W58核弹头项目于1959年年中启动，背景是担心苏联探测手段的改进将使其能更有效地拦截再入飞行器，从而提高其防御能力。为突破此类防御，需要将核装药分散到多个弹头上。基于对问题的研究，1959年8月发布了一份报告，建议为弹道导弹开发一种多弹头再入飞行器（MRV）。1959年11月，开始研究为“北极星”导弹研制此类弹头的可行性，并于1960年1月提交了报告。报告建议开发一种配备三枚弹头的导弹，并安装用于散布弹头的抛撒系统。弹头应在约200，000英尺（61，000米）的高度与平台分离。保护性整流罩可在水下发射和主动段飞行期间保护弹头。

最初考虑了两种再入飞行器方案。它们外观相似，都是相同的轻微向下扩张的圆柱体，但第一种采用热解石墨半球形头部，第二种采用热解石墨或铍制椭圆形头部。两种方案中，再入飞行器壳体内表面温度均不得超过1,500°F（820°C），且内部隔热层将核装药装置的温度限制在300°F（149°C）。最终选择了第一种方案，即带有半球形头锥整流罩的方案。

1960年7月，开发新型空爆和地爆引信的决定作出。空爆引信为惯性式，由减速计启动的距离修正定时器组成。它适用于攻击“北极星”导弹预定目标中的95%。由于最低起爆高度为500码（460米），不足以毁伤，因此高度防护的点状目标不在其毁伤范围内。此类目标计划使用地爆引信摧毁。同时还增加了为任何目标选择触发引信（碰炸引信）的选项。

主要安全装置应为减速计，当加速度不低于10g（98m/s²）并持续五秒时触发。此外，还设计了一种闭锁装置，以防止核弹头在未与火箭分离时进入待发状态。为核弹头供电的热电池设计为在再入大气层时由高温加热触发。

1960年7月获得核弹头开发的正式批准，其作战性能要求于同年8月获批。开发任务被分配给劳伦斯辐射实验室（现为劳伦斯利弗莫尔国家实验室）。尽管该实验室当时任务极其繁重，但认为将开发周期从三年延长至四年降低了实验室的峰值负荷，因此不会影响其其他项目。

最初该核装药装置被命名为XW-59，但1960年10月被赋予XW-58的代号。此前XW-58曾属于一种特殊初级模块的核装置版本，该装置后来更名为W54。国防部负责开发过程中的所有财务和物资事务，但无权干预核装药装置本身的设计或进行修改。洛克希德公司的导弹与航天系统部门负责开发再入飞行器壳体、导弹及测试设备，而海军武器实验室则负责引信和发射系统。飞行测试计划包括14次测试，计划于1962年10月进行；生产启动时间定为1964年1月；投入使用时间为1964年6月。

引信系统应包括一个带有三种高度选项的气压式空爆引信和一个用于触地爆炸的碰炸引信。起爆系统设计为电雷管式，核弹头被设计为密封式，装有氘氚气体混合物的容器放置在可拆卸井中，以便在不破坏装药密封性的情况下取出和更换。1961年3月，承力壳体材料从最初计划的钛改为镁合金，因其重量最轻、成本低廉、易于加工且耐热性适中。辐射舱曾临时加装保护罩，因为当时尚未找到可靠的方法保护其免受环境影响。此后，爆炸电转换器被铁磁转换器取代，因为原有技术不够成熟。

1961年8月，开发方提出的核弹头性能参数被美国海军认为合格。锥形壳体底部直径23.5英寸（600毫米），长（高）54英寸（1，400毫米），全备重量300磅（140公斤）；在平台隔舱中央安装有爆炸螺栓。取代了原先计划用于涂覆壳体的热解石墨，而是在再入飞行器上安装了一个与结构一体化的烧蚀热防护罩。该核弹头被命名为W-58/Mk2。

1962年3月，核装药装置经过升级，并被命名为XW-58-X1。升级内容包括更紧凑地重新布置自动控制单元、修改带有新型热防护罩的壳体，以及将引信和自动控制系统集成为一个单元。这些工作导致开发进度推迟了三个月。Mk58 Mod0弹头的相关工作完成，第一枚量产型于1963年5月下线。在此期间，Kinglet初级模块并非全新生产，而是取自正在退役的W-47/Mk1弹头；总共以这种方式获得了300个模块。

1963年6月，经过中间技术评审，初级模块被更换。新型初级模块取消了机械式保险系统，后者曾引发美国海军对装药可靠性的担忧。1964年3月，Mk58 Mod1弹头开始全面批量生产，同年10月，第一艘携带此类弹头的潜艇开始战备值班。1965年12月，有人提议为Mk58 Mod2装置增加防护高能X射线的能力，但该计划未获批准。

大约在1975年，部分W58/Mk2弹头被发现存在与电线腐蚀相关的问题。利用计算机建模（而非核试验）对此进行了研究。建模表明，可通过在维护过程中进行小幅改动来解决该问题，但计划中的武器退役日期可能限制了这些措施的落实，因为对即将退役的弹头进行改进被认为不划算。

W58/Mk2弹头弹头壳体由镁合金制成，锥形壳体的底部由普通航空铝合金制成。尼龙-酚醛热防护罩粘接在镁合金壳体上。头锥罩上设有两个用于雷达高度计天线的开口、一个用于测量气压的气压端口以及一个用于充入干燥空气的阀门。无线电引信为单通道式。热电池和雷达天线安装在扩散器段上。备用空爆引信由定时器和带有三种起爆高度选项的气压传感器控制；在主系统失效的情况下，核弹头还配备有用于触地引爆的备用碰炸引信。

起爆系统为双通道式，装药的初级模块使用外部中子发生器。安全系统设计用于应对钚芯意外遭受高达4磅（1.8公斤）TNT当量的常规炸药局部起爆——即非核装药标准起爆系统引发的爆炸。在此情况下，不应发生核爆炸。防干扰保护包括一个由加速度计驱动的装置。潜射弹道导弹发射约55秒后（第一级工作时间），在65,000英尺（20,000米）高度，该装置闭合触点，将核弹头的电路与热电池和编程器连接起来。该核弹头使用了Kinglet初级模块，其助爆装药计算当量为18千吨。

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