可無限滯空的飛行怪物？美國核動力飛機的瘋狂嘗試

我愛祖國愛人民 2016-07-08

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可無限滯空的飛行怪物？美國核動力飛機的瘋狂嘗試

2016-07-06 空軍之翼75評

隨著第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束，掀起了充分利用核能的熱潮?？茖W(xué)家的清單上列出了核電站、核動力輪船、核動力火車、核動力汽車和核動力飛機等新奇的發(fā)明。本文的主題就是其中的核動力飛機。

在原子時代初期人們就設(shè)想利用原子能驅(qū)動飛機，早在 1942 年，參加曼哈頓計劃的費米和其他科學(xué)家就開始討論核動力飛機。1946 年約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室分析了核動力飛機的可行性和潛在的問題。在當(dāng)時最大的問題是缺乏防輻射材料的數(shù)據(jù)，其他的問題還包括飛機在運行或事故中會泄露的放射性物質(zhì)，要如何對機組和地面人員進行保護，還存在試飛場地和范圍的選擇問題。飛機在飛行中會向大氣釋放放射性物質(zhì)飛機自身會產(chǎn)生直接輻射。為此制定了核動力飛機的操作要求：及時在最不利的情況下，核動力飛機不能向大氣中排放放射性物質(zhì)，飛機的一切有害輻射必須被限制在飛機內(nèi)部或預(yù)先指定的禁區(qū)內(nèi)。

1946 年對核動力飛機的研究最終演變成長期的飛機核能推進（NEPA）計劃。NEPA 計劃始于該年 5 月，由美國空軍主持，所以研究方向是核動力遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機和高性能飛機。由于核能具有持久性和高溫雙重特性，所以在理論上使用一個反應(yīng)堆是可行的。但是洛克希德飛機公司在 1957 年的報告中提出“由于戰(zhàn)略轟炸機需要的高速性和高續(xù)航能力，以及相對于類似化學(xué)能飛機的潛在低空性能優(yōu)勢，將成為核動力的第一候選?！?/p>

美國空軍與費爾柴爾德發(fā)動機&機身公司簽訂了 NEPA 合同，在橡樹嶺進行研究工作。到 1948 年末美國空軍已經(jīng)投入了僅 1,000 萬美元，從 1946 年-1951 年，NEPA 進行了廣泛的研究工作，隨后被原子能委員會（AEC）/美國空軍的聯(lián)合飛機核推進項目（ANP）取代。ANP 項目制定了飛機反應(yīng)堆和發(fā)動機系統(tǒng)全尺寸研制方面的雄心勃勃的目標(biāo)。ANP 項目成立的原因之一是 1948 年 AEC 召集的在麻省理工學(xué)院完成的一項研究，旨在探索核動力飛行的潛力?！斑@項研究被稱為“列克星敦”計劃，得出有人駕駛核動力飛機的研制難度可能比核沖壓發(fā)動機小，而后者的研制難度又比核火箭小?！敝S刺的是，在后來的研制中，證明這個結(jié)論應(yīng)該倒過來寫。“冥王星”計劃的核沖壓發(fā)動機和“漫游者”計劃中的核火箭發(fā)動機都進行了成功測試并達到了實用水平，但飛機核發(fā)動機卻從未達到實用水平。1954 年 ANP 項目主任布里昂聲稱“有人駕駛核動力飛機是本世紀(jì)難度最大的工程發(fā)展工作”。

不幸的是 ANP 項目也沒有很好地組織，在一個工作階段不是集中力量發(fā)展一個方面的技術(shù)，而是多面開花。問題的部分癥結(jié)在于，在雙方的分工中，AEC 負(fù)責(zé)反應(yīng)堆的研制，空軍負(fù)責(zé)其余系統(tǒng)的研制，于是項目被分成需要緊密合作的兩部分，但這兩部分卻完全分開管理。

坐落在辛辛那提市的通用電氣公司獲得了 ANP 項目的一份合同，研制一種直循環(huán)渦噴發(fā)動機。聯(lián)合飛機公司普·惠飛機分部也被授權(quán)開始在康涅狄格飛機核發(fā)動機實驗室（CANEL）研究非直循環(huán)發(fā)動機。在直空氣循環(huán)方式中，在這樣的結(jié)構(gòu)中，高速氣流直接作為反應(yīng)堆芯的冷卻介質(zhì)，冷卻堆芯外圍的高溫液態(tài)金屬；然后，高溫高壓氣體介質(zhì)再進入另一個高壓進氣口，經(jīng)由該高壓區(qū)的導(dǎo)流分向各個引擎的增壓渦輪；最后，高溫高壓的氣體流噴出各個噴氣口（或驅(qū)動螺旋槳）產(chǎn)生推力。這種動力系統(tǒng)是一種混合動力系統(tǒng)，飛機起降時發(fā)動機都用的是化學(xué)燃料，爬升至高空后待反應(yīng)堆堆芯溫度達到核反應(yīng)溫度后再切換為核動力。

第二種方案則是核動力熱間接循環(huán)配置。在這種配置中，空氣不直接進入反應(yīng)堆芯，而是經(jīng)由一個熱交換器。反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能使工作介質(zhì)汽化，介質(zhì)和空氣在熱交換器進行能量交換，空氣被加熱成高溫高壓氣流后直接流入引擎渦輪，再由排氣口排出，為飛機提供動力；而工作介質(zhì)再熱交換器內(nèi)降溫再返回堆芯，形成一種循環(huán)。在這種方式中工作介質(zhì)選用高密度液體，如液態(tài)金屬或超高壓水，可傳遞更多的熱量以提高效率。

兩個方案中，設(shè)計人員更喜歡熱循環(huán)方式，這種熱交換循環(huán)機結(jié)構(gòu)簡單、重量較輕易于制造；最重要的一點，留給項目組的時間已經(jīng)不多了。

在《SEA 雜志》的一篇文章中，L·W·Credit 寫到：“通過特殊部件和冗余設(shè)計來實現(xiàn)核動力飛機可靠飛行的三種設(shè)計中，單反應(yīng)堆全核能的飛機似乎是最佳的?！?另外兩種設(shè)計分別是雙反應(yīng)堆系統(tǒng)和核能-化學(xué)能混合系統(tǒng)。ANP 項目最初是研制一種直循環(huán)的單反應(yīng)堆推進系統(tǒng)。但是GE公司向政府請愿要求開發(fā)這個直循環(huán)系統(tǒng)，GE表示直循環(huán)較簡單和縮短開發(fā)周期。在間接循環(huán)方面，普惠研制的是超臨界清水反應(yīng)堆，作為工作介質(zhì)的水可被加熱到 1，500 度，但是在 34.474 兆帕的高壓下仍維持液態(tài)。這就避免了使用液態(tài)金屬作為介質(zhì)，美國從不主張使用液態(tài)金屬，迄今在現(xiàn)役軍用反應(yīng)堆中，除了“海狼”級攻擊核潛艇的液態(tài)鈉反應(yīng)堆外，都是壓水反應(yīng)堆（PWR）。甚至“海狼”在服役幾年后由于液態(tài)鈉反應(yīng)堆問題不斷而最終改用 PWR 反應(yīng)堆。

GE 設(shè)計的 P-1 型核-渦噴發(fā)動機設(shè)計圖，為直循環(huán)系統(tǒng)

ANP 項目中有一個 X-6 子項目，始于 1952 年。X-6 項目的設(shè)計目標(biāo)是制造兩架核動力試驗機。測試項目開始于測試輻射防護，一架 B-36 為此進行了改裝。這架飛機被稱為核測試飛機（NTA），NTA 是康維爾生產(chǎn)的一架 B-36H 轟炸機，改裝后編號被改為 NB-36H。在遠(yuǎn)離駕駛艙的后機身彈艙內(nèi)安裝了一個小型氣冷氣冷反應(yīng)堆。NTA 在反應(yīng)堆周圍安裝了防護層，整個機頭的駕駛艙被 12 噸重的鉛和橡膠屏蔽層包裹，座艙后和機身內(nèi)還安裝了水套以進一步屏蔽輻射。反應(yīng)堆不提供動力，僅被用于防輻射測試。

1955 年 7 月—1957 年 3 月間 NB-36H 成功進行了試飛，結(jié)果表明即使在低空核動力飛機也不構(gòu)成威脅。試飛主要關(guān)注的問題是：1、一旦墜毀后從反應(yīng)堆中泄露的可能性。2、泄露的放射性物質(zhì)的劑量。最后的結(jié)論表明駕駛該機的機組所受到的輻射。1957 末由于缺乏實用性 NB-36H 項目被終止。