枪爆式钚弹：曼哈顿计划优先方案，核轰广岛的原子弹都得叫它声哥

1945年8月6日8时15分许，美国陆军航空兵（USAAF）第509混合飞行大队指挥官保罗·蒂贝茨（Paul Tibbets）上校，驾驶代号“伊诺拉·盖伊”（Enola Gay）的B-29“超级空中堡垒”战略轰炸机（序列号44-86292），在位于日本广岛上空9400米高度，投下了人类历史上第一枚用于实战的原子弹——“小男孩”（Little Boy）。

投弹前一天，机组站在“伊诺拉·盖伊”号轰炸机前合影，照片中叼着烟斗的即为保罗·蒂贝茨

经过44.4秒的平抛运动后，“小男孩”在广岛市中心“志摩医院”（島病院）上空约580米的高度爆炸。根据1945年公布的数字显示，“小男孩”原子弹在爆炸后，造成66000人当场死亡、69000人受伤（截止1945年12月时，死亡人数上涨到90000至120000）。

“小男孩”爆炸后盛开的蘑菇云

从“小男孩”原子弹说起

“小男孩”原子弹，是一种采用了“枪爆式”设计的铀弹，即将一块铀-235，通过发射药爆炸时产生的推动力，射到另一块铀-235上，当两块低临界状态的铀-235撞击到一起时，就会达到超临界状态，引发链式反应产生核爆炸。

“小男孩”原子弹（战后模型）

“小男孩”弹体中部靠后的位置，有一块重39千克、长17.8厘米、直径15.9厘米、内径10厘米，由9层环状铀-235组成的空心圆柱体、又被称为“子弹”；弹体前部，有一块直径10厘米、长18厘米，由6层圆片状铀-235组成的圆柱体、又被称为“目标”。当 “子弹”后部的无烟发射药（由65％硝酸纤维素、30％硝酸甘油、3％凡士林和3％氨基甲酸酯组成）被引爆之后，会产生280000千帕的压力，推动“子弹”通过内径16.5厘米、长1.8米的“枪管”，以每秒300米的速度与“目标”撞击。

“小男孩”的构造

组装中的“小男孩”原子弹，可见其部分内部结构

关于“枪爆式”这一设计，其实并不是在“小男孩”上首次出现。在它之前，美国还设计过一种采用“枪爆式”设计的核武器，它就是被称为“瘦子”（Thin Man）的原子弹，只不过因为种种原因未能成功。咱们今天，就来聊聊“小男孩”的大哥——“瘦子”原子弹。

优先研究方案——“枪爆式”钚弹

“原子弹之父”朱利叶斯·罗伯特·奥本海默

1942年6月至7月，后来被称为“原子弹之父”的朱利叶斯·罗伯特·奥本海默（Julius Robert Oppenheimer），在先后芝加哥大学、加利福尼亚大学召开会议，与众多理论物理学家、实验物理学家讨论了关于原子弹设计等方面的问题。虽然在会议上，物理化学家理查德·切斯·托曼（Richard Chace Tolman）提出了采用“内爆式”设计的想法，但最后大多数人还是倾向于采用“枪爆式”设计，之所以这样，是因为“枪爆式”设计不仅结构较为简单、而且不确定因素也较少。另外，有资料显示，当时人们考虑，一旦“枪爆式”钚弹出现问题，更容易将其改为同种原理的铀弹，也就是代号“小男孩”的原子弹。

采用“内爆式”设计的“胖子”原子弹

1943年初，在代号为“瘦子”的“枪爆式”设计成为优先研究的方案之后，奥本海默还检查了作为备选方案，即代号为“胖子”（Fat Man）的“内爆式”设计，并在洛斯阿拉莫斯实验室（Los Alamos Laboratory）成立了由物理学家塞斯·内德迈尔（Seth Neddermeyer）负责的“E-5”小组，其工作就是对“内爆式”设计进行更深层次的研究。虽然在之前的会议上，也提出了“小男孩”的设计方案，但被研究等级被排在了“胖子”之后。

埃德温·麦克米兰

奥本海默组建了一个由物理学家埃德温·麦克米兰（Edwin McMillan）、查尔斯•克里奇菲尔德（Charles Critchfield）和约瑟夫•赫斯菲尔德（Joseph Hirschfelder）在内的设计团队，专攻“枪爆式”原子弹的设计工作。1943年4月，“瘦子”方案的设计工作开始。1944年初，“瘦子”方案的设计工作大致结束。同年4月，全尺寸“瘦子”模型被制造出来。

查尔斯•克里奇菲尔德（中间），右侧即为奥本海默

“瘦子”的设计

“瘦子”与前文提到的“小男孩”，使用同样的设计，即将一块位于弹体后方的钚-239“子弹”，通过发射药爆炸时产生的推动力，射向位于弹头的另一块钚-239，也就是“目标”来达到超临界状态，引发核爆炸。

“枪爆式”（上）和“内爆式”（下）的示意图

在核武器的设计中，有一个词叫做“预爆”，即两块低临界状态的材料（铀-235或钚-239）在碰撞时的速度不够快，导致仅碰撞处达到了超临界状态（引起部分裂变反应），发生一起威力大于常规炸药、但小于预计TNT当量的核爆炸，并将其它大部分低临界状态的材料炸开。

预爆的示意图，仅碰撞处达到了超临界状态

发生预爆，主要是因设计方面的问题所致。为了避免发生预爆，克里奇菲尔带领“E-6”小组人员，赫希菲尔德带领“E-8”小组人员，通过反复计算，确定了使两块钚-239达到超临界状态时所需的压力和速度。即在起爆时，让发射药在“炮管”内产生520000千帕的压力（可理解为推动力），推动“子弹”在“炮管”内加速至每秒910米的速度。

从上至下，分别为“小工具”、“瘦子”和“小男孩”

发射药达到所需压力，通过计算装药量即可达成，但“子弹”的速度，与“炮管”的长短息息相关。这个原理与炮管倍径差不多，即“子弹”在“炮管”内，受发射药燃气作用的时间越长，炮口初速越高。这里的炮口初速，就相当于两块低临界状态材料撞击时的速度。

“瘦子”原子弹线图

为达到所需要求，“瘦子”果真是又瘦又长。其弹体长度为5.2米、弹头的直径为97厘米、弹体中部至尾部的直径为58厘米（抛去尾翼）、重量为3600千克。做这么长，就是为了让“子弹”获得足够的速度。

英国“兰开斯特”轰炸机长10米的大弹舱

当时，为了能够挂载“瘦子”，军方先是准备使用英国的“兰开斯特”（Lancaster）轰炸机用于投掷，因为其有一个10米长的大弹舱。后来，考虑到机组乘员需要重新培训等多方面原因，改为对B-29“超级空中堡垒”（Superfortress）轰炸机的弹舱进行修改，即拆除主翼翼梁下方的舱壁和位于两个弹舱之间的氧气罐来挂载原子弹。

准备挂载到“伊诺拉·盖伊”号前弹舱内的“小男孩”原子弹，可以看到在此弹舱之后，还有一个弹舱

“瘦子”存在的问题

1944年7月，奥本海默得出结论，钚-239无法使用“枪爆式”设计，并选择了“内爆式”设计。同年8月，他对洛斯阿拉莫斯实验室进行了全面改组，将开发重点放在了“内爆式”上，也就是“胖子”原子弹。

温多弗军用机场的“瘦子”测试弹体，后面可见“胖子”的测试弹体

之所以钚-239无法使用“枪爆式”设计，主要是因为以下两方面问题：

1.“瘦子”比较长的弹体，导致其稳定性较差。从1943年8月开始至1944年3月，在位于弗吉尼亚州（Virginia）的美国海军达尔格伦测试场（Dahlgren），美国海军用TBF“复仇者”（Avenger）鱼雷轰炸机，进行了24次投放“瘦子”比例模型的测试。测试结果表明，很多次模型在离开弹舱后，都会朝侧面旋转。1944年6月，在对“瘦子”进行修改后，由经过改造的B-29“超级空中堡垒”轰炸机进行投放测试（此时为全尺寸的测试弹体）。高速照片显示，尾翼会在压力的作用下变形，导致不稳定的情况发生。