可無限滯空的飛行怪物？美國核動(dòng)力飛機(jī)的瘋狂嘗試

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(dòng)力輪船、核動(dòng)力火車、核動(dòng)力汽車和核動(dòng)力飛機(jī)等新奇的發(fā)明。本文的主題就是其中的核動(dòng)力飛機(jī)。

在原子時(shí)代初期人們就設(shè)想利用原子能驅(qū)動(dòng)飛機(jī)，早在 1942 年，參加曼哈頓計(jì)劃的費(fèi)米和其他科學(xué)家就開始討論核動(dòng)力飛機(jī)。1946 年約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室分析了核動(dòng)力飛機(jī)的可行性和潛在的問題。在當(dāng)時(shí)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(jī)在運(yùn)行或事故中會(huì)泄露的放射性物質(zhì)，要如何對機(jī)組和地面人員進(jìn)行保護(hù)，還存在試飛場地和范圍的選擇問題。飛機(jī)在飛行中會(huì)向大氣釋放放射性物質(zhì)飛機(jī)自身會(huì)產(chǎn)生直接輻射。為此制定了核動(dòng)力飛機(jī)的操作要求：及時(shí)在最不利的情況下，核動(dòng)力飛機(jī)不能向大氣中排放放射性物質(zhì)，飛機(jī)的一切有害輻射必須被限制在飛機(jī)內(nèi)部或預(yù)先指定的禁區(qū)內(nèi)。

1946 年對核動(dòng)力飛機(jī)的研究最終演變成長期的飛機(jī)核能推進(jìn)（NEPA）計(jì)劃。NEPA 計(jì)劃始于該年 5 月，由美國空軍主持，所以研究方向是核動(dòng)力遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)和高性能飛機(jī)。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(gè)反應(yīng)堆是可行的。但是洛克希德飛機(jī)公司在 1957 年的報(bào)告中提出“由于戰(zhàn)略轟炸機(jī)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(jī)的潛在低空性能優(yōu)勢，將成為核動(dòng)力的第一候選?！?/p>

美國空軍與費(fèi)爾柴爾德發(fā)動(dòng)機(jī)&機(jī)身公司簽訂了 NEPA 合同，在橡樹嶺進(jìn)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(jìn)行了廣泛的研究工作，隨后被原子能委員會(huì)（AEC）/美國空軍的聯(lián)合飛機(jī)核推進(jìn)項(xiàng)目（ANP）取代。ANP 項(xiàng)目制定了飛機(jī)反應(yīng)堆和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)全尺寸研制方面的雄心勃勃的目標(biāo)。ANP 項(xiàng)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(xiàng)研究，旨在探索核動(dòng)力飛行的潛力。“這項(xiàng)研究被稱為“列克星敦”計(jì)劃，得出有人駕駛核動(dòng)力飛機(jī)的研制難度可能比核沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)結(jié)論應(yīng)該倒過來寫?！摆ね跣恰庇?jì)劃的核沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和“漫游者”計(jì)劃中的核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都進(jìn)行了成功測試并達(dá)到了實(shí)用水平，但飛機(jī)核發(fā)動(dòng)機(jī)卻從未達(dá)到實(shí)用水平。1954 年 ANP 項(xiàng)目主任布里昂聲稱“有人駕駛核動(dòng)力飛機(jī)是本世紀(jì)難度最大的工程發(fā)展工作”。

不幸的是 ANP 項(xiàng)目也沒有很好地組織，在一個(gè)工作階段不是集中力量發(fā)展一個(gè)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(xiàng)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(xiàng)目的一份合同，研制一種直循環(huán)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。聯(lián)合飛機(jī)公司普·惠飛機(jī)分部也被授權(quán)開始在康涅狄格飛機(jī)核發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室（CANEL）研究非直循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。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(jìn)入另一個(gè)高壓進(jìn)氣口，經(jīng)由該高壓區(qū)的導(dǎo)流分向各個(gè)引擎的增壓渦輪；最后，高溫高壓的氣體流噴出各個(gè)噴氣口（或驅(qū)動(dòng)螺旋槳）產(chǎn)生推力。這種動(dòng)力系統(tǒng)是一種混合動(dòng)力系統(tǒng)，飛機(jī)起降時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)到核反應(yīng)溫度后再切換為核動(dòng)力。

第二種方案則是核動(dòng)力熱間接循環(huán)配置。在這種配置中，空氣不直接進(jìn)入反應(yīng)堆芯，而是經(jīng)由一個(gè)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(jìn)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(jī)提供動(dòng)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(gè)方案中，設(shè)計(jì)人員更喜歡熱循環(huán)方式，這種熱交換循環(huán)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、重量較輕易于制造；最重要的一點(diǎn)，留給項(xiàng)目組的時(shí)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(jì)來實(shí)現(xiàn)核動(dòng)力飛機(jī)可靠飛行的三種設(shè)計(jì)中，單反應(yīng)堆全核能的飛機(jī)似乎是最佳的?！?另外兩種設(shè)計(jì)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(xiàng)目最初是研制一種直循環(huán)的單反應(yīng)堆推進(jìn)系統(tǒng)。但是GE公司向政府請?jiān)敢箝_發(fā)這個(gè)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(jì)的 P-1 型核-渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)圖，為直循環(huán)系統(tǒng)

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

1955 年 7 月—1957 年 3 月間 NB-36H 成功進(jìn)行了試飛，結(jié)果表明即使在低空核動(dòng)力飛機(jī)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(jī)的機(jī)組所受到的輻射。1957 末由于缺乏實(shí)用性 NB-36H 項(xiàng)目被終止。

康維爾 X-6 模型，在機(jī)腹安裝有 GE 的 P-1 核渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)

巨大的 B-36，空勤人員在機(jī)背上擺 POSE

NB-36H 整個(gè)機(jī)頭的駕駛艙被 12 噸重的鉛和橡膠屏蔽層包裹

NB-36H 反應(yīng)堆裝載情景

熱傳導(dǎo)反應(yīng)堆試驗(yàn)一號——HTRE-3 在進(jìn)行地面測試

GE 研制的 XMA-1 核渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)

試飛中的 NB-36H

NB-36H 的機(jī)載核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)儀表盤