Сумка для проекта

Для экологического мониторинга Project Grab Bag воздуха, представлял собой программу отбора проб проводимую в США в стратосфере , наземные испытания ядерного оружия в СССР .

Целью программы Grab Bag была разработка беспилотной системы, размещаемой на высотном аэростате , которая будет собирать пробы воздуха на высоте обычно 80 000 футов (24 000 м) и возвращать их на Землю для анализа. проанализированы на наличие специфических изотопов криптона ксенона и Пробы воздуха были , однозначных маркеров реакций деления . Эти короткоживущие изотопы создаются в процессе деления и уносятся огненным шаром высоко в атмосферу, где они остаются в течение нескольких дней. Система отбора проб воздуха была разработана группой воздушных шаров и метеорологических систем компании General Mills , Inc. в Миннеаполисе, штат Миннесота , с использованием больших воздушных шаров, изготовленных из тонкой полиэтиленовой пленки. При первом испытании системы отбора проб была взята важная проба воздуха над Соединенными Штатами 14 августа 1953 года на высоте 80 000 футов (24 000 м). Этот образец содержал обломки испытаний ядерного оружия в СССР, получивших обозначение Джо-4, которые проводились двумя днями ранее, 12 августа 1953 года, на Semipalatinsk in Kazakhstan . Это было первое испытание термоядерного оружия , проведенное СССР, оно было инициировано 40-килотонной бомбой из урана-235 и дало общую мощность 400 килотонн .

Фон

Первым ядерным взрывом стало наземное испытание «Тринити», проведенное в Нью-Мексико 16 июля 1945 года. Оно представляло собой важное достижение Манхэттенского проекта , начатого в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в 1943 году. Менее чем через два месяца после этого испытания ядерное оружие, собранное в Лос-Аламосе, было использовано в войне на Тихом океане против Японии . Хиросима была разрушена 6 августа 1945 года пушечным устройством на уране-235 с выходом продуктов деления около 15 килотонн. Через три дня, 9 августа 1945 года, на плутонии-239 было взорвано имплозивное устройство мощностью около 22 килотонн над Нагасаки . 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 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, активно участвовавший в некоторых из наиболее важных аспектов программы, снабжал СССР ключевой информацией через внешние контакты, начиная с 1945 года. Эта информация существенно продвинула советские усилия по разработке ядерного оружия . Поскольку США осознали утрату ключевых идей и концепций проектирования, было важно переоценить состояние советской программы в области ядерных устройств и следить за расширением их программы до термоядерных устройств. Одна из проблем заключалась в масштабах прогресса, достигнутого Советским Союзом в производстве расщепляющихся материалов с помощью реакторов. Еще большее значение имело состояние разработки термоядерных устройств, способных на порядки большей разрушительной силы, чем устройства ядерного деления, использованные против Японии.

Обнаружение работы реакторов и наземных испытаний ядерного оружия может осуществляться различными способами. Одним из подходов, используемых с начала 1950-х годов, был анализ проб воздуха, собранных на приземных и малых высотах, на наличие определенных радиоактивных нуклидов. ряд наземных радионуклидных детекторов воздушного мусора. Этот метод все еще используется, и в различных частях мира постоянно работает Преимущество сбора проб воздуха в стратосфере состоит в том, что мощные надземные ядерные взрывы переносят обломки бомб на большие высоты, где они широко разносятся ветрами наверху. Таким образом, сбор и анализ этого мусора может предоставить прямую и своевременную информацию о конкретном тесте. В этой статье кратко описываются успешные усилия по разработке и реализации программы сбора проб воздуха с использованием систем высотных аэростатов, которые использовались с 1953 года до конца 1956 года. Программа высотных аэростатов, в ходе которой были взяты эти пробы, была известна как Project Grab Bag.

Группа по воздушным шарам и метеорологическим системам компании General Mills, Inc. (GMI) вместе с другими организациями разработала аэростатные системы постоянной высоты, способные надежно переносить инструменты и другое оборудование высоко в стратосферу на продолжительные периоды времени. Эти системы были идеальными платформами для проведения экспериментов, связанных с наблюдением ветров на высоте, изучением космических лучей и множеством других исследований. В начале 1953 года возможные спонсоры программы Grab Bag передали команде GMI под руководством Гарольда Э. Фрелиха, главного инженера группы по воздушным шарам и метеорологическим системам, что образцы воздуха, полученные с большой высоты, содержат обломки наземного ядерного оружия СССР. испытания будут важны для мониторинга прогресса в их программе создания ядерного оружия. Спонсоры не обсуждали конкретные виды мусора или изотопы, которые представляли интерес. Значительные пробы воздуха, полученные на большой высоте, например, на высоте 80 000 футов (24 000 м), были сочтены желательными, то есть пробы порядка 1200 кубических футов (34 м). ³ ) при стандартных условиях температуры и давления. Это означало, что образцы объемом примерно 33 000 кубических футов (930 м3) ³ ) нужно будет собирать на высоте. Спонсоры также заявили о необходимости срочного создания возможностей для сбора таких образцов. Важные испытания оружия должны были состояться на полигоне СССР во второй половине лета 1953 года, примерно через шесть месяцев. Они также сообщили, что в США разрабатываются еще две попытки отбора проб воздуха, и описали эти подходы с использованием специальных высотных самолетов и зондирующих ракет. Эти подходы имели ограничения с точки зрения эффективного размера пробы воздуха, а программа с использованием баллонов предлагала возможность собирать сравнительно большие пробы воздуха. Команда Grab Bag приступила к разработке концепции подвешивания ненадутой оболочки под большим воздушным шаром, наполненного гелием, переноса оболочки на большую высоту и наполнения ее окружающим воздухом. Затем автопилот . инициировал спуск всей системы Когда система опустится примерно на высоту 10 000 футов (3 000 м), проба воздуха будет перенесена из оболочки в бронированное судно, которое сможет выдержать различные ситуации приземления и защитить пробу воздуха от потери в точке восстановления. Система аэростата будет включать в себя электронный контроллер и автопилот для выполнения этой последовательности событий и возврата всей системы обратно на землю при контролируемом спуске. Упрощенные схемы системы сбора мешков показаны на трех основных этапах полета на рисунках 1-3: подъем системы на высоту отбора проб (рис. 1), сбор пробы воздуха на большой высоте (рис. 2) и подъем. образца и спуска системы (рис. 3).

Как схематически показано на рисунке 1, высокоскоростной вентилятор, связанный с ним блок питания и электронный блок управления были подвешены к основанию баллона с образцами, в самой нижней точке нагрузочного поезда (#57). Основание баллона с образцом было модифицировано, чтобы установить цилиндрический фитинг (#40), оснащенный нагнетателем . Воздуходувка будет работать на высоте потолка 80 000 футов (24 000 м) в течение примерно двух часов, чтобы заполнить шар для проб примерно 33 000 кубических футов (930 м3). ³ ) воздуха. Надутый баллон для проб показан на рисунке 2 в конце цикла отбора проб. В этот момент автопилот выпустит заранее определенное количество гелия из подъемного шара и начнет снижение 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 пробы, активировался для переноса пробы воздуха в гибкий бронированный сосуд (№ 27), расположенный чуть выше пробы. воздушный шар и ниже подъемный воздушный шар и подвесной парашют (№ 23). Передача образца заняла небольшой промежуток времени, после чего клапан в основании бронекорпуса (№29) был опломбирован. Система продолжала снижаться, и когда блок управления коснулся земли, взрывные устройства разорвали связь подъемного аэростата с парашютом, что привело к обрушению подъемного аэростата и завершению полета. Концепция Grab Bag привела к созданию сложного грузового поезда с электрическими кабелями, проложенными по всей длине системы, длиной около 300 футов (91 м). При запуске системы было непросто безопасно поднять эту расширенную систему с земли и сделать это, не повредив подъемный баллон, оболочку с образцом, электрические кабели для нагнетателей, автопилот и связанный с ним гелиевый клапан, антенные линии и другие элементы системы. система.

Электронный блок управления (№57) передавал высоту и ключевые этапы последовательности полета, в том числе:

• Включение высотной воздуходувки на программируемый период (обычно 90 минут) для заполнения оболочки образца окружающим воздухом.
• Включение осевого вентилятора №25 (для перекачки пробы воздуха из баллона с пробой в бронекорпус на высоте 10 000 футов).
• Запуск функции автопилота № 116 (выпуск гелия из подъемного баллона).
• Скорость снижения системы (обычно от 1000 до 2000 футов в минуту).
• Включение устройств взрывного отключения № 57 (для быстрого спуска воздуха из подъемного баллона при контакте самой нижней части системы с землей).

Было спроектировано нежесткое бронированное судно (№ 27), способное выдержать суровые условия большинства приземлений и сохранить пробу воздуха объемом около 1000 кубических футов (28 м3). ³ ). Он состоял из трех вложенных друг в друга цилиндров из гибких материалов, которые снаружи внутрь представляли собой: прочный внешний слой пластифицированного нейлона; промежуточный слой из тканого нейлона с очень высокой прочностью на разрыв; внутренний цилиндр из полиэтиленовой пленки, который будет служить газовым барьером для пробы воздуха. При взлете бронекатер в спущенном виде висел на стальном тросе (№27) и ниже раскрытого парашюта (№23), который должен был обеспечить торможение системы снижения, если скорость превышала около 2000 футов в минуту. Запуск этой сложной системы аэростатов требовал особых методов обращения, и весь процесс назывался запуском платформы - новая концепция, разработанная Гарольдом Э. Фрелихом, главным инженером группы воздушных шаров и метеорологических систем. При таком способе запуска грузовой поезд длиной почти 300 футов (91 м) был уложен на взлетно-посадочной полосе с грунтовым покрытием, причем самая нижняя часть грузового поезда была направлена ​​против ветра. Самая верхняя часть системы, верхняя часть подъемного аэростата, будет располагаться по подветренной стороне. Тяжелая платформа была расположена в верхней части подъемного баллона, и материал баллона проходил по платформе и надежно удерживался на месте большим горизонтальным мягким роликом длиной около четырех футов. Трубка для надувания гелия располагалась в верхней части подъемного аэростата так, чтобы источник гелия надувал часть баллона за пределами платформы. Поскольку система должна была подняться на высоту 80 000 футов (24 000 м), только около 3% максимального объема воздушного шара было заполнено гелием. Надувание происходило путем измерения количества подъемного газа гелия, которое должно было равняться общему весу системы плюс обычно около 5% «свободной подъемной силы», чтобы гарантировать, что система будет подниматься с соответствующей скоростью при запуске.

Запуск инициировался выпуском мягкого ролика на стартовой платформе. Затем поднимающийся аэростат последовательно подхватывал нижнюю часть подъемного аэростата, развернутый парашют и бронированное судно, ненадутую оболочку и, наконец, тяжелую изоляционную сумку, содержащую контроллер, воздуходувку, инструменты, телеметрическое оборудование и источник питания. Существовали варианты этой процедуры, которые были разработаны для облегчения запуска. Например, тяжелая сумка для инструментов и блок воздуходувки в конечном итоге были установлены на передней части транспортного средства, которое проезжало под системой аэростатов при подъеме во время запуска, и сумка была освобождена от транспортного средства с помощью небольших взрывных устройств.

Полеты Grab Bag обычно запускались рано утром и возобновлялись в светлое время суток того же дня. Время подъема на высоту 80 000 футов (24 000 м) обычно составляло около трех часов. Когда система аэростатов приближалась к высоте потолка, избыточная подъемная сила (называемая «свободной подъемной силой»), которая поднимала систему вверх при запуске, заполнила систему каналов подъемного аэростата, и гелий автоматически вышел из подъемного аэростата и замедлил полет. восхождение. По мере того как этот процесс продолжался, система воздушных шаров медленно поднималась до высоты потолка и находилась в равновесии, а подъемная сила гелиевого шара лишь уравновешивала общий вес системы. Если бы этот процесс проходил так, как задумано, потребовалось бы около тридцати минут, чтобы убедиться, что система устойчива на высоте потолка 80 000 футов (24 000 м). Если приборы системы показывали, что высота не менялась, контроллер запускал нагнетатель, прикрепленный к баллону с пробой в основании системы. Эффект от включения воздуходувки почти сразу стал заметен по внешнему виду воздушного шара с образцом. Просмотр системы через следящий телескоп ясно показал, что оболочка образца начала заполняться. Процесс сбора проб обычно занимал около часа, при этом система выглядела как два баллона, расположенных один непосредственно над другим. Затем контроллер выключил вентилятор и закрыл клапан, который изолировал конверт с образцом снаружи. Затем контроллер активировал автопилот, выпустив гелий из подъемного баллона (№ 116) и инициировав спуск всей системы. На практике снижение системы не стало очевидным в течение примерно часа после активации автопилота. Это произошло потому, что воздушный шар с пробой, теперь содержащий большой объем воздуха, будет генерировать подъемную силу при любом спуске из-за адиабатического нагрева пробы воздуха в изотермической стратосфере. Для установления номинальной скорости снижения системы может потребоваться час или два. Спуск на высоту порядка 15 000 футов (4600 м) мог занять порядка двух-трех часов. В этот момент автоматически включился осевой вентилятор (№ 29) для перекачки воздуха из баллона с пробой в бронированный сосуд. Этот переход обычно завершался до того, как система достигала высоты 4 или 5 тысяч футов, и контроллер в клапане бронированного резервуара чуть выше осевого вентилятора (№ 25) закрывал контроллер. Пока система продолжала снижаться и приземлилась, взрывные резаки открыли огонь, чтобы освободить подъемный баллон из нижней части системы, и бронированное судно упало на оставшееся небольшое расстояние, примерно пятьдесят футов, до земли. Обычно спасательная бригада находилась на месте приземления и сразу же начинала процесс перекачки пробы воздуха с броненосца в баллоны высокого давления для передачи в другую лабораторию для анализов.

В рамках программы разработки Grab Bag была проведена серия из шести испытательных полетов, в ходе которых были проверены различные элементы системы. Седьмой полет станет первой попыткой взять первую пробу воздуха на высоте 80 000 футов (24 000 м) в районе Миннеаполиса в середине августа 1953 года. В шести испытательных полетах проводились испытания различных компонентов системы, включая: испытания и дальнейшую разработку. процедуры запуска этой сложной системы; оценка системного контроллера; адекватность электропитания и функции автопилота; исследование работы воздуходувки на высоте для оценки как ее работы, так и объема воздуха, подаваемого в баллон с пробой, по сравнению с лабораторными результатами; оценка процесса подачи осевым вентилятором пробы воздуха из баллона для проб в бронекорпус и герметизации сосуда; и в каждом случае дальнейшее развитие логистики запуска и восстановления системы.

К счастью, первый полет всей системы произошел в то время, которое хорошо совпадало с наземными испытаниями в СССР. Этот первый полет прошел успешно, и впоследствии нам сообщили, что проба воздуха предоставила информацию, которая представляла жизненно важный интерес для тех, кто оценивает реакции деления/синтеза и испытательную деятельность по всему миру. Мы также узнали, что из трех разработанных подходов для взятия проб воздуха система высотных баллонов была единственной, которая успешно достигла этой цели, и проба была собрана в желаемый период времени. Как и прежде, конкретной и окончательной информации не было. Фотографии, фильмы и блокноты, подробно описывающие разработку системы Grab Bag и процесс запуска платформы, хранятся в архивах Международного музея воздушных шаров в Альбукерке, Нью-Мексико.

Несколько лет спустя стала доступна дополнительная информация, связанная с фундаментальными наблюдениями, которые проводились над пробами воздуха, собранными в рамках программы Grab Bag. Эта информация была связана с наличием и распространением изотопов инертных газов , в частности изотопов ксенона и криптона. В результате деления ядра образуются два разных ядра, масса которых почти равна массе исходного ядра. Таким образом, деление урана или плутония приводит к образованию спектра различных пар ядер, как правило, с бимодальным распределением 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 период полураспада или порядок дней, поэтому эти изотопы распались и не встречаются в нашей Солнечной системе. Однако недавняя реакция деления, например, в реакторе или ядерный взрыв, приведет к образованию небольших количеств этих радиоактивных изотопов. Если они обнаружены в атмосфере, их присутствие является свидетельством того, что реактор работал или что недавний ядерный взрыв имел место. Это основа усилий по отбору проб воздуха как средству обнаружения и определения характеристик такой деятельности.

Как отметил Чиен К. Линь в следующей таблице, изотопы, представляющие особый интерес, имеют короткий период полураспада, поэтому их обнаружение зависит от отбора проб атмосферы сразу после таких операций. Обратите внимание, что распределение и соотношение изотопов ксенона также можно использовать для определения того, произошел ли конкретный взрыв уранового или плутониевого устройства.

Период полураспада

Изотоп	Период полураспада	Деление плутония-239	Деление урана-235
Хе-133	5,25 дней	6.98%	6.70%
Хе-133м	2,19 дней	0.23%	0.19%
Хе-135	0,38 дня	7.60%	6.54%

Взрыв, пробы которого были отобраны во время этого первого полета Grab Bag, известен как Джо-4 и произошел 12 августа 1953 года в Семипалатинске в Казахстане. Это была бомба из урана-235 мощностью 40 килотонн, общая мощность которой в конечном итоге составила 400 килотонн. Было подсчитано, что 15–20% энергии выделяется в результате термоядерного синтеза (60–80 килотонн), а остальная часть приходится на быстрое деление.

Программа отбора проб воздуха Grab Bag была быстро расширена после успешного полета в августе 1953 года, и впоследствии в течение последующих двух лет было запущено более двухсот полетов Grab Bag. Это была одна из крупнейших программ, реализованных в организации «Аэростаты и метеорологические системы» компании General Mills Inc. 19 февраля 1963 года патент США № 3 077 779 на эту высотную систему отбора проб воздуха был передан Х. Э. Фрелиху, Роджеру А. Киззеку. , Дональд Ф. Мелтон и Ричард Л. Швебель.