簡介
自20世紀40年代以來, 人們一直在從事核能的開發。目前, 人們所熟知的成功利用核能的方法包括核動力潛艇、核動力航母以及核能發電站等。但是, 早在20世紀被稱為原子時代的四五十年代, 人們關注的焦點集中在核動力汽車、火車, 利用核裝置的挖掘機械以及核動力飛機 , 其中核動力飛機引起了人們極大的興趣。傳統的渦輪噴氣發動機是將空氣吸入, 經低壓壓氣機和高壓壓氣機壓縮後在燃燒室與燃料混合燃燒產生化學反應, 體積急劇膨脹後的氣體在前方壓力的限制下通過渦輪葉片噴出, 產生推力, 並且帶動渦輪葉片旋轉, 進而通過機械連線將動力傳給前方的壓氣機, 再次吸入空氣, 如此循環往復的連續工作。渦輪風扇發動機克服了渦輪噴氣發動機耗油量大的弱點, 但是在加力燃燒時一樣消耗大量的燃油。而核能發動機則完全不存在燃料供應量問題。在反應堆原料整個半衰期內, 反應堆都能提供穩定的能量, 用於加熱空氣。到20世紀五六十年代, 核能航空發動機經歷了轟轟烈烈的大發展, 最後由於政治原因而歸於沉寂。到80 年代末90 年代初, 隨著人們對遠距離巡航飛行器和星際旅行興趣的逐漸提高,核能航空發動機再次進入了人們的視野。
20世紀40年代至60年代的發展
1 美國
最早的核能航空發動機研究始於20世紀40年代的美國。當時美國希望擁有一種能掛載核武器在天空飛行超過1個月的轟炸機, 也許在無人機大行其道的今天, 這個想法才有一些可行性,但當時, 美國政府確實為之投入了大量的時間和精力。
美國於1946 年實施了一項名為核能推進飛機的項目(NEPA)。1951年, 原子能委員會參加了該項目, 項目更名為ANP(飛機核能推進)。NEPA項目主要關注技術研究, 而ANP項目則致力於將研究成果轉化成可用的核能發動機原型。ANP項目的子項目包括Rover核能火箭項目、Pluto核能衝壓發動機項目、Snap核能輔助動力系統項目。
ANP項目技術困難主要包括兩個方面。一是必須製造一台適用核反應堆推進的噴氣發動機以及核反應堆本身。二是輻射禁止裝置必須能控制質量, 且有足夠的禁止能力。
ANP項目以B-36 為研究載體。在研究過程中, 對其做了大量的改進, 以適應核能航空發動機的飛行試驗。當時將一個小型的空冷核反應堆置於飛機的後炸彈艙內(轟炸機不是用核動力推進), 並且製造了一個全新的機頭, 用了12 t鉛和橡膠保護機組人員。同時在反應堆附近也增加了輻射防護裝置, 機身周圍和機艙後部還安裝了水套以吸收輻射。改進的轟炸機名為NTA(核試驗飛機), 代號為NB-36H, 在1955— 1957 年之間進行了多次飛行試驗。
B-36是當時僅有的機身能承受該發動機和防護裝置質量的飛機, 至於發動機載體則首先選擇了J-53渦噴發動機。該發動機是GE公司的常規渦噴發動機,當時尚處於計畫階段。J-53具有很高的性能, 並且認為它可以比當時在役的發動機更輕鬆地轉化為核動力。在項目早期階段, 計畫將J-53與液態金屬反應堆相連, 用於X系列新概念飛行器X-6的研究。初始的推進系統設計質量達75 t, 包括5 t的反應堆, 27 t的反應堆輻射防護裝置, 17 t的人員輻射防護裝置,8 t的發動機以及18 t的管路和附屬檔案。在J-53的研究遭遇困境以後, GE公司又採用了J-47 為動力裝置, 試驗被認為獲得了成功。
用於實現核動力飛機可靠飛行的備選方案有三個:單眼應堆系統———全核能飛機, 雙反應堆系統以及核能-化學能(燃燒)組合系統。當時認為第一種方案最具可行性。
核反應堆和噴氣發動機的研究採用兩種不同的途徑:直接循環系統和間接循環系統。直接循環方案主要由GE公司負責研究, 。
在該方案中, 流道在壓氣機後轉向。氣流流入核反應堆, 並被直接加熱, 然後流回發動機渦輪部分。其進行了一系列稱為熱交換反應堆系列試驗(HTRE)。試驗涉及到了3 個反應堆, 從HTRE-1到HTRE-3。HTRE-1 在其試驗項目得出結論後轉成HTRE-2。HTRE-1 (後來的HTRE-2)成功地採用核動力使X-39(改進的J-47)工作。HTRE-3則是最接近飛行目標的產品,它採用了固體減速, 而非早期反應堆的液體減速, 並且以更高的功率水平為兩台X-39發動機提供動力。HTRE-3 僅限於為2 台渦噴發動機提供動力, 但它有能力將其功率提到更高水平。HTRE-1基本屬於概念驗證反應堆。
HTRE-1實現了幾次全功率運行, 最後驗證了核動力噴氣發動機工作的可行性。HTRE-2 則是HTRE-1的改進型, 用於在中心六角形腔體內試驗先進的反應堆部分。採用這種方法, 不需要製造一個全新的反應堆就可對新的反應堆設計進行試驗。從HTRE-1和HTRE-2 中獲得的經驗都用於HTRE-3 的建造上。HTRE-3是用於驗證製造一種可實際用於飛機的核動力系統可行性的最後一次嘗試。HTRE-3 的設計和試驗推進了直接循環項目, 超出了工程最佳化問題中對可行性質疑的階段。這三個HTRE反應堆都是標準的直接循環結構, 並且在渦輪上游加裝化學燃燒室。該燃燒室可使噴管利用化學能啟動, 並且隨著反應堆達到工作溫度而轉化到原子能加熱。工作系統還可在起飛和降落以及可能的目標穿越等由於反應堆相對較慢的回響時間產生不利影響的階段利用化學燃燒室。
HTRE-1 到HTRE-3 進行的試驗驗證了利用核反應堆為一台或多台渦噴發動機提供動力的概念。HTRE-3 的最終結構是採用了兩台渦噴發動機, 並且其尺寸適合安裝到飛行器內, 儘管該裝置並非為飛行試驗設計。除了提供基本概念以外, 試驗還顯示化學-核動力系統還可串聯使用。採用這三種反應堆的發動機都整合到可靠的混合燃燒核能渦噴發動機上。每個改進的J-47發動機都保留其燃燒部件, 並且在發動機起動時使用, 直至反應堆升高到合適的溫度。化學燃料將逐漸節流, 至反應堆能提供足夠的熱量, 燃料供應停止, 燃燒過程結束。
HTRE已經實現或者超出了原先的預期, 儘管適合飛機的反應堆核心的尺寸已大致有數, 但在HTRE設計之初就並非針對飛行系統;這一系列試驗顯示了在採用類似HTRE-3的材料和相似的尺寸製造適合飛行的反應堆方面, 已有技術具有可行性和可操作性。
HTRE-3並未製造出可用於飛行的動力裝置, 這主要是因為其並非是最佳化設計, 而僅是簡單的作為研究用的反應堆設計, 用於驗證飛行動力裝置所需的概念。試驗顯示, 採用與HTRE-3相同材料並為燃氣渦輪動力裝置提供動力的反應堆, 在當時即可製造出來。
KellyJohnson和ClevelandFA在論文中表示, 當材料技術足夠成熟, 核動力裝置將可以迅速提高其整體效率, 進而大大提高類似的動力裝置以更小的尺寸安裝到飛機上的能力。
另一種方案則是普惠公司研究的間接循環方案, 但其進展卻大大慢於HTRE。在間接循環中,反應堆生成的熱量被反應堆芯周圍的液態金屬冷卻劑吸收, 進入二級循環。經過加熱的液態金屬隨後被抽入噴氣發動機。噴氣發動機內的散熱器將液態金屬的熱量傳遞到發動機流道中的氣流中。
普惠公司從未運行過可實用的試驗系統。實際上, 他們的研究僅限於部件測試。其研究的方案主要包括兩種:一種是固體核心反應堆, 液態金屬在固體反應堆核心周圍流動;另一種是流動燃料設計, 其燃料與冷卻劑混合, 隨著冷卻劑繞中心層流動實現臨界質量。其中流通燃料設計顯示了可行性, 因此, 超臨界反應堆的方案被擱置。
普惠公司在液態金屬冷卻環路設計、防腐蝕以及熱交換設計方面完成了大量的研究工作。但普惠公司的工作並未製造出可供試驗的反應堆, 更不必說可供飛行試驗。在長期運行方面, 間接循環顯示了更高的可行性, 但還需要進行大量的研究。在這些試驗項目取得成功的同時, 也有其它一些項目失敗了。很多項目在開始時投入大量的時間和財力, 卻在對項目方向進行調整時下馬。美國政府在報告ANP項目時也列舉了這些項目, 如飛行發動機試驗設備, 用於在地面和試驗飛行器上對飛行__發動機進行試驗。該設備的費用超過800 萬美元, 但卻並未在ANP項目中得到利用。又如建造的輻射體實驗室被用於研究空氣熱交換器上的液態金屬, 花費600萬美元以後, 僅完成了一個防護裝置, 此後由於軍方想法的變化而終止。再如某實驗室研究真空狀態, 投入超過100 萬美元, 並於1961年投入使用, 同月ANP項目取消。類似浪費的例子還有很多,但這並非是技術人員的問題, 而是領導層(決策層)想法的變化和設備不可用的原因。
2 蘇聯
蘇聯也在相關領域開展了研究。20世紀50年代計畫研製一架飛行器和一架飛艇, 質量將達1000 t。原計畫在巨大飛行器上安裝4台原子能渦輪發動機。飛行器的翼展將超過130 m, 發動機的總功率將超過36.75 ×106 W。該飛機將能裝載1000名乘客和100t載荷, 速度達1000 km/h。
計畫在反應堆外部安置5層防護層:第一層:氧化鈹反射體;第二層:用於從壁面吸熱的液態鈉;第三層:鎘, 用於吸收慢中子(Slow Neutrons);第四層:固體石蠟, 用於為快中子減速;第五層:鋼外殼, 用於吸收慢中子和伽馬射線。這種多層“裝甲”可以降低防護層必要的質量和尺寸。
蘇聯研究的很多方案與美國相似, 包括直接和間接循環, 渦輪螺槳, 防護層以及所需的特殊地面處理。蘇聯設計的原子能動力裝置質量達73t。與X-6推進系統原結構的75t相比, 兩者差別不大。
如果可能在反應堆周圍放置像地面上那么多的防護層, 就可將輻射降低到可以忽略的水平。然而防護層總質量的限制卻意味著這種想法是不可行的。實際上, 研究人員如此關注分離防護的概念就是為了將防護層的總質量降低到一個可承受的程度。 所謂分離防護層, 就是指在反應堆和機組人員之間的防護層是分離的, 通過這種方法可將防護層的總質量降到最低。
這種防護層當然可以降低總質量, 但這也意味著飛機將暴露在更高程度的輻射中, 並且一旦在地面狀態下, 更多輻射將侵襲周圍的區域。這些問題可以通過採用新型材料或者能在更高輻射程度的環境下工作的飛機設備來克服。而分離防護層還有其它一些好處:輻射的方向特性還可以使飛機的結構和部件得益, 因為防護材料以及類似機翼盒段、起落裝置、載荷以及足夠降落的燃料等要素的合理利用可以降低機組人員艙後部所需的防護層厚度。分離防護概念的研究, 通過增加反應堆功率密度、提高反應堆工作溫度等措施來提高推進效率和飛行器性能,並降低反應堆尺寸, 從而減小防護層的尺寸, 同時也由此為飛機的設計帶來好處。儘管對實際機身的研究遠未深入, 但在動力裝置方面確實完成了大量的研究工作。
20世紀90年代以後的發展
自從20世紀60年代後期核能航空發動機的研究歸於沉寂以後, 核能在動力系統領域的套用研究主要集中在航天空間所使用的火箭發動機以及潛艇的核動力上。
隨著巡航飛彈和無人機的發展, 核能航空發動機於20世紀90年代末再次進入了研究人員的視野。而1998年, 觸發異構體反應(TriggeredIsomerReaction)的發現和觸髮式異構體熱交換器(TriggeredIsomerHeatExchanger,TIHE)的發明為核能航空發動機開拓了另一片天地。
1998年, 德克薩斯大學的研究人員發現, 當他們使用dentalX射線對鉿異構體-鉿178進行轟擊時, 能顯著提高其能量衰減速度, 並使其釋放比X射線強60倍的γ射線。儘管這讓人難以理解, 但卻是符合物理學原理的。在亞原子級別上, 使用X射線轟擊鉿178的效果就像是向積雪覆蓋的山頂投擲雪球而引起一場小型雪崩一樣。
這種新發現的核反應類型有一個突出的特點:如果關閉X射線機, γ射線的輸出會立即大幅下降, 因此, 控制起來十分方便。此外, 由於這種反應只產生γ射線輻射, 故所需要的禁止較少。即使發生事故, 它對環境的影響也比核裂變反應堆要小得多。鉿178的半衰期只有31年,而其它用作核反應堆燃料的元素(鈾和鈽等)半衰期卻可達數千年。該衰變能夠提供大量的熱量。如果能將一部分用於高推重比熱交換器推進系統, 無論是對飛機還是飛船來說都將是一場革命。該動力的另一個優點是主要產生伽馬輻射。儘管仍有一定的危險, 但對防護的要求大大降低。量子核反應堆使用的燃料是金屬鉿的一種同位素:鉿178。在很多裂變反應堆中, 鉿卻是用來減緩鏈式反應的元素。所謂鏈式反應就是一個原子分裂釋放出的中子又去轟擊相鄰的原子, 使它也發生分裂, 從而使反應得以持續。鉿原子具有很強的吸收中子而不發生裂變的能力, 因此, 它在裂變類反應堆中用作制動器或控制桿。
基於觸發異構體反應研究的TIHE則成為了新的動力來源。與20世紀五六十年代研製的核裂變噴氣發動機相比, 以TIHE替代燃燒室的噴氣發動機對輻射防護的需求由於觸發異構體反應中施放的中子和放射性產物的減少而大大降低。這也使得防輻射裝置的質量大大降低。當然缺點是共同的, 即在整個飛行過程中熱交換器施放輻射。該輻射能輕易影響飛彈上的導航設備, 並且對載機及上面的工作人員造成傷害。由於該飛行器是一種巡航飛彈, 速度當然越高越好, 同時高速也意味著發動機輸出功率的提高。由於輻射防護裝置的質量與熱源的輸出功率直接相關, 這就需要在滿足高速功率要求和將熱功率最小化之間尋找一個最佳的折衷方案。
目前尚未找到關於這種新型動力裝置的具體方案。但美國空軍在該領域已經進行了一些研究, 以AGM-86 巡航飛彈為原型, 研究了適合其工作環境的核能渦輪發動機和核能衝壓發動機。研究結果顯示, 在海平面狀態下, J-57 渦噴發動機採用燃燒室和熱交換器能提供相等的推力。研究結論包括幾點。
第一, 如果熱生成速率可控, 熱交換器材料本身是異構體, 就可利用一些不同的結構以替換燃燒室。
第二, 隨著高度的升高, 熱交換器提供加熱能力增加。對加熱能力的需求可能由於與該高度下發動機性能相關的熱力學而下降。這導致熱生成速率的下降,也降低了輻射, 從而提高了部件壽命。
第三個結論是該熱源能夠大大增加飛行器性能, 並且顛覆很多任務的執行概念。熱交換器的幾何形狀和結構可根據特定的飛機或平台進行最佳化。__以TIHE為動力的衝壓發動機設計標準與傳統動力的衝壓發動機不同, 因為異構體的燃料消耗幾乎可以忽略不計。這實質上消除了飛行器在射程上的限制。研究人員利用戰鬥機空載模型計算出的標準AGM-86C射程為740 km, 而TIHE為動力的衝壓發動機則可將射程提升至8 200 km。在衝壓發動機上用TIHE替換常規燃燒室是提高空射巡航飛彈射程的絕佳途徑。
2003年, 美國空軍在TIHE研究成果的基礎上, 開始研究一種採用核能/普通渦扇發動機組合動力的高空長航時無人機。飛機在起飛、爬升、下降和著陸時以普通的渦扇發動機為動力, 而在高空巡航時則以基於TIHE燃燒室的發動機為動力, 這種無人機可在高空持續飛行1個月。經過對渦槳、渦扇、渦噴和火箭發動機的評估, 最後認定一種Ma=0.5的渦扇發動機為最佳的渦扇發動機, 所選發動機的參數與全球鷹無人機的動力裝置AE3007很接近。
出於環境等方面的考慮, 在6100 m以下的飛行高度, 普通的渦扇發動機將提供飛機所需的動力。普通發動機和核能動力轉換的最佳高度和速度分別是12km和Ma=0.4。這種高空長航時無人機將需要一個厚70mm、質量1250 kg的前導輻射防護屏, 這個質量占無人機起飛質量的11%, 占普通全球鷹無人機燃油質量的19%。研究認為, 對於一種執行7天任務的、採用TIHE/渦扇發動機組合動力的高空長航時無人機來說, 可減少超過2250 kg的質量。2008 年, 英國政府啟動了Omega項目, 開始研究核動力飛行。
總結
目前的巡航飛彈和無人機,其因受燃料的限制,其續航能力的提高難度很大。而續航能力強恰恰是核能航空發動機最大的優勢所在。美國無論是在AGM-86的原型上進行的研究還是以全球鷹無人機為研究平台的研究,提高射程是最為關鍵的一點。無人機的套用越來越廣泛,擁有幾乎無限續航能力的核動力無人機,這種想法無疑對任何國家來說都是一種不可抵擋的誘惑。
20世紀五六十年代研究的核能航空發動機, 其原理與現在的研究存在一定的差別,當時動輒幾十噸的發動機和禁止裝置確實極大地限制了核能航空發動機的發展。2000年以後,隨著新的核反應方式的發現,以及新的戰場環境下對長航時無人機和遠程巡航飛彈的需求, 美國對核能航空發動機研究的興趣又逐漸抬頭,技術的進步也確實給核能航空發動機的研究帶來了新的契機 。
然而, 核能航空發動機的研究仍處於起步階段,只有很好地解決了核反應堆小型化和核輻射禁止這兩個最關鍵的問題, 並且在核污染方面做到有效控制, 核能航空發動機才有可能真正走向實用化。
