可無限滯空的飛行怪物？美國核動力飛機的瘋狂嘗試
隨著第二次世界大戰(zhàn)的結束，掀起了充分利用核能的熱潮?？茖W家的清單上列出了核電站、核動力輪船、核動力火車、核動力汽車和核動力飛機等新奇的發(fā)明。本文的主題就是其中的核動力飛機。
在原子時代初期人們就設想利用原子能驅動飛機，早在 1942 年，參加曼哈頓計劃的費米和其他科學家就開始討論核動力飛機。1946 年約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室分析了核動力飛機的可行性和潛在的問題。在當時最大的問題是缺乏防輻射材料的數(shù)據(jù)，其他的問題還包括飛機在運行或事故中會泄露的放射性物質(zhì)，要如何對機組和地面人員進行保護，還存在試飛場地和范圍的選擇問題。飛機在飛行中會向大氣釋放放射性物質(zhì)飛機自身會產(chǎn)生直接輻射。為此制定了核動力飛機的操作要求：及時在最不利的情況下，核動力飛機不能向大氣中排放放射性物質(zhì)，飛機的一切有害輻射必須被限制在飛機內(nèi)部或預先指定的禁區(qū)內(nèi)。
1946 年對核動力飛機的研究最終演變成長期的飛機核能推進（NEPA）計劃。NEPA 計劃始于該年 5 月，由美國空軍主持，所以研究方向是核動力遠程戰(zhàn)略轟炸機和高性能飛機。由于核能具有持久性和高溫雙重特性，所以在理論上使用一個反應堆是可行的。但是洛克希德飛機公司在 1957 年的報告中提出“由于戰(zhàn)略轟炸機需要的高速性和高續(xù)航能力，以及相對于類似化學能飛機的潛在低空性能優(yōu)勢，將成為核動力的第一候選?！?/p>
美國空軍與費爾柴爾德發(fā)動機&機身公司簽訂了 NEPA 合同，在橡樹嶺進行研究工作。到 1948 年末美國空軍已經(jīng)投入了僅 1,000 萬美元，從 1946 年-1951 年，NEPA 進行了廣泛的研究工作，隨后被原子能委員會（AEC）/美國空軍的聯(lián)合飛機核推進項目（ANP）取代。ANP 項目制定了飛機反應堆和發(fā)動機系統(tǒng)全尺寸研制方面的雄心勃勃的目標。ANP 項目成立的原因之一是 1948 年 AEC 召集的在麻省理工學院完成的一項研究，旨在探索核動力飛行的潛力?！斑@項研究被稱為“列克星敦”計劃，得出有人駕駛核動力飛機的研制難度可能比核沖壓發(fā)動機小，而后者的研制難度又比核火箭小?！敝S刺的是，在后來的研制中，證明這個結論應該倒過來寫。“冥王星”計劃的核沖壓發(fā)動機和“漫游者”計劃中的核火箭發(fā)動機都進行了成功測試并達到了實用水平，但飛機核發(fā)動機卻從未達到實用水平。1954 年 ANP 項目主任布里昂聲稱“有人駕駛核動力飛機是本世紀難度最大的工程發(fā)展工作”。
不幸的是 ANP 項目也沒有很好地組織，在一個工作階段不是集中力量發(fā)展一個方面的技術，而是多面開花。問題的部分癥結在于，在雙方的分工中，AEC 負責反應堆的研制，空軍負責其余系統(tǒng)的研制，于是項目被分成需要緊密合作的兩部分，但這兩部分卻完全分開管理。
坐落在辛辛那提市的通用電氣公司獲得了 ANP 項目的一份合同，研制一種直循環(huán)渦噴發(fā)動機。聯(lián)合飛機公司普·惠飛機分部也被授權開始在康涅狄格飛機核發(fā)動機實驗室（CANEL）研究非直循環(huán)發(fā)動機。在直空氣循環(huán)方式中，在這樣的結構中，高速氣流直接作為反應堆芯的冷卻介質(zhì)，冷卻堆芯外圍的高溫液態(tài)金屬；然后，高溫高壓氣體介質(zhì)再進入另一個高壓進氣口，經(jīng)由該高壓區(qū)的導流分向各個引擎的增壓渦輪；最后，高溫高壓的氣體流噴出各個噴氣口（或驅動螺旋槳）產(chǎn)生推力。這種動力系統(tǒng)是一種混合動力系統(tǒng)，飛機起降時發(fā)動機都用的是化學燃料，爬升至高空后待反應堆堆芯溫度達到核反應溫度后再切換為核動力。
第二種方案則是核動力熱間接循環(huán)配置。在這種配置中，空氣不直接進入反應堆芯，而是經(jīng)由一個熱交換器。反應堆產(chǎn)生的熱能使工作介質(zhì)汽化，介質(zhì)和空氣在熱交換器進行能量交換，空氣被加熱成高溫高壓氣流后直接流入引擎渦輪，再由排氣口排出，為飛機提供動力；而工作介質(zhì)再熱交換器內(nèi)降溫再返回堆芯，形成一種循環(huán)。在這種方式中工作介質(zhì)選用高密度液體，如液態(tài)金屬或超高壓水，可傳遞更多的熱量以提高效率。
兩個方案中，設計人員更喜歡熱循環(huán)方式，這種熱交換循環(huán)機結構簡單、重量較輕易于制造；最重要的一點，留給項目組的時間已經(jīng)不多了。
在《SEA 雜志》的一篇文章中，L·W·Credit 寫到：“通過特殊部件和冗余設計來實現(xiàn)核動力飛機可靠飛行的三種設計中，單反應堆全核能的飛機似乎是最佳的。” 另外兩種設計分別是雙反應堆系統(tǒng)和核能-化學能混合系統(tǒng)。ANP 項目最初是研制一種直循環(huán)的單反應堆推進系統(tǒng)。但是GE公司向政府請愿要求開發(fā)這個直循環(huán)系統(tǒng)，GE表示直循環(huán)較簡單和縮短開發(fā)周期。在間接循環(huán)方面，普惠研制的是超臨界清水反應堆，作為工作介質(zhì)的水可被加熱到 1，500 度，但是在 34.474 兆帕的高壓下仍維持液態(tài)。這就避免了使用液態(tài)金屬作為介質(zhì)，美國從不主張使用液態(tài)金屬，迄今在現(xiàn)役軍用反應堆中，除了“海狼”級攻擊核潛艇的液態(tài)鈉反應堆外，都是壓水反應堆（PWR）。甚至“海狼”在服役幾年后由于液態(tài)鈉反應堆問題不斷而最終改用 PWR 反應堆。
GE 設計的 P-1 型核-渦噴發(fā)動機設計圖，為直循環(huán)系統(tǒng)
ANP 項目中有一個 X-6 子項目，始于 1952 年。X-6 項目的設計目標是制造兩架核動力試驗機。測試項目開始于測試輻射防護，一架 B-36 為此進行了改裝。這架飛機被稱為核測試飛機（NTA），NTA 是康維爾生產(chǎn)的一架 B-36H 轟炸機，改裝后編號被改為 NB-36H。在遠離駕駛艙的后機身彈艙內(nèi)安裝了一個小型氣冷氣冷反應堆。NTA 在反應堆周圍安裝了防護層，整個機頭的駕駛艙被 12 噸重的鉛和橡膠屏蔽層包裹，座艙后和機身內(nèi)還安裝了水套以進一步屏蔽輻射。反應堆不提供動力，僅被用于防輻射測試。
1955 年 7 月—1957 年 3 月間 NB-36H 成功進行了試飛，結果表明即使在低空核動力飛機也不構成威脅。試飛主要關注的問題是：1、一旦墜毀后從反應堆中泄露的可能性。2、泄露的放射性物質(zhì)的劑量。最后的結論表明駕駛該機的機組所受到的輻射。1957 末由于缺乏實用性 NB-36H 項目被終止。
康維爾 X-6 模型，在機腹安裝有 GE 的 P-1 核渦噴發(fā)動機
巨大的 B-36，空勤人員在機背上擺 POSE
NB-36H 整個機頭的駕駛艙被 12 噸重的鉛和橡膠屏蔽層包裹
NB-36H 反應堆裝載情景
熱傳導反應堆試驗一號——HTRE-3 在進行地面測試
GE 研制的 XMA-1 核渦噴發(fā)動機
試飛中的 NB-36H
NB-36H 的機載核反應堆控制系統(tǒng)儀表盤
