冷战时期美苏两国疯狂的核动力飞机计划

冷战时期美苏两国疯狂的核动力飞机计划

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美国的核动力飞机

  随着第二次世界大战的结束,掀起了充分利用核能的热潮。科学家的清单上列出了核电站、核动力轮船、核动力火车、核动力汽车和核动力飞机等新奇的发明。本文的主题就是其中的核动力飞机。

  在原子时代初期人们就设想利用原子能驱动飞机,早在 1942 年,参加曼哈顿计划的费米和其他科学家就开始讨论核动力飞机。1946 年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室分析了核动力飞机的可行性和潜在的问题。在当时最大的问题是缺乏防辐射材料的数据,其他的问题还包括飞机在运行或事故中会泄露的放射性物质,要如何对机组和地面人员进行保护,还存在试飞场地和范围的选择问题。飞机在飞行中会向大气释放放射性物质飞机自身会产生直接辐射。为此制定了核动力飞机的操作要求:及时在最不利的情况下,核动力飞机不能向大气中排放放射性物质,飞机的一切有害辐射必须被限制在飞机内部或预先指定的禁区内。

  1946 年对核动力飞机的研究最终演变成长期的飞机核能推进(NEPA)计划。NEPA 计划始于该年 5 月,由美国空军主持,所以研究方向是核动力远程战略轰炸机和高性能飞机。由于核能具有持久性和高温双重特性,所以在理论上使用一个反应堆是可行的。但是洛克希德飞机公司在 1957 年的报告中提出“由于战略轰炸机需要的高速性和高续航能力,以及相对于类似化学能飞机的潜在低空性能优势,将成为核动力的第一候选。”

 美国空军与费尔柴尔德发动机&机身公司签订了 NEPA 合同,在橡树岭进行研究工作。到 1948 年末美国空军已经投入了仅 1,000 万美元,从 1946 年-1951 年,NEPA 进行了广泛的研究工作,随后被原子能委员会(AEC)/美国空军的联合飞机核推进项目(ANP)取代。ANP 项目制定了飞机反应堆和发动机系统全尺寸研制方面的雄心勃勃的目标。ANP 项目成立的原因之一是 1948 年 AEC 召集的在麻省理工学院完成的一项研究,旨在探索核动力飞行的潜力。“这项研究被称为“列克星敦”计划,得出有人驾驶核动力飞机的研制难度可能比核冲压发动机小,而后者的研制难度又比核火箭小。”讽刺的是,在后来的研制中,证明这个结论应该倒过来写。“冥王星”计划的核冲压发动机和“漫游者”计划中的核火箭发动机都进行了成功测试并达到了实用水平,但飞机核发动机却从未达到实用水平。1954 年 ANP 项目主任布里昂声称“有人驾驶核动力飞机是本世纪难度最大的工程发展工作”。

  不幸的是 ANP 项目也没有很好地组织,在一个工作阶段不是集中力量发展一个方面的技术,而是多面开花。问题的部分症结在于,在双方的分工中,AEC 负责反应堆的研制,空军负责其余系统的研制,于是项目被分成需要紧密合作的两部分,但这两部分却完全分开管理。

  坐落在辛辛那提市的通用电气公司获得了 ANP 项目的一份合同,研制一种直循环涡喷发动机。联合飞机公司普·惠飞机分部也被授权开始在康涅狄格飞机核发动机实验室(CANEL)研究非直循环发动机。在直空气循环方式中,在这样的结构中,高速气流直接作为反应堆芯的冷却介质,冷却堆芯外围的高温液态金属;然后,高温高压气体介质再进入另一个高压进气口,经由该高压区的导流分向各个引擎的增压涡轮;最后,高温高压的气体流喷出各个喷气口(或驱动螺旋桨)产生推力。这种动力系统是一种混合动力系统,飞机起降时发动机都用的是化学燃料,爬升至高空后待反应堆堆芯温度达到核反应温度后再切换为核动力。

  第二种方案则是核动力热间接循环配置。在这种配置中,空气不直接进入反应堆芯,而是经由一个热交换器。反应堆产生的热能使工作介质汽化,介质和空气在热交换器进行能量交换,空气被加热成高温高压气流后直接流入引擎涡轮,再由排气口排出,为飞机提供动力;而工作介质再热交换器内降温再返回堆芯,形成一种循环。在这种方式中工作介质选用高密度液体,如液态金属或超高压水,可传递更多的热量以提高效率。

  两个方案中,设计人员更喜欢热循环方式,这种热交换循环机结构简单、重量较轻易于制造;最重要的一点,留给项目组的时间已经不多了。

  在《SEA 杂志》的一篇文章中,L·W·Credit 写到:“通过特殊部件和冗余设计来实现核动力飞机可靠飞行的三种设计中,单反应堆全核能的飞机似乎是最佳的。” 另外两种设计分别是双反应堆系统和核能-化学能混合系统。ANP 项目最初是研制一种直循环的单反应堆推进系统。但是GE公司向政府请愿要求开发这个直循环系统,GE表示直循环较简单和缩短开发周期。在间接循环方面,普惠研制的是超临界清水反应堆,作为工作介质的水可被加热到 1,500 度,但是在 34.474 兆帕的高压下仍维持液态。这就避免了使用液态金属作为介质,美国从不主张使用液态金属,迄今在现役军用反应堆中,除了“海狼”级攻击核潜艇的液态钠反应堆外,都是压水反应堆(PWR)。甚至“海狼”在服役几年后由于液态钠反应堆问题不断而最终改用 PWR 反应堆。
GE 设计的 P-1 型核-涡喷发动机设计图,为直循环系统


 ANP 项目中有一个 X-6 子项目,始于 1952 年。X-6 项目的设计目标是制造两架核动力试验机。测试项目开始于测试辐射防护,一架 B-36 为此进行了改装。这架飞机被称为核测试飞机(NTA),NTA 是康维尔生产的一架 B-36H 轰炸机,改装后编号被改为 NB-36H。在远离驾驶舱的后机身弹舱内安装了一个小型气冷气冷反应堆。NTA 在反应堆周围安装了防护层,整个机头的驾驶舱被 12 吨重的铅和橡胶屏蔽层包裹,座舱后和机身内还安装了水套以进一步屏蔽辐射。反应堆不提供动力,仅被用于防辐射测试。

  1955 年 7 月—1957 年 3 月间 NB-36H 成功进行了试飞,结果表明即使在低空核动力飞机也不构成威胁。试飞主要关注的问题是:1、一旦坠毁后从反应堆中泄露的可能性。2、泄露的放射性物质的剂量。最后的结论表明驾驶该机的机组所受到的辐射。1957 末由于缺乏实用性 NB-36H 项目被终止。
康维尔 X-6 模型,在机腹安装有 GE 的 P-1 核涡喷发动机



巨大的 B-36,空勤人员在机背上摆 POSE

NB-36H 整个机头的驾驶舱被 12 吨重的铅和橡胶屏蔽层包裹

NB-36H 反应堆装载情景

热传导反应堆试验一号——HTRE-3 在进行地面测试


GE 研制的 XMA-1 核涡喷发动机


试飞中的 NB-36H

NB-36H 的机载核反应堆控制系统仪表盘

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