核动力飞机可以实现吗?

POST TIME: 2014-11-18 16:08:53

超酷空中航母 《复仇者联盟》概念艺术图赏 -

不少人好奇,核动力航空母舰、核潜艇、核动力货船、核动力破冰船都有这么多年历史了,为什么独独没有核动力飞机呢?它有哪些技术瓶颈?历史上有研究过吗?未来可能有吗?

疯狂的计划

核动力飞机,这想法其实并不新鲜,早在第一颗原子弹爆炸之前,曼哈顿计划的主要领导者之一,有原子弹之父的费米,就给那些正在研制原子弹的科学家说,你们除了研制原子弹,也不要忘了核动力飞机啥的。

后来,核动力飞机的研制工作还真就大张旗鼓地上马了,我们不仅要问,这是要在怎样的情况下才可能有这种疯狂的想法呀,答案是冷战。

美国研制核动力飞机,出发点是想造出高性能的远程战略轰炸机,绕地球转几圈不用加油,从而也就可以摆脱了对军事基地的依赖。而前苏联呢,也是这么想的。那时,苏联还没有航程很远的轰炸机,所以苏联领导人非常希望能研发出一种可以轻松飞到美国任何地方的上空,进行轰炸后,还能返航的轰炸机。

1946年5月,由美国空军主持,NEPA计划开始启动,研究方向是核动力远程战略轰炸机和高性能飞机。到1948年时,美国空军就已经为NEPA投入了1000 万美元。后来,NEPA随后被美国原子能委员会和美国空军的联合飞机核推进项目取代,这就是ANP 项目。

早期,苏联对核动力飞机的讨论只是只停留在报告上,1952 年,苏联科学家阿?帕?亚历山大罗夫在报告中写道:“近期,我们在核能应用方面取得一定进展,在未来几年内我们可以开始研制核能发动机,这种发动机可以应用到重型飞机上。”苏联领导人一看,很是高兴,但是3年过去后,核能飞机还没有任何一点消息,而死对头美国那边却传来消息,美国正在研制一种名为 NB-36H的核动力飞机,且进展顺利。于是,苏联领导人不再淡定,下令研制!

怎么驱动

核动力飞机,说得好听,可怎么驱动呢?用核电池提供电,驱动电动机,再带动螺旋桨?还是,直接搞一个反应堆到飞机上去?答案当然是后者,这是那个时代的人的必然选择。

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,堆芯周围的液态金属升到高温,为了进行冷却不让堆芯熔化,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,这些气体经过导流,通向各个引擎的增压涡轮,最后,高温高压的气体喷出各个喷气口,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都用的是燃油,爬升至高空后,启动反应堆堆,再切换为核动力。为什么这种方案,起降时不能使用核动力呢?因为高速气流通过堆芯的液体金属,再排出,这样的高温高压气体会带来核污染。

第二种方案是,空气不直接进入反应堆芯,而是通过一个热交换器。反应堆产生的高温,传给工作介质(比如水或液态金属),接着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,为飞机提供反冲动力。工作介质在热交换器内降温后再返回堆芯,形成一种循环。

苏联的设计稍有不同,但本质上还是利用堆芯产生的高温加热气体流,高温高压气体向后喷出,从而产生推力。

有哪些难点

咱们来看一幅图,就能明白,核动力飞机最大的难点所在。


这是苏联核动力飞机的驾驶舱设计,图中5和6是厚重的铅防护层和橡胶防护层。



B-36轰炸机是翼展最大的军用飞机,也是第一款无需改装就可以挂载美国核武库内所有原子弹的轰炸机。美国人把反应堆加上去后,改编号为 NB-36H,名副其实,不牛逼也不行。



图为 NB-36H的驾驶舱,用铅和橡胶屏蔽层包裹,重12吨。


所以,研制核动力飞机很大一个难点是,如何保护驾驶员不被反应堆长时间辐射?还有,若飞机坠毁后,带来的地面核污染如何避免?当年 NB-36H装反应堆试飞,测试反应堆对驾驶员的辐射水平时, NB-36H旁边还跟着另一架飞机,上面装满了士兵,就是为了,万一 NB-36H坠毁,能第一时间冲下去,封锁现场,避免周围群众受到核辐射。


正在试飞中的NB-36H


技术难点二,在飞机上只能使用气冷技术,就是用空气来冷却堆芯,而气冷堆别说在那个年代,就是现在,它也属于高大上的技术。核动力航母和核潜艇,之所以比较容易实现核动力,是因为它们天生就在海里,可以用取之不尽的水来冷却堆芯,另外就是航母和潜艇体积庞大,装一个反应堆上去,再加一个几十吨的保护罩上去,体积和重量都可以接受。

然而,以上技术难点并不是核动力飞机没有出现的原因。如果不考虑别的因素,核动力飞机是有可能生产出来的。根据参与过核动力飞机研制的苏联工程师回忆,如果资金充足,并且没有高层领导人设置障碍的情况下,苏联在20世纪70年代就能实现核动力轰炸机的部署。

那么,是什么导致美国和苏联核动力飞机的下马呢?

替代品出现

很简单,核动力飞机上马的原因就是其下马原因。当年,美国苏联研制核动力轰炸机的初衷就是,全球飞行,实现全球核威慑。但是后来呢,洲际导弹蓬勃发展,这些带核弹头的洲际导弹大量部署在核潜艇、航母和陆地上。此时,用核动力飞机实现核威慑就显得效率低下了,谁会让一架带核弹头、还带着核反应堆的庞然大物轻易地进入本国领空?拼了老命也要把它打下来。

以后会有核动力飞机吗

从理论上讲,一磅(大约454克)浓缩铀可以驱动一架飞机绕地球飞80圈。所以,核动力飞机虽然困难重重,但是,诱惑也很大。虽然已经没有国家再研制核动力飞机,那么以后,它还可能出现吗?又会在用在什么地方呢?

首先,核动力战略轰炸机是不可能再用了,飞机再怎么快,也赶不上洲际导弹。

那么侦察机呢?也不会使用,RQ-4全球鹰无人机航程可达25000千米,从美国本土即可飞到任何一个国家的上空。以后的太阳能无人机在高空滞空半年或者一年都是没有问题的,所以,侦察机方面,核动力无人机也没有用武之地。

一个可能的用武之地,就是货运飞机,核动力飞机能实现载重大,无须燃油,可连续十几年在不加油的情况下进行全球快速运输。核动力航母可连续20年高速航行而不用补充燃料,如果核动力货运飞机出现,那么它的一个好处是节约大量的燃油,并减少二氧化碳等气体的排放。

核动力飞机听上去很疯狂,但是很多时候,是否疯狂主要取决于我们处在哪个时代。在18世纪,你说要登陆月球,人们会说你疯狂;在19世纪,你说要用一个虚拟的网络把全世界的人联系起来,无疑,也会被很多保守人士嗤笑,骂你疯狂。

以核作为动力的历史才有短短的60多年,谁知道,以后的气冷堆技术或者其他核技术会有怎样的高速发展?又有谁,能百分百断定现在的“谈核色变”,不会随着核防护技术的进步而消失?

我们希望,将来有一天,一切准备妥当后,,一架永不降落的核动力飞机能出现,它在高空飞行,就像宫崎骏《天空之城》中的飞行岛屿拉普达。




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