核動力飛機（nuclear-poweredaircraft）是指一種由核動力驅(qū)動的飛行器。
核動力飛機的研究肇始于冷戰(zhàn)時期的蘇聯(lián)和美國，早在20世紀(jì)40年代，航空技術(shù)領(lǐng)先的國家就已經(jīng)開始了在航空領(lǐng)域采用核動力的可行性研究。1942年，美國曼哈頓計劃當(dāng)中，美國空軍提出了研制擁有幾乎無限續(xù)航能力的戰(zhàn)略轟炸機與戰(zhàn)略運輸機。1946年，美國便開始推進(jìn)核動力飛機項目。1951年被“航空核動力計劃”取代。至此，核動力飛機正式進(jìn)入了工程研發(fā)階段。康維爾公司決定改裝兩架當(dāng)時世界上最大的轟炸機—B-36H轟炸機作為反應(yīng)堆載機。改裝后的飛機最終賦予了NB-36H的型號，主要作為飛行試驗平臺。1955年NB-36H原型機開始測試。但不久后洲際彈道導(dǎo)彈大量服役，美空軍宣布取消了該計劃。同時期，主要技術(shù)強國爭先開展核聚變受控研究，蘇聯(lián)曾嘗試過使用小型核反應(yīng)堆推進(jìn)4臺渦槳發(fā)動機的設(shè)計方案，雖然飛機試飛成功，但由于防輻射屏蔽層的體積過大，項目最終下馬。在21世紀(jì)前，如何提升設(shè)計的緊湊性降低核動力防輻射屏蔽裝置的質(zhì)量尺寸，成為核動力飛行器研究的主要方向。
2010年，美國空軍披露，他們研制了一種可在空中滯留1個月以上的核動力高空空中機器人。2015年，美國洛克希德·馬丁公司?馬丁公司的臭鼬[yòu]工廠宣布該公司已經(jīng)掌握了緊湊型核聚變發(fā)電技術(shù)，在未來十年內(nèi)，可以用于為空軍的飛機和海軍的艦艇提供動力。
發(fā)展歷程
研制背景
在第二次世界大戰(zhàn)末期發(fā)展而來的噴氣式動力，迅速成為飛機設(shè)計師的新寵。但是，讓設(shè)計師為之撓頭的是，早期的噴氣式發(fā)動機油耗極高，使得同等大小級別的噴氣式動力飛機和活塞動力飛機相比，航程大大縮減。而另外一方面，隨著二戰(zhàn)的結(jié)束，美蘇矛盾開始逐步浮上水面。對美國而言，鋪天蓋地的戰(zhàn)略轟炸機對德國戰(zhàn)爭潛力的削弱是戰(zhàn)勝德國的關(guān)鍵因素之一。而一旦美蘇開戰(zhàn)，蘇聯(lián)后方那遙遠(yuǎn)的距離也是必須要考慮的因素。于是，美國開始了核動力飛機項目。
研制歷程
冷戰(zhàn)時期的核裂變
美國
1946年，美國便開始推進(jìn)核動力飛機項目，稱之為“飛機核能推進(jìn)計劃”。該計劃由費爾柴德公司發(fā)動機和飛機分部負(fù)責(zé)實施，項目的主管部門則是美國原子能委員會（AEC）。這個計劃推進(jìn)到1951年被“航空核動力計劃”取代。至此，核動力飛機正式進(jìn)入了工程研發(fā)階段。飛機的機體由康維爾公司和洛克希德公司研制，而關(guān)鍵的機載核反應(yīng)堆由通用電氣研制。通過評估，康維爾公司決定改裝兩架當(dāng)時世界上最大的戰(zhàn)略轟炸機—B-36H轟炸機作為反應(yīng)堆載機。改裝后的飛機最初被授予了X-6的編號，后來第三架改裝B-36H轟炸機被賦予了NB-36H的型號，主要作為飛行試驗平臺。
1955年NB-36H原型機開始測試。每次試驗時，都有滿載海軍陸戰(zhàn)隊員的飛機進(jìn)行護(hù)航，一旦轟炸機墜毀．陸戰(zhàn)隊員就立即跳傘封鎖附近區(qū)域。但不久后洲際彈道導(dǎo)彈大量服役，美空軍宣布取消了該計劃。
“冥王星”計劃始于1957年，當(dāng)時美國空軍和美國原子能委員會指派勞倫斯放射實驗室開展一項專項研究，驗證把核反應(yīng)堆產(chǎn)生的高熱應(yīng)用于沖壓發(fā)動機的可行性。“冥王星”計劃對美國當(dāng)時的冶金和材料科學(xué)提出了極為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。控制反應(yīng)堆所需的氣動馬達(dá)必須在高熱和高輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作，否則導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)就無法保證。導(dǎo)彈要實現(xiàn)全天候低空超音速飛行，這意味著代號包括Tory的核反應(yīng)堆在內(nèi)的許多部件必須經(jīng)受強烈氣動加熱的考驗，其溫度之高甚至可以讓普通金屬材料熔化。核反應(yīng)堆需要使用金屬陶瓷核燃料，為此五角大樓委托庫爾斯陶瓷公司為導(dǎo)彈核反應(yīng)堆特制了50萬枚鉛筆大小的陶瓷核燃料棒。由于當(dāng)時無法全面掌握核反應(yīng)堆的工作狀態(tài)，再加上科研管理方式的落后，這項計劃在1961年被終止。
蘇聯(lián)
1952年，蘇聯(lián)科學(xué)院物理研究所未來的院士亞歷山大，向蘇聯(lián)核武器之父庫爾卡托夫遞交了研制核動力飛機的報告，由此宣告了蘇聯(lián)研制核動力飛機的開始。在1952~1954年，亞歷山大主要對蘇聯(lián)研制核動力飛機的可行性進(jìn)行研究。
蘇版的核動力飛機研制計劃于1955年開始開展起來。20世紀(jì)50年代末，米亞西舍夫飛機設(shè)計局推出了M-30核動力飛機外形結(jié)構(gòu)。M-30的首次試飛計劃于1966年進(jìn)行。但是，就在準(zhǔn)備試飛的前幾年，所有帶有"M"字母的設(shè)計方案均被取消。
1965年，蘇聯(lián)政府批準(zhǔn)在圖-95戰(zhàn)略轟炸機的基礎(chǔ)上制造飛行試驗平臺，并賦予圖-95LAL的型號。不過圖-95LAL和N B-36H類似，也是利用本身的動力飛行，只是搭載了核反應(yīng)堆。
1961年5月，圖-95LAL首飛，到同年5月，共進(jìn)行了34次飛行。由于飛行試驗結(jié)果令人鼓舞，所以隨后開展了以圖-95為基礎(chǔ)發(fā)展核動力飛機的計劃，新機編號圖-119，計劃1965年首飛，不過后來圖-119計劃也暫停了。圖-95LAL共計飛行超過40次，雖然攜帶反應(yīng)堆，但仍依靠常規(guī)動力飛行，反應(yīng)堆啟動的時間很少，啟動的主要目的也是測試輻射屏蔽情況。
在國防部的積極參與下，1965年，烏克蘭安東諾夫國營公司決定選擇安-22“安泰"運輸機為試驗平臺，以研制核動力反潛飛機。同年6月，安東諾夫設(shè)計局宣布結(jié)束安-22運輸機核動力飛機的研制計劃。
其他國家
21世紀(jì)初，英國和美國的幾所高校便開始對核動力用于航空的可行性進(jìn)行深八研究。研究小組指出，高爾夫球大小的約500克所能產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于1700噸煤油或3000噸煤充分燃燒釋放的能量，可供飛機環(huán)球飛行2圈}這豐羊飛機就可以擺脫對航母以及海外基地的依鞍。核動力還不會污染大氣，且只要將反應(yīng)堆做得夠堅固．即使墜機．反應(yīng)堆一般也不會破損。美國軍隊核彈就曾從飛機上意外墜落，但最后安全落地，并沒有爆炸。就算被導(dǎo)彈擊中，其生存能力也比常規(guī)飛機強，因為其起火概率比常規(guī)飛機低很多。
總體設(shè)計
M-30飛機
M-30采用“鴨”式氣動布局，安裝雙垂尾。飛機貨艙和核反應(yīng)堆安裝在機身的中部，6臺封閉式循環(huán)核動力渦噴發(fā)動機安裝在尾部。與開放式循環(huán)核動力渦噴發(fā)動機不同的是，該發(fā)動機將核反應(yīng)堆熱量通過載熱體-液體鋰和液體鈉，將熱量輸送到發(fā)動機與空氣接觸，產(chǎn)生熱驅(qū)動。此外，封閉式循環(huán)核動力渦噴發(fā)動機還可以使用普通航空煤油，降低了飛機的使用成本。這種發(fā)動機的主要特點是取消了堅固的外殼。由于采用了導(dǎo)熱體導(dǎo)管，核反應(yīng)堆被隔離艙封閉。總之，發(fā)動機不會釋放放射性物質(zhì)，從而大大簡化了機組人員座艙的通風(fēng)系統(tǒng)。由此可見，與開放式循環(huán)核動力渦噴發(fā)動機相比，閉式循環(huán)核動力渦噴發(fā)動機具有更多優(yōu)點，其中，飛機的重量得到了"優(yōu)化"。在飛機170噸起飛重量中，30噸用于飛機發(fā)動機和熱量傳輸系統(tǒng)，38噸用于核反應(yīng)堆和機組人員的防護(hù)系統(tǒng)。同時，M-30有效載荷達(dá)到25噸。由此可見，M-30飛行性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了M-60。M-30的首次試飛計劃于1966年進(jìn)行。但是，就在準(zhǔn)備試飛的前幾年，所有帶有"M"字母的設(shè)計方案均被取消。
X—6飛機
X—6最初計劃在1956年首飛，不過在研制階段，許多令人束手無策的技術(shù)難題便接踵而來。首要問題便是反應(yīng)堆核輻射的屏蔽問題。按照設(shè)計，飛機的核反應(yīng)堆準(zhǔn)備安裝在X-6的后彈艙，噴氣式發(fā)動機則裝在后機身下部。為了抵御核輻射保障機組人員的安全，飛機上設(shè)置了重重屏蔽手段，包括包圍反應(yīng)堆的大型水箱（其中水同時起到屏蔽和反應(yīng)堆核心慢化劑的作用），以及位于座艙后方、由鉛和鋼組成，直徑2米，厚10厘米的圓形防護(hù)罩。不過即使有這樣的防護(hù)措施，當(dāng)時還是有人擔(dān)憂超劑量的核輻射泄漏出來，且對于計劃滯空達(dá)數(shù)周之久的飛行員而言，積累的輻射效應(yīng)也是令人擔(dān)憂的。
NB-36H使用的是B-36H自身的發(fā)動機，于1955年至1957年間共完成了47次飛行。其搭載的核反應(yīng)堆只是作為載荷，并沒有用于驅(qū)動發(fā)動機，只要用以提供實驗數(shù)據(jù)，項目最終被艾森豪威爾總統(tǒng)裁撤掉，NB-36H飛機于1957年退役并被拆毀。
安-22“安泰”運輸機
安-22“安泰”戰(zhàn)略運輸機寬大機身可以安裝核反應(yīng)堆、武器裝備和帶有特種設(shè)備的工作臺。安東諾夫國營公司依然選擇HK-14A為發(fā)動機。同時，HK-14A的研制取得了一定進(jìn)展。安東諾夫設(shè)計局對“安泰”飛機機艙進(jìn)行了精心布置，在機組駕駛座艙后側(cè)安裝了機載設(shè)備和探縱員工作艙。在武器裝備艙和操縱員工作艙后側(cè)安裝了休息艙和救護(hù)艙，以防止水上降落時發(fā)生事故。座艙的尾部安裝了帶有防護(hù)設(shè)備的核反應(yīng)堆。由于機艙無處安裝機載武器裝備在加大的起落架整流罩內(nèi)放置反潛水雷和魚雷。但是，在完成機艙布局設(shè)計后發(fā)現(xiàn)了許多致命的問題，其中包括飛機超重問題。盡管HK-14A發(fā)動機功率達(dá)到8900馬力，但是，它無法滿足飛機飛行性能要求。對此，安東諾夫國營公司通過改變核反應(yīng)堆防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以減少飛機重量。隨著對核反應(yīng)堆防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，安-22運輸機核動力反潛飛機不僅減少了飛機重量，而且核反應(yīng)堆防護(hù)系統(tǒng)防護(hù)性能有所提高。1970年，根據(jù)安-22核動力反潛飛機的設(shè)計經(jīng)驗，安東諾夫設(shè)計局為01-16號安-22飛機安裝了點狀式防輻射系統(tǒng)。經(jīng)過10次飛行試驗證明，該防輻射系統(tǒng)不僅防護(hù)性能優(yōu)異，而且重量大大減輕。蘇聯(lián)核動力研究所院士亞歷山大領(lǐng)導(dǎo)了核反應(yīng)堆的建造工作。新的機載核裝置安裝了安全棒控制系統(tǒng)，用來在危急時刻快速停止反應(yīng)堆堆芯的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。隨后，在01-16號安-22運輸機上安裝了核動力裝置。1970年，安東諾夫國營公司開始實施代號為"鸛"的試驗計劃，共計進(jìn)行了23次飛行試驗。飛行試驗過程看似大致順利。在一次飛行試驗中機載核反應(yīng)堆沒有工作，經(jīng)過短暫修理后恢復(fù)正常。經(jīng)過23次飛行試驗后，試驗飛機停放在地面進(jìn)行檢查。在地面查出了核動力裝置的嚴(yán)重問題，致使安-22核動力飛機的研制徹底流產(chǎn)。
圖-95LAL飛機
在對一架批量生產(chǎn)的圖-95M飛機(批量生產(chǎn)號為7800480)進(jìn)行改裝時，拆卸了其所有機載武器裝備，包括機載火控系統(tǒng)。在機組人員駕駛座艙的后側(cè)安裝了5厘米厚鉛板和15厘米厚聚合板。在機頭、機尾和機身中部，以及機翼安裝了監(jiān)視輻射的傳感器。在座艙的后部安裝了核反應(yīng)堆，其防護(hù)措施與機組人員駕駛座艙十分相似。但是，核反應(yīng)堆活性區(qū)被安裝在圓形防護(hù)罩內(nèi)。由于核反應(yīng)堆僅作為輻射源進(jìn)行記驗，為其安裝了冷卻系統(tǒng)。蒸餾水可直接在核燃料附近循環(huán)對其實施冷卻。核反應(yīng)堆外殼被固定在機身的環(huán)形圈內(nèi)，在其外殼的上方和側(cè)方開了幾個孔，這些孔均被一個完整的整流罩封閉。此外，在核反應(yīng)堆的下方安裝了格柵。
優(yōu)點與缺點
優(yōu)點
核動力飛機理論上的最大優(yōu)點是，不僅可以增加航程，而且可以具備超音速飛機能力甚至擁有很高的費效比。
技術(shù)難題
目前核動力飛機仍有兩個技術(shù)難題沒有得到解決，其一現(xiàn)在的核動力裝置中，核燃料發(fā)出的熱量必須由冷卻水載出，這個冷卻劑系統(tǒng)約有2層樓高、底面積100多平米，只有航母、避洋艦、核潛艇這樣的大船才可能裝下。其二核反應(yīng)堆需要大量的水進(jìn)行冷卻。航空母艦、核游艇和核電站可利用河流或海水，而飛機則無法接通水源。科學(xué)家們的確正在想方設(shè)法發(fā)展核反應(yīng)堆的空氣冷卻技術(shù)，可是現(xiàn)在還不過關(guān)。這兩個瓶頸使得反應(yīng)堆的小型化問題難以得到解決。很多設(shè)想和方案自然也就停留在藍(lán)圖之上了。當(dāng)然．這些困難并不意味著核反應(yīng)堆上天只能是水中月、鏡中花。事實上，核反應(yīng)堆更適合安裝在用于偵察或近距離格斗的無人駕駛飛機以及宇宙探測飛船上。因為它們不需要很多的防護(hù)措施。
核動力飛機看起來可以解決噴氣式飛機發(fā)展早期“腿短”的問題，獲得近似無限的續(xù)航能力，但是實際上問題多多。反應(yīng)堆技術(shù)復(fù)雜，價格昂貴。大量的屏蔽材料成為無用的負(fù)重，減少了飛機的有效載荷。最重要的是，核動力裝置的安全性難以保障。飛機帶著核反應(yīng)堆在天上飛行時，猶如一枚核彈懸在天上。一旦飛機失事，會造成嚴(yán)重的核污染事故。NB-36H每次飛行時，都有一架滿載全副武裝的陸戰(zhàn)隊員的波音公司C-97戰(zhàn)略運輸機伴飛。一旦NB-36H墜毀，C-97上的士兵馬上跳傘并負(fù)責(zé)封鎖墜機現(xiàn)場。對于執(zhí)行這一任務(wù)的士兵們而言，這無疑是一項高風(fēng)險使命。幸運的是墜機事故并沒有發(fā)生過。
未來前景
2010年，美國空軍披露，他們研制了一種可在空中滯留1個月以上的核動力高空空中機器人。美國航空航天局科學(xué)家認(rèn)為，核動力是實現(xiàn)外層空間勘探唯一可行的動力形式。這架航天飛機上安裝的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量，將相當(dāng)于普通太陽能動力的100倍。而其核反應(yīng)堆體積，還不到地面通常核反應(yīng)堆的萬分之一。
2015年，美國洛克希德?馬丁公司的臭鼬工廠宣布將在未來十年內(nèi)使這一夢想成真。報告指出由于受到核動力飛機將大大增加飛機滯空時間的鼓舞，俄羅斯和美國軍方為此耗費了超過20年時間，但除了獲得極少的試驗數(shù)據(jù)，這一概念幾乎沒有取得任何進(jìn)展。最近，洛克希德?馬丁公司的臭鼬工廠(Skunk Works)宣布，該公司已經(jīng)掌握了緊湊型核聚變發(fā)電技術(shù)，在未來十年內(nèi)，可以用于為空軍的飛機和海軍的艦艇提供動力。
參考資料 >
History in Two: Manned Nuclear Aircraft Program.History in Two: Manned Nuclear Aircraft Program.2024-03-08
懸在天上的利劍，美蘇核動力飛機計劃.兵工世界.2024-03-06
中國科學(xué)院等離子體物理研究所科普網(wǎng).中國科學(xué)院.2024-03-06
核動力飛機技術(shù)積累成熟 為何至今未列裝部隊?.光明網(wǎng).2024-03-06
冷戰(zhàn)中美國的絕密核動力導(dǎo)彈.澎湃新聞.2024-03-06