核动力飞机:从冷战时期的核裂变到新时代核聚变

　　洛克希德马丁公司臭鼬工厂的紧凑型核聚变团队正在检测等离子体约束的属性。

　　导读：美国“空军技术”网站近日发表了贝伦妮丝•贝克文章：Nuclear powered aircraft: Cold War fission to new-age fusion。文章称，冷战时期，美国和苏联都耗费了巨资来研发核动力飞机，希望它们能够在空中持续飞行三周以上，但是由于辐射防护以及其他难以克服的障碍，这些计划最终都胎死腹中。然而，随着核科学的发展，特别是核聚变技术的发展，美国洛克希德•马丁公司的臭鼬工厂宣布将在未来十年内使这一梦想成真。文章编译如下：

　　由于受到核动力飞机将大大增加飞机滞空时间的鼓舞，俄罗斯和美国军方为此耗费了超过20年时间，但除了获得极少的试验数据,这一概念几乎没有取得任何进展。最近，洛克希德•马丁公司的臭鼬工厂(Skunk Works)宣布，该公司已经掌握了紧凑型核聚变发电技术，在未来十年内，可以用于为空军的飞机和海军的舰艇提供动力。

　　在广岛的放射性尘埃仍在肆虐的时候，铁幕（Iron Curtain）两边的军事科学家就已经把注意力转向了核裂变提供的看似无限的动力。在安全、实用的商用核电站启用之前，人们已经认为紧凑型核发电机组可以成为航空器的动力来源。

　　就像核潜艇可以潜入水下数月之久横穿大洋一样，冷战期间，双方比以往任何时候都需要侦察机和轰炸机在高空长时间执行侦察敌方活动迹象的任务。

　　冷战时期的核裂变

　　1946年，美国空军启动了“飞机核能推进计划”(Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft,NEPA)，旨在初步研究核动力飞机的可行性。该项目也是1951年“核动力飞机计划”（Aircraft Nuclear Propulsion，ANP）的前身，核动力飞机计划使用了一种小型、高输出的液体燃料钍反应堆以满足长时间续航要求——理论上飞机在空中可以持续飞行长达三个星期——当然反应堆需要采用一种紧凑的结构。

　　老牌厂商通用电气公司（General Electric）和普惠公司（Pratt & Whitney）基于该反应堆设计了两种不同的发动机，前者开发出一种直接空气循环发动机；后者建造了一种间接空气循环发动机。通用电气公司基于其J47涡喷发动机建造的GE X-39发动机被证明更加实用，因为它简单、可靠、重量更轻，所以成为了第一种投入使用的核动力飞机发动机。

　　当核动力飞机计划在1961年被终止的时候，项目成本已经突破了240亿美元，其中发动机的开发成本为20亿美元——这在当时是一个天文数字。虽然该计划并没有完成可用核裂变动力飞机的研制工作，但是其附带技术大大促进了核科学的发展。

　　尽管它不像太空竞赛那样引人注目，但是美国和苏联之间的核动力飞机竞赛还是不可避免地如雨后春笋般兴起。1961年，苏联集中了图波列夫（Tupolev）设计局与米亚西舍立夫（Myasishchev）设计局的力量，名义上是合作研发轰炸机，实际上是研制核动力飞机。最终结果是，苏联将自己的VVR-C核反应堆安装在图-95M战略轰炸机的炸弹舱内，这就是命名为图-95LAL的飞行核实验室测试平台。图-95LAL共计飞行超过40次，虽然携带反应堆，但仍依靠常规动力飞行，反应堆启动的时间很少，启动的主要目的也是测试辐射屏蔽情况。

　　反应堆的核辐射防护问题成为了核动力飞机的最大障碍。虽然军事试飞员已经习惯于在自己的专业领域第一个承受巨大的风险——突破音障、在月球上行走、在移动的航母上着陆——但是坐在一个核反应堆的旁边可能仍然需要他们鼓足最大的勇气。除了被击落或坠毁这种潜在的可怕性结局，最直接的危险是飞行员遭到辐射。工程师们从来都没有完全解决这个问题，所以上世纪60年代洲际弹道导弹问世后，铁幕两边都放弃了核动力飞机计划。

　　未来的核聚变

　　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。

　　它能正常运转吗？

　　当涉及到核聚变的实用性时，许多专家指出，迄今为止尚没有核聚变项目能够研制出真正的原型机。洛克希德公司的臭鼬工厂肯定有许多障碍需要克服，但是相关设备，例如，降温装置和蒸汽发电机所占用的空间远远超过为飞机提供动力所允许的空间，这同样重要。迄今为止，洛克希德公司在其发展过程中已经申请了多项专利，而事实上，它公开要求为该项目的下一阶段寻求帮助可能预示着一个真正的新的紧凑型未来能源需求解决方案已经诞生。

　　核武器发展时间表

　　1945年8月6和8月9日——广岛与长崎原子弹爆炸。

　　1946年5月28日——美空军开始实施飞机核能推进计划。

　　1951年5月——核动力飞机计划取代了飞机核能推进计划，研发出两种不同类型的核动力喷气发动机：通用电气的直接空气循环发动机和普惠公司的间接空气循环发动机。

　　1955年8月12日——苏联命令两家军事设计局参与轰炸机的生产，开始了核动力飞机的研究。

　　1956年1月31日——通过改良的通用电气J47涡轮喷气发动机，第一台核动力飞机发动机问世。

　　1957年12月2日——世界上第一个和平利用核能的全尺寸原子发电厂希平港原子能发电站(Shippingport Atomic Power Station)达到临界。

　　1961年3月26日——核动力飞机计划预算取消，计划终止。

　　1961年至1969年——苏联图波列夫局在图-95M轰炸机的炸弹舱安装了一个小型反应堆，命名为图-95LAL，该机飞行超过了40次，但很少启动反应堆。