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如何实现核弹头小型化

发布时间:2019-07-18 00:43 来源:未知 编辑:admin

  核弹头小型化,是指在同等威力前提下,使核弹头重量更轻、体积更小。其有利于减少导弹起飞重量,提高导弹射程,增强导弹武器系统机动性,并在相同重量条件下配备更多突防装置。因此,小型化是核弹头的重要战术技术指标,是衡量核弹头水平的重要标志之一。

  在弹头威力一定前提下的重量轻、体积小,意味着比威力较大。作为核弹头效率的度量,比威力自然越大越好。多弹头出现后,又引入了比等效百万吨当量的概念。

  比威力通常情况下,比威力表示为武器的总威力除以总质量。但从严格意义上讲,核弹头比威力应为核弹头的总威力除以裂变和(或)聚变装料的总质量。而由于裂变、聚变装料的质量比核弹头的质量小得多,故而严格计算的比威力比公开文献中引用的比威力要高得多。出于将核弹头作为一个整体之考虑,文中所述比威力,均属通常意义上的概念。

  在核武器发展初期,核弹头的比威力较小,如美国1945年轰炸广岛的铀裂变弹“小男孩”重4037千克,威力15千吨,比威力仅3.72吨/千克;投在长崎的钚裂变弹“胖子”,威力21千吨,重4672千克,比威力4.49吨/千克。“小男孩”和“胖子”均为。相对而言,威力较小,且威力提升空间有限。原因在于在设计中有一个极限点,超过这个极限点,即使增加裂变装料用量,不仅威力不会增加,反而会使裂变装料自发裂变的可能性变大,核弹头安全性变差。MK18是美国曾经制造的最大的纯裂变弹,每枚弹装57~91千克铀235,威力50万吨。

  氢弹的威力在理论上是没有限制的,至少几十万吨,取决于军事需要和投掷工具的载荷能力。仅服役两年即退役的MK17航弹是美军部署过的威力最大的氢弹,当量为1500万~2000万吨(进入储备的武器化型号有的威力达2000万~2500万吨);苏联于1961年10月31日在新地岛6000米上空用图-95飞机空投、爆炸了一颗当量约为5800万吨的氢弹。据悉,这次超级氢弹试验,最初的设计威力为亿吨级,但考虑到投弹飞机的安全,只好减威力试验。因此,与相比,氢弹弹头的比威力要高得多。现代氢弹弹头的比威力达到4.4千吨/千克,是“胖子”的近千倍。但总体而言,无论是大型氢弹还是小型氢弹,比威力都已接近设计极限。

  比等效百万吨当量比威力这一指标对于比较威力相当、类型相同的核弹头,是基本合理的。但在衡量大威力单弹头与较小威力多弹头中的子弹头的设计水平时,就不尽合理了。因为大威力单弹头设计比小威力子弹头设计容易、简单得多。且从核爆炸冲击波对面目标破坏效果的统计规律看,弹头破坏效果与威力之间并非线性关系,而是与威力的三分之二次方成正比。威力百万吨数的三分之二次方称为等效百万吨当量(EMT)。与此相对应:比等效百万吨当量=EMT/W,W为弹头重量,以千克为单位;EMT为以百万吨TNT当量为计量单位的威力量值,是一个无量纲量。如一个威力为1500万吨TNT当量的核弹头,其威力百万吨数为15。

  由于比等效百万吨当量解决了比威力指标的不足,故而较比威力更能反映核弹头的设计水平。譬如,美国历史上部署过的威力最大的洲际弹道导弹弹头W53/MK6,它是“大力神”2导弹弹头。对弹道导弹弹头而言,W是核战斗部标记,MK是核弹头标记。核弹头在美国也称再入飞行器RV。W53/MK6于1962年底服役,威力9百万吨,重量2.95~3.18吨,比威力2.8~3千吨/千克;而于1986年4月完成首批产品的W87/MK21,即“和平卫士”MX、“民兵”3导弹的弹头,标准威力30万吨,可调至47.5万吨,重量0.194吨,比威力1.55千吨/千克(最高2.45千吨/千克),代表了当今世界核弹头的先进水平。但若以比威力作为衡量标准,其反而比W53/MK6小1.25~1.45千吨/千克。而比较比等效百万吨当量,W53/MK6为1.36×10-3~1.47×10-3,W87/MK21为2.31×10-3(最高3.14×10-3),后者较前者为优。

  核弹头包括核战斗部与弹头壳体,有的弹头还带有制导、突防装置,核战斗部又包括核装置、引爆控制系统以及结构部件。从某种意义上讲,核弹头小型化要求各种部件都要尺寸小、重量轻。

  采用分级内爆设计按设计原理,核武器包括枪法、内爆法、助爆型和分级内爆氢弹四种。

  枪法就像打枪一样,将一块处于次临界状态的裂变装料射向另一块也处于次临界状态的裂变装料,使之迅速拼合超过临界质量而产生核爆炸。枪法虽结构简单,但也有不易克服的弱点:一是被推动的裂变装料需一段加速距离,使武器必须做得较长;二是裂变装料未经压缩,利用率很低,如“小男孩”用了64千克铀235,爆炸威力仅15千吨,裂变装料利用率约为1.2%;三是裂变装料合拢时间长,过早点火问题较为严重,而过早点火可能导致武器威力更低。所有这些,都不利于核弹头小型化。

  内爆法通过猛炸药爆炸产生的高压实现裂变装料的压缩并达到临界而产生核爆。裂变装料被压缩后密度增加,体积缩小,燃烧效率比“枪法”提高几倍。如“胖子”仅用了6.2千克钚,爆炸威力21千吨,裂变装料利用率为20%,约为“小男孩”的16倍。但内爆法所需的庞大炸药系统使得核弹头十分笨重,如“胖子”的炸药内爆系统厚47厘米,外半径70厘米,内半径23厘米,重量2500千克左右。而若减少炸药用量,却又难以达到理想的压缩效果,影响裂变装料的利用率,进而降低弹头威力。

  助爆型也称加强型,其基本结构与内爆法相同,只是在裂变装料的中心加了氘氚或氘化锂等聚变材料。这些材料在裂变反应产生的高温高压下发生聚变反应,释放大量高能中子。由于聚变中子平均能量为裂变中子的7倍左右,可使更多的原子核发生裂变反应,故而增加了裂变装料的利用率,增加了裂变威力。在助爆型中虽也发生聚变反应,但发生聚变反应的材料非常少,其所释放能量只占总能量的一小部分。譬如威力约10千吨的助爆型,如果有1.5克氚与氘完全反应,则聚变反应放能仅200吨,占总能量的2%,98%仍为裂变能量。助爆型大大提高了裂变装料的利用率,增加了爆炸威力,有利于核弹头的小型化。助爆型的另一个优点是可以很容易地通过改变氘化锂的装填量或氘氚的含量来调节爆炸威力。

  分级内爆氢弹由初级和次级构成,有的还有第三级(一般只用于数百万吨以上核弹)。初级通常由助爆型充当;次级不仅有聚变装料如氘、氘化锂等,而且在外面包覆裂变材料铀238、铀235或非裂变重金属;第三级也为聚变级。在聚变装料中间还加了一个称为“火花塞”的易裂变部件。“火花塞”实际上是高浓度铀棒或钚棒,其作用是对压缩以后的聚变装料点火。基本过程是:由初级爆炸产生的X射线形成一个具有固体铅密度的、过热的、带静电荷的等离子体,等离子体压缩聚变装料和“火花塞”;“火花塞”在初级裂变中子的照射下发生裂变反应,加热压缩后的聚变装料并放出中子;在高温高压环境下,聚变装料如氘化锂-6等,吸收中子变成氚,氘、氚发生聚变反应所产生的中子再轰击锂核,促使锂核裂变产生新的氚核,新的氚核继续参与氘、氚聚变反应,产生新的中子,形成聚变链式反应,释放巨大能量和高能中子;与此同时,由聚变产生的高能中子又去轰击次级的裂变材料使之发生裂变反应,产生更多能量。分级内爆氢弹在四种设计原理中虽最复杂,但在给定尺寸下,其释放能量比另三种大得多,比威力、比等效百万吨数自然也高得多。

  初级小型化一般而言,低威力氢弹使用一个小的初级即可,但对大威力核弹头而言,为了充分压缩次级聚变装料,就需采用大的初级。分级内爆氢弹的小型化,关键是初级的小型化。主要采用以下两种方法。

  一是提高猛炸药能量密度。由于随后的聚变、裂变反应都始于初级裂变中猛炸药的爆轰,故而在多级热核武器中,每一级的威力直接依赖于前一级的“燃烧”情况。假如初级裂变装料未被适当压缩,则不仅裂变爆炸达不到预期威力,后面的聚变级也将低于设计(或需要)的威力甚至导致点火失败。另一方面,猛炸药在所有核弹头中都是较重的部件之一,要减小初级的体积就要减少猛炸药用量,但猛炸药用量的减少却会影响裂变材料芯的压缩度,降低裂变材料的利用率和弹头威力。故而在猛炸药浇注、成型质量,起爆点数量,形状等相同的情况下,能量密度越高,在同等压缩度的前提下猛炸药用量就越少。“小男孩”、“胖子”使用的复合B型炸药是一种高能炸药,其爆轰速度为6640米/秒,能量密度1.56克/毫升,均远远超过TNT(三硝基甲苯)。20世纪50年代和60年代初,美国研制成功DATB(二氨基三硝基苯)、TATB(三氨基三硝基苯,钝感高能炸药,性质稳定,可在30年内不发生化学变化)合成炸药并成功用于核弹头中。DATB、TATB的爆轰速度、能量密度分别为7520米/秒、1.79克/毫升和7900米/秒、1.9克/毫升,均较TNT有较大幅度的提升。经过数十年发展,核弹头猛炸药用量从初期的数百千克、上千千克减至现代核弹头的7~18千克。

  二是发展助爆型初级。这是实现初级小型化的关键。用裂变威力引发聚变反应,由聚变反应产生的高能中子再引发第二次裂变,形成裂变聚变裂变的反应过程。由于这种设计可用较低的裂变威力引发聚变反应,故而可减少炸药用量,缩小武器体积,对武器小型化意义重大。不过,客观而论,尽管助爆型初级在核弹头中已得到普遍采用,但人们对助爆物理过程的了解却并非十分清楚,在设计中仍然含有经验的成分。据统计,美国历史上曾设计过91种不同类型核弹头,其中63种进行了实战部署。在所有这些弹头中,曾有15种出现过严重问题。这些问题无一例外地都发生在助爆型初级上。目前库存核武器出问题最多的和禁核试后核科学家最担心出问题的也都是助爆型初级。

  次级小型化氢弹次级,也称氢弹主体,是氢弹爆炸威力和杀伤破坏效应的主要来源。其小型化主要是比威力、比等效百万吨当量与重量尺寸的权衡问题。次级由裂变材料(铀或钚)和聚变材料(氘化锂)组成。铀、钚与氘化锂的密度相差悬殊,同体积的铀、钚比氘化锂重约24倍。研究表明,1千克铀235、钚239完全燃烧时释放能量相当于1.7~2万吨的爆炸能量,而1千克氘化锂-6释放的能量可达4~5万吨TNT当量,后者为前者的2~3倍。换言之,对于一个裂变与聚变能量各占一半的次级,所用聚变材料的体积大约是裂变材料的8~12倍,重量大约是裂变材料的1/3~1/2。可见,要减少体积,就要多用裂变材料,相应地增大了威力的裂变份额;要减轻重量,就要少用裂变材料,相应地增大了威力的聚变份额。因此,次级小型化的设计,要在提高比威力、比等效百万吨当量的前提下,对核弹头的威力、尺寸、重量等统筹考虑,科学取舍。

  早期研制的核弹头为保证成功实现爆炸,在设计时一般留有较大的保险系数,相应地,弹头也做得比较笨重、庞大。而小型化的要求,却不允许在设计时留太多的余量,这就要冒失败的风险。目前核弹头设计已经接近这种失败的边缘。进一步的小型化,除了继续一点点地向边缘逼近外,还必须做一定数量的核试验。通过试验来验证设计,发现问题。据统计,1945~1992年美国共进行了1030次核试验,另与英国联合进行了24次核试验;同期苏联/俄罗斯进行了715次核试验。这也是美国、苏/俄核弹头小型化水平较高的原因之一。

  与此相对应,在5个核大国中,中国突破氢弹所用时间最短,仅两年多,但掌握氢弹小型化技术却是最晚的。究其原因,一个很重要的方面是由于受经济条件的限制,核试验次数太少,与英国并列倒数第一,但英国核弹头小型化得到美国的大量帮助,目前英国的核弹头仍由美国设计,部分材料从美国购买。

  有专家指出,核弹头发展虽已历经半个多世纪,但其设计仍是一门经验科学。并且尽管《全面禁止核试验条约》尚未生效,但签署国实际上都遵守着条约规定。因此,在没有核试验的情况下,核弹头小型化依然任重道远。

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