[科普中国]-核动力飞机

核动力飞机是一种由核动力驱动的飞行器。核动力飞机的设想由来已久，实际上早在上世纪五六十年代的冷战期间，美苏两国就已经把这种设想变成现实了，只是因为解决不好防护和重量的问题才没有大规模的应用，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。1

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。1

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）。

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，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，改进后的飞机重新编号为X-6而第三架改装后的B-36H被赋予了NB-36H的型号，作为专门的飞行试验平台。

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。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。

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。

当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，随即开始了自己的核动力战略轰炸机计划。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。

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。

10月27日晚，在英国皇家航空学会的一次讲话中，波尔表示，冷战时期的试验已表明，开发核动力飞机不存在任何不可克服的障碍。美苏两国在20世纪50年代开始研制核动力轰炸机。按照两国科学家的设想，核动力轰炸机可以长时间在空中飞行，伺机对目标展开攻击。美国在地面测试了核动力喷气发动机，另外还在加装有防辐射机舱和核反应堆的B-36喷气机上进行了飞行测试。

核反应堆在B-36喷气机于德克萨斯州西部和新墨西哥南部上空的飞行途中“发热状态下运转”(ran hot)，但发动机采用煤油作为动力。这一系列飞行试验的目的是证明机组人员身在机舱很安全，不会遭受核反应堆的辐射。

每次飞行试验时，一架满载海军陆战队员的飞机都进行护航，时刻准备应对意外事故的发生，通过降落伞降至地面维护事发地点安全。20世纪60年代初期，美苏两国认为，既然已拥有洲际弹道导弹，核动力飞机就显得多余了，于是放弃了核动力飞机测试项目。

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。”

波尔表示，即便是在最糟糕的假设情况下，包在核反应堆周围的装甲被穿透，那么存在的风险无非是放射性物质污染方圆几平方英里的区域。他说：“倘若我们想要在不让环境遭受任何危害的前提下，继续享受航空旅行带来的种种益处，那么我们需要探索核动力的潜力。如果航空业仍坚持使用矿物燃料，它终将遭遇严重的问题。不幸的是，核动力已被妖魔化，但它确实具有对人类存在诸多益处的潜力。”

波尔表示，如果不采用核动力，那么另一个选择则是开发氢燃料飞机，氢可以通过核电站从海水中提取。不过，他认为，尽管氢适用于陆路交通使用，但它的能量密度大大低于煤油，所以，设计可携带足够多燃料的远程客机的难度非常大。

《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。

近几十年来，核聚变取代核裂变作为能量来源已经被证明有着诱人的前景，因为它更加高效，没有核废料需要处理，并且燃料可以容易地回收利用。然而，无论顶级联盟的大学，还是顶尖的科学家，每一项技术从宣布，到可用的版本出现大约都需要“20年的时间”。

但是，洛克希德·马丁公司的臭鼬工厂作为军用飞机的承包商宣布它已经研究核聚变反应堆数年之久，并在5年内启动核聚变反应堆原型，仍然引起了世界的关注。

核聚变就是两个原子核碰撞合成一个较重的原子，在此过程中释放的能量是裂变反应的4倍。洛克希德公司的“高贝塔概念”（high beta concept）紧凑型核聚变反应堆（compact fusion reactor，CFR）使用了磁约束核聚变版本，很像正在法国建设的国际核聚变工程——国际热核实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）。然而，“油炸圈饼'（doughnut）形状的托卡马克国际热核实验反应堆直径达到了16米，但是洛克希德声称，该公司已经掌握了封压温度极高的电离气体或等离子体的创新方法。具体而言，这意味着紧凑型核聚变反应堆能够安装在卡车或者军用运输机的后面。

像它的核裂变前辈一样，紧凑型核聚变反应堆作为热源，温度达到数亿度，它以受控的方式向涡轮发电机释放能量，该发电机用热交换器取代了燃烧室。

飞机推进装置只是臭鼬工厂紧凑型核聚变反应堆的应用方向之一，它也可以应用于船舶、可再生的商业发电、降低海水淡化的成本，甚至是太空旅行。如果“菲莱”（Philae）登陆器安装了裂变反应堆，而不是依靠太阳能发电，在远离太阳的时候，也许就不会陷入困境。

洛克希德公司正在寻找工业界和学术界的合作伙伴以推进该项目，使得系统各个组成部分尽快合成为能够正常运转的原型机。2

据国外媒体报道，有这么一架飞机，只需三个小时便能把你从伦敦送到纽约。虽然时速高达每小时2300英里(约合3680公里)，大西洋在你下方倏忽而过，但旅行体验依然舒适，头等舱甚至算得上奢侈。

这架飞机名叫“闪光猎鹰”，看上去就像视频游戏《光晕》(Halo)中的宇宙飞船一样。它可以填补上超音速协和式飞机自2003年退役以来的空缺。不过，目前原型机还没有制造出来，这款飞机的设计还仅存在于西班牙设计师奥斯卡.维纳尔斯(Oscar Vinals)的想象之中。2014年，他还为BBC的“未来”(Future)频道设计了一款“鲸鱼形状”的巨型客机。

按照维纳尔斯的设想，“闪光猎鹰”将能携带250名乘客，飞行时速为3马赫，机身长度比协和式飞机长130英尺(约合39米)，翼展更是协和式飞机的两倍。飞机引擎甚至可以倾斜20度，以便让飞机像直升机一样垂直起飞和降落

“闪光猎鹰”的核心部位更采用了革命性的设计：飞机中安装了一个核聚变反应堆，利用核能为六台电动发动机提供飞行动力。 “我认为核聚变会成为未来获取大量电力的最佳来源，”维纳尔斯说道，“同时它还很‘绿色’，不会产生危险的废弃物。”

“如今，我们已经对核聚变的原理有了清楚的认识，而且有很多这方面的研究，比如托卡马特核聚变装置(Tokamak)、国际热核聚变反应堆项目(Iter)、还有仿星器(Stellarator)等。我相信在接下来的五到七年之内，我们就能建成第一座稳定的、可用于生产的核聚变反应堆了。”

不管我们短期内究竟能否找到价格低廉、储量巨大的能源，维纳尔斯的设想重新唤起了飞机设计师们自上世纪50年代以来就有的梦想——把核反应堆安装到飞机上。

核裂变反应堆的发明不仅为千家万户带来了低廉的能源，也对船只做出了贡献。上世纪50年代，首批可以安装在船上的小型反应堆开始投入使用。而仅仅过了几年时间，它们的体积便进一步缩小，在潜水艇上也找到了自己的用武之地。

上世纪50年代是航空器设计的黄金时代之一，科技取得了巨大进步，不仅推动了战后世界的商用飞机市场发展，还在冷战中发挥了自己的作用。随着美苏之间的紧张局势不断加剧，美国希望能进一步增加远程核轰炸机的飞行距离，以增加自己领空的防御能力。

从理论上来说，核反应堆一次可以在空中待上数月之久——只要你的飞机够大，机组人员可以轮流值班就行。但英国航空航天技术研究所的西蒙.威克斯(Simon Weeks)指出，在飞机上安装核裂变反应堆会带来一系列的问题。你不仅需要一个“闭环系统”(即能够重新利用废弃燃料的反应堆)，还需要大量的防护材料。“核裂变会产生大量中子，而中子会对人体造成很大的伤害。”威克斯说道。3