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中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

美国《华盛顿自由灯塔报》报道,上周五(12月13日),中国二炮部队在中国山西省中部某导弹基地进行了东风-41洲际导弹最新试射。这是中国东风-41公路机动洲际弹道导弹的第二次试射。

图为东风41洲际战略导弹方案图。

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

东风-41洲际弹道导弹,北约代号:(CSS-X-10),是目前中国军方对外公布的战略核导弹系统中的最先进系统之一。采用三级固体运载火箭作为动力,最大射程可达约14,000公里,其载车能在公路进行机动,同时具有一定的越野性能。另一方面,该型导弹采用了电脑控制的惯性制导系统,这使得导弹的命中精度得到大幅提高。

基本参数

制导:三轴液浮惯性陀螺惯性制导 +北斗导航,精度(CEP)1000米以外。

军事性能

载重上限:2000kg,

弹头:一枚1600公斤550万吨级当量热核弹头;或者是10枚我国21世纪初新设计的150公斤30万吨级当量热核W87型核弹头。

射 程11000~14000公里左右

弹 长16.5米

弹 径2.78米

弹 重63.5吨。

下面,我们将详细介绍一枚W87型核弹头的设计过程。

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

第一章 现代最新内爆式原子弹 弹芯设计

先说原子弹,燃料是铀235或钚239,铀235做的原子弹保存期上亿年,钚-239,半衰期为2.41万年,常被用制核子武器,纯度必须90%以上,被分开保存为多个不会发生裂变的亚临界质量,以避免象TNT一样引爆,不是核爆炸。

原子弹制造:钚239原子弹的爆炸临界质量是5千克左右,为半径2厘米的球。

有了核部件、经过精心计算试验验证的常规化学炸药部件,能可靠地把铀-235压缩到临界体积,还是不够引爆原子弹。

还必须有专门设计的点火中子源装置。

不然的话,铀部件临界后开始链式反应。为了使核爆炸能量释放达到最大值,应该使链式反应的代数达到要求。如果在达到的要求的代数之前,核材料由于热膨胀而变为亚临界状态,那么这颗“原子弹”就成了臭弹。万吨级爆炸能量的99.9%以上是在链式反应的最后7代释放出来的,其时间约为0.07微秒。点火装置的作用很关键,它在开始时给裂变材料注入足够多的中子,这样就能使随后产生的中子数足够多,不致造成“臭弹”。要想发生核爆炸,还要有中子源帮忙。

中子源就象一个能引暴核弹的小火源。中子源——铍、钋弹丸球,它是一个铍制的空心金属球,里面填充钋金属,用金箔片隔开。钋210是人工核反映堆中合成,能时刻自发产生大量阿尔法粒子。

现代最新内爆式原子弹装置的原理是炸药爆炸并制造冲击波。由布置在最外侧的32组炸药透镜均匀地引爆主炸药柱产生一个向心爆轰波,推动钚239燃料球碎片迅速向中心压缩,当核燃料之间紧密结合时,冲击波驱动铀235或钚239碎片形成一个球。当亚临界质量的燃料块结合时,铀235或钚239碎片撞击位于球心的中子源( 铍/钋弹丸)。铍、钋弹丸中的箔片被弄破,钋自发地释放出阿尔法粒子,这些阿尔法粒子撞击铍生成很多自由中子,这些中子将诱发钚239开始发生剧烈的链式核裂变。

裂变反应正式开始。

核弹爆炸。

下面进行内爆式原子弹的 弹芯设计。

结构示意图如下:

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

经计算,在我们的设计中,弹芯材料选为钚239,反射层为铍9,弹芯由几层球状的金属壳构成。

中心部位是一个半径为1cm的中子源( 铍/钋弹丸);

第二部分为半径为3厘米的空间;

第三部分为2cm厚的钚239燃料层球碎片(钚239重量为5KG),我们将1cm厚的铍(重量为0.7KG)布置在紧贴着钚239表面;

然后第四部分是3cm厚的炸药爆轰驱动机构(炸药爆轰装置质量为5kg);

最外层的第五部分是1cm厚的铍(重量为2.1KG)加1cm厚的铀-238金属外壳(重量为2.6KG)。

当然最后不能忘记在弹芯中间插上一根半径约2cm的中子管(具体设计见后文)。

这样我们就完成了弹芯的临界设计,弹芯为总质量大约为14KG、直径22厘米的圆球体,相当于一个篮球大小。

第二章 球形爆轰驱动装置设计

1、 驱动装置我们选用一个球形爆轰驱动装置,示意图如下:

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

2、 炸药透镜

要取得良好的爆轰压缩效果,我们必须对每个过程及参数进行周密地计算。

这样向心压缩时,炸药质量为4kg,材料可以选用JO-9159,该种炸药密度为1.86g/cm3,正常爆速为8.86km/s,爆压为36.8Gpa,Gurney速度为2.85km/S,与美国的PBX-9404炸药性能相当,属于我国军方最好的炸药。我们可以将反射层制成如下图的锥体均匀布置在球面上:

在炸药中,爆轰波是以电子雷管为点爆散心的,而我们所设计的装置是一个直径一米多的球体,为了将球面波转化成我们所需的平面波,均匀地投射到主炸药表面,我们可以仿效光学折射原理,利用两种高低爆速的炸药组合成炸药透镜,即平面波发生器。

该装置的原理是炸药爆炸并制造冲击波。由布置在最外侧的一组炸药透镜均匀地引爆主炸药柱1产生一个向心爆轰波,推动钚239燃料球碎片迅速向中心压缩,当核燃料之间紧密结合时,冲击波驱动铀235或钚239碎片形成一个球。当亚临界质量的燃料块结合时,铀235或钚239碎片撞击位于球心的中子源( 铍/钋弹丸)。铍、钋弹丸中的箔片被弄破,钋自发地释放出阿尔法粒子,这些阿尔法粒子撞击铍生成很多自由中子,这些中子将诱发铀235或钚239开始发生剧烈的链式核裂变。

裂变反应正式开始。

核弹爆炸。

在这里,我们以Baratol(TNT/Ba(NO3)2作为低速炸药,铸装TNT/RDX(40/60)作为高爆速炸药,两者交界面处理成圆滑双曲面,锥顶角为53°,为了在球面上保持对称,我们将32个多边形炸药透镜对称装在主炸药的表面,就像一个个突起的足球皮,1945年胖子核弹就是采用类似的炸药透镜,由于对爆炸时间计算的需要,该炸药透镜的工作高度可近似看成是轴线处(即尖顶处)低速炸药Baratol高度的1.4倍左右,所以爆轰波通过炸药透镜的时间是1.5X10-5秒。

第三章 中子管装置设计

没有中子源( 铍/钋弹丸),原子弹根本爆炸不了,所以中子源( 铍/钋弹丸)放在铀球核心是很危险的,所以平常放置在外面,起爆前,通过控制系统才将其通过管道塞入铀球核心。钋半衰期138天,所以原子弹差不多半年就要换一个新的中子源( 铍/钋弹丸),这点很麻烦。

最后为了将中子管部件插入裂变材料中心,我们需要拆掉一块炸药透镜组件,这对其产生的不均衡度不到10%,是可以接受的。

如图所示:中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

第四章 氢弹构造装置设计

1、 美国的 泰勒-乌拉姆型聚变弹

如图所示:

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

为理解这种核弹的设计,想像弹壳内有一枚内爆的原子弹和圆筒形的铀-238套管(反射层)。反射层内的是氘化锂(燃料)和位于圆筒轴心的中空的钚-239棒,中空的钚-239棒中间填充着数个中子源( 铍/钋弹丸)。将圆筒和内爆弹分离开的是铀-238护罩和填充核弹套管剩余空间的塑料泡沫。核弹的引爆导致如下事件顺序发生:

1. 原子弹爆炸,释放出X射线。

2. 这些X射线加热核弹内部和反射层,而护罩则避免燃料过早引爆。

3. 热量导致反射层膨胀并被烧尽,同时向内部的氘化锂施加压力。

4. 氘化锂被挤压到大约原来的三十分之一。

5. 压缩冲击波引发中空的钚棒的变形,引起位于棒心的中子源( 铍/钋弹丸)中的箔片被弄破,钋自发地释放出阿尔法粒子,这些阿尔法粒子撞击铍生成很多自由中子,这些中子诱发钚棒开始发生剧烈的链式核裂变。

6. 裂变中的钚棒释放出辐射、热量和大量的中子。

7. 中子进入氘化锂,与锂结合生成氚。

8. 高温和高压的结合足以引发氘-氚和氘-氘聚变反应,从而生成更多的热量、辐射和中子。

9. 聚变反应释放出的中子导致反射层和护罩中的铀-238碎片裂变

10. 反射层和护罩碎片的裂变将生成更多的辐射和热量。

11. 核弹爆炸。

所有这些事件在亿分之6000秒内发生(其中原子弹内爆需要亿分之5500秒,聚变事件需要亿分之500秒)。结果是比“小男孩”的威力高700倍以上的巨大爆炸:它有1,0000千吨当量。

如图所示:

中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

氢弹差不多半年就要换一批新的中子源( 铍/钋弹丸),这点更麻烦。实际上数个中子源串联起来是放置在氢弹中空的钚-239棒外的,氢弹同样非常安全。

如图所示:中国试射能携10个核弹头的东风-41洲际弹道导弹

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