武器,阻碍对方的电磁波信号的发射和接收,保证自己的发射和接收。

电磁波对人体是有害的。据说,美国有人提出设计电磁枪,该电磁枪将会“诱发癫痫病那样的症状”。另有一种所谓的“热枪”,采用的是电磁波段中的微波。热枪能够产生使人体温升高至40.6—41.7摄氏度的作战效果,让敌人不舒服、发烧甚至死亡。 1980 -1983年,一个叫埃尔登·伯德的美国人,从事了海军陆战队非杀伤性电磁武器的研究。他说:“我们正在研究大脑里生物电的活动和如何影响这种活动。”他发现,通过使用频率非常低的电磁辐射,可使动物处于昏迷状态。此外,他还设计了磁场的反应实验,指出:“这些磁场是非常微弱的,但结果是非杀伤性的可逆转的。我们可以使一个人暂时伤残。”    

据中国电磁辐射测试中心经过两年的跟踪检测证实,超量的电磁辐射会造成人体神经衰弱、食欲下降、心悸胸闷、头昏目眩、甚至脑部肿瘤。

迄今为止,电磁武器的研制离实战要求仍有较大距离,其中最大的困难是电磁波的功率问题。由于电磁场能量随距离的增大迅速减弱,如此能量的波束难以瞄准相应的目标。这些原因导致电磁武器的研究落后于声波武器和激光武器。

5  核武器

将核能引入战场是武器发展史上的重要里程碑,核能的军事应用首先是核武器的诞生。核武器的研究和发展有近50年的历史,至今已制造出的核武器达几十种之多,而人们通常所说的核武器是指原子弹、氢弹和中子弹等。

重核和轻核分别通过裂变核反应和聚变核反应可以转化成更稳定的中核,这两种反应均可释放出原子核中的巨大能量。

原子弹的核装料是纯的铀235或钚239、铀233.这类原子核在中子轰击下发生链式反应。原子弹爆炸产生的高温高压及裂变碎片和各种射线,最终形成了冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性污染以及电磁脉冲等杀伤破坏因素,其巨大杀伤力对现代战争的战略战术产生了重大的影响。

氢弹是以氘和氚作为核装料,其爆炸即是氢的同位素的聚变反应。氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同,但威力比原子弹大得多。氢弹的爆炸过程就是原子弹爆炸加上轻核聚变的过程,由此可见其份量。

中子弹是氢弹小型化的产物,是一种战术核武器。中子弹爆炸时产生的冲击波、光辐射及放射性污染的杀伤破坏作用比原子弹和氢弹小得多,但它的贯穿辐射杀伤作用颇大,其能量所占比例超过40%。中子弹爆炸时放出大量高能中子和γ射线,对人员具有杀伤作用。

本文描述的物理学在军事武器中的应用,是从物理学原理的应用角度考虑的。武器本身是中性的,无善恶之分,关键看掌握在谁手中,应用于什么场合。原子弹的实际应用,最初是以毁灭性的杀人武器的形式出现的:1945年美国在日本的广岛、长崎市投下了两颗原子弹。这一事实与物理学家的初衷是相违背的。世界著名物理学家爱因斯坦对此非常震惊。他竭尽全力地阻止对原子弹的研制和使用,甚至提议建立一个世界性的主权政府以控制原子弹,维持世界和平。1953年,爱因斯坦在给一位日本记者的信中写到:“我是一名忠诚但并非绝对的和平主义者,也就是说,我反对在任何情况下使用武力,但在想要摧毁生命的敌人面前,就是另一种情况了”。这非常有代表性地反映了世界上许多物理学家对社会的良知。

在地球上使用核武器,其后果不堪设想:核武器导致地球表面产生大面积强烈爆炸,直接干扰大气层中的臭氧层,从而使地球表面透过大量的紫外线,地球的生态环境和气候将产生严重的、不可挽回的后果。

随着科技的发展,武器装备的数量和质量都在不断增大和提高。各种核武器的数量已增大到惊人的地步。美国和前苏联两个大国的核储备都在 9-13 × 109吨“ TNT”当量之间,并各自拥有3-4万枚核弹头,英、法、印及我国也都有限度地发展了核武器,具备一定的核反击能力。据估计,全球核武器总当量大约在25 x109吨“TNT”左右,世界人均折合5吨“TNT”。一旦核战争爆发,仅现有的核武器就能将地球炸得天翻地覆,无数城市化为灰烬。实际上,核战争是人类自我毁灭的战争。我们需要的是正义与和平。研制使用现代的最新武器,目的是消灭武器,消灭侵略,以维护世界的和平,国家的安宁。

历史告诉我们,任何一种新技术的应用,一种新武器的出现,一开始的确具有强大的威力。但随着时间的推移和技术的发展,总是被更新式、更优异的武器所取代。世界,正是在这样一种矛盾对立中曲折向前发展着。


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