核炸彈MK4
| 核炸彈MK4 |
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中文名稱： 核炸彈MK4 研製單位： 洛斯阿拉莫斯實驗室 類型： 內爆型原子彈 所屬國： 美國 |
核炸彈MK4是一款內爆型原子彈，以和MK3相同的基本核裂變Nuclear bomb MK4為基礎。它裝有比MK3-1型武器更好的引信和點火電路，並使用與MK3-0型相同的基本電路。[1]
目錄
基本介紹
自從第二次世界大戰末美國擁有第一顆原子彈起，核武器就成為美國軍事戰略的主要支柱。1945年美國用剛剛擁有的兩顆原子彈"小男孩"和"胖子"，轟炸了日本的廣島和長崎--那是核武器第一次，也是迄今為止僅有的一次實戰運用。美國在日本投放的兩枚原子彈，以其空前巨大的殺傷和破壞威力震驚了日本戰時內閣，加速了日本軍國主義的徹底失敗和無條件投降。另一方面，這兩枚原子彈的爆炸給千千萬萬日本平民造成巨大的災難，這在國際社會上引起強烈的反響。核武器的出現和在戰爭中的首次使用，使人類社會進入了在核戰爭威脅下生活的時代。
20世紀40年代和50年代，美國的核彈頭用"MK"後面加數字表示。MK4型核炸彈是一款內爆型原子彈，以和MK3相同的基本核裂變原理為基礎。它裝有比MK3-1型武器更好的引信和點火電路，並使用與MK3-0型相同的基本電路。這種彈在工藝方面作了改進，以保證在堅固耐用、簡化生產、可靠性、方便現場操作以及長期儲存性能和彈道特性等各方面，都比任何一種MK3變型要好，但與MK3一樣，其尺寸仍受B29轟炸機彈艙的限制。
研發背景
1995年初在洛斯阿拉莫斯實驗室就開始了MK4型核炸彈核炸彈的研製工作，那時戰爭尚未結束。據了解，轟炸日本的"小男孩"和"胖子"在寶貴的可裂變材料利用率方面很差，極大地浪費了昂貴的稀有同位素。洛斯阿拉莫斯實驗室的科學家們認為，通過一些簡單的改進，包括將彈芯懸置並使用雙元素複合結構，就可使內爆彈的效率得到相當程度的提高。
早在1995年9月，就有可能製成一枚當量兩倍於"胖子"彈的內爆型彈，而其芯部可裂變材料的用量卻仍然不變。換而言之，一枚當量與轟炸長崎的原子彈彈相同的內爆武器，可少用25%的裂變材料，並不相應地犧牲性能。
此外，美國空軍在尋求一種所謂"木彈"(Wooden Bomb)，它的特點是基本設計簡單，儘量減少儲存時的維護，同時在操作與使用方面極其安全，後一項尤其重要。這涉及良好的彈道特性，從運載飛機投彈後的控制方法，減少"啞彈"的幾率，重量輕以及當量的可預測性和再現性。MK4型核炸彈是走向"木彈"極重要的第一步。
研發歷程
MK4型核炸彈的正式工程研製始於1995年8月2日，同時在洛斯阿拉莫斯成立了Z部(或者說武器工程部)。Z部是戰時洛斯阿拉莫斯實驗室的E部的分部，設立E部的目的是研究與發展彈的引信、"小男孩"的鈾槍以及內爆系統。Z部指導彈的工程與生產(主要解決與飛機和彈道特性有關問題)，並代替一個戰時在文多弗基地(猶他州鹽湖城附近)，稱作W47課題小組。當時"曼哈頓計劃"擁有一個小型機場(前身為陸軍航空兵基地)，稱作"桑迪亞"基地，位於新墨西哥州阿爾伯克基附近，Z部被授權擁有它自己的飛機並使用阿爾伯克基附近的大型開蘭陸軍基地。這個新部在戰爭結束之前就公開地組織起來了
Z部首批任務之一就是從合理的工程角度重新設計"胖子"彈。原子彈研製的這一階段一直被忽視，而忙于越快越好地提供可以使用的武器。對設計方面改進的必要性是顯而易見的:"胖子"彈道特性是十分可怕的;更換它的短壽命蓄電池時幾乎要全部拆開;在運載飛機飛行中裝保險或打開保險都沒有預防措施。
設計中一項基本的彈道特性要求就是重心(C.g.)要儘可能地移到彈的前端。這是必要的，因為任何炮彈的穩定性力矩都是重力和壓力中心間距離的函數(炮彈重心一定要在壓力中心之前以避免飛行中翻滾，重心越在前，彈身越穩定)。
戰時，所有的炸彈工程都在猶他州文多弗基地進行(有時也用另外名稱萊夫特維爾基地)。選擇這個地方有很多理由，主要是安全，因為它距任何城市都很遠，不容易到達。戰後，由於遠離城市也產生了特殊的不可克服的困難，尤其是基地距洛斯阿拉莫斯武器實驗室太遠。1995年秋，即從9月27日開始，將W47課題小組的工作轉移到阿爾伯克基附近的奧克斯納德基地(桑迪亞基地)。沿着炸藥庫房和裝配區修建了幾幢建築物。附近的開蘭機場用來停放B29轟炸機機組，以供做飛機的協調性和空投試驗之用。存放在文多弗的一些炸藥都轉移到新墨西哥州蓋洛普附近的溫格提堡陸軍倉庫。這時，1995年夏曾被曼哈頓計劃使用過的海軍索爾頓海上基地，又被指定為供Z部作投彈試驗的主要場所。
1995末，過去專用鈈的內爆系統已發展成為使用鈈和鈾235的複合內爆彈芯，這項基本設計對MK4型核炸彈的前景是一個決定性因素。
1995年10月4日確定了MK4型核炸彈的研製日程表。武器的設計和製造主要以新的懸式複合彈芯為基礎。1995年12月14日，MK4型核炸彈原型彈體同MK3差不多在阿爾伯克基西南的洛斯盧納斯靶場進行了實際空投試驗。
MK3和MK4型核炸彈之間主要差別出現在1946年初，那時研製了圍繞核芯部的60點高能炸藥內爆系統以取代用於MK3的32點系統。起爆點數目加倍就能更有效率地、使球對稱內爆波能更好地壓縮彈芯，從而給定量的裂變材料能產生更高的當量。
另一方面，新系統在雷管引爆同步性方面比32點系統的MK3有更高要求;除了數目增加外，炸藥"透鏡"要改變形狀。點火系統變得更重和更複雜，雷管和電纜的增加也增加了重量和布線的複雜性。
在1946年2月影響MK4型核炸彈未來設計的一個重大且尚無答案的問題是，沿用32點系統，還是選擇啟用60點內爆系統。正在製造的新核彈的許多部件要適配兩種系統，而從事武器製造的軍械工程師們傾向於32點系統，他們提出了種種理由:首先，32點的設計雷管布線簡單。雷管數目加倍，可能要求把一部分點火系統部件移向高能炸藥球的前方，這樣可能與業已放在那兒的引信部件及達天線相干擾;第二，一套60點的點火系統部件將比500磅重的32點系統的X-部件增強300磅，雷管在彈尾的這一增重會使重心移向尾部，其影響是不利於武器的彈道特性;第三，設計60點系統高能炸藥"透鏡"模具涉及的工程方面的工作，要求有經驗豐富的人材，而那時洛斯阿莫斯實驗室沒有這方面人材(戰後，即1946年初，大批人員離開洛斯阿拉莫斯)。32點"透鏡"可以重新設計，以提高折射係數(這是炸藥塊衝擊波聚焦能力的量度)，就時間與費用而言出比較合算。第四，60點系統的"活門"將要去掉至少4塊"透境"，結果使得球的前端極帽處出現一個大洞(武器進入作戰狀態時，核部件從頭錐插入)。而32點系統只需去掉兩塊五邊形高能炸藥，所以孔洞小得多。
洛斯阿拉莫斯實驗室在春未作出決定，推遲在直徑60英寸的彈上建立60點內爆系統(最後用在MK6上)。可是，在高能炸藥"透鏡"最外層藥塊中心部位使用了一種新的"慢速"炸藥以增加折射係數，從而使內爆衝擊波更好聚焦。
1946年夏天，在比基尼環礁舉行的"十字路"行動期間對MK4型核炸彈試驗就有某種考慮。這一試驗系列是考查原子彈對海軍艦船的效應。在洛斯阿拉莫斯討論最多的用哪種武器進行試驗。該所推薦的是戰時型MK3"胖子"武器，儘管裝有新彈芯的MK4型核炸彈急待進行試驗。洛斯阿拉莫斯實驗室之所以推薦"胖子"彈是出於下述考慮:
首先，試驗的目的是嚴格的限於軍事應用。洛斯阿拉莫斯實驗室的武器專家們對武器的核效率和TNT當量有否精確測定沒有把握。因此，從軍事戰略與戰術的觀點考慮，使用過去用過的武器是重要的，只有用同樣武器才能比較在不同環境中的差異。其次，如果一件新的和沒有試驗過的武器性能差和效率低，那末該所和武裝部隊將會因不用一種"成熟"武器而受到批評。再次，因為要研究的是原子武器的效應，而不是武器本身，所以洛斯阿拉莫斯實驗室不願意使用性能難於或不可能測定的新武器。基於上述論據，在嚴格控制與嚴格測試條件下進行MK4型核炸彈的全尺寸試驗還得等待時機。
"十字路"行動對MK4型核炸彈的研製的影響是巨大的和不利的。對Z部的衝擊，當時洛斯阿拉莫斯和阿爾伯克基之間的分歧是嚴重的;MK4型核炸彈的研製與工程計劃差不多全停下來，因為比基尼試驗占用了高級人員
1947年2月，在桑迪亞基地的Z部被加強了。4月4日在海軍的加利福尼亞索爾頓湖試驗基地進行了第一次半尺寸MK4型核炸彈空投。
1947年夏天，洛斯阿拉莫斯實驗室請求陸軍航空部隊(AAF)提出所需的MK4型核炸彈的軍事特性。在答覆中，AAF要求在電子學和電氣部件方面作某些改變，但重點是改進彈道特性。這些小的改變包括:延長蓄電池壽命，、在運載飛機飛行中調定爆炸高度、用時間/氣壓系統代替雷達引信系統，以及研製供緊急投擲或供將彈作為海港水雷使用時的降落傘或阻力袋。當時，在運載飛機飛行中調定爆炸高度引信已由AAF的器材司令部作為特殊保密項目為AEC進行研製，同時它也正在研製一種改進的雷達引信系統。
首次MK4型核炸彈高能炸藥模型於7月末進行試裝配。從製造廠已收到第一個MK4型核炸彈X-部件的試驗模型並做了全部機械的和電的檢驗以及同步性試驗。夏末，Z部中的一個工程小組在MK4型核炸彈彈的機械模型方面取得進展，從而幫助擬定部件精確的加工規格和確定精確尺寸、位置以及每個部件的作用。新炸彈的特點是，外殼是鋼和鋁製的。帶有不同類型的尾部裝置的全尺寸和半尺寸模型已進行了空投試驗。
11月初，接到了小尺寸的、用火炮發射的、帶尾翼的MK4型核炸彈模型，並送到陸軍阿伯丁彈道實驗室進行試驗。完成了第一個MK4型核炸彈全尺寸完整模型，並進行了空投試驗。同時完成了阻力最小的外殼定形並做了試驗，同時確定了外殼內部的機械部件設計。對穩定尾翼和罩蓋的性能進行了半尺寸的實際研究和局部的全尺寸研究。空投試驗表明，外殼彈道係數較高(2.5)，武器在0.8-1.2馬赫通過相當長一段彈道時,由壓縮引起的振動導致短時間的5°-10°的偏航和俯仰。
1947年底，一種供MK4型核炸彈使用全部重新設計的較緊湊和輕量的X-部件正在EG&G公司(AEC的承包商)生產。12月末，美國空軍，洛斯阿拉莫斯科學研究所、美國海軍和原子能委員會在洛斯阿拉莫斯舉行的聯合會議上，再次提出了為提高安全性需要在運載飛機飛行中插入核部件(IFI)。N·布拉德伯利博士在這次會上指出，IFI至少需要兩年時間進行研製，而且可能使武器和飛機都複雜化。他同意提供一次機會，把MK4型核炸彈核部件在飛行中移出，並計劃試驗這種程序。1947年12月從MK4型核炸彈去掉了頭錐雷汞"自毀"信管，這是空軍十分希望的安全性改進(由於使用極其安全的引信及點火系統，頭錐信管已過時和不必要)。洛斯阿拉莫斯實驗室在當時不重視改進彈道特性，並認為從彈的摧毀半徑很大看轟炸精度已足夠(至少洛斯阿拉莫斯實驗室這樣認為)，直到1948年夏MK4型核炸彈的尾部和MK3沒有多大變化。
1948年3月29日，利用改進的MK3模型，在停在開蘭機場的B29轟炸機上進行了核部件插入的抽出的首次試驗。試驗用了大約31分鐘(僅為預定時間三分之之一)，沒有使用特殊工具和設備。因些，空軍在一周內提出使用IFI要求，AEC答應重新設計MK4型核炸彈，以便使用IFI。
1948年4月1日，洛斯阿拉莫斯實驗室的Z部成為該實驗室在桑迪亞的分枝機構。MK4型核炸彈最佳彈道係數是這段時間爭論和計算的對象，最後，在彈尾裝上一塊平面阻力板，再加上平穩和準確的飛行，彈道特性將大大改善。
1948年春，在埃尼威托克島上舉行的"砂石行動"中，完成了MK4型核炸彈研製的一項重大步聚。在代號為"X光"、"軛"和"斑紋"的試驗中，對新型懸置式鈾鈈複合裂變彈芯作了全尺寸爆炸試驗。懸置式鈾鈈複合彈芯的設計如此出色以致被立即投入生產。"砂石"行動非常成功，MK4型核炸彈部件生產訂貸所需裂變材料比當時已進入儲備的MK3優先供應。MK3的彈芯的製造立即停止，將所有可裂變材料都用於製造新彈芯。隨着MK4型核炸彈部件的批生產以及採用標準化的生產裝配線技術，手工製造武器的時代已一去不復返。
同年4月末，MK4型核炸彈部件的生產訂貸在進行安排的同時，除了準備IFI和修改的空氣動力部件，特別是改進的尾翼外，MK4型核炸彈的設計接近完成。為了解決彈道特性問題，飛機工廠給予了幫助。以諾思羅普公司的丁·諾思羅普為首的由六位該國第一流空氣動力學專家組成的一個小組，於5月24日在加利福尼亞因約肯與海軍武器試驗站和陸軍阿伯丁試驗場的代表們舉行了會議。會上成立了MK4型核炸彈空氣動力學小組，其主要任務就是重新設計MK3的尾部，使其適合於MK4型核炸彈。
在這個小組領導下，MK4型核炸彈模型(當時稱為TX-4)做過多次風洞試驗。MK4武器從32，000英尺高度下落過程中，當速度達0·93馬赫時出現遙擺(這種搖擺被認為是炸彈計算不精確的原因)，為此作了多次修改。基於多次風洞試驗及空投試驗的結果，尾部採用V形尾翼和多孔阻力板。這個尾部裝置，較之MK4帶加利福尼亞降落傘箱式尾翼在偏航、俯仰和滾動方面，特別是在爆前高馬赫數彈道段，得到了相當大的改善。到該年年底，MK4型核炸彈核彈終於獲得了滿意的武器基本結構。
傳統的MK3核彈的最大缺點之一，就是在設計方面缺少安全性考慮:炸彈必須在地面準備完畢，因此增加了萬一運載飛機失事而引起核爆炸的可能性。此外，把核部件插入彈中是一項費時的程序。而MK4型核炸彈能在飛行中快速地人工插入和抽出核部件。6月17日，AEC同意美國空軍早先的建議，在MK4型核炸彈總體設計採用IFI。
當TX-4在繪圖板上的輪廊越來越清楚時，可以看出MK4型核炸彈和MK3相差不大。這時，美空軍在規定的性能中又加入兩項新要求:MK4型核炸彈的彈道外殼及內球(包括雷管、高能炸藥塊、彈芯和核部件)應更輕一些，如果可能，彈芯應採用"助爆型"以提高當量。然而，這些要求不可能立即達到，輕量型60英寸直徑的外殼必須等到MK6，而"助爆"問題要更後解決。
1948年夏末，美國空軍對MK4型核炸彈及其它"胖子"型大直徑原子彈提出了新的改進設想。在MK4型核炸彈方面:
(1)彈道特性可預定和可再現;
(2)運載飛行中插入和抽出核部件以及;
(3)研製並儲備可供大直徑和小直徑武器使用和各種高能炸藥裝置(多種幾何形狀)。
美國空軍出於較長期考慮提出:
(1)設法降低裝配了的彈內彈芯溫度(裝有大量鈈的武器是常見的問題);
(2)延長蓄電池壽命，使裝配好的彈有較長的的儲存時間;
(3)在飛行中調試(調定)氣壓計和高空雷達引信;(4)提高引信及點火線路和設備的可靠性;
(5)在不降低核效率的情況下研製小直徑和輕重量的高當量炸彈以及;
(6)研製長細比較大的新型內爆彈，以便利用B-52及XB-55較長的彈艙。
1948年9月初，MK4型核炸彈空氣動力學小組在洛斯阿拉莫斯會議上建議，用重量輕的鋁合金外殼代替當時用於MK3和MK4型核炸彈的鋼外殼。丁·諾斯羅普指出，用飛機型硬殼式結構的外殼可以節省2000到3000磅的重量(輕型外殼對MK4型核炸彈已為時太遲，後來用於MK6)。
1948年底之前，還採取步聚研製一種新型引信系統，用以更換MK3上使用的那種極其複雜的易損的二次世界大戰時代的高空雷達引信。此外，在洛斯阿拉莫斯和桑迪亞另外兩個項目是研究彈部件的低溫性以及彈緊急投擲後用降落傘或阻力袋回收。
MK4型核炸彈的最後設計是1949年初完成的，在連續的空投試驗中，包括1949年2月2日在AEC所屬加利福尼亞索爾頓湖轟炸靶場用波音B-47同溫層噴氣機投擲兩枚MK4型核炸彈模擬彈，高度為35，000英尺，氣流速度為232英里/小時。第一枚MK4型核炸彈-0型核彈於3月19日，約比原計劃超前10個月進入國家武庫(異常緊張的研製計劃曾經是MK4型核炸彈發展的特點)。