可無限滯空的飛行怪物？美國核動力飛機的瘋狂嘗試

軍情 07-06

隨著第二次世界大戰的結束，掀起了充分利用核能的熱潮。科學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想利用原子能驅動飛機，早在 1942 年，參加曼哈頓計劃的費米和其他科學家就開始討論核動力飛機。1946 年約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室分析了核動力飛機的可行性和潛在的問題。在當時最大的問題是缺乏防輻射材料的數據，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，要如何對機組和地面人員進行保護，還存在試飛場地和範圍的選擇問題。飛機在飛行中會向大氣釋放放射性物質飛機自身會產生直接輻射。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，飛機的一切有害輻射必須被限制在飛機內部或預先指定的禁區內。

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 計劃始於該年 5 月，由美國空軍主持，所以研究方向是核動力遠程戰略轟炸機和高性能飛機。由於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「由於戰略轟炸機需要的高速性和高續航能力，以及相對於類似化學能飛機的潛在低空性能優勢，將成為核動力的第一候選。」

可無限滯空的飛行怪物？美國核動力飛機的瘋狂嘗試

美國空軍與費爾柴爾德發動機&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，隨後被原子能委員會（AEC）/美國空軍的聯合飛機核推進項目（ANP）取代。ANP 項目制定了飛機反應堆和發動機系統全尺寸研製方面的雄心勃勃的目標。ANP 項目成立的原因之一是 1948 年 AEC 召集的在麻省理工學院完成的一項研究，旨在探索核動力飛行的潛力。「這項研究被稱為「列剋星敦」計劃，得出有人駕駛核動力飛機的研製難度可能比核衝壓發動機小，而後者的研製難度又比核火箭小。」諷刺的是，在後來的研製中，證明這個結論應該倒過來寫。「冥王星」計劃的核衝壓發動機和「漫遊者」計劃中的核火箭發動機都進行了成功測試並達到了實用水平，但飛機核發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難度最大的工程發展工作」。

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展一個方面的技術，而是多面開花。問題的部分癥結在於，在雙方的分工中，AEC 負責反應堆的研製，空軍負責其餘系統的研製，於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，研製一種直循環渦噴發動機。聯合飛機公司普·惠飛機分部也被授權開始在康涅狄格飛機核發動機實驗室（CANEL）研究非直循環發動機。在直空氣循環方式中，在這樣的結構中，高速氣流直接作為反應堆芯的冷卻介質，冷卻堆芯外圍的高溫液態金屬；然後，高溫高壓氣體介質再進入另一個高壓進氣口，經由該高壓區的導流分向各個引擎的增壓渦輪；最後，高溫高壓的氣體流噴出各個噴氣口（或驅動螺旋槳）產生推力。這種動力系統是一種混合動力系統，飛機起降時發動機都用的是化學燃料，爬升至高空後待反應堆堆芯溫度達到核反應溫度後再切換為核動力。

第二種方案則是核動力熱間接循環配置。在這種配置中，空氣不直接進入反應堆芯，而是經由一個熱交換器。反應堆產生的熱能使工作介質汽化，介質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後直接流入引擎渦輪，再由排氣口排出，為飛機提供動力；而工作介質再熱交換器內降溫再返回堆芯，形成一種循環。在這種方式中工作介質選用高密度液體，如液態金屬或超高壓水，可傳遞更多的熱量以提高效率。

兩個方案中，設計人員更喜歡熱循環方式，這種熱交換循環機結構簡單、重量較輕易於製造；最重要的一點，留給項目組的時間已經不多了。

在《SEA 雜誌》的一篇文章中，L·W·Credit 寫到：「通過特殊部件和冗餘設計來實現核動力飛機可靠飛行的三種設計中，單反應堆全核能的飛機似乎是最佳的。」另外兩種設計分別是雙反應堆系統和核能-化學能混合系統。ANP 項目最初是研製一種直循環的單反應堆推進系統。但是GE公司向政府請願要求開發這個直循環系統，GE表示直循環較簡單和縮短開發周期。在間接循環方面，普惠研製的是超臨界清水反應堆，作為工作介質的水可被加熱到 1，500 度，但是在 34.474 兆帕的高壓下仍維持液態。這就避免了使用液態金屬作為介質，美國從不主張使用液態金屬，迄今在現役軍用反應堆中，除了「海狼」級攻擊核潛艇的液態鈉反應堆外，都是壓水反應堆（PWR）。甚至「海狼」在服役幾年後由於液態鈉反應堆問題不斷而最終改用 PWR 反應堆。

可無限滯空的飛行怪物？美國核動力飛機的瘋狂嘗試

GE 設計的 P-1 型核-渦噴發動機設計圖，為直循環系統

ANP 項目中有一個 X-6 子項目，始於 1952 年。X-6 項目的設計目標是製造兩架核動力試驗機。測試項目開始於測試輻射防護，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 是康維爾生產的一架 B-36H 轟炸機，改裝後編號被改為 NB-36H。在遠離駕駛艙的後機身彈艙內安裝了一個小型氣冷氣冷反應堆。NTA 在反應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，座艙後和機身內還安裝了水套以進一步屏蔽輻射。反應堆不提供動力，僅被用於防輻射測試。

1955 年 7 月—1957 年 3 月間 NB-36H 成功進行了試飛，結果表明即使在低空核動力飛機也不構成威脅。試飛主要關注的問題是：1、一旦墜毀後從反應堆中泄露的可能性。2、泄露的放射性物質的劑量。最後的結論表明駕駛該機的機組所受到的輻射。1957 末由於缺乏實用性 NB-36H 項目被終止。

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