Введение

Ядерное оружие (разработка прекращена)

"Тонкий человек" — кодовое название предлагаемой ядерной бомбы пушечного типа с плутониевым зарядом, разрабатывавшейся Соединенными Штатами в рамках Манхэттенского проекта. Разработка была прекращена в 1944 году после обнаружения того, что скорость спонтанного деления плутония, полученного в ядерном реакторе, была слишком высокой для использования в конструкции пушечного типа из-за высокой концентрации изотопа плутония-240.

Ранние решения

В 1942 году, до того как армия США взяла под контроль военные атомные исследования в рамках проекта «Манхэттен», Роберт Оппенгеймер провел конференции в Чикаго в июне и в Беркли, Калифорния, в июле, на которых физики обсуждали вопросы конструирования ядерной бомбы. Был выбран принцип «пушечной схемы», при котором две подкритические массы плутония объединялись бы путем выстреливания «снаряда» в «мишень». Ричард Толман предложил альтернативную идею ядерного оружия имплозионного типа, но ей уделили мало внимания из-за её большей сложности. В начале 1943 года Оппенгеймер рассмотрел возможные варианты и отдал приоритет «пушечной схеме», однако, в качестве страховки от преждевременной детонации, он создал группу E 5 в Лос-Аламосской лаборатории под руководством Сэта Неддермейера для изучения имплозии. Было установлено, что бомбы имплозионного типа значительно эффективнее с точки зрения взрывной мощности на единицу массы делящегося материала, поскольку сжатый делящийся материал реагирует быстрее и, следовательно, более полно. Однако было решено направить основные исследовательские усилия на плутониевую бомбу «пушечного типа», так как этот проект был наименее рискованным. Предполагалось, что урановую бомбу «пушечного типа» можно будет легче создать на его основе.

Именование

Типы конструкции «пушка» и «имплозия» получили кодовые имена «Тонкий человек» и «Толстяк» соответственно. Эти кодовые имена придумал Роберт Сербер, бывший студент Оппенгеймера, работавший над Манхэттенским проектом. Он выбрал их, основываясь на форме конструкций: «Тонкий человек» должен был быть очень длинным устройством, а название было взято из детективного романа Дэшила Хэммета «Тонкий человек» и серии фильмов с тем же названием. «Толстяк» должен был быть круглым и полным, и он был назван в честь персонажа Сидни Гринстрита в фильме «Мальтийский сокол». Конструкция уранового типа «Маленький мальчик» («Little Boy») была разработана позже и получила название лишь для контраста с «Тонким человеком». Кодовые имена «Тонкий человек» и «Толстяк» были приняты Военно-воздушными силами армии США (USAAF). Для прикрытия была разработана история о том, что проект Silverplate заключался в модификации вагона Pullman для использования президентом Франклином Рузвельтом («Тонкий человек») и премьер-министром Великобритании Уинстоном Черчиллем («Толстяк») во время секретного тура по Соединенным Штатам. Сотрудники ВВС использовали эти кодовые имена по телефону, чтобы создать впечатление, будто они модифицируют самолет для Рузвельта и Черчилля.

Разработка

Для разработки конструкции плутониевой пушки Оппенгеймер собрал команду в Лос-Аламосской лаборатории, в которую вошли старший инженер Эдвин Макмиллан и старшие физики Чарльз Кричфилд и Джозеф Хиршфельдер. Кричфилд занимался разработкой сабо, которые, по мнению Оппенгеймера, понадобятся для проекта "Тонкий человек" для достижения высоких начальных скоростей, необходимых для критической сборки; Хиршфельдер работал над внутренней баллистикой. Оппенгеймер лично руководил конструкторскими работами до июня 1943 года, когда прибыл капитан ВМС США Уильям Стерлинг Парсонс и возглавил Отдел вооружения и инженерии, а также непосредственное управление проектом "Тонкий человек". Эти четверо создали и испытали все элементы конструкции "Тонкого человека" в период с апреля 1943 года по август 1944 года. Парсонс, разработавший взрыватель приближения для ВМС, руководил отделом и осуществлял связь с другими ведомствами. В качестве главы группы E 6 по снарядам, целям и источникам, Кричфилд рассчитывал критические массы и внедрил систему натурных испытаний с использованием масштабных моделей, применяя 20-мм пушки и 3-дюймовые орудия. Их было легко и быстро получить, в то время как полноразмерные трубы для "Тонкого человека" требовали месяцев для изготовления. Провести испытания с плутонием было невозможно, так как он еще не был доступен. Фактические физические характеристики металла в то время были лишь обоснованными предположениями. Хиршфельдер возглавлял группу внутренней баллистики E 8. Его группа выполняла математические расчеты, но ему также нужно было подобрать подходящий порох, воспламенитель и капсюль. Его группа проводила полномасштабные испытания с выбранными образцами. Определение физических размеров бомбы оказалось важным при выборе подходящего самолета для ее транспортировки. Группа E 8 оценила начальную скорость пушки примерно в , близкую к максимальной, достижимой в 1944 году, и рассчитала, что давление в стволе составит . Хотя конструкторы оружия полагали, что для достижения цели достаточно просто собрать критическую массу, Сербер предложил включить в конструкцию также инициатор. В качестве инициатора был выбран инициатор из бериллия-210 и полония-210, поскольку полоний-210 имеет период полураспада 140 дней, что позволяло его накапливать, и его можно было извлекать из природных руд в Порт-Хоуп, Онтарио. Оппенгеймер запросил также организовать его производство на графитовом реакторе X 10 на Клинтонском инженерном комплексе в Оук-Ридже, штат Теннесси, или, когда они станут доступны, на реакторах Хэнфордского инженерного комплекса в штате Вашингтон.

Технические характеристики

Конструкция «Тонкого человека» была ранним проектом ядерного оружия, предложенным до того, как плутоний был успешно получен в ядерном реакторе путём облучения урана-238. Предполагалось, что плутоний, как и уран-235, можно собрать в критическую массу методом «пушки», который заключался в выстреле одной подкритической части в другую. Чтобы избежать преддетонации или «провала», плутониевый «снаряд» необходимо было разогнать до скорости не менее — иначе реакция деления начнётся до завершения сборки, преждевременно разрушив устройство. «Тонкий человек» имел длину 5,2 метра, широкие хвостовую и носовую части, и узкую среднюю секцию. Такая длина была необходима для того, чтобы плутониевый «снаряд» достиг достаточной скорости перед столкновением с «мишенью». Вес составлял приблизительно для финальной модели оружия. В арсенале ВВС США не было самолётов, способных нести «Тонкого человека» без модификаций, и в 1943 году Норман Рэмси предложил британский Avro Lancaster как единственный самолёт, способный нести «Тонкого человека» внутри благодаря его бомбоотсеку длиной 10 метров. Однако американский Boeing B-29 Superfortress можно было модифицировать для его переноски, удалив часть переборки под основной лонжероном крыла и некоторые кислородные баллоны, расположенные между двумя бомбоотсеками. Эта модификация была выполнена на 58-м серийном экземпляре с производственной линии Boeing Wichita, серийный номер AAF 42-6259. Несмотря на предложение Рэмси использовать Lancaster, начальник ВВС США генерал-лейтенант Генри Арнольд отклонил его, предпочтя американский тип, а именно B-29. Перед испытаниями макетов бомб «Тонкий человек» и «Толстяк» бригадный генерал Лесли Гроувз, директор проекта «Манхэттен», предложил использовать Lancaster для испытаний, поскольку B-29, хотя и находился в производстве, всё ещё был в дефиците. Арнольд вновь отклонил предложение, поскольку вложил много времени и средств в разработку B-29.

Аэродинамика

Большая длина бомбы "Тин Мэн" привела к аэродинамической нестабильности. Подмасштабные модели бомбы сбрасывались с самолета Grumman TBF Avenger на полигоне ВМС США в Дальгрене, штат Вирджиния, начиная с августа 1943 года. После сброса бомбы отклонялись в сторону и разрушались при ударе о землю. В марте 1944 года было выполнено 24 сброса, после чего испытания были приостановлены для внесения улучшений в конструкцию "Тин Мэн". Бомбы не отсоединялись сразу, что затрудняло проведение калибровочных испытаний. В ходе последнего испытательного полета серии, 16 марта 1944 года, "Тин Мэн" был преждевременно сброшен, когда B-29 находился в пути к полигону, и упал на двери бомбового отсека, серьезно повредив самолет. Модифицированные механизмы крепления, использовавшиеся для подвески бомбы в бомбовом отсеке, вызвали все четыре случая неисправности из-за большого веса бомб. Они были заменены британскими одноточечными креплениями типа G и замками сброса типа F, аналогичными тем, что использовались на самолете Lancaster для переноски бомбы Tallboy.

Предетонация

В 1942 году возможность создания плутониевой бомбы подвергалась сомнению. 14 ноября Джеймс Конант получил информацию от Уоллеса Экерса, директора британского проекта Tube Alloys, о том, что Джеймс Чедвик "пришел к выводу, что плутоний может оказаться непрактичным делящимся материалом для оружия из-за наличия примесей". Конант проконсультировался с Эрнестом Лоуренсом и Артуром Комптоном, которые подтвердили, что их ученые в Беркли и Чикаго соответственно знали об этой проблеме, но не могли предложить готового решения. Конант проинформировал директора Манхэттенского проекта, бригадного генерала Лесли Р. Гроувса-младшего, который, в свою очередь, сформировал специальный комитет в составе Лоуренса, Комптона, Оппенгеймера и Макмиллана для изучения этого вопроса. Комитет заключил, что любые проблемы можно было бы решить, потребовав более высокую степень чистоты. В апреле 1944 года эксперименты, проведенные Эмилио Г. Сегре и его группой P 5 в Лос-Аламосе с плутонием, произведенным на графитовом реакторе X 10, показали, что плутоний содержит примеси в виде изотопа плутония-240. Этот изотоп имеет значительно более высокую скорость спонтанного деления, чем плутоний-239. Материал, полученный на циклотроне, с которым были сделаны первоначальные измерения, содержал гораздо меньшее количество плутония-240. Его присутствие в плутонии, полученном в реакторе, казалось неизбежным. Это означало, что скорость спонтанного деления реакторного плутония была настолько высокой, что существовала высокая вероятность его преждевременной детонации и разрушения при достижении критической массы. Расстояние, необходимое для разгона плутония до скорости, при которой вероятность преждевременной детонации была бы меньше, потребовало бы ствола орудия, слишком длинного для любого существующего или планируемого бомбардировщика. Единственным способом использования плутония в работоспособной бомбе была имплозия – гораздо более сложная инженерная задача. Невозможность создания бомбы пушечного типа на основе плутония была признана на совещании, состоявшемся 17 июля 1944 года. Все работы по созданию пушечных бомб в рамках Манхэттенского проекта были сосредоточены на конструкции Little Boy с обогащенным ураном, а почти все исследования в Лос-Аламосской лаборатории были переориентированы на решение проблем имплозии для бомбы Fat Man.