核动力飞机——那个年代流行“核+”
核动力飞机的研究肇始于冷战时期的苏联和美国,据推测这种飞机可以保证一个国家的战略轰炸机携带核武器在空中飞行非常长的时间,从而形成一种行之有效的核威慑战术。一个从未被完全解决的设计问题是如何为乘员加装一套沉重的防辐射屏蔽层以免他们遭到核辐射。1960年代洲际弹道导弹技术得到发展后对此类飞行器的战术改进被大为削减,有关的计划纷纷取消。由于这项技术与生俱来的巨大危险性,它从未被考虑用于民用。
最有名的就是美国空军X-6 项目——按照美国空军和美国原子能委员会的最初设想,X-6 以 B-36 轰炸机为基础,安装一台通用电气 P-1 型核反应堆,其产生的热能将带动四台通用电气 J47 涡轮喷气发动机运转,从而为 X-6 提供飞行动力。
冷战初期,美国和苏联为了取得军事上相对于对方的压倒性优势,曾经制订过一系列疯狂的武器研制计划,核动力飞机堪称“疯狂中的疯狂”。
在二次世界大战后的一段时间里,令人恐惧的“蘑菇云”是大众唯一能与核能联系起来的印象,但很快这种吓人的印象便被一股“核能狂热”思潮取代,核能被认为将成为一种服务于社会的新型产业,将引来一场新的革命。而作为20世纪象征之一的飞机也不可避免地与核动力联系在了一起。理论上,一镑浓缩铀燃料释放的能量可以驱动一架飞机不停的环绕地球飞行80圈。随着冷战的开始,美国需要这种航程几乎不受限制的轰炸机。
美国的设计方案中,有两种驱动方式:
第一种是,飞机在天上飞行时,反应堆启动,加热堆芯周围的液态金属,接着让高速气流与高温液态金属接触,于是气流变成高温高压气体,经过导流,这些气体通向各个引擎的增压涡轮,最后喷出产生后推力。这种设计是一种混合动力,即飞机起降时发动机使用的还是燃油,爬升至高空后,才切换为核动力。为什么起降时不使用核动力?因为高速气流通过堆芯的液体金属,再排出,核污染比较严重。
第二种方案是,空气不直接进入堆芯,而是使用热交换器加热空气。热交换器里面有水或者液态金属,它们循环流动,不断把热量从堆芯带出来,并加热从外面通过的空气,如此往复。
苏联的设计在细节上稍有不同,但本质上都差不多。
美国军方的核动力飞机——“飞机核能推进计划”(NEPA)开始于1946年。NEPA计划由费尔柴德公司发动机和飞机分部负责实施,项目的主管部门则是美国原子能委员会(AEC)。
动真格的——美苏不同理念
美国核动力飞机的设想可以追溯到20世纪40年代末,1946年美国空军授予费尔柴尔德发动机与飞机公司一份合同来研究核动力飞机的可行性,核动力飞机的续航力能以天而不是小时为单位计算。这项研究名为NEPA(核能推进的飞机),在田纳西州橡树岭展开。1948年原子能委员会又委托麻省理工学院开展了另一项研究,他们的结论是核动力飞机完全可行,但至少需要15年的时间去研发。
1951年初美国空军得出结论:NEPA的研究成果已经明确表示可以开始研制实际的核能推进装置,于是责成通用动力为主承包商。这种核动力推进系统的原理是使用压缩机直接驱动高压空气经过炽热的反应堆核心,经过加热的空气膨胀从喷管排出产生推力,简单粗暴,但是没有考虑喷气的辐射污染问题。普惠也获得了一份合同研制一种间接循环核发动机,使用液体工质来加热空气,而不是直接让空气通过反应堆核心,看起来要靠谱许多。
1951年,核动力飞机开始投入真正的研制,通用电气公司负责开发机载核反应堆,康维尔公司和洛克希德公司负责开发合适的载机。1954年空军决定开始制造一架实际的核动力飞机,项目名称WS-125A。普惠和通用电气同时被选为主发动机承包商,洛克希德和康维尔负责制造机身部分。WS-125A是一种高空亚音速轰炸机,但以后会具备超音速巡航能力。
首次飞行被乐观地预定于1956年进行。 原子能委员会和美国空军的一场豪赌开始了。康维尔公司决定改装两架基本型的B-36H轰炸机(当时世界上最大的轰炸机),以容纳核反应堆动力装置,第一架被改装的B-36叫做“核子动力试验机”(NTA)。在改装前,这架B-36H-20-CF(序列号51-5712)在1952年9月1日被席卷卡斯维尔空军基地的龙卷风严重破坏,空军觉得与其维修重伤的机鼻,不如直接把这架飞机拨给康维尔用于辐射测试。这架飞机被重新设计成XB-36H,然后被改装成NB-36H,加装了一个1000千瓦的气冷式核反应堆。作为专门的飞行试验平台。
工程师们在51-5712的后弹舱中安装了一台设计功率1000千瓦、重15876千克的核反应堆。当然,这台反应堆并不是飞机的动力装置,仅仅是辐射源,在地面可以用吊车整体拆除。为了冷却反应堆,B-36H在后机身两侧和下方开设了一系列大型进气口和排气口。该机机组定员5人,包括正副飞行员、飞行工程师、以及两名核工程师,都坐在机鼻高度屏蔽的乘员舱内。乘员舱被厚厚的铅和橡胶层包裹得严严实实,挡风玻璃也是厚达30厘米的含铅玻璃。此外,康维尔还在机身中部安装了一个重达4吨的铅护盾,飞机内装有供乘员监视反应堆的闭路电视系统。改装完毕后,51-5712的编号被改为XB-36H,绰号“十字军”。
研制计划一开始,许多令人束手无策的技术难题便接踵而至,其中最主要的就是反应堆的核辐射防护问题。按照当时的设计,“反应堆—喷气发动机”式的动力装置准备安装在X-6的后弹舱中,其中4台涡喷发动机位于后机身的下部。防护部分包括:包围反应堆的大型水箱,其中水同时到屏蔽和反应堆核心慢化剂的作用;座舱后方的圆形防护罩,由铅和钢组成,直径2米,厚10厘米。尽管在这样的防护之下,当时还是有人担忧超剂量的核辐射泄漏出来。对于一架设计留空时间也许长达数周的飞机来说,辐射的累积效应是非常大的。
1955年,在爱达荷州的一个试验场,发动机在被称作“热传导反应堆试验一号”(HTRE-1)的地面试验台上做了运行。工程师们测试了由反应堆、辐射防护罩、两台X-39发动机、管道、控制部件和各种仪表组成的完整的飞机动力装置。
1955年9月17日,“十字军”首飞,试飞员是A·S·小威彻尔。出于安全考虑,该机的所有试飞都在人烟稀少的地区进行,而且在飞机爬升到安全高度后才敢开启反应堆。XB-36H每次试飞时都会伴随着一架C-97运输机,里面搭载一个排的海军陆战队员,万一XB-36H不幸坠毁,他们就跳伞下去冒着生命危险封锁坠毁地点。该项目一直处于保密状态,直到1955年末美国国防部才承认B-36核测试机的存在。
1956年秋,XB-36H的编号又被改为NB-36H,但是此时空军出于实用性考虑决定取消WS-125A项目。1957年3月28日,NB-36H进行了最后一次飞行,至此共飞行了47架次。1957年末NB-36H在沃斯堡退役,数月后被拆解,具有放射性的零件被深埋。
鲜为人知的是,美国空军在1951年认真订购了一架真正核动力的B-36H,编号X-6,不过因项目取消而没有交付。
1957年,又测试了其他的反应堆核心,HTRE-2号和3号装置稍微减轻了部分重量。据公布的信息显示,HTRE-3号发动机在飞机以740千米/时速度巡航时,航程可以达到48300千米。
1957年3月28日,NB-36H进行了最后一次飞行,至此共飞行了47架次。1957年末NB-36H在沃斯堡退役,数月后被拆解,具有放射性的零件被深埋。
鲜为人知的是,美国空军在1951年认真订购了一架真正核动力的B-36H,编号X-6,不过因项目取消而没有交付。
此后,NB-36H搭载试验反应堆在1955至1957年间共完成了47次飞行。 反应堆虽然并不提供动力,但却提供了大量的关于核辐射影响的数据。NB-36H每次飞行时,都有一架满载全副武装的陆战队员的波音C-97运输机伴飞。一旦NB-36H坠毁,C-97上的士兵马上跳伞并负责封锁坠机现场。对于执行这一任务的士兵们来说,这无疑是一项非常危险的使命。从某种意义上说,他们是在为一枚飞行核弹护航。有人开玩笑的给这支特殊的部队起名叫“黑暗中的闪光”,很有些黑色幽默的味道。幸运的是坠机事故并没有发生过,NB-36H最终于1957年末在沃斯堡基地安然退役。在搁置数月后,NB-36H被拆毁。
此时,苏联克格勃获悉美国正在研制B-36核动力飞机,苏联领导人真的坐不住了,于是,狗血剧情开始了!
1955年8月12日,苏联部长会议下达第1561-868号决议,要求组织一批科研机构和航空企业从事核动力飞机的研究。代号图-119的计划随即启动,也就是在图-95战略轰炸机上使用苏联自己的VVR-C核反应堆。采用4台核发动机,为了减轻核辐射对机组人员的影响,发动机分成上下两层,并排安装在飞机尾部的隔离舱里。导弹和炸弹则直接安装在悬挂架上,部署在机舱内部。其设计复杂程度远远高于NB-36H。凭借诸多成熟部件,许多人都认为这架图-119肯定会成为苏联乃至世界上第一架核动力飞机,但最后还是因为短期内无法解决反应堆的有效控制和散热问题而搁浅。1962年,苏联第一架核动力飞行平台图-119试飞成功,这架核动力飞机一共进行了60多次的飞行试验。后来,和美国一样,苏联认为,既然已拥有洲际弹道导弹,核动力飞机就显得多余了,于是放弃了测试项目。
核动力飞机的巨大魅力不仅吸引了美国人,苏联人同样对核动力飞机充满兴趣。相关的研究计划从1955年开始在苏联“原子弹之父”伊戈尔·库尔恰托夫的指导下开始。最初的研究中考虑了不同级别的发动机和反应堆,并在1965年获得批准制造一架飞行试验平台。飞行试验平台在图波列夫的图-95“熊”式大型轰炸机的基础上改装而成,被赋予图-95LAL的新编号。与NB-36H类似,图-95LAL虽然携带反应堆,但仍依靠常规动力飞行。
1961年5月,图-95LAL首次升空。其反应堆安装在弹仓内,周围以铅和塑料隔层作为屏蔽,飞机周身布满放射探测器。至同年8月,图-95LAL共进行了34次飞行。飞行试验的结果令人鼓舞,所以真正使用核动力发动机的图-95改型的设计工作也随后开始,新机编号图-119。图-119的设计之初考虑了多种动力方案,包括核动力涡扇发动机和核动力涡桨发动机等,最终决定采用NK-14A型核动力涡桨发动机,计划于1965年实现首飞。但后来也许是遇到了与美国同行相同的难以解决的技术问题并受到美国ANP计划下马的影响,苏联人终止了自己的核动力飞机研制计划,图-119也永远失去了起飞的机会。
核动力飞机的未来前景
据英国《泰晤士报》报道,英国科学家正在呼吁政府实施一个规模庞大的研究计划----研制核动力客机,用以帮助航空业从矿物燃料向核燃料转变。
核动力飞机听起来好像是来自《雷鸟神机队》的一个概念,但它们距离现实似乎并不遥远。一个由英国政府资助的研究计划的负责人认为,核动力飞机将在本世纪下半叶走进我们的生活,全世界数百万乘客将依靠这种新型飞机出行。这个项目旨在减少航空业对环境的危害。
装有核反应堆的客机将从伦敦一站不停直飞澳大利亚或新西兰,因为客机不再需要着陆加油。这种飞行还不会排放二氧化碳,由此,不会对环境造成任何危害。英国克兰菲尔德大学航空航天工程学教授、政府资助的“欧米加”(Omega)计划科技主管伊恩·波尔呼吁政府启动一个大型研究项目,用以帮助航空业从矿物燃料向核燃料转变。
波尔教授在接受《泰晤士报》采访时表示:“我们需要寻求一个解决航空二氧化碳排放的方案,由此可以让飞机长时间飞行,同时不会对环境造成任何危害。我们需要一种不是由煤油驱动的飞机设计。我认为核动力飞机在2050年以后将会是答案。这一概念在50年前便已得到证明,但我想我们可能需要用30年才能说服公众相信把核动力飞机作为交通工具的必要性。”
波尔表示,一个重大挑战是让乘客和机组人员相信,核反应堆不会对他们的身体健康造成任何伤害。他说:“核潜艇就没有对船员造成任何伤害,那么,将核反应堆连同发动机安装在机翼上,飞机同样可以做到这一点。假设坠机事故不幸发生,我们亦可在坠机前将核反应堆弹射出机舱,通过降落伞使其安全着陆,由此降低核反应堆打开的风险。”
《飞行国际》(Flight International)杂志科技编辑罗布·柯皮格(Rob Coppinger)表示,核反应堆更适于安装在用于侦察或近距离格斗的无人驾驶飞机上,因为相比于客机,无人驾驶飞机不必采用大量的防护措施。
波尔教授还将就未来十年如何提高波音737和空客A320等短途飞机的效率公布一份研究报告。他认为,替代这些飞机的新一代飞机可能飞行速度较慢,将使欧洲范围内飞机惯常飞行时间增加10分钟左右。它们还可能采用开式转子发动机(open-rotor engine),与当前使用的喷气发动机相比,这种发动机能耗降低了20%,但缺点是噪音更大。