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永不疲倦的铁鸟:美苏核动力轰炸机实验始末

发布时间:2016-07-07  原作者:罗尔·科隆   点击数:

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毛翔 张孟月 编译

原载雷曼军事网

NB-36:航空史上第一架核动力飞行器

  “需求就是最大的推动力”。采用核动力作为大型飞机动力的设想早在1942年就已被提出:当时曼哈顿项目的核心科学家、美原子弹之父,恩里科·费米,就曾和其他几名科学家探讨过这种动力的可能。早在1944年,美国航空兵部队为保持在战后对前苏联的空中优势,曾酝酿了一个试验性的核动力飞机项目。

  自1944年开始,工程人员在头两年里主要研究了核辐射对载机平台的影响:它的航电设备、机体材料,更重要的是对机组人员的影响。最初,设计人员陷进了一个又一个技术细节不能自拨,项目眼看就将成为纯粹的项目构想时,形势的变化又使该项目出现了重大转机。1947年,刚从陆军航空队升格为独立军种的美国空军,急切地希望用一个史无前例的先进项目为自己的诞生献礼,而核轰炸机最能够满足那个时代人们的想像,无疑成了美国空军眼中的宠儿。官方为项目提供了数以千万计的经费,从1948年初到1951年,研究工作全面展开,对反应堆技术、动力传动系统、机体框架进行了重点研究。起初提出的动力方案繁杂多样,双反应堆、混合动力(化学和核)、单一动力系统等都曾被摆上案头,最终出于系统可靠性和安全性的考虑,项目采用了单反应堆的设计。接下来开始验证飞机的动力传动系统,即如何将反应堆产生的热能转换成飞行所需的机械能,而这也是该项目能否成功的关键和最重大的技术障碍。

HTRE-3(左)和HTRE-1(右)对比
HTRE-3(左)和HTRE-1(右)对比

  1949年,项目组对核轰炸机的一些核动力系统进行了试验,其中主要是对三种类型的反应堆进行了热传输试验(HTRE),用以验证效率最高的反应堆热传输类型。在经过一系统试验后,HTRE-3——核动力热直循环配置成为项目的首选,空气通过压缩机进入涡轮喷气引擎后,再由一个高压进气口直接进入反应堆核心区域加热。

  在这样的结构中,高速空气流直接作为反应堆芯的冷却介质冷却堆芯外围的高温液态金属;然后,高温高压气体介质再进入另一个高压区进气口,经由该高压区的导流分向各个引擎的增压涡轮;最后,高压、高温气流喷出排气口或驱动螺旋桨产生推力。这种动力系统是一种混合动力系统,飞机起飞和降落时发动机使用化学燃料,爬升至高空后待堆芯达到核反应温度后再切换成核动力。另一种被考虑过的方案则是核动力热间接循环配置。这种配置中,空气并不直接进入反应堆芯,而是经由一个热交换器。反应堆产生的热能使工作介质(液态金属或水)汽化,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进入引擎涡轮,再由排气口排出,为飞机提供动力;而工作介质在热交换器内降温回复成液态再返回高温堆芯,形成循环工作状态。两种方案中,设计人员更喜欢直接热循环方式,这种热交换循环机构结构简单、重量较轻、易于制造;更为重要的是,留给项目组的时间已经不多了,而直接循环亦符合设计要求。

  确定了飞机的动力和能量传输形式后,设计人员开始研究如何屏蔽核辐射对机组人员、航电设备的影响。最初的计划效仿地面核反应堆的防护,依次用镉、固化石蜡、氧化铍和钢板制成防护层。这一思路就是对反应堆进行重点防护,而对同机的乘员和航电设备并不采用防护措施。从技术上说,这不失为一种稳健的传统办法,但是飞机在地面和空中时,堆芯环境的急剧变化,比如低压、颤动、加速度等,会使这种防护不再可靠。后来,基于防护和性能的综合考虑,又决定采用多重防护技术。采用这种技术后,全机防护分为两部分,对堆芯舱和机组舱同时进行防护,即大幅减少堆芯舱的防护重量,加强对机组舱的防护,即便堆芯有泄漏,也能最大限度保证机组安全。

  解决了动力系统、防护等问题后,接下来的核心问题就是选择合适的载机。1951年底,空军为缩短开发周期,决定利用现有平台搭载核系统。在现役飞机中选来选去,只有康维尔公司战前开发的B-36“和平缔造者”战略轰炸机具有搭载核系统的潜力。

改装中的B-36H,注意其机头特意开了大口
改装中的B-36H,注意其机头特意开了大口

  B-36确实称得上是大型飞机中的巨无霸,即使与现役的大型运输机相比,也不逊色多少。B-36采用细长圆柱形机身,悬臂式上单翼平直机翼,六台活塞式发动机,螺旋桨装在机翼后缘,使其成为推进式飞机。在有的改型中,还在每侧翼下各吊装两台喷气发动机?;碚瓜冶冉洗?,金金属结构,加强蒙皮,前缘后掠角为15.7度,带有电气操纵的后缘襟翼。该机机身为全金属结构,圆形横截面?;砬安坑型该骰氛?,设为机组成员舱,炸弹舱则在机身中后部。B-36的翼展为70.1米、长49.38米、高14.02米、主翼面积达443.3m2,起飞重量达到185.97吨;B-36的升限为1.2万米、爬升率为676.65米/分,最大速度为700公里/小时,航程为16090公里,种种性能都足以使其成为未来核动力轰炸机载机的不二之选。

  选定机型后,计划的下一阶段就是将其改造成为核动力系统的试验性载机。主要的改进部分是在原B-36的机鼻部分加装抗辐射部件,作为未来的机组主乘员舱。近11吨的乘员舱被铅板和惰性橡胶所包裹,而水箱的也被移至机首和机尾等几个重要的舱室用于吸收可能的辐射。

正在安装的NB-36H轰炸机的驾驶室,被多重防护外壳所包裹
正在安装的NB-36H轰炸机的驾驶室,被多重防护外壳所包裹

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