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疯狂的核动力飞机和火箭

科普中国2015年12月29日11:01

[摘要]打开了原子的大门,进入了核的世界,人类异常兴奋,就像一个小孩第一次学会自行车,认为可以骑行到任何地方,疯狂的核动力飞机和火箭也相继出现。

出品:科普中国

制作:寒木钓萌

监制:中国科学院计算机网络信息中心

打开了原子的大门,进入了核的世界,人类异常兴奋,就像一个小孩第一次学会自行车,认为可以骑行到任何地方。

核武器的研制和发展主要来自一种安全上的需求,就像马斯洛需求层次理论,它属于比较底层的需求,见识了核威力后,人类对于核武器的发展是抵制的,并一直在努力防止核扩散。

疯狂的核动力飞机和火箭

马斯洛需求层次理论

而核能的和平利用则是一种自我实现式的高级需求。除了核电站,各国都希望核能可以做得更多一些,他们希望建造一艘排水量超过10万吨,50年不用换燃料的大船,成功了,这就是航空母舰,还有核动力商船、破冰船,也成功了。

疯狂的核动力飞机和火箭

核动力破冰船

他们还希望建造一艘可在深海潜游的大船,也成功了,这就是核潜艇。

到这里就止步了吗?那是不可能的,科学家们还希望建造能在天上绕地球飞几十圈而不用降落的飞机,这就是核动力飞机。

疯狂的核动力飞机和火箭

核动力飞机畅想图

核动力飞机

二战还没有结束,准备用原子弹终结二战的“曼哈顿计划”还在如火如荼地进行时,著名科学家费米就对那些科学家说,除了原子弹,大家也不要忘了研制核动力飞机。

果然,二战刚结束,核动力飞机的研制工作还真就大张旗鼓地上马了。

美国研制核动力飞机,出发点是想造出高性能的远程战略轰炸机,绕地球转十几圈也不用加油,这诱惑是如此的大,这种飞机能摆脱对大量机场的依赖,摆脱对空中加油机的依赖。如果改装成核动力运输机,那效率也是没得说。

前苏联呢,他们的动力更大,那时,苏联还没有航程很远的轰炸机,所以苏联领导人非常希望能研发出一种可以轻松飞到美国任何地方的上空,进行轰炸后,还能返航的轰炸机。

1946年5月,由美国空军主持,核动力飞机开始启动,到1948年时,美国空军已为此投入了1000万美元。

苏联对核动力飞机的行动在早期只是只停留在报告上,直到后来,苏联得到情报,美国正在研制一种名为 NB-36H的核动力飞机,且进展顺利。于是,苏联领导人也慌了,下令研制!

如何提高动力?

美国的设计方案中,有两种驱动方式。

第一种是,飞机在天上飞行时,反应堆启动,加热堆芯周围的液态金属,接着让高速气流与高温液态金属接触,于是气流变成高温高压气体,经过导流,这些气体通向各个引擎的增压涡轮,最后喷出产生后推力。这种设计是一种混合动力,即飞机起降时发动机使用的还是燃油,爬升至高空后,才切换为核动力。为什么起降时不使用核动力?因为高速气流通过堆芯的液体金属,再排出,核污染比较严重。

第二种方案是,空气不直接进入堆芯,而是使用热交换器加热空气。热交换器里面有水或者液态金属,它们循环流动,不断把热量从堆芯带出来,并加热从外面通过的空气,如此往复。

苏联的设计在细节上稍有不同,但本质上都差不多。

技术难点有哪些?

疯狂的核动力飞机和火箭

这是苏联核动力飞机的驾驶舱设计,图中5和6是厚重的铅防护层和橡胶防护层。

疯狂的核动力飞机和火箭

B-36轰炸机是翼展最大的军用飞机,美国人把反应堆加上去后,改编号为 NB-36H。

疯狂的核动力飞机和火箭

图为 NB-36H的驾驶舱,用铅和橡胶屏蔽层包裹,重12吨。

以上图片告诉我们,研制核动力飞机很大的一个难点是,如何保护驾驶员不被长时间辐射?还有,若飞机坠毁后,带来的地面核污染如何避免?当年 NB-36H装反应堆试飞,测试反应堆对驾驶员的辐射水平时, NB-36H旁边还跟着另一架飞机,上面装满了士兵,就是为了万一NB-36H坠毁,能第一时间冲下去,封锁现场,避免周围群众受到核辐射。

疯狂的核动力飞机和火箭

正在试飞中的NB-36H

核动力航母和核潜艇之所以比较容易实现,是因为它们天生就在海里,可以用取之不尽的水来冷却堆芯,另外就是航母和潜艇体积庞大,装一个反应堆上去后,就算再加一个几十吨的保护罩上去,体积和重量都是可以接受的。但飞机就不同了。

疯狂的核动力飞机和火箭

后来,洲际导弹的出现降低了对核动力远程轰炸机的需求,加上各种技术困难,美苏这才下马了核动力飞机计划。

疯狂的核动力飞机和火箭

疯狂的核动力火箭

  除了核动力飞机,人们对核动力火箭也充满渴望,有科学家认为,如果我们使用核动力火箭飞往火星,只需要30天时间。

而早在20世纪初,得知居里夫妇提炼出放射性元素镭之后,俄国航天之父齐奥尔科夫斯基就预言:“一吨重的火箭只要用一小撮镭,就足以挣断与太阳系的一切引力联系。”

继核动力飞机后,1957年,美国人又开始了核火箭的研制,这就是猎户座核火箭计划。

猎户座核火箭计划

这是一个现在看来相当疯狂的计划,即使出现在科幻小说中,也会给人一种异想天开的感觉,你猜他们是怎么推进火箭的?用原子弹爆炸的方式!

具体过程是这样的,使用一颗颗小当量原子弹在火箭尾部相继爆炸,火箭后面安装的推进盘可以吸收爆炸产生的冲击波,并借此获得动力。

疯狂的核动力飞机和火箭

猎户座核火箭升空示意图

  很容易想象,核火箭升空的过程就像海洋里的水母,一蹦一蹦的,每扔掉一颗原子弹,火箭就向上窜出一段距离。

根据设想,在起飞阶段,每秒引爆一颗100吨TNT当量的小型原子弹,当火箭到达一定速度和高度后,引爆速率下降到每10秒一枚,由于已经远离地面,此时引爆的是2万吨当量的核弹。

疯狂的核动力飞机和火箭

研究人员用常规炸弹试验

疯狂的核动力飞机和火箭

研究人员用常规炸弹试验

疯狂的核动力飞机和火箭

研究人员现场实验照片

疯狂的核动力飞机和火箭

研究人员使用常规炸弹实验照片

以地球喜欢的方式

以上这种方式对地球很不友好,注定胎死腹中。而另一个更安全的方式是,先用多根火箭把飞船升到太空,远离人间后再尽情地抛洒核弹。

疯狂的核动力飞机和火箭

用常规火箭升空

疯狂的核动力飞机和火箭

猎户座核火箭发射过程

疯狂的核动力飞机和火箭

猎户座核火箭模拟发射过程

疯狂的核动力飞机和火箭

猎户座核火箭模拟发射过程

疯狂的核动力飞机和火箭

到达外太空后,开始点燃核弹

  显然,使用小当量核弹爆炸以提供动力,这能达到极高的速度。1958年,美国核科学家泰勒设想,如果在大气层外每颗原子弹的爆炸当量为2000吨TNT,那么引爆50颗这样的原子弹后,飞船的最大速度可达70千米/秒。

疯狂的核动力飞机和火箭

核火箭在外太空前进简单示意图

但是问题来了,这到了火星怎么办?没关系,把“屁股”调过来。

疯狂的核动力飞机和火箭

到了火星后,把“屁股“调过来,继续放核弹

现在回过头去看,猎户座核火箭计划实在是过于疯狂,但在当时的环境下,其实也是可以理解的。从1945年7月16日美国进行世界上首次核试验到1989年底,各国共进行了2000多次核试验。这其中,美、苏两国核试验次数约占总数的80%。

  既然都进行那么多次核试验了,而且还是大当量的,那么用很多小当量核弹发射火箭又有何不可?这是那个年代的想法。另外,猎户座核火箭计划还有一个在那时听上去很美好的借口:把美苏巨大核武库中的核材料充分利用起来,为人类探索宇宙做贡献。

  1963年,《禁止在大气层和外层空间进行核试验条约》生效,猎户座核火箭计划也随之走到了终点。

  有失败更有成功

  因为对环境不友好,以及技术原因,以上两种对核能的利用均以失败告终。然而,宇宙探索终究离不开核能,“旅行者1号”长久以来之所以还能与地球通讯,也全靠它上面的两枚核电池。未来的太空探索,要想大大超越现今的成绩,核能是唯一的选择。

  请关注“科普中国”,在下一个篇章我们将要说说在目前的宇宙探索中,已经广泛且成功的核能利用。

疯狂的核动力飞机和火箭

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[责任编辑:sorazhang]
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