能量时空分布对阈值的影响

以上例子揭示了10 000 J 左右的能量是一个良好的“通用毁伤标准”，可作为毁伤靶目标必须传递的能量标准，但要对作用目标实现毁伤不仅仅只是能源系统产生能量，还包括能量的密度效应和传递速率效应，下面的例子定性地说明了这些效应对作用目标毁伤能力的影响。首先，以核武器爆炸为例，一枚核弹能够释放大量的能量：产生的1 000 t 当量的能量约等于4×1012 J［3］。这远远超出了10 000 J 的毁伤标准，然而在距离爆心不足1 mile（1 mile=1.609 344 km）的地方，混凝土建筑物却未被毁坏［7］；但在同样的射程上，一门大炮只用10 000 J 的能量就能够轻松地毁坏同样的建筑物。其次，以太阳辐照为例，在24 h 的时间周期内，太阳在地球表面每cm2 沉积大约5 000 J 能量，但是我们看不到停车场的汽车被熔化，或者房屋自燃的迹象。因而，从上述例子中可以看出，决定能否对作用目标进行毁伤所需要的不仅仅是总能量，还与对作用到目标上的能量空间分布和时间分布有关，换言之，在建立毁伤标准时，能量不是唯一的重要因素。同样重要的还有加之于目标的能量密度（J/cm2），以及能量传递的速度或功率（J/s）。

1.能量密度效应

图2-2 比较了1 000 t 核爆炸和炮弹，二者都被用于作用1 mile 射程上的建筑物。核弹释放的绝大多数能量都没有作用到靶目标，而炮弹是一种“定向能”系统，把全部的能量直接传递给了靶目标。进一步定量分析，如果把核弹的能量散布在半径1 mile 的球形区域表面，就会发现能量密度仅约13 J/cm2，远小于炮弹施加到目标穿透点约10 000 J/cm2 的能量密度。而在摧毁广岛和长崎的核弹的爆心约0.1 mile 范围内，加固的混凝土建筑物遭到了严重损毁。因为这些武器的当量约20 kt，释放了大约8×1013 J 能量。在0.1 mile 范围内，能量密度约达到2.5×104 J/cm2［7］。因此作用到目标的能量密度是衡量毁伤的重要参量。

2.能量传递速率效应

对于相同的总能量，传输能量的时间分布对毁伤的影响是至关重要的，如果能量传递周期过长就会失去毁伤目标的效力。这是因为目标会在能量沉积的过程中迅速向外散发能量，如果能量不能在短时间内传递，就无法将目标加热到持续毁伤的临界点。例如，停车场的汽车在太阳照射下不断升温，汽车温度升高的同时，也在不断地将沉积的能量辐射出去；享受日光浴的人们会出汗并通过蒸发降温。只有当能量的传递速率大于目标向外散发的能量时，才有可能对目标造成毁伤。目标通过三种主要机制耗散能量：热传导、对流和辐射。

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图2-2　核弹和定向能系统的能量沉积［1］

热传导是能量从温度高的区域流动到温度低的区域的过程，通过物质分子之间撞击、激发和分子热运动实现，最终使物质达到相同温度。在热传导过程中，温度梯度决定了热传导速率，温度梯度越大，热传导速率越大。对流是通过分子的宏观运动带走热量的一个过程，对流是能量流动的重要方式。热传导和热对流都必须通过介质提供的媒介带走能量，同时，当能量作用到靶目标时也可能通过辐射散失能量。当目标内的分子和原子获得能量，分子不仅可以随意运动，还可以振动和转动，并以其他方式把能量传递到其内部结构中，这时分子可以通过电磁辐射向外辐射能量。

因而电子束对目标的硬毁伤，也同样需要关注能量传递速率以及能量密度效应，毁伤目标不仅依赖于传输的能量，还依赖于能量同时在空间和时间上的集中程度。在空间上，需要向目标的表面传递大约10 000 J/cm2 的能量，目标的表面可以是单个的点。例如，一颗子弹的弹着点，或者是整个表面。在时间上，目标会通过如热传导、对流和辐射等能量损失机制来耗散所接收的能量，因而能量传递速率必须远大于目标向外耗散能量的速率。

毁伤目标所必要的能量密度通常会随着作用在目标上的时间或脉冲宽度变化而变化。如图2-3 所示，对于极其短暂的时间，能量在作用目标上沉积是如此之快，以至辐射和传导或其他能量损失机制来不及将靶目标接收的能量带走。当图中短脉冲宽度小于t1 时，毁伤靶目标所需的能量密度是个常数，而毁伤所需的强度随着脉冲宽度的增加而线性减小。对于更长一些的相互作用时间，如图中介于t1 和t2 之间的时间，沉积的能量有一部分在产生毁伤之前就被带走了，所以实现毁伤所需的能量密度开始随脉冲宽度的增加而上升。最后，在长脉冲宽度情况下，如图中脉宽大于t2 时，能量阈值与脉冲宽度成比例，并且除非能量强度超过一个最小的强度值，否则能量沉积太慢，来不及造成毁伤。

图2-3　毁伤阈值与脉冲宽度的关系［1］