Проект «Сумка для сбора»

This article may be in need of reorganization to comply with Wikipedia's layout guidelines. Please help by editing the article to make improvements to the overall structure. (December 2020) (Learn how and when to remove this message)

В целях мониторинга окружающей среды проект Grab Bag представлял собой программу отбора проб воздуха , проводившуюся в Соединенных Штатах в стратосфере во время наземных испытаний ядерного оружия в Советском Союзе .

Целью программы Grab Bag была разработка беспилотной высотной системы на воздушном шаре, которая собирала бы образцы воздуха на высоте обычно 80 000 футов (24 000 м) и возвращала бы их на землю для анализа. Образцы воздуха анализировались на наличие специфических изотопов криптона и ксенона , однозначных маркеров реакций деления . Эти короткоживущие изотопы создаются в процессе деления и переносятся высоко в атмосферу огненным шаром, где они остаются в течение нескольких дней. Система отбора проб воздуха была разработана группой Balloons and Meteorological Systems в General Mills , Inc. в Миннеаполисе, штат Миннесота , с использованием больших воздушных шаров, изготовленных из тонкой полиэтиленовой пленки. Первоначальные испытания системы отбора проб собрали важную пробу воздуха над Соединенными Штатами 14 августа 1953 года на высоте 80 000 футов (24 000 м). Этот образец содержал обломки ядерного оружия, испытанного в СССР под обозначением Джо-4, которое было проведено двумя днями ранее, 12 августа 1953 года, в Семипалатинске в Казахстане . ^[1] Это было первое испытание термоядерного оружия СССР, инициированное 40-килотонной бомбой из урана-235 , общая мощность которой составила 400 килотонн .

Первым ядерным взрывом было наземное испытание «Тринити», проведенное в Нью-Мексико 16 июля 1945 года. Оно представляло собой важное достижение Манхэттенского проекта , который был инициирован в Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1943 году. ^[2] Менее чем через два месяца после этого испытания ядерное оружие, собранное в Лос-Аламосе, было использовано в Тихоокеанской войне против Японии . Хиросима была опустошена 6 августа 1945 года с помощью пушки на уране-235 с выходом продуктов деления около 15 килотонн. Три дня спустя, 9 августа 1945 года, над Нагасаки было взорвано имплозивное устройство на плутонии-239 с выходом около 22 килотонн . Эти события существенно повлияли на завершение Второй мировой войны , поскольку стала очевидной невероятно разрушительная сила этого нового оружия. Манхэттенский проект объединил ученых из США и Великобритании для совместной работы над этой программой разработки ядерного оружия. Лос-Аламос был эпицентром этой деятельности, и, несмотря на высокий уровень безопасности, в 1948 году стало ясно, что безопасность программы была нарушена. Клаус Фукс , британский физик-теоретик, тесно вовлеченный в некоторые из наиболее чувствительных аспектов программы, поставлял СССР ключевую информацию через внешние контакты, начиная с 1945 года. ^[3] Эта информация существенно продвинула советские усилия по разработке ядерного оружия . Поскольку США стало известно об утрате ключевых идей и конструкторских концепций, было важно пересмотреть состояние советской программы по устройствам деления и следить за расширениями их программы на устройства термоядерного синтеза. Одной из проблем была степень прогресса, достигнутого Советами в производстве расщепляемого материала посредством реакторных операций. Еще более важным было состояние разработки устройств деления-синтеза, способных на порядки большей разрушительной силы, чем устройства деления, использованные против Японии.

Обнаружение работы реактора и наземных испытаний ядерного оружия может осуществляться различными способами. Одним из подходов, используемых с начала 1950-х годов, был анализ проб воздуха, собранных на земле и на малых высотах, на наличие определенных радионуклидов. Эта методика все еще используется, и существует ряд наземных радионуклидных детекторов для обнаружения мусора в воздухе, которые непрерывно работают в различных частях мира. ^[4] Преимущество сбора проб воздуха в стратосфере заключается в том, что мощные надземные ядерные взрывы переносят обломки бомб на большие высоты, где они широко распространяются ветрами наверху. Таким образом, сбор и анализ этих обломков могут предоставить прямую и своевременную информацию о конкретном испытании. В этой статье кратко описываются успешные усилия по разработке и внедрению программы сбора проб воздуха с использованием систем высотных аэростатов, которые использовались с 1953 года до конца 1956 года. Программа высотных аэростатов, которая собирала эти образцы, была известна как проект Grab Bag.

Группа по воздушным шарам и метеорологическим системам компании General Mills, Inc. (GMI) совместно с другими организациями разработала системы воздушных шаров постоянного уровня, способные надежно переносить приборы и другое оборудование высоко в стратосферу в течение длительных периодов времени. ^{[5] [6] [7] [8]} Эти системы были идеальными платформами для проведения экспериментов, связанных с наблюдением за ветрами на высоте, изучением космических лучей и множеством других исследований. В начале 1953 года будущие спонсоры программы Grab Bag сообщили команде GMI под руководством Гарольда Э. Фрёлиха, главного инженера Группы по воздушным шарам и метеорологическим системам, что высотные образцы воздуха, содержащие обломки от наземных испытаний ядерного оружия СССР, будут важны для мониторинга прогресса в их программе по созданию ядерного оружия. Спонсоры не обсуждали конкретные виды обломков или изотопов, которые представляли интерес. Значительные пробы воздуха, полученные на большой высоте, например, 80 000 футов (24 000 м), были признаны желательными, то есть пробы порядка 1200 кубических футов (34 м ³ ) при стандартных условиях температуры и давления. Это означало, что пробы примерно 33 000 кубических футов (930 м ³ ) должны были быть собраны на высоте. Спонсоры также выразили чувство срочности в разработке возможностей для сбора таких проб. Ожидалось, что важное испытание оружия состоится на испытательном полигоне СССР во второй половине лета 1953 года, примерно через шесть месяцев. Они также раскрыли, что разрабатываются еще две попытки США по отбору проб воздуха, и обрисовали эти подходы с использованием специальных высотных самолетов и зондирующих ракет. Эти подходы имели ограничения с точки зрения эффективного размера пробы воздуха, и программа с использованием воздушных шаров предлагала потенциальную возможность сбора сравнительно больших проб воздуха. Команда Grab Bag начала разрабатывать концепцию подвешивания ненадутой оболочки под большим заполненным гелием воздушным шаром, переноса оболочки на большую высоту и заполнения ее окружающим воздухом. Затем автопилот инициировал бы спуск всей системы. Когда система опускалась примерно до 10 000 футов (3 000 м), образец воздуха переносился бы из оболочки в бронированный сосуд, который мог бы выдерживать различные ситуации приземления и защищать образец воздуха от потери в точке подъема. Система воздушного шара включала бы электронный контроллер и автопилот для выполнения этой последовательности событий и для возврата всей системы обратно на землю в контролируемом спуске. Упрощенные эскизы системы Grab Bag проиллюстрированы на трех основных этапах полета на рисунках 1-3: подъем системы на высоту отбора проб (рисунок 1), сбор образца воздуха на большой высоте (рисунок 2) и подъем образца и спуск системы (рисунок 3).

Как схематически показано на рисунке 1, высокоскоростной нагнетатель, связанный с ним блок питания и электронный блок управления были подвешены к основанию баллона с образцом в самой нижней точке в грузовой цепи (#57). Основание баллона с образцом было модифицировано для установки цилиндрического фитинга (#40), который был оснащен нагнетателем . Нагнетатель будет работать на высоте потолка 80 000 футов (24 000 м) в течение порядка двух часов, чтобы заполнить баллон с образцом примерно 33 000 кубическими футами (930 м ³ ) воздуха. Надутый баллон с образцом показан на рисунке 2 в конце цикла отбора проб. В этот момент автопилот выпустит заданное количество гелия из подъемного баллона и инициирует спуск всей системы со скоростью около 400 футов в минуту. Когда система опускалась примерно на 10 000 футов (3 000 м), осевой вентилятор (#29), расположенный в верхней части оболочки образца, активировался для переноса образца воздуха в гибкий бронированный сосуд (#27), расположенный чуть выше баллона с образцом и ниже подъемного баллона и подвешенного парашюта (#23). Передача образца потребовала короткого периода времени, а затем клапан у основания бронированного сосуда (#29) был запечатан. Система продолжала спускаться, и когда блок управления коснулся земли, взрывные устройства разорвали связь между подъемным баллоном и парашютом, что привело к разрушению подъемного баллона и завершению полета. Концепция Grab Bag привела к созданию сложной грузовой цепи с электрическими кабелями, проходящими по всей длине системы, длиной около 300 футов (91 м). Запуск системы представлял собой сложную задачу: безопасно поднять эту расширенную систему в воздух и сделать это, не повредив подъемный шар, оболочку для образцов, электрические кабели для нагнетателей, автопилот и связанный с ним гелиевый клапан, антенные линии и другие элементы системы.

Электронный блок управления (№ 57) передавал высоту и основные этапы последовательности полета, включая:

• Включение высотного воздуходувного устройства на программируемый период времени (обычно 90 минут) для заполнения оболочки образца окружающим воздухом.
• Включение осевого вентилятора № 25 (для переноса пробы воздуха из пробоотборного баллона в бронированный сосуд на высоте 10 000 футов).
• Включение функции автопилота № 116 (для перепуска гелия из подъемного шара).
• Скорость снижения системы (обычно от 1000 до 2000 футов в минуту).
• Приведение в действие взрывных устройств отключения № 57 (для быстрого сдувания подъемного аэростата при соприкосновении нижней части системы с землей).

Был спроектирован нежесткий бронированный сосуд (#27), который мог бы выдержать суровые условия большинства посадок и сохранить образец воздуха объемом около 1000 кубических футов (28 м ³ ). Он состоял из трех вложенных друг в друга цилиндров из гибких материалов, которые, снаружи вовнутрь, были: прочный внешний слой из пластифицированного нейлона; промежуточный слой из тканого нейлона с очень высокой прочностью на разрыв и; внутренний цилиндр из полиэтиленовой пленки, который служил бы газовым барьером для образца воздуха. При взлете бронированный сосуд висел в сдутом виде вокруг стального троса (#27) и под открытым парашютом (#23), который обеспечивал торможение снижения системы, если скорость превышала около 2000 футов в минуту. Запуск этой сложной системы воздушных шаров требовал специальных методов обработки, и весь процесс назывался запуском с платформы, новой концепцией, разработанной Гарольдом Э. Фрелихом, главным инженером Группы воздушных шаров и метеорологических систем. При таком способе запуска грузовой поезд длиной около 300 футов (91 м) был выложен на покрытой землей взлетно-посадочной полосе с самой нижней частью грузового поезда в направлении против ветра. Самая верхняя часть системы, верхняя часть подъемного шара, будет находиться в направлении по ветру. Тяжелая платформа была расположена в точке ближе к верхней части подъемного шара, а материал шара проходил над платформой и надежно удерживался на месте большим горизонтальным мягким валиком длиной около четырех футов. Трубка для надувания гелия была расположена в верхней части подъемного шара, так что источник гелия надувал часть шара за платформой. Поскольку система должна была подняться на высоту 80 000 футов (24 000 м), только около 3% максимального объема шара было заполнено гелием. Наполнение осуществлялось путем дозирования количества подъемного газа гелия, которое равнялось общему весу системы плюс обычно около 5% «свободной подъемной силы», чтобы гарантировать, что система будет подниматься с соответствующей скоростью при запуске.

Запуск начинался с освобождения мягкого ролика на стартовой платформе. Затем поднимающийся шар последовательно поднимал нижнюю часть подъемного шара, развернутый парашют и бронированный сосуд, ненадутую оболочку и, наконец, тяжелый изолированный мешок, содержащий контроллер, нагнетатель, приборы, телеметрическое оборудование и источник питания. Существовали вариации этой процедуры, которые развивались для облегчения запуска. Например, тяжелый мешок для инструментов и узел нагнетателя в конечном итоге устанавливался на передней части транспортного средства, которое проезжало под системой шаров, когда она поднималась во время запуска, и мешок освобождался от транспортного средства с помощью небольших взрывных устройств.

Полеты Grab Bag обычно запускались рано утром и возвращались в течение дневных часов того же дня. Время подъема на высоту 80 000 футов (24 000 м) обычно составляло около трех часов. Когда система воздушных шаров приближалась к высоте потолка, избыточная подъемная сила (называемая «свободной подъемной силой»), которая двигала систему вверх при запуске, заполняла систему воздуховодов подъемного шара, а гелий автоматически выпускался из подъемного шара и замедлял подъем. По мере продолжения этого процесса система воздушных шаров медленно поднималась на высоту потолка и находилась в равновесии, подъемная сила гелиевого шара просто уравновешивала общий вес системы. Если этот процесс происходил так, как задумано, требовалось около тридцати минут, чтобы убедиться, что система была стабильна на высоте потолка 80 000 футов (24 000 м). Если приборы системы показывали, что высота не меняется, контроллер включал нагнетатель, прикрепленный к баллону с образцом у основания системы. Эффект включения нагнетателя был почти сразу заметен по внешнему виду баллона с образцом. Наблюдение за системой через телескоп слежения ясно показало, что оболочка образца начинает заполняться. Процесс сбора образца обычно требовал порядка часа или около того, чтобы быть завершенным, внешний вид системы тогда представлял собой два шара, один непосредственно над другим. Затем контроллер выключал вентилятор и закрывал клапан, который герметизировал оболочку образца снаружи. Затем контроллер активировал автопилот, выпуская гелий из подъемного шара (#116) и инициируя спуск всей системы. На практике спуск системы не становился очевидным в течение порядка часа после активации автопилота. Это было связано с тем, что шар образца, теперь содержащий большой объем воздуха, создавал подъемную силу при любом спуске из-за адиабатического нагрева воздуха образца в изотермической стратосфере. Для установления номинальной скорости спуска системы могло потребоваться час или два. Спуск на высоты порядка 15 000 футов (4600 м) мог занять порядка двух-трех часов. В этот момент автоматически включался осевой вентилятор (#29) для переноса воздуха из баллона с образцом в бронированный сосуд. Обычно этот перенос завершался до того, как система достигала высоты 4 или 5 тысяч футов, и клапан в клапане бронированного сосуда, расположенный чуть выше осевого вентилятора (#25), был запечатан контроллером. Когда система продолжала снижаться и приземлялась, срабатывали взрывные резаки, чтобы освободить подъемный баллон из нижней части системы, и бронированный сосуд пролетел короткое оставшееся расстояние, возможно, пятьдесят футов, до земли. Обычно спасательная команда находилась на месте приземления и немедленно начинала процесс переноса образца воздуха из бронированного сосуда в баллоны высокого давления для передачи в другую лабораторию для анализа.

В рамках программы разработки Grab Bag была проведена серия из шести испытательных полетов, в ходе которых были исследованы различные элементы системы. Седьмой полет стал первой попыткой взять первую пробу воздуха на высоте 80 000 футов (24 000 м) в районе Миннеаполиса в середине августа 1953 года. В ходе шести испытательных полетов были проведены испытания различных компонентов системы, в том числе: испытания и дальнейшая разработка процедуры запуска этой сложной системы; оценка контроллера системы; адекватность источника питания и функции автопилота; исследование работы нагнетателя на высоте для оценки как его работы, так и объема воздуха, подаваемого в баллон с образцом, по сравнению с результатами лабораторных исследований; оценка процесса, в котором осевой вентилятор переносил пробу воздуха из баллона с образцом в бронированный сосуд, а сосуд был запечатан; и в каждом случае дальнейшая разработка логистики для запуска и восстановления системы.

К счастью, первый полет всей системы произошел в то время, которое хорошо соответствовало наземным испытаниям в СССР. Этот первый полет был успешным, и впоследствии нам сообщили, что образец воздуха предоставил информацию, которая имела жизненно важное значение для тех, кто оценивал реакции деления/синтеза и испытательную деятельность по всему миру. Мы также узнали, что из трех подходов, разработанных для сбора образцов воздуха, система высотных аэростатов была единственной, которая успешно достигла этой цели, и образец был собран в желаемый промежуток времени. Как и прежде, не было никакой конкретной или окончательной информации. Фотографии, фильмы и блокноты, более подробно описывающие разработку системы Grab Bag и процесс запуска платформы, содержатся в архивах Международного музея воздушных шаров в Альбукерке, Нью-Мексико.

Несколько лет спустя стало доступно больше информации, связанной с фундаментальными наблюдениями, которые проводились над образцами воздуха, собранными в рамках программы Grab Bag. Эта информация касалась наличия и распределения изотопов инертных газов , в частности изотопов ксенона и криптона. Деление ядра производит два разных ядра, масса которых почти равна массе исходного ядра. Таким образом, деление урана или плутония производит спектр различных пар ядер, как правило, в бимодальном распределении масс . Продукты деления будут включать изотопы многих элементов, в том числе инертные газы, такие как ксенон и криптон. Некоторые из радиоактивных изотопов этих инертных элементов имеют периоды полураспада или порядка дней, и поэтому эти изотопы распались и не обнаружены в нашей солнечной системе. Однако недавняя реакция деления, например, в реакторе или при ядерном взрыве, произведет небольшие количества этих радиоактивных изотопов. Если они обнаружены в атмосфере, их присутствие является свидетельством того, что работал реактор или что недавно произошел ядерный взрыв. Это основа усилий по отбору проб воздуха как средства обнаружения и характеристики такой деятельности.

Как отмечено в следующей таблице Чиеном С. Линем, изотопы, представляющие особый интерес, имеют короткие периоды полураспада, поэтому их обнаружение зависит от отбора проб атмосферы сразу после таких операций. ^[9] Обратите внимание, что распределение и соотношения изотопов ксенона также можно использовать для определения того, была ли конкретная детонация урановым или плутониевым устройством.

Взрыв, который был заснят этим первым полетом Grab Bag, известен как Joe 4 и произошел 12 августа 1953 года в Семипалатинске в Казахстане. Это была 40-килотонная бомба из урана-235, которая в конечном итоге произвела общую мощность 400 килотонн. Было подсчитано, что 15–20% энергии было выделено в результате синтеза (60–80 килотонн), а остальное — в результате быстрого деления. ^[10]

Программа отбора проб воздуха Grab Bag была быстро расширена после успешного полета в августе 1953 года, и впоследствии было запущено более двухсот полетов Grab Bag в течение последующих двух лет. Это была одна из крупнейших программ, которые имели место в организации Balloon and Meteorological Systems в General Mills Inc. 19 февраля 1963 года патент США 3,077,779 на эту систему отбора проб воздуха на большой высоте был выдан HE Froehlich, Roger A. Kizzek, Donald F. Melton и Richard L. Schwoebel.