基本介紹
- 中文名：核動力飛機
- 外文名：nuclear aircraft
- 動力：核動力，如鈾235和鈽239
- 所屬領域：固定翼飛行器
- 研製過種類：（美）NB-36H（蘇）圖-119
- 開始時間：冷戰時期
發展歷程,研發背景,設計方案,研發開始,未來前景,研發案例,洛克希德公司,閃光獵鷹,
發展歷程
核動力飛機是一種由核動力驅動的飛行器。核動力飛機的構想由來已久，實際上早在上世紀五六十年代的冷戰期間，美蘇兩國就已經把這種構想變成現實了，只是因為解決不好防護和重量的問題才沒有大規模的套用，最有名的就是美國空軍X-6 項目——按照美國空軍和美國原子能委員會的最初構想，X-6 以 B-36 轟炸機為基礎，安裝一台通用電氣 P-1 型核反應堆，其產生的熱能將帶動四台通用電氣 J47 渦輪噴氣發動機運轉，從而為 X-6 提供飛行動力。
研發背景
冷戰初期，美國和蘇聯為了取得軍事上相對於對方的壓倒性優勢，曾經制訂過一系列瘋狂的武器研製計畫，核動力飛機堪稱“瘋狂中的瘋狂”。
圖1 NB-36H核動力轟炸機（前）
圖1 NB-36H核動力轟炸機（前）在二次世界大戰後的一段時間裡，令人恐懼的“蘑菇雲”是大眾唯一能與核能聯繫起來的印象，但很快這種嚇人的印象便被一股“核能狂熱”思潮取代，核能被認為將成為一種服務於社會的新型產業，將引來一場新的革命。而作為20世紀象徵之一的飛機也不可避免地與核動力聯繫在了一起。理論上，一鎊濃縮鈾燃料釋放的能量可以驅動一架飛機不停的環繞地球飛行80圈。隨著冷戰的開始，美國需要這種航程幾乎不受限制的轟炸機。
設計方案
美國的設計方案中，有兩種驅動方式：
第一種是，飛機在天上飛行時，反應堆啟動，加熱堆芯周圍的液態金屬，接著讓高速氣流與高溫液態金屬接觸，於是氣流變成高溫高壓氣體，經過導流，這些氣體通向各個引擎的增壓渦輪，最後噴出產生後推力。這種設計是一種混合動力，即飛機起降時發動機使用的還是燃油，爬升至高空後，才切換為核動力。為什麼起降時不使用核動力？因為高速氣流通過堆芯的液體金屬，再排出，核污染比較嚴重。
第二種方案是，空氣不直接進入堆芯，而是使用熱交換器加熱空氣。熱交換器裡面有水或者液態金屬，它們循環流動，不斷把熱量從堆芯帶出來，並加熱從外面通過的空氣，如此往復。
蘇聯的設計在細節上稍有不同，但本質上都差不多。
美國軍方的核動力飛機——“飛機核能推進計畫”（NEPA）開始於1946年。
NEPA計畫由費爾柴德公司發動機和飛機分部負責實施，項目的主管部門則是美國原子能委員會（AEC）。
研發開始
1951年，核動力飛機開始投入真正的研製，通用電氣公司負責開發機載核反應堆，康維爾公司和洛克希德公司負責開發合適的載機，首次飛行被樂觀地預定於1956年進行。 原子能委員會和美國空軍的一場豪賭開始了。康維爾公司決定改裝兩架基本型的B-36H轟炸機（當時世界上最大的轟炸機），以容納核反應堆動力裝置，改進後的飛機重新編號為X-6而第三架改裝後的B-36H被賦予了NB-36H的型號，作為專門的飛行試驗平台。
圖3 NB-36H轟炸機的駕駛室研製計畫一開始，許多令人束手無策的技術難題便接踵而至，其中最主要的就是反應堆的核輻射防護問題。按照當時的設計，“反應堆—噴氣發動機”式的動力裝置準備安裝在X-6的後彈艙中，其中4台渦噴發動機位於後機身的下部。防護部分包括：包圍反應堆的大型水箱，其中水同時到禁止和反應堆核心慢化劑的作用；座艙後方的圓形防護罩，由鉛和鋼組成，直徑2米，厚10厘米。儘管在這樣的防護之下，當時還是有人擔憂超劑量的核輻射泄漏出來。對於一架設計留空時間也許長達數周的飛機來說，輻射的累積效應是非常大的。
洛克希德公司的核動力轟炸機設計方案1955年，在愛達荷州的一個試驗場，發動機在被稱作“熱傳導反應堆試驗一號”（HTRE-1）的地面試驗台上做了運行。工程師們測試了由反應堆、輻射防護罩、兩台X-39發動機、管道、控制部件和各種儀表組成的完整的飛機動力裝置。1957年，又測試了其他的反應堆核心，HTRE-2號和3號裝置稍微減輕了部分重量。據公布的信息顯示，HTRE-3號發動機在飛機以740千米/時速度巡航時，航程可以達到48300千米。
此後，NB-36H搭載試驗反應堆在1955至1957年間共完成了47次飛行。 反應堆雖然並不提供動力，但卻提供了大量的關於核輻射影響的數據。NB-36H每次飛行時，都有一架滿載全副武裝的陸戰隊員的波音C-97運輸機伴飛。一旦NB-36H墜毀，C-97上的士兵馬上跳傘並負責封鎖墜機現場。對於執行這一任務的士兵們來說，這無疑是一項非常危險的使命。從某種意義上說，他們是在為一枚飛行核彈護航。有人開玩笑的給這支特殊的部隊起名叫“黑暗中的閃光”，很有些黑色幽默的味道。幸運的是墜機事故並沒有發生過，NB-36H最終於1957年末在沃斯堡基地安然退役。在擱置數月後，NB-36H被拆毀。
洛克希德公司的核動力轟炸機設計方案
美蘇的核動力飛機
洛克希德公司的核動力轟炸機設計方案美蘇的核動力飛機當蘇聯克格勃獲悉美國正在研製B-36核動力飛機，蘇聯領導人真的坐不住了，隨即開始了自己的核動力戰略轟炸機計畫。1955年8月12日，蘇聯部長會議下達第1561-868號決議，要求組織一批科研機構和航空企業從事核動力飛機的研究。代號圖-119的計畫隨即啟動，也就是在圖-95戰略轟炸機上使用蘇聯自己的VVR-C核反應堆。採用4台核發動機，為了減輕核輻射對機組人員的影響，發動機分成上下兩層，並排安裝在飛機尾部的隔離艙里。飛彈和炸彈則直接安裝在懸掛架上，部署在機艙內部。其設計複雜程度遠遠高於NB-36H。憑藉諸多成熟部件，許多人都認為這架圖-119肯定會成為蘇聯乃至世界上第一架核動力飛機，但最後還是因為短期內無法解決反應堆的有效控制和散熱問題而擱淺。1962年，蘇聯第一架核動力飛行平台圖-119試飛成功，這架核動力飛機一共進行了60多次的飛行試驗。後來，和美國一樣，蘇聯認為，既然已擁有洲際彈道飛彈，核動力飛機就顯得多餘了，於是放棄了測試項目。
核動力反潛飛機設計圖核動力飛機的巨大魅力不僅吸引了美國人，蘇聯人同樣對核動力飛機充滿興趣。相關的研究計畫從1955年開始在蘇聯“核子彈之父”伊戈爾·庫爾恰托夫的指導下開始。最初的研究中考慮了不同級別的發動機和反應堆，並在1965年獲得批准製造一架飛行試驗平台。飛行試驗平台在圖波列夫的圖-95“熊”式大型轟炸機的基礎上改裝而成，被賦予圖-95LAL的新編號。與NB-36H類似，圖-95LAL雖然攜帶反應堆，但仍依靠常規動力飛行。
1961年5月，圖-95LAL首次升空。其反應堆安裝在彈倉內，周圍以鉛和塑膠隔層作為禁止，飛機周身布滿放射探測器。至同年8月，圖-95LAL共進行了34次飛行。飛行試驗的結果令人鼓舞，所以真正使用核動力發動機的圖-95改型的設計工作也隨後開始，新機編號圖-119。圖-119的設計之初考慮了多種動力方案，包括核動力渦扇發動機和核動力渦槳發動機等，最終決定採用NK-14A型核動力渦槳發動機，計畫於1965年實現首飛。但後來也許是遇到了與美國同行相同的難以解決的技術問題並受到美國ANP計畫下馬的影響，蘇聯人終止了自己的核動力飛機研製計畫，圖-119也永遠失去了起飛的機會。
未來前景
據英國《泰晤士報》報導，英國科學家正在呼籲政府實施一個規模龐大的研究計畫----研製核動力客機，用以幫助航空業從礦物燃料向核燃料轉變。
核動力飛機聽起來好像是來自《雷鳥神機隊》的一個概念，但它們距離現實似乎並不遙遠。一個由英國政府資助的研究計畫的負責人認為，核動力飛機將在本世紀下半葉走進我們的生活，全世界數百萬乘客將依靠這種新型飛機出行。這個項目旨在減少航空業對環境的危害。
裝有核反應堆的客機將從倫敦一站不停直飛澳大利亞或紐西蘭，因為客機不再需要著陸加油。這種飛行還不會排放二氧化碳，由此，不會對環境造成任何危害。英國克蘭菲爾德大學航空航天工程學教授、政府資助的“歐米加”(Omega)計畫科技主管伊恩·波爾呼籲政府啟動一個大型研究項目，用以幫助航空業從礦物燃料向核燃料轉變。
10月27日晚，在英國皇家航空學會的一次講話中，波爾表示，冷戰時期的試驗已表明，開發核動力飛機不存在任何不可克服的障礙。美蘇兩國在20世紀50年代開始研製核動力轟炸機。按照兩國科學家的構想，核動力轟炸機可以長時間在空中飛行，伺機對目標展開攻擊。美國在地面測試了核動力噴氣發動機，另外還在加裝有防輻射機艙和核反應堆的B-36噴氣機上進行了飛行測試。
核反應堆在B-36噴氣機於德克薩斯州西部和新墨西哥南部上空的飛行途中“發熱狀態下運轉”(ran hot)，但發動機採用煤油作為動力。這一系列飛行試驗的目的是證明機組人員身在機艙很安全，不會遭受核反應堆的輻射。
每次飛行試驗時，一架滿載海軍陸戰隊員的飛機都進行護航，時刻準備應對意外事故的發生，通過降落傘降至地面維護事發地點安全。20世紀60年代初期，美蘇兩國認為，既然已擁有洲際彈道飛彈，核動力飛機就顯得多餘了，於是放棄了核動力飛機測試項目。
波爾教授在接受《泰晤士報》採訪時表示：“我們需要尋求一個解決航空二氧化碳排放的方案，由此可以讓飛機長時間飛行，同時不會對環境造成任何危害。我們需要一種不是由煤油驅動的飛機設計。我認為核動力飛機在2050年以後將會是答案。這一概念在50年前便已得到證明，但我想我們可能需要用30年才能說服公眾相信把核動力飛機作為交通工具的必要性。”
波爾表示，一個重大挑戰是讓乘客和機組人員相信，核反應堆不會對他們的身體健康造成任何傷害。他說：“核潛艇就沒有對船員造成任何傷害，那么，將核反應堆連同發動機安裝在機翼上，飛機同樣可以做到這一點。假設墜機事故不幸發生，我們亦可在墜機前將核反應堆彈射出機艙，通過降落傘使其安全著陸，由此降低核反應堆打開的風險。”
波爾表示，即便是在最糟糕的假設情況下，包在核反應堆周圍的裝甲被穿透，那么存在的風險無非是放射性物質污染方圓幾平方英里的區域。他說：“倘若我們想要在不讓環境遭受任何危害的前提下，繼續享受航空旅行帶來的種種益處，那么我們需要探索核動力的潛力。如果航空業仍堅持使用礦物燃料，它終將遭遇嚴重的問題。不幸的是，核動力已被妖魔化，但它確實具有對人類存在諸多益處的潛力。”
波爾表示，如果不採用核動力，那么另一個選擇則是開發氫燃料飛機，氫可以通過核電站從海水中提取。不過，他認為，儘管氫適用於陸路交通使用，但它的能量密度大大低於煤油，所以，設計可攜帶足夠多燃料的遠程客機的難度非常大。
《飛行國際》(Flight International)雜誌科技編輯羅布·柯皮格(Rob Coppinger)表示，核反應堆更適於安裝在用於偵察或近距離格鬥的無人駕駛飛機上，因為相比於客機，無人駕駛飛機不必採用大量的防護措施。
波爾教授還將就未來十年如何提高波音737和空客A320等短途飛機的效率公布一份研究報告。他認為，替代這些飛機的新一代飛機可能飛行速度較慢，將使歐洲範圍內飛機慣常飛行時間增加10分鐘左右。它們還可能採用開式轉子發動機(open-rotor engine)，與當前使用的噴氣發動機相比，這種發動機能耗降低了20%，但缺點是噪音更大。
研發案例
洛克希德公司
近幾十年來，核聚變取代核裂變作為能量來源已經被證明有著誘人的前景，因為它更加高效，沒有核廢料需要處理，並且燃料可以容易地回收利用。然而，無論頂級聯盟的大學，還是頂尖的科學家，每一項技術從宣布，到可用的版本出現大約都需要“20年的時間”。
但是，洛克希德·馬丁公司的臭鼬工廠作為軍用飛機的承包商宣布它已經研究核聚變反應堆數年之久，並在5年內啟動核聚變反應堆原型，仍然引起了世界的關注。
核聚變就是兩個原子核碰撞合成一個較重的原子，在此過程中釋放的能量是裂變反應的4倍。洛克希德公司的“高貝塔概念”（high beta concept）緊湊型核聚變反應堆（compact fusion reactor，CFR）使用了磁約束核聚變版本，很像正在法國建設的國際核聚變工程——國際熱核實驗反應堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）。然而，“油炸圈餅'（doughnut）形狀的托卡馬克國際熱核實驗反應堆直徑達到了16米，但是洛克希德聲稱，該公司已經掌握了封壓溫度極高的電離氣體或電漿的創新方法。具體而言，這意味著緊湊型核聚變反應堆能夠安裝在卡車或者軍用運輸機的後面。
像它的核裂變前輩一樣，緊湊型核聚變反應堆作為熱源，溫度達到數億度，它以受控的方式向渦輪發電機釋放能量，該發電機用熱交換器取代了燃燒室。
飛機推進裝置只是臭鼬工廠緊湊型核聚變反應堆的套用方向之一，它也可以套用於船舶、可再生的商業發電、降低海水淡化的成本，甚至是太空旅行。如果“菲萊”（Philae）登入器安裝了裂變反應堆，而不是依靠太陽能發電，在遠離太陽的時候，也許就不會陷入困境。
洛克希德公司正在尋找工業界和學術界的合作夥伴以推進該項目，使得系統各個組成部分儘快合成為能夠正常運轉的原型機。
閃光獵鷹
據國外媒體報導，有這么一架飛機，只需三個小時便能把你從倫敦送到紐約。雖然時速高達每小時2300英里(約合3680公里)，大西洋在你下方倏忽而過，但旅行體驗依然舒適，頭等艙甚至算得上奢侈。
這架飛機名叫“閃光獵鷹”，看上去就像視頻遊戲《光暈》(Halo)中的宇宙飛船一樣。它可以填補上超音速協和式飛機自2003年退役以來的空缺。不過，目前原型機還沒有製造出來，這款飛機的設計還僅存在於西班牙設計師奧斯卡.維納爾斯(Oscar Vinals)的想像之中。2014年，他還為BBC的“未來”(Future)頻道設計了一款“鯨魚形狀”的巨型客機。
按照維納爾斯的構想，“閃光獵鷹”將能攜帶250名乘客，飛行時速為3馬赫，機身長度比協和式飛機長130英尺(約合39米)，翼展更是協和式飛機的兩倍。飛機引擎甚至可以傾斜20度，以便讓飛機像直升機一樣垂直起飛和降落
“閃光獵鷹”的核心部位更採用了革命性的設計：飛機中安裝了一個核聚變反應堆，利用核能為六台電動發動機提供飛行動力。 “我認為核聚變會成為未來獲取大量電力的最佳來源，”維納爾斯說道，“同時它還很‘綠色’，不會產生危險的廢棄物。”
“如今，我們已經對核聚變的原理有了清楚的認識，而且有很多這方面的研究，比如托卡馬特核聚變裝置(Tokamak)、國際熱核聚變反應堆項目(Iter)、還有仿星器(Stellarator)等。我相信在接下來的五到七年之內，我們就能建成第一座穩定的、可用於生產的核聚變反應堆了。”
不管我們短期內究竟能否找到價格低廉、儲量巨大的能源，維納爾斯的構想重新喚起了飛機設計師們自上世紀50年代以來就有的夢想——把核反應堆安裝到飛機上。
核裂變反應堆的發明不僅為千家萬戶帶來了低廉的能源，也對船隻做出了貢獻。上世紀50年代，首批可以安裝在船上的小型反應堆開始投入使用。而僅僅過了幾年時間，它們的體積便進一步縮小，在潛水艇上也找到了自己的用武之地。
上世紀50年代是航空器設計的黃金時代之一，科技取得了巨大進步，不僅推動了戰後世界的商用飛機市場發展，還在冷戰中發揮了自己的作用。隨著美蘇之間的緊張局勢不斷加劇，美國希望能進一步增加遠程核轟炸機的飛行距離，以增加自己領空的防禦能力。
從理論上來說，核反應堆一次可以在空中待上數月之久——只要你的飛機夠大，機組人員可以輪流值班就行。但英國航空航天技術研究所的西蒙.威克斯(Simon Weeks)指出，在飛機上安裝核裂變反應堆會帶來一系列的問題。你不僅需要一個“閉環系統”(即能夠重新利用廢棄燃料的反應堆)，還需要大量的防護材料。“核裂變會產生大量中子，而中子會對人體造成很大的傷害。”威克斯說道。
