原子也疯狂——冷战时期美苏两国的核动力飞机计划

万磁王

作者：越暴力越疯狂

美国的核动力飞机
　　随着第二次世界大战的结束，掀起了充分利用核能的热潮。科学家的清单上列出了核电站、核动力轮船、核动力火车、核动力汽车和核动力飞机等新奇的发明。本文的主题就是其中的核动力飞机。
　　在原子时代初期人们就设想利用原子能驱动飞机，早在 1942 年，参加曼哈顿计划的费米和其他科学家就开始讨论核动力飞机。1946 年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室分析了核动力飞机的可行性和潜在的问题。在当时最大的问题是缺乏防辐射材料的数据，其他的问题还包括飞机在运行或事故中会泄露的放射性物质，要如何对机组和地面人员进行保护，还存在试飞场地和范围的选择问题。飞机在飞行中会向大气释放放射性物质飞机自身会产生直接辐射。为此制定了核动力飞机的操作要求：及时在最不利的情况下，核动力飞机不能向大气中排放放射性物质，飞机的一切有害辐射必须被限制在飞机内部或预先指定的禁区内。
　　1946 年对核动力飞机的研究最终演变成长期的飞机核能推进（NEPA）计划。NEPA 计划始于该年 5 月，由美国空军主持，所以研究方向是核动力远程战略轰炸机和高性能飞机。由于核能具有持久性和高温双重特性，所以在理论上使用一个反应堆是可行的。但是洛克希德飞机公司在 1957 年的报告中提出“由于战略轰炸机需要的高速性和高续航能力，以及相对于类似化学能飞机的潜在低空性能优势，将成为核动力的第一候选。”

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　　美国空军与费尔柴尔德发动机&机身公司签订了 NEPA 合同，在橡树岭进行研究工作。到 1948 年末美国空军已经投入了仅 1,000 万美元，从 1946 年-1951 年，NEPA 进行了广泛的研究工作，随后被原子能委员会（AEC）/美国空军的联合飞机核推进项目（ANP）取代。ANP 项目制定了飞机反应堆和发动机系统全尺寸研制方面的雄心勃勃的目标。ANP 项目成立的原因之一是 1948 年 AEC 召集的在麻省理工学院完成的一项研究，旨在探索核动力飞行的潜力。“这项研究被称为“列克星敦”计划，得出有人驾驶核动力飞机的研制难度可能比核冲压发动机小，而后者的研制难度又比核火箭小。”讽刺的是，在后来的研制中，证明这个结论应该倒过来写。“冥王星”计划的核冲压发动机和“漫游者”计划中的核火箭发动机都进行了成功测试并达到了实用水平，但飞机核发动机却从未达到实用水平。1954 年 ANP 项目主任布里昂声称“有人驾驶核动力飞机是本世纪难度最大的工程发展工作”。
　　不幸的是 ANP 项目也没有很好地组织，在一个工作阶段不是集中力量发展一个方面的技术，而是多面开花。问题的部分症结在于，在双方的分工中，AEC 负责反应堆的研制，空军负责其余系统的研制，于是项目被分成需要紧密合作的两部分，但这两部分却完全分开管理。
　　坐落在辛辛那提市的通用电气公司获得了 ANP 项目的一份合同，研制一种直循环涡喷发动机。联合飞机公司普·惠飞机分部也被授权开始在康涅狄格飞机核发动机实验室（CANEL）研究非直循环发动机。在直空气循环方式中，在这样的结构中，高速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，高温高压的气体流喷出各个喷气口（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，飞机起降时发动机都用的是化学燃料，爬升至高空后待反应堆堆芯温度达到核反应温度后再切换为核动力。
　　第二种方案则是核动力热间接循环配置。在这种配置中，空气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流入引擎涡轮，再由排气口排出，为飞机提供动力；而工作介质再热交换器内降温再返回堆芯，形成一种循环。在这种方式中工作介质选用高密度液体，如液态金属或超高压水，可传递更多的热量以提高效率。
　　两个方案中，设计人员更喜欢热循环方式，这种热交换循环机结构简单、重量较轻易于制造；最重要的一点，留给项目组的时间已经不多了。
　　在《SEA 杂志》的一篇文章中，L·W·Credit 写到：“通过特殊部件和冗余设计来实现核动力飞机可靠飞行的三种设计中，单反应堆全核能的飞机似乎是最佳的。” 另外两种设计分别是双反应堆系统和核能-化学能混合系统。ANP 项目最初是研制一种直循环的单反应堆推进系统。但是GE公司向政府请愿要求开发这个直循环系统，GE表示直循环较简单和缩短开发周期。在间接循环方面，普惠研制的是超临界清水反应堆，作为工作介质的水可被加热到 1，500 度，但是在 34.474 兆帕的高压下仍维持液态。这就避免了使用液态金属作为介质，美国从不主张使用液态金属，迄今在现役军用反应堆中，除了“海狼”级攻击核潜艇的液态钠反应堆外，都是压水反应堆（PWR）。甚至“海狼”在服役几年后由于液态钠反应堆问题不断而最终改用 PWR 反应堆。

GE 设计的 P-1 型核-涡喷发动机设计图，为直循环系统

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　　ANP 项目中有一个 X-6 子项目，始于 1952 年。X-6 项目的设计目标是制造两架核动力试验机。测试项目开始于测试辐射防护，一架 B-36 为此进行了改装。这架飞机被称为核测试飞机（NTA），NTA 是康维尔生产的一架 B-36H 轰炸机，改装后编号被改为 NB-36H。在远离驾驶舱的后机身弹舱内安装了一个小型气冷气冷反应堆。NTA 在反应堆周围安装了防护层，整个机头的驾驶舱被 12 吨重的铅和橡胶屏蔽层包裹，座舱后和机身内还安装了水套以进一步屏蔽辐射。反应堆不提供动力，仅被用于防辐射测试。
　　1955 年 7 月—1957 年 3 月间 NB-36H 成功进行了试飞，结果表明即使在低空核动力飞机也不构成威胁。试飞主要关注的问题是：1、一旦坠毁后从反应堆中泄露的可能性。2、泄露的放射性物质的剂量。最后的结论表明驾驶该机的机组所受到的辐射。1957 末由于缺乏实用性 NB-36H 项目被终止。

康维尔 X-6 模型，在机腹安装有 GE 的 P-1 核涡喷发动机

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巨大的 B-36，空勤人员在机背上摆 POSE

NB-36H 整个机头的驾驶舱被 12 吨重的铅和橡胶屏蔽层包裹

NB-36H 反应堆装载情景

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热传导反应堆试验一号——HTRE-3 在进行地面测试

GE 研制的 XMA-1 核涡喷发动机

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试飞中的 NB-36H

NB-36H 的机载核反应堆控制系统仪表盘

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米亚西舍夫的核动力飞机方案
　　“需求是最大的推动力”，由苏联“原子弹之父”库尔恰托夫领导的苏联科学院第 2 实验室从 1947 年就开始探索如何将核能应用在舰船、潜艇和飞机上。当时美国在欧洲、中东和远东拥有数十座空军基地，其战略轰炸机一般航程为 5,000-10,000 公里，在轰炸完苏联境内任何一处目标后都可以返回。而苏联根本没有能飞行那么远的轰炸机，苏联领导人非常希望设计师们能研发出一种可以飞抵美国领空（最好还能返航）的轰炸机，但如果依靠常规动力，这一愿望几乎不可能实现。
　　主要负责这项工作的是阿·帕·亚历山大罗夫。经过反复探索，1952 年，他在报告中写道：“近期，我们在核能应用方面取得一定进展，在未来几年内我们可以开始研制核能发动机，这种发动机可以应用到重型飞机上。”可是，满心欢喜的苏联领导人等了 3 年却没有一点关于核能发动机的消息。而此时苏联已在莫斯科郊外建成世界上第一座核电站，并开始建造第一艘核潜艇。苏联克格勃也获悉美国正在研制一种名为 B-36 的核动力飞机，且进展顺利。于是苏联领导人真的坐不住了。
　　1955 年 8 月 12 日，苏联部长级会议下令国内几大飞机设计局联手进行核动力飞机的研究。 结果是：安德烈·图波列夫设计局（OKB-156 设计局）和弗拉基米尔·米亚西谢夫设计局（OKB-23 设计局）成为项目的首席设计单位，由库兹涅佐夫设计局和 AM 留利卡设计局负责飞机的核动力系统的研发。相对应的是，图波列夫设计局的方案采用库兹涅佐夫设计局的动力系统；米亚西舍夫设计局采用 AM 留利卡设计局的动力系统。
　　光是这些军迷们耳熟能详的名字就足以让你血脉贲张了，而这些设计局间的龙争虎斗更是精彩纷呈，让人唏嘘不已。
　　说起米亚西舍夫，许多人都会觉得很陌生，他没有图波列夫、米高扬、苏霍伊那样的显赫的知名度，甚至在苏联 1974 年出版的 17 卷大百科全书中都没有米亚西舍夫的名字，这位在生时名不见经传的飞机设计师，死后才有专业丛书介绍他对前苏联航空航天事业所作的杰出贡献及其多坎的经历。米亚西舍夫一生才华横溢却命运多舛，他的许多设计构思之大胆之新奇，而被屡屡认为“太狂妄”用于生产不实际。
　　50 年代初紧迫的需求下，米亚西舍夫和他的同僚用了仅仅不到两年就为苏联研制出了第一种喷气式战略轰炸机，野牛是苏联航空工业的一项伟大成就，甚至超过了图波列夫飞机设计局，但此举也招来了一些人的妒忌，那时的米亚西舍夫还是个年轻的工程师，个人威望和关系根本无法与图波列夫等同，面对新喷气式战略轰炸机的一些指责，苏联部长会议最后把研制重型轰炸机的任务交给了图波列夫与伊留申飞机设计局，这对米亚西舍夫是一个沉重的打击，部分 M-4 和 3M 也逐渐被改为加油机，以提升图-95K 等机型的战斗力。
　　米亚西舍夫不得不改行与科罗廖夫去设计航天器，在 1957 米亚西舍夫就帮科罗廖夫开发一种载人的空天飞行器。以便用 R-7 洲际导弹发射。最后设想出了一种单人飞行器。它被成为 VKA，实际上是一种空天飞机，利用激波原理，即超高速飞行中所产生的激波的巨大能量，使飞机就像海边冲浪的人们一样借着这股巨大的能量顺利飞抵数千千米之外的目标。由于技术太过超前而被放弃。

VKA-23 单人飞行器

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　　米亚设计局又设计了一种代号为 Buran（暴风雪）的导弹，但在 1957 年 11 月，暴风雪导弹即将开始它的首飞的时候，米亚设计局的工程却下马。因为拉沃契金的 Burya 导弹捷足先登。苏联最高当局认为没有必要同时发展两种类似的导弹。米亚设计局后来又研制了新的导弹的空射型号 M-44，在此基础上米亚西舍夫开始研究一种高中发射的无人驾驶高超音速飞行器。这是米亚西舍夫设计第一种高超音速轰炸机，M-50。在这种巨大的三角翼飞机的基础上设计了 RSS-52 空天飞机。RSS-52 包括由 M-50 发展而来的 M-52 载机。M-52 机身上有一个巨大的凹陷，用来装载 M-44 冲压飞行器。该飞行器是由下马的 M-42 发展而来。M-52 从基地起飞后进入高超音速，并释放 M-44，而 M-44 将提高到极超音速，进入轨道，在巡航之后落入大海。一个无线电发射器将指引救援船回收该飞行器。但他遇到了一系列不可逾越的障碍。米亚西舍夫也被人指责他没有能力继续领导该项目的能力。
　　由于研究的过于古怪而备受批评。米亚西舍夫只好重新设计，在 1960 年 3 月到 9 月，他设计出来了两种型号的飞机。第一中是利用激波原理的亚轨道飞行器。另一种是相对保守的设计。但由于得不到军方的支持，米亚设计局于 1960 年 10 月关闭。
　　1966 年米亚西舍夫飞机设计局重组后，与图波列夫设计局、和苏霍伊设计局再次展开了对大型战略轰炸机项目的招标竞争，米亚西舍夫设计局提出的设计称为 M-18 方案设计漂亮优美：薄机身、双尾翼．可变翼，由列什特足科夫上将领导的鉴定委员会对这一设计极为赞赏，当时空军认为 M-18 设计方案是比较好的，但是考虑到图波列夫设计局具有大型轰炸机的设计经验和生产能力，所以最后决定还让图波列夫设计局在 M-18 方案的基础上研制图-160 战略轰炸机，这对米亚西舍夫本人来说是极为不公平的，至今人们无人不晓“海盗旗”是图波列夫的杰作，殊不知是来自米亚西舍夫的心血设计。
　　这次竞争的失利对米亚设计局无疑是致命的，米亚西舍夫最后是在中央茹科夫斯基空气流体动力研变所所长的位置上退休的，他没有失败。他是个极其谦虚的人，但不能容忍胡说八道和空头支票，从不阿谀奉承和卑躬屈节。人格的独立性，直言不讳和原则性也是他命运坎坷的原因之一，但是众多的挫折并未击败他，直至他生命的最后一刻他仍在继续从事着自己的创造设想制造超音速的客机，这在当时已不是简单的幻想，他已准备好制造此种飞机。人们记得他去世前的一次谈话，有人问他中央茹科夫斯基空气流体动力研究所是否是他的地下设计时，他回答道：“地下的？这个说法很好，我想工作但无法进行，因为人们不接受我的观点，与自己的同行有分歧我不认为是坏事。”
　　符拉基米尔·米哈伊洛维奇·米亚西舍夫，苏联航空史上的一位极具创造的怪才，由于时代的局限虽然在他一生中研制的绝大部分设计都未投入生产，但对他那种敢于断创造与大胆探索的精神永远值得后人尊敬。

航空天才符拉基米尔·米哈伊洛维奇·米亚西舍夫

老对头安德烈·图波列夫，设计中规中矩，加上善于攻关，所以一路青云

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　　1955 年夏天，由米亚西舍夫设计局负责的核动力飞机项目在稳步推进。1955 年 5 月 19 号苏联部长级会议通过了订购米亚西舍夫设计局的超音速核轰炸机的决议。这无疑给计划注入一针强心剂——米亚西谢夫设计局在此后的设计进度远远快于大名鼎鼎的竞争对手图波列夫设计局。
　　局内代号为 M-60 的设计第一稿早在 1956 年 7 月即全部完成。与此同时，与之合作的 AM 留里卡设计局的新发动机的设计也即将完成。这种核/涡喷发动机所需热量由经过核反应堆从而被加热的空气提供。强大的“心”足以给 M-60 的 49,600 磅推力。按照设计要求，飞机起降过程均使用常规动力。
　　前卫的米亚西舍夫设计局又提出了更高的要求：M-60 巡航的动力完全由核动力部分负责；经过一系列的改进后，M-60 必须达到 2 马赫的速度。 座舱这次被移到了机身中段，防辐射的设计与图波列夫 120 号完全一致。

最早的 M-60 设计图

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　　由于安装了厚重的防辐射部件，座舱显得很狭小而且视野也不好。反应堆的放置同图波列夫设计局一样，置于机尾。最初飞机采用超薄梯形翼和 T 形尾翼的设计。为了将核/喷气发动机并排安放在机尾，机身也进行了延长，达到了 169 英尺。翼展则有 86 英尺之多。 米亚西舍夫设计局为了成功中标，先后提出多种方案。在第一稿的基础上，设计局对 M-60 的气动布局做了较大修改，绘成了后掠翼版 M-60 的图纸。

第 2 稿 M-60 设计图