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| 核炸弹MK4 |
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中文名称： 核炸弹MK4 研制单位： 洛斯阿拉莫斯实验室 类型： 内爆型原子弹 所属国： 美国 |
核炸弹MK4是一款内爆型原子弹，以和MK3相同的基本核裂变Nuclear bomb MK4为基础。它装有比MK3-1型武器更好的引信和点火电路，并使用与MK3-0型相同的基本电路。[1]
基本介绍
自从第二次世界大战末美国拥有第一颗原子弹起，核武器就成为美国军事战略的主要支柱。1945年美国用刚刚拥有的两颗原子弹"小男孩"和"胖子"，轰炸了日本的广岛和长崎--那是核武器第一次，也是迄今为止仅有的一次实战运用。美国在日本投放的两枚原子弹，以其空前巨大的杀伤和破坏威力震惊了日本战时内阁，加速了日本军国主义的彻底失败和无条件投降。另一方面，这两枚原子弹的爆炸给千千万万日本平民造成巨大的灾难，这在国际社会上引起强烈的反响。核武器的出现和在战争中的首次使用，使人类社会进入了在核战争威胁下生活的时代。
20世纪40年代和50年代，美国的核弹头用"MK"后面加数字表示。MK4型核炸弹是一款内爆型原子弹，以和MK3相同的基本核裂变原理为基础。它装有比MK3-1型武器更好的引信和点火电路，并使用与MK3-0型相同的基本电路。这种弹在工艺方面作了改进，以保证在坚固耐用、简化生产、可靠性、方便现场操作以及长期储存性能和弹道特性等各方面，都比任何一种MK3变型要好，但与MK3一样，其尺寸仍受B29轰炸机弹舱的限制。
研发背景
1995年初在洛斯阿拉莫斯实验室就开始了MK4型核炸弹核炸弹的研制工作，那时战争尚未结束。据了解，轰炸日本的"小男孩"和"胖子"在宝贵的可裂变材料利用率方面很差，极大地浪费了昂贵的稀有同位素。洛斯阿拉莫斯实验室的科学家们认为，通过一些简单的改进，包括将弹芯悬置并使用双元素复合结构，就可使内爆弹的效率得到相当程度的提高。
早在1995年9月，就有可能制成一枚当量两倍于"胖子"弹的内爆型弹，而其芯部可裂变材料的用量却仍然不变。换而言之，一枚当量与轰炸长崎的原子弹弹相同的内爆武器，可少用25%的裂变材料，并不相应地牺牲性能。
此外，美国空军在寻求一种所谓"木弹"(Wooden Bomb)，它的特点是基本设计简单，尽量减少储存时的维护，同时在操作与使用方面极其安全，后一项尤其重要。这涉及良好的弹道特性，从运载飞机投弹后的控制方法，减少"哑弹"的几率，重量轻以及当量的可预测性和再现性。MK4型核炸弹是走向"木弹"极重要的第一步。
研发历程
MK4型核炸弹的正式工程研制始于1995年8月2日，同时在洛斯阿拉莫斯成立了Z部(或者说武器工程部)。Z部是战时洛斯阿拉莫斯实验室的E部的分部，设立E部的目的是研究与发展弹的引信、"小男孩"的铀枪以及内爆系统。Z部指导弹的工程与生产(主要解决与飞机和弹道特性有关问题)，并代替一个战时在文多弗基地(犹他州盐湖城附近)，称作W47课题小组。当时"曼哈顿计划"拥有一个小型机场(前身为陆军航空兵基地)，称作"桑迪亚"基地，位于新墨西哥州阿尔伯克基附近，Z部被授权拥有它自己的飞机并使用阿尔伯克基附近的大型开兰陆军基地。这个新部在战争结束之前就公开地组织起来了
Z部首批任务之一就是从合理的工程角度重新设计"胖子"弹。原子弹研制的这一阶段一直被忽视，而忙于越快越好地提供可以使用的武器。对设计方面改进的必要性是显而易见的:"胖子"弹道特性是十分可怕的;更换它的短寿命蓄电池时几乎要全部拆开;在运载飞机飞行中装保险或打开保险都没有预防措施。
设计中一项基本的弹道特性要求就是重心(C.g.)要尽可能地移到弹的前端。这是必要的，因为任何炮弹的稳定性力矩都是重力和压力中心间距离的函数(炮弹重心一定要在压力中心之前以避免飞行中翻滚，重心越在前，弹身越稳定)。
战时，所有的炸弹工程都在犹他州文多弗基地进行(有时也用另外名称莱夫特维尔基地)。选择这个地方有很多理由，主要是安全，因为它距任何城市都很远，不容易到达。战后，由于远离城市也产生了特殊的不可克服的困难，尤其是基地距洛斯阿拉莫斯武器实验室太远。1995年秋，即从9月27日开始，将W47课题小组的工作转移到阿尔伯克基附近的奥克斯纳德基地(桑迪亚基地)。沿着炸药库房和装配区修建了几幢建筑物。附近的开兰机场用来停放B29轰炸机机组，以供做飞机的协调性和空投试验之用。存放在文多弗的一些炸药都转移到新墨西哥州盖洛普附近的温格提堡陆军仓库。这时，1995年夏曾被曼哈顿计划使用过的海军索尔顿海上基地，又被指定为供Z部作投弹试验的主要场所。
1995末，过去专用钚的内爆系统已发展成为使用钚和铀235的复合内爆弹芯，这项基本设计对MK4型核炸弹的前景是一个决定性因素。
1995年10月4日确定了MK4型核炸弹的研制日程表。武器的设计和制造主要以新的悬式复合弹芯为基础。1995年12月14日，MK4型核炸弹原型弹体同MK3差不多在阿尔伯克基西南的洛斯卢纳斯靶场进行了实际空投试验。
MK3和MK4型核炸弹之间主要差别出现在1946年初，那时研制了围绕核芯部的60点高能炸药内爆系统以取代用于MK3的32点系统。起爆点数目加倍就能更有效率地、使球对称内爆波能更好地压缩弹芯，从而给定量的裂变材料能产生更高的当量。
另一方面，新系统在雷管引爆同步性方面比32点系统的MK3有更高要求;除了数目增加外，炸药"透镜"要改变形状。点火系统变得更重和更复杂，雷管和电缆的增加也增加了重量和布线的复杂性。
在1946年2月影响MK4型核炸弹未来设计的一个重大且尚无答案的问题是，沿用32点系统，还是选择启用60点内爆系统。正在制造的新核弹的许多部件要适配两种系统，而从事武器制造的军械工程师们倾向于32点系统，他们提出了种种理由:首先，32点的设计雷管布线简单。雷管数目加倍，可能要求把一部分点火系统部件移向高能炸药球的前方，这样可能与业已放在那儿的引信部件及达天线相干扰;第二，一套60点的点火系统部件将比500磅重的32点系统的X-部件增强300磅，雷管在弹尾的这一增重会使重心移向尾部，其影响是不利于武器的弹道特性;第三，设计60点系统高能炸药"透镜"模具涉及的工程方面的工作，要求有经验丰富的人材，而那时洛斯阿莫斯实验室没有这方面人材(战后，即1946年初，大批人员离开洛斯阿拉莫斯)。32点"透镜"可以重新设计，以提高折射系数(这是炸药块冲击波聚焦能力的量度)，就时间与费用而言出比较合算。第四，60点系统的"活门"将要去掉至少4块"透境"，结果使得球的前端极帽处出现一个大洞(武器进入作战状态时，核部件从头锥插入)。而32点系统只需去掉两块五边形高能炸药，所以孔洞小得多。
洛斯阿拉莫斯实验室在春未作出决定，推迟在直径60英寸的弹上建立60点内爆系统(最后用在MK6上)。可是，在高能炸药"透镜"最外层药块中心部位使用了一种新的"慢速"炸药以增加折射系数，从而使内爆冲击波更好聚焦。
1946年夏天，在比基尼环礁举行的"十字路"行动期间对MK4型核炸弹试验就有某种考虑。这一试验系列是考查原子弹对海军舰船的效应。在洛斯阿拉莫斯讨论最多的用哪种武器进行试验。该所推荐的是战时型MK3"胖子"武器，尽管装有新弹芯的MK4型核炸弹急待进行试验。洛斯阿拉莫斯实验室之所以推荐"胖子"弹是出于下述考虑:
首先，试验的目的是严格的限于军事应用。洛斯阿拉莫斯实验室的武器专家们对武器的核效率和TNT当量有否精确测定没有把握。因此，从军事战略与战术的观点考虑，使用过去用过的武器是重要的，只有用同样武器才能比较在不同环境中的差异。其次，如果一件新的和没有试验过的武器性能差和效率低，那末该所和武装部队将会因不用一种"成熟"武器而受到批评。再次，因为要研究的是原子武器的效应，而不是武器本身，所以洛斯阿拉莫斯实验室不愿意使用性能难于或不可能测定的新武器。基于上述论据，在严格控制与严格测试条件下进行MK4型核炸弹的全尺寸试验还得等待时机。
"十字路"行动对MK4型核炸弹的研制的影响是巨大的和不利的。对Z部的冲击，当时洛斯阿拉莫斯和阿尔伯克基之间的分歧是严重的;MK4型核炸弹的研制与工程计划差不多全停下来，因为比基尼试验占用了高级人员
1947年2月，在桑迪亚基地的Z部被加强了。4月4日在海军的加利福尼亚索尔顿湖试验基地进行了第一次半尺寸MK4型核炸弹空投。
1947年夏天，洛斯阿拉莫斯实验室请求陆军航空部队(AAF)提出所需的MK4型核炸弹的军事特性。在答复中，AAF要求在电子学和电气部件方面作某些改变，但重点是改进弹道特性。这些小的改变包括:延长蓄电池寿命，、在运载飞机飞行中调定爆炸高度、用时间/气压系统代替雷达引信系统，以及研制供紧急投掷或供将弹作为海港水雷使用时的降落伞或阻力袋。当时，在运载飞机飞行中调定爆炸高度引信已由AAF的器材司令部作为特殊保密项目为AEC进行研制，同时它也正在研制一种改进的雷达引信系统。
首次MK4型核炸弹高能炸药模型于7月末进行试装配。从制造厂已收到第一个MK4型核炸弹X-部件的试验模型并做了全部机械的和电的检验以及同步性试验。夏末，Z部中的一个工程小组在MK4型核炸弹弹的机械模型方面取得进展，从而帮助拟定部件精确的加工规格和确定精确尺寸、位置以及每个部件的作用。新炸弹的特点是，外壳是钢和铝制的。带有不同类型的尾部装置的全尺寸和半尺寸模型已进行了空投试验。
11月初，接到了小尺寸的、用火炮发射的、带尾翼的MK4型核炸弹模型，并送到陆军阿伯丁弹道实验室进行试验。完成了第一个MK4型核炸弹全尺寸完整模型，并进行了空投试验。同时完成了阻力最小的外壳定形并做了试验，同时确定了外壳内部的机械部件设计。对稳定尾翼和罩盖的性能进行了半尺寸的实际研究和局部的全尺寸研究。空投试验表明，外壳弹道系数较高(2.5)，武器在0.8-1.2马赫通过相当长一段弹道时,由压缩引起的振动导致短时间的5°-10°的偏航和俯仰。
1947年底，一种供MK4型核炸弹使用全部重新设计的较紧凑和轻量的X-部件正在EG&G公司(AEC的承包商)生产。12月末，美国空军，洛斯阿拉莫斯科学研究所、美国海军和原子能委员会在洛斯阿拉莫斯举行的联合会议上，再次提出了为提高安全性需要在运载飞机飞行中插入核部件(IFI)。N·布拉德伯利博士在这次会上指出，IFI至少需要两年时间进行研制，而且可能使武器和飞机都复杂化。他同意提供一次机会，把MK4型核炸弹核部件在飞行中移出，并计划试验这种程序。1947年12月从MK4型核炸弹去掉了头锥雷汞"自毁"信管，这是空军十分希望的安全性改进(由于使用极其安全的引信及点火系统，头锥信管已过时和不必要)。洛斯阿拉莫斯实验室在当时不重视改进弹道特性，并认为从弹的摧毁半径很大看轰炸精度已足够(至少洛斯阿拉莫斯实验室这样认为)，直到1948年夏MK4型核炸弹的尾部和MK3没有多大变化。
1948年3月29日，利用改进的MK3模型，在停在开兰机场的B29轰炸机上进行了核部件插入的抽出的首次试验。试验用了大约31分钟(仅为预定时间三分之之一)，没有使用特殊工具和设备。因些，空军在一周内提出使用IFI要求，AEC答应重新设计MK4型核炸弹，以便使用IFI。
1948年4月1日，洛斯阿拉莫斯实验室的Z部成为该实验室在桑迪亚的分枝机构。MK4型核炸弹最佳弹道系数是这段时间争论和计算的对象，最后，在弹尾装上一块平面阻力板，再加上平稳和准确的飞行，弹道特性将大大改善。
1948年春，在埃尼威托克岛上举行的"砂石行动"中，完成了MK4型核炸弹研制的一项重大步聚。在代号为"X光"、"轭"和"斑纹"的试验中，对新型悬置式铀钚复合裂变弹芯作了全尺寸爆炸试验。悬置式铀钚复合弹芯的设计如此出色以致被立即投入生产。"砂石"行动非常成功，MK4型核炸弹部件生产订贷所需裂变材料比当时已进入储备的MK3优先供应。MK3的弹芯的制造立即停止，将所有可裂变材料都用于制造新弹芯。随着MK4型核炸弹部件的批生产以及采用标准化的生产装配线技术，手工制造武器的时代已一去不复返。
同年4月末，MK4型核炸弹部件的生产订贷在进行安排的同时，除了准备IFI和修改的空气动力部件，特别是改进的尾翼外，MK4型核炸弹的设计接近完成。为了解决弹道特性问题，飞机工厂给予了帮助。以诺思罗普公司的丁·诺思罗普为首的由六位该国第一流空气动力学专家组成的一个小组，于5月24日在加利福尼亚因约肯与海军武器试验站和陆军阿伯丁试验场的代表们举行了会议。会上成立了MK4型核炸弹空气动力学小组，其主要任务就是重新设计MK3的尾部，使其适合于MK4型核炸弹。
在这个小组领导下，MK4型核炸弹模型(当时称为TX-4)做过多次风洞试验。MK4武器从32，000英尺高度下落过程中，当速度达0·93马赫时出现遥摆(这种摇摆被认为是炸弹计算不精确的原因)，为此作了多次修改。基于多次风洞试验及空投试验的结果，尾部采用V形尾翼和多孔阻力板。这个尾部装置，较之MK4带加利福尼亚降落伞箱式尾翼在偏航、俯仰和滚动方面，特别是在爆前高马赫数弹道段，得到了相当大的改善。到该年年底，MK4型核炸弹核弹终于获得了满意的武器基本结构。
传统的MK3核弹的最大缺点之一，就是在设计方面缺少安全性考虑:炸弹必须在地面准备完毕，因此增加了万一运载飞机失事而引起核爆炸的可能性。此外，把核部件插入弹中是一项费时的程序。而MK4型核炸弹能在飞行中快速地人工插入和抽出核部件。6月17日，AEC同意美国空军早先的建议，在MK4型核炸弹总体设计采用IFI。
当TX-4在绘图板上的轮廊越来越清楚时，可以看出MK4型核炸弹和MK3相差不大。这时，美空军在规定的性能中又加入两项新要求:MK4型核炸弹的弹道外壳及内球(包括雷管、高能炸药块、弹芯和核部件)应更轻一些，如果可能，弹芯应采用"助爆型"以提高当量。然而，这些要求不可能立即达到，轻量型60英寸直径的外壳必须等到MK6，而"助爆"问题要更后解决。
1948年夏末，美国空军对MK4型核炸弹及其它"胖子"型大直径原子弹提出了新的改进设想。在MK4型核炸弹方面:
(1)弹道特性可预定和可再现;
(2)运载飞行中插入和抽出核部件以及;
(3)研制并储备可供大直径和小直径武器使用和各种高能炸药装置(多种几何形状)。
美国空军出于较长期考虑提出:
(1)设法降低装配了的弹内弹芯温度(装有大量钚的武器是常见的问题);
(2)延长蓄电池寿命，使装配好的弹有较长的的储存时间;
(3)在飞行中调试(调定)气压计和高空雷达引信;(4)提高引信及点火线路和设备的可靠性;
(5)在不降低核效率的情况下研制小直径和轻重量的高当量炸弹以及;
(6)研制长细比较大的新型内爆弹，以便利用B-52及XB-55较长的弹舱。
1948年9月初，MK4型核炸弹空气动力学小组在洛斯阿拉莫斯会议上建议，用重量轻的铝合金外壳代替当时用于MK3和MK4型核炸弹的钢外壳。丁·诺斯罗普指出，用飞机型硬壳式结构的外壳可以节省2000到3000磅的重量(轻型外壳对MK4型核炸弹已为时太迟，后来用于MK6)。
1948年底之前，还采取步聚研制一种新型引信系统，用以更换MK3上使用的那种极其复杂的易损的二次世界大战时代的高空雷达引信。此外，在洛斯阿拉莫斯和桑迪亚另外两个项目是研究弹部件的低温性以及弹紧急投掷后用降落伞或阻力袋回收。
MK4型核炸弹的最后设计是1949年初完成的，在连续的空投试验中，包括1949年2月2日在AEC所属加利福尼亚索尔顿湖轰炸靶场用波音B-47同温层喷气机投掷两枚MK4型核炸弹模拟弹，高度为35，000英尺，气流速度为232英里/小时。第一枚MK4型核炸弹-0型核弹于3月19日，约比原计划超前10个月进入国家武库(异常紧张的研制计划曾经是MK4型核炸弹发展的特点)。