654 二战开启了核武器魔盒
自从第二次世界大战美军在日本本土爆破了两枚核弹头之后,世界开始看到了核武器的威慑力,它具备单位质量高效战斗力和大范围杀伤的能力。在战后成为世界各大国争相研发的方向,到冷战苏联和美国竞争巅峰时期,世界两大阵营的核弹头储备达到了近10万枚,单个核弹头的爆炸当量也远远超过在日本本土爆炸的小男孩和胖子。随着冷战结束,苏联解体,人类开始冷静下来缩减所储备的核武器,但是在单个核弹头的精度投放和纵深穿插能力上却越来越先进,所以虽然现如今的核弹头远比冷战时期少,但是杀伤能力却比当时更加精准强大,其中美国的W88核弹头就是比较典型的代表,本期的武器大讲堂就从美军现役最先进的核弹头之一W88核弹头进行讲解核武器的设计原理和使用。
小型化和大当量找到了平衡
W88核弹头发展于上一版的W87核弹头,是美军一种被部署于核潜艇潜射洲际导弹上的核弹头,此款核弹头采用了先进的物理原理和技术,具有更高的精度和破坏力。
最早是在1984年3月由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 (LANL) 设计和开发,并在1989年4月开始批量生产,由于生产参数和装备数目目前并没有真正意义上的公开,所以美军所储备的W88核弹头具体数目未知,但是截至1992年1月终止,公开的数据大约有400枚核弹头被生产出来。
W88系列核弹头整体的外观设计跟上一代基本上一致,但是在尺寸和重量上做了比较大的优化,整体外观呈现锥形,长度大约150厘米、底部直径大约46厘米、重量在175-360 kg左右,具体的重量参数并没有公布,根据相关数据和资料实际重量预计小于200kg。
整体的结构因为处于严格保密的状态,真实的情况无法得知,但是从公开的消息和美军早期的核弹头设计来看,基本结构不会差太多,包括外部的防护外壳、内部的引信、初级核弹、次级核弹、增压气体储罐和辐射外壳等组成。
W88系列核弹头之所以能做到小型化,离不开整体设计的优化和核爆核心的小型化。其构造采用了泰勒-乌拉姆构型(T-U design),这种核武器设计构型是目前世界上主流的核聚变武器所使用的方案。基本思路是热核武器中的不同部分可以分级依次引爆,每一级爆炸所产生的能量可以用于点燃下一级。
W88系列核弹头初级核弹设计在锥形结构的上部分,为蛋形或者是椭圆形结构,这样可以进一步利用重返大气层载具的锥形结构,但是也带来了设计难度和核爆炸控制问题。
初级结构使用的是一种标准的内爆式裂变弹,包括最外部的结构外壳、第一层作为引爆的传统高爆炸药、由铀-238制成的反射层、真空层和最内部的铀/钚弹芯,弹芯一般采用钚-239或者铀-235制成球形,并在中间注入少量的聚变燃料,一般是50:50的氘氚混合气体,用以提高裂变的效率。
其中的高爆炸药早期选择的是普通的高爆药,但是存在一定的危险性,因为很容易因为高温、意外跌落碰撞等原因引爆,所以后续美军可能已经更换为不敏感高能炸药, 用于保证存储运输的安全性。
次级结构位于初级结构下方,一般为圆柱形或者球形,美军的W88核弹头采用的是球形结构,最外侧是推送-反射层,一般由结构强度和密度比较好的铀-238或者铅制成,主要目的是为了在次级核聚变过程中压缩聚变燃料。
美军的W88核弹头使用的是铀-238制作推送-反射层,这样的好处是铀-238层可以在聚变产生的快中子作用下发生裂变,从而再一次释放出更多的能量。
在往里一层是由氘化锂-6燃料,这种燃料是非常理想的氢弹燃料,氘化锂-6在初级爆炸所形成的高温高压环境下可以立刻分解成氘和锂-6,形成一种高温、高密度等离子体态,此时裂变释放出来的中子就会注入到氘和锂-6等离子体中,形成一个循环反应,在这个反应中,锂-6俘获裂变释放出来的中子生成氚和氦,这个过程一般叫做锂-6造氚。
而造出来的氚优惠和裂解出来的氘在高温下进行裂变反应,氘氚反应又会释放出大量的中子提供给锂-6造氚,形成一个循坏闭环,在这个过程中还会释放大量的能量。
从这个设计中可以看到,氚本身是不存在的,而是在初级爆炸最后现场造氚,然后与氘发生核聚变,即造即用,相对于单独的储存氚而言,氘化锂-6的成本低廉,还是一种稳定的固体化合物,因此常温就可以保存,还大大降低储存环境需求,因此可以将氢弹做的非常小。
另外一般会在次级会在氘化锂-6中间还会制作一个钚-239或铀-235制成的中空球体,W88核弹头选择的是铀-235,这样可以在二次核聚变过程中产生氚,提供更加充足的反应燃料。
W88核弹头的初级结构和次级结构中间叫做级间结构,这个结构公布开的资料很少有详细信息,这里就不过多阐述了。
W88核弹头的这些主体结构都被包括在一个类似于花生结构的环空腔,也叫作辐射盒。这个辐射壳一方面可以将初级核弹爆炸产生的能量暂时存储于其中,也就是它会在初级核弹产生的X射线作用下被加热到非常高的温度。
随后,它自身的热辐射会产生更为平均分布的X射线,而这些X射线将被引导至次级核弹,引发辐射内爆。
在辐射外壳往外就是大家日常所能见到的炸弹的外壳了,W88核弹头的外壳是一个锥形结构,底部有用于安装固定在洲际导弹第三级一个绝缘底座上的固定结构。
在W88核弹头的最顶部是一个特殊制作的MC3810 Mk5 布防、引信和点火系统,这条系统基本上沿袭了W87的方案,属于比较常规的引信装置,可以实现接触式和空爆式引爆。
这便是W88核弹头的一些基本介绍,在爆炸的时候,初级核弹的裂变可能会产生三种能量,分别是高爆炸药内爆初级核弹时产生的膨胀的热空气、电磁辐射和初级核弹爆炸时产生的中子。
这些能量通过负责精确调节的花生外壳和级间结构传递到次级结构,精准的控制在适当地时间将这些能量和中子等传递到适当的位置,从而压缩次级结构的聚变燃料和核裂变引爆结构。
此时次级结构的核裂变材料达到了临界质量以后开始裂变的链式反应,这个过程被称为对次级核弹的辐射内爆,反应放出的能量将聚变燃料加热到足够高的温度以后就会引发聚变,同时反应也为聚变燃料中的锂提供中子,以制造氚来进行聚变,形成一个循环往复不断核聚变核裂变的链式反应过程,最终瞬间释放大量的能量实现杀伤效果。
美军的W88核弹头能实现瞬间释放47.5 万吨 TNT当量差不多1,990 TJ的能量,配备在由洛克希德·马丁公司位于加州森尼韦尔的空间系统公司研发制造的UGM-133A三叉戟II型弹道导弹上。
一枚导弹可以携带8至12枚弹头,单枚最大能实现570万吨TNT当量的核弹头部署,使用美国海军俄亥俄级核潜艇以及英国海军前卫级核潜艇搭载实现潜射核威慑力量,是美国和英国核三位一体重要的一环。
W88核弹头因为能实现极小的体积实现更大的爆炸当量,所以美国海军只需要极少的核潜艇就能达成同样的核威慑力,一直以来都成为世界各国探秘的重点。
另外,相对于W87核弹头将较重的次级放置在上部,W88核弹将当量主要来源的次级核弹放在锥形较宽的一边,因此可以将次级做的大一些来实现更大的爆炸威力。但是也让飞行器的重心移动,这样对于再入大气层时的空气动力学稳定性有一定的影响,所以w88核弹头在尖端应该有增加配重使其中心前移。
不管怎么说,核武器一直以来都是世界各国的秘密杀手锏,具体的原理和工作方式并不是绝密,但是小型化和大威力如何均衡是好多国家正在探索的重点,未来世界将会如何我们无法提前预知,只能祝愿未来没有使用的那一天。