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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

日志

 
 

如何保证核威慑的真实可靠?  

2013-12-29 13:15:58|  分类: 核武器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  编者按:本刊之前的几期介绍了美国国家实验室超级计算机的技术发展及系统组成,这些超级计算机最主要的作用就是进行核武器的三维模拟仿真,用以评估日益陈旧的核武器的情况。本文是这一系列译文的最后一篇,回答的就是超级计算机如何来确保核威慑的真实可靠。

  冷战的结束标志着一个转折点,这个时候美国究竟该如何保持其核威慑的安全和可靠呢?从1945年到1992年间,美国定期地设计、测试核武器 系统,并通过在实验室进行模拟仿真试验投入使用,包括在内华达州地下核武器实验室进行的实验,而这一切在1992年9月23日的最后一次地下试验之后就停 止了。那么,核武器究竟会不会出问题呢?美国已经持有核武器长达半个多世纪了,必须对它有所了解。归根结底,核弹差不多就是一个在金属壳子里面装有雷管系 统的爆炸装置而已。
  与传统武器相比,现代核武器是当代物理学与工程学了不起的壮举。核武器有着难以置信的威力,仅仅使用几千克的钚或铀,就可以转化出相当于成千上万吨TNT炸药的能量。破坏力比当年毁灭广岛和长崎的炸弹要强上百倍。
  但想要实现核武器这种高产量与高安全标准的平衡绝非易事。核武器本身的复杂性是常人难以理解的。传统的炸弹与导弹战斗部使用的仅仅是简单的高能爆炸装置和一个相对简单的雷管装置,而核武器使用的是复杂精密的机械装置。
  就核武器本身而言(不包括导弹等发射装置),它是由几千件高技术设备精密制造的部件组成的,包括复杂的电源系统。这些部件可以是由钢、铝、硅 甚至是塑料制成,它们必须要足够小而且足够精确。这样,当这些部件组装完毕后,整个系统才可以装进一个长度为3.5米,直径0.3米的炸弹里面,而这样大 小的数个炸弹才能进而被装在导弹的头锥内。而要完成这一艰巨的挑战,每个部件的误差必须得到非常严格的控制,形象来说就是头发丝直径数十分之一,也只有武 器的各部件精确的联动才能最终按照预想引发一系列过程,并最终发生最复杂的自然物理过程。这一系列复杂的过程包括化学、固体物理、等离子物理,以及核、热 核反应,而后两者也是太阳和行星的能量来源。即使是现在,这些部件以及它们之间的反应过程还有很大一部分是未解之谜,究竟这些部件是怎么工作的,为什么就 能成功地产生核爆炸,这些问题仍然让人难以捉摸。

  武器的老化

  按照最初的设想,如果美国国防战略需要,其核武库中的核武器每10~15年就应重新进行设计和制造,以此来衡量,那么现在这些武器早已经超出了它们设计时的预期使用寿命,各个部件也不断地老化。
  随着时间的推移,塑料会变脆、破碎,甚至释放出气体;像真空管这样以过时技术制造的部件,以及塑料涂覆的铜导线会老化腐蚀;胶粘剂粘结的关键 部件也会变得不牢固;金属涂层都会自然老化;金属和金属接头也会腐蚀弱化。运输和部署时产生的振动会进一步影响各个部件。数十年来,环境温度、压力、湿度 会有所变化,而同时钚或者铀的辐射会进一步加速部件的老化,并最终导致部件失效。简言之,老化的材料在化学、物理及机械性质方面都会改变,从而它们的表现 也就和从前不同了,老化材料可能产生的结果是难以预测的。当国家最高指挥当局授权使用核武器时候,核武器必须要能完美爆炸,而当没有授权时候,核武器决不 能出任何意外。陈旧的核武器库存可以达到这些严苛的要求吗?
  举个例子:封建时代的日本刀匠经过假设、推测、实验、纠错,发现高碳含量的钢和低碳含量的钢,连同其它材料进行精密加工时候通过控制温度和精 心焊接、淬火,就能做出无与伦比的武士刀,这是那个时候最令人敬畏的武器。他们并不明白为什么这些材料和这些过程会产生这样的效果,但他们可以说出用什么 材料,并且能够解释怎样处理这些材料,还可以最终推测出一系列的结果。对于现在我们手上的工作来说,有这个水平的知识就足够了。但是能运用实验解释和预测 现象不一定意味着真正理解了这一现象。
  通过在真实世界反复实验进行改进的方式,人们称之为“工程手段”,因为它通过实践对理论概念进行测试。核武器在很大程度上就是通过这种方法研 发出来的,而且47年来,也是通过这种方法不断改进的。武器科学家们就像日本刀匠一样,先进行假设,然后提出理论,继而进行试验,尝试不同的材料、工艺、 设计,以达到美国军方提出的要求。
  对于目前工作而言,这一水平的知识就够用了,而且这些知识已经编入了武器仿真的计算机程序。人们当然期望探寻更深层次的知识,但若只是为了完 成冷战的使命,这就没有什么必要了。但是不管怎样,要想更好地认识与理解热核武器,那么必须要有更好的工具。科学家们解释和预测武器现象的能力还是增强 了,同时相关的知识体系也飞速发展,所以他们能够稍有自信地说自己对于某些武器的物理特性有所了解。但是,科学家们绝不敢说他们对所有的工作和所见到的现 象都能够完全理解。事实上,实验结果常常和科学家们认为最准确的预测相悖,也常常在他们自认为已经理解了的地方产生问题。
  当现实与科学家们的预测不相符时,他们经常不得不调整自己的计算方法,直到能够匹配实验结果,但他们并没有真正理解为什么这些调整可以收效。 就像早期的收音机一样,尽管科学家们理解了这个装置的原理,但是对于让收音机来精确反应,他们却无能为力。无线电通过“调谐”(通常通过转动一个旋钮)来 实现最终的高精度匹配,从而令无线电发射器和接收器可以配合工作。事实上,核武器科学家们不断地进行推演计算直到最终结果符合真实世界中的试验结果,这种 方式我们称为“调整旋钮”。这个旋钮是植入在武器仿真的计算机代码中的。因此,武器试验除了要测试武器是否工作以外,另外的目的是增加对于武器原理的理 解,从而能够消除那些特别容易引起麻烦的“旋钮”。
  但是现在,现实世界中内华达州的地下实验室和新系统的部署都已经不存在了,会是什么来取代他们的位置呢?美国军方还能对潜艇、飞机上以及核弹 发射井里的发射系统保持信心吗?美国总统还能够确信这些系统是安全、可靠、有效的吗?盟友们和对手们会不会信服美国的核威慑呢?这是自20世纪90年代以 来美国面临的最大窘境。总统内阁成员、国会议员、三大国家安全科学实验室(洛斯阿莫斯国家实验室,劳伦斯利弗莫尔和桑迪亚国家实验室)的科学家们、还有军 方的高级领导人们进行着激烈的争论,究竟终结核武器的发展并且在没有一个令人满意的替代方案的情况下终结地下核实验是不是一个明智的选择?在没有新产品生 产的情况下还禁止地下核试验,那么国家需要想方设法保证库存的核武器在未来几十年内还能够继续工作。换句话说,国家需要一个新的方法来进行库存评估,这就 是“科学为基础的库存管理计划”(SSP)。如今该计划把最好的实验设施、最好的计算设施、最好的模拟仿真设施、和最好的工程设施提供给实验室的科学家和 工程师们,让他们能够真正弄清楚美国核威慑力的情况。这些工具可以让实验室的主任们成功地延长库存核武器的寿命,支持海军和空军系统的项目,解决陈旧的核 系统中不断出现的问题。每个财政年度结束时,这些实验室都按照法律要求,通过能源部长和国防部长向美国总统报告国家威慑力的状况。

  超级计算机模拟仿真
 
  自“曼哈顿”项目伊始,洛斯阿莫斯国家实验室就依赖实验数据和在最先进计算机上进行的模拟仿真来设计核武器。在冷战期间,洛斯阿莫斯国家实验 室依旧使用最强大、最先进的计算机进行武器模拟。能源部的加速战略计算倡议计划(ASCI)—现在被称为先进模拟计算计划(ASC),开始于1995年, 是库存管理计划(SSP)的支柱项目,目的是能够在2005年以前实现对于核武器的高分辨率3D模拟。在当时,对核武器执行高分辨率3D模拟的想法不得不 说是一种革命。
  在20世纪90年代,计算机科学还远远达不到完成建模仿真任务的水平。在那个年代,人们还在使用软盘、windows95系统。事实上,要从 首要原理上精确地仿真核武器爆炸,并建立模型,需要建立一个拥有强大动力、一定速度和记忆储存的计算机。而即便不涉及三维模拟仿真,很多人也认为是不可能 的。比如说,计算机速度的标准单位叫做每秒浮点运算次数。劳伦斯利弗莫尔国家实验室初步计算了为了足够准确地运行SSP计划所需要的运算速度,结果是超过 每秒钟1000万亿次浮点计算。但是当时利弗莫尔实验室最强大的计算机只能提供每秒钟137亿次的浮点计算,这意味着他们计算机的计算能力需要在不到10 年的时间内增加7000倍,这就意味着计算机技术的发展速度必须超出摩尔定律很多倍。为了运行这样的模型,进行所期望的仿真运算,实验室需要一部超级强大 的计算机。高分辨率三维武器仿真需要在超级计算机的设计、开发、编程领域中取得巨大的飞跃,它还要求前所未有过的电力供应。这意味着需要一个全新的庞大的 基础设施,用以提供所需要的巨大电能和强力的冷却系统。
  大多数人理解不了对核武器库存进行三维仿真的困难程度。似乎计算机生成的三维图形与好莱坞电影类似,好莱坞电影制作者们模拟出来的核试验场景 看上去似乎很真实,可是它实际上并不能反映真实的核试验情况。而SSP需要的3D仿真必须有足够高的分辨率,要能够还原真实的过程。还必须能够反映出来核 试验真实的状况。武器专家们必须制造出真正核试验的模拟景象,而且必须是分辨率高到可以比拟其真实情况的模拟。
  实现这一目标,必须依靠实验数据、数学模型、仿真程序的准确性和质量。在核武器过程的动态试验中,决不允许出现任何“无用输入,无用输出”的 情况。在任何情况下,各个因素都是经过严格测试的,而且在用于展现真实世界的模拟仿真时,这些数据的准确性必须都已经通过了级别最高、最可靠、最有效的验 证。
  尽管开发一个高级的运算平台代码是个不小的挑战,但已经别无选择。评估库存武器的科学基础是由ASCI工具组成,此外还有一些新型实验工具, 如洛斯阿莫斯实验室的双轴辐射成像水压试验设施、利弗莫尔实验室的国家点火设施,以及美国自1992年以来进行的超过1000次核武器实验的实验数据。
  SSP的要求和ASC的变革最终会使计算机仿真和建模成为科学研究不可分割的重要组成部分,并正在改变着几个世纪以来人们研究科学的方法,甚至在那些可以在真实环境下进行试验的领域,虚拟的计算机建模仿真也成为科学研究过程中的正常流程。
  很不可思议的是,在2005年的时候,千万亿次浮点计算的目标已经达到了,但人们还是大大地低估了SSP项目对于超级计算机的需求。2008年,世界上首个每秒千万亿次浮点计算级别的超级计算机—“走鹃”(Roadrunner)在洛斯阿莫斯实验室揭开面纱。继“走鹃”以后,另一个同级别的超 级计算机——“天空”(Cielo)也在洛斯阿莫斯实验室推出并使用。同时,利弗莫尔实验室也建立起了接近每秒1600万亿次浮点计算速度的计算机——“怪 兽”(Sequoia)。洛斯阿莫斯实验室正在研究三位一体(Trinity),这是一台运算速度达到3000~4000万亿次浮点计算的超级计算机。洛 斯阿莫斯和利弗莫尔实验室的超级计算机一年到头时时刻刻都在不停运转。对于科学家们来说,他们对于超级计算机的追求是永远不会停止的。
  “科学为基础的库存管理计划(SSP)”成功地解决了与武器老化有关的问题,甚至解决了一些武器的原型设计与制造的问题。它使得延长武器使用 寿命的项目取得成功,还成功解决了武器代码中的一些小问题。它使得核武器系统及其附属系统变成了三维立体的样子。要知道,进行三维模拟可是一项大的工程, 即使是千万亿次浮点计算级别的超级计算机,也要运行上一段时间的。
  在“科学为基础的库存管理计划(SSP)”每一个成功背后,超级计算机和武器代码扮演着重要的角色。而且,因为库存的核武器渐渐老化,条约又禁止进行真实的大规模核试验,超级计算机和武器代码的地位终究会变得越来越高。
  超级计算机模拟可以让科学家和工程师们提前发现隐藏在真实实验背后的现象,因此提出新的问题、改进新的理论、探索新的方向变得十分重要。人们 迫切需要高分辨率的三维模拟,实际上,有些武器的模拟只能应用三维模拟技术。然而,三维模拟仿真要进行大量的计算,所以,三维模拟仿真技术对于计算机的要求和二维的仿真技术的要求相比不可同日而语。
  “曼哈顿”计划的科学家们投入了2年时间和相当于如今260亿美元的资金制造出世界上第一枚原子弹。而它相比于如今用于核威慑的核武器来说不 过是一个很简单的装置。但是理解核武器的工作过程与原理仍旧是一个正在进行的工作。在“曼哈顿”计划结束之后的近70年里,研究核武器的团体仍然不断探 索,追求对于核武器的更为透彻的理解。

编译:武巍 丁忠惠

《现代军事》2013.12
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