一直在給大家普及一個觀點,并不是外媒說的咱們就得信。同樣也不能選擇性去覺得哪條新聞“長志氣”就信哪條。
尤其是《南華早報》,一直以來W君的態度就是軍事版一個標點符號都沒有參考價值。
這就是本文的態度。
這不,前天晚上,就又鬧這么一出戲“China tests non- nuclear hydrogen bomb,science paper shows”——“科技論文展示中國測試了無核氫彈”。
其實昨天就寫了一個文章《最近試驗的這枚“氫彈”,爆炸的時候如果有尿味就好了》,不是粉絲到W君主頁是看不到的,也不會推送給非粉絲的用戶。所以沒關注的也就別費勁去找了。
W君覺得,這篇文章就把這件事已經說的很清晰了。但是還有粉絲在問這東西和氫彈的爆炸機理有什么區別。咱們就單開一篇文章來說下氫彈的爆炸機理以及“氫化鎂”炸彈的爆炸原理,恰好W君在這兩方面都有那么一點點經驗。
咱們先簡單的回顧一下氫彈,其實很多老百姓一提到核武器就下意識的想到原子彈、氫彈、中子彈,再有一些軍事“功底”的軍迷還會想到三相彈和臟彈。這些知識要點其實都停留在50-80年前,都是老黃歷了。目前在編定義的核武器有9種,氫彈和原子彈都只是這些核武器的“基礎引火裝置”。一般來講老百姓們就很難理解爆炸類武器在設計、能量傳遞、增益這方面的細節了,但是會有一個十分樸實的概念,這就是——氫彈。
不論是中國也好,還是外國也好,民間一直會有一個非標準的核武器術語,也就是“hydrogen bomb(氫彈,H-Bomb)”,這是因為很多的新聞、影視、文學作品過度渲染一個老百姓平時接觸不到的事物導致的。相反,在科研和軍事領域中,“氫彈”這個詞作為術語就很少出現了,在科研領域中一般的情況下會用熱核武器(Thermonuclear Weapon)這個術語,科研領域更注重的是原理級別的描述;而在軍事上用核武器或者彈頭型號來說,軍人哪管是普通炸彈還是氫彈、原子彈啊,能炸到需要的效果就行。
另一方面,在上世紀七十年代學術圈子里面就開始進行Non-Hydrogen Thermonuclear Weapon(非氫熱核武器)的研究,并取得一定的成果,這些成果促進了很多核武器小型化的項目,如果講這個恐怕得再開個文章了,就扯得太遠了。所以,咱們先記住了熱核武器包括氫彈,但不是所有的熱核武器都是氫彈這樣的一個邏輯鏈條。
現在,咱們就可以說說熱核武器到底是怎么回事了:
從本質上來說熱核武器是利用核聚變原理對原子彈的爆炸威力進行增益的一個手段。
怎么解釋這句話?我們來看活生生的例子。
1952年11月15日,美國在“常青藤-國王”行動中投擲了一枚Mark-18F核彈。
上面的動圖是爆炸的場景。
很多軍事媒體也會拿這張照片放到氫彈的配圖里面,而實際上這是一枚原子彈的爆炸。只不過,這枚原子彈的爆炸當量比目前大多數氫彈的當量都要大,達到了50萬噸TNT當量。
這還不算什么,在1957年英國引爆了一枚叫做橙色先驅(Orange Herald)的“增強裂變彈”,這枚核彈的直徑達到了1米,輸出當量達到了72萬噸TNT。
后面的故事就出現了轉折。這類大型原子彈紛紛落馬,例如Mark-18F從1953年開始僅僅制造了90枚,而且這批Mark-18F服役了不到4年就全部拆除了。英國的Orange Herald根本沒有投入實際生產。
原因就在于每枚Mark-18F需要60公斤重的高濃度濃縮鈾,而每枚Orange Herald的耗鈾量更達到了117公斤……這事情就很不優雅了。
當時英國媒體是這樣報道這件事的,援引了英國核計劃的工作人員之一布萊恩·泰勒博士的說法:“我認為‘橙色先驅’是個愚蠢的裝置。它不夠優雅,無法進一步發展,是一個死胡同設計。而且它消耗了大量非常昂貴的裂變材料。””
117公斤高濃度鈾很多嗎?話說,真的不少,以當年英國的濃縮鈾產量來衡量的話,英國當時一年才能產出不到120公斤的高濃度濃縮鈾,一年的產量差不多夠造一枚的。
正因為如此,如何擴大核武器的威力降低昂貴的濃縮鈾的用量就成了核武器專家們面臨的問題,于是利用核爆炸引發可以自持的核聚變反應也就成了給核彈爆炸進行增益的有效途徑之一(注意我這里用的是之一)。
核聚變是怎么回事?核聚變是指兩個輕原子核(如氘、氚)在高溫高壓下克服靜電斥力,結合成一個更重的原子核(如氦),同時釋放出巨大的能量。這種反應是太陽等恒星發光發熱的根本機制,能量密度遠高于核裂變。熱核武器正是利用這種機制,通過原子彈引發極端環境,點燃聚變反應,產生百萬噸級爆炸威力。
熱核武器是一種極端環境,利用原子彈爆炸所產生的高熱瞬間對聚變材料加熱加壓,使之引發核聚變。因為在這個過程中聚變材料被加熱到一個極高的溫度,因此這種武器才叫做“熱核武器(Thermonuclear Weapon)”,同時,由于在這個過程中核融合是主要的能量輸出來源因此也被叫做“Fusion Weapon(融合武器)”。Fusion這個詞目前很多地方在用,例如Apple有一陣在賣的Fusion Driver(融合驅動器)
其實就是把一個機械硬盤和一個固態硬盤做在了一起,取得了速度和容量上的雙重性能。
為什么給大家重點提了一下“Fusion”這個詞,實際上,從1988年開始就有 “Pure Fusion Weapon(純融合武器)”的無裂變引信聚變武器研究。
但無論是熱核武器也好,融合武器也好,它們都有一個關鍵點——核聚變,這也是為什么說它們是一個爆炸增益手段的原因了。
這件事有點類似于我們往炸藥中添加鋁粉——這是一個傳統的爆炸威力增益手段,利用爆炸時候產生的高溫,誘發鋁粉和空氣中的氧氣進行反應,通過鋁在空氣中的燃燒進一步增大熱量的釋放,達到進一步增大爆炸威力的目的。
相對于往炸藥中加鋁粉增加爆炸威力,那么這個就是純鋁彈藥了。
到這里,理解熱核武器是個什么東西了嗎?
這種六面柱鋁熱燃燒彈出現在俄烏戰場中,鋁或者鎂金屬在空氣中燃燒可以釋放出極高的熱量。
利用鎂合金做成了彈藥也就成了戰場上最具威力的燃燒彈。
9n510中的鎂杯是一個六面體圓柱體,內部填充了一些氧化劑和引火劑,點燃后可以燃燒大約2分鐘的時間。但是,由于點燃機制的問題,俄羅斯的這批9n510戰斗部在配合9m22c 120mm火箭彈的時候總是有無法點燃的問題。也就是我們看到那張9m22c落地后爆出很多六面體柱體的殘骸了。
這個東西是最能說明“氫化鎂”炸彈的一個實物了,從微觀來說,氫化鎂是在500?C的溫度200個大氣壓下,鎂和氫形成的公價化合物。
我們可以把氫化鎂看作是用鎂來儲存氫。
這種物質在一個標準大氣壓下,只需要加熱到300度就可以再次分解為鎂和氫。通常都是用來做氫儲能的基礎材料。
把氫化鎂用作儲能材料這方面的研究日本比咱們遙遙領先。
主要氫化鎂的生產商是日本德山化工公司(Tokuyama),有著一套完整的從鎂到氫化鎂到再次填充和應用的技術路線。
這算是和平利用吧,畢竟現在的氫能源汽車的技術可以讓一公斤的“水素”(氫)驅動一輛車行駛大約120-150公里。
不過,學過材料學的就會知道結構決定特性,特性決定用途。微粉末的氫化鎂是有極強的爆炸力的。原因在于微粉末類的物質本身就有極高的表面積,如果在空氣中被分散——極易爆炸。
國家消防救援局有一個演示,消防隊在手套上粘了一些面粉,對著點燃的蠟燭拍下少許粉塵面粉就被大范圍的引燃爆炸。這就是表面積的作用。
那么氫化鎂微粉末的爆炸力很強嗎?還是國家消防救援局的易爆炸粉塵的列表,我們可以看到鎂粉被列入其中。不過,氫化鎂本身的另一個特質就讓它比鎂粉更容易爆炸,這就是它是氫和鎂的“共價化合物”。
從化學上來講,一種物質燃燒、氧化所釋放出的能量都是以鍵能轉換的形式進行的。一般的來說空氣中的氧氣和鎂要進行反應,其反應溫度低到38?C,但是我們在日常生活中看到的金屬鎂都沒有燃燒起來,其主要原因在于金屬鎂的表面已經有了一層鎂的氧化物——氧化鎂。理論上在空氣中點燃鎂最終會生成氧化鎂——現有物質和已有物質相同是不會有劇烈的氧化還原反應的。
但氫化鎂則不同,遇到了熱量會迅速的分解成氫和鎂,這時候的鎂還沒有來得及被緩慢氧化就被立刻被空氣中的氧氣點燃。這個反應是自持的。也就是說只要空氣足夠,有多少的氫化鎂也會被瞬間的消耗光——這才是氫化鎂比普通的金屬鎂粉更可怕的地方。
不僅僅如此,在高溫下,鎂可以和氮反應生成氮化鎂。生成氮化鎂的過程也是一個放熱反應。依舊可以自持。從這一點上來看,其實氫化鎂是有著比其他燃料更強的可燃性。例如汽油、酒精等物質雖然可以在空氣中爆炸,但是有爆炸極限的上限,例如汽油的爆炸極限是1-6%,什么概念?當空氣中的汽油(辛烷)含量超過6%之后,反而就不能爆炸了。這樣的現象簡單的說就是在統計空間內的氧被燃燒消耗完畢,其他氧氣來不及補充的一種非自持燃燒現象。
氫化鎂則不然,空氣中的氧氣消耗完畢還可以有氮氣可以被消耗。理論上微粉末氫化鎂只要有空氣就可以一直燒,并不是特別在意空氣中的含氧量。因此當時的報道是“火球持續時間超過2秒,約為TNT的15倍”。
其實在這個過程中,“氫”反而不是最重要的,真正的主角是鎂。當然了,這一個過程中生成的氮化鎂會繼續和空氣中的水汽反應,水汽哪里來的?來自于爆炸中的釋放出的氫和氧的反應,會迅速生成氨氣。因此,之前的文章中在說判斷反應充分與否直接聞聞有沒有尿味就可以了。
這個東西是不是“氫彈”呢?到這里我們應該理解“氫”在爆炸中并不起主導作用,相反是鎂的特性。同樣爆炸過程中也沒有出現輕元素聚合成重元素的過程,也就不符合熱核武器的概念了。所以從任何角度上說,這都不是“氫彈”。
當然了,這個試驗只是“兩公斤”的氫化鎂爆炸,這個是TNT炸藥:
這個是一個Mk-84炸彈的結構:
這是MK-84最具打擊力的起爆方式:
我們不能說研制出(或者發現TNT能爆炸)就立刻出現MK-84炸彈。甚至MK-84的空爆引信也滯后了MK-84炸彈十幾年的時間。
因此即便我們發現了氫化鎂粉末在特定條件下的爆炸性能,其實離著真正實用化還有很長很長的路要走呢。你得會做出適合爆炸粒徑的氫化鎂微粉末,這些微粉末得有得有一套工廠把它們放入戰斗部中去,這些戰斗部得優化設計使之可以發揮氫化鎂微粉末的最大效能——這是武器定型。定型的武器還得發到部隊,根據這個武器特性開發出適合的戰術戰法。
回過頭看,時間得過去至少七八年……要知道TNT由德國化學家朱利葉斯·威爾蘭德于1863年首次制備,在之后的30年間一直被用于印染行業是做黃色燃料使用的。直到1901年之前TNT都不受英國《1875年爆炸物法案》(Explosives Act 1875)的約束,在制造和儲存時并不被視為爆炸物。在1902年,德國海軍采用TNT作為炮彈的填充物。圖的也是TNT不愛爆炸,使用TNT填充的穿甲彈在擊穿英軍主力艦的裝甲后會爆炸。而英國的苦味酸(另一種染料)炸藥,往往在穿甲彈擊中甲板的瞬間就會爆炸從而浪費了大量的爆炸能量。
直到吃了虧,英國才在1907年開始換裝TNT作為炮彈的填充炸藥,也才把TNT從《1875年爆炸物法案》中非爆炸物的身份糾正,所以說,一項材料從被發現具有爆炸潛力,到真正成為武器系統的一環,是一個漫長、謹慎、系統化的過程。
一晃100多年過去了,我們要如何判斷“氫化鎂”呢?
至少我們得知道——實驗室里的火球不是戰略威懾力,真正的武器,從來不是燒出來的,是造出來的……更不是那些連“氫彈”是什么都不知道的自媒體吹出來的。
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