美苏核动力轰炸机实验始末

源济

美苏核动力轰炸机实验始末 

2016-07-07 雷曼军事网 空军之翼

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）

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。）

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。机翼展弦比较大，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。机身前部有透明机头罩，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/秒，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。）

对原型机的改造还包括机身后段特制的弹药舱，这里原先用于挂载炸弹，现在则将用于装载全机最核心的堆芯和循环系统。由于反应堆的体积较大，改造工作不亚于一次重新设计。经过一系列改装，工程师们最终将核堆芯及附属的循环系统、防护系统装上了这架编号为51-5712的B-36型核试验机，后来又采用了新的军用编号和绰号：NB-36“十字军战士”。

为与其他B-36相区别，其机尾垂翼上也涂上了一个大大的放射性标志，其高温液态金属（液态钠）堆芯，代号为R-1，额定功率为1兆瓦。每次NB-36飞行前，技术人员都会在康维尔公司位于沃斯堡的装配厂房内细致地用绞盘将R-1吊进飞机中后部的动力舱内；而飞行结束后，R-1又将被卸下用于研究。

原型机的引擎采用混合配置，由4台涡喷发动机和6台活塞式螺旋桨发动机组成。改装后，动力系统做了如下调整，螺旋桨动力改为4台通用公司的的J47型，它采用核反应堆能量驱动，单台功率达到3800马力；4台涡喷发动机，单台推力5200磅。每台发动机通过一组堆芯热能直循环系统利用反应堆的能量。当然，机上还载有相当数量的燃油，用于飞机起飞和降落阶段，或反应堆异常时使用。

（NB-36H 的机载核反应堆控制系统仪表盘）

1955夏季~1957年秋季，NB-36完成了47次成功的试飞，但主要使用化学燃料进行常规飞行，R-1反应堆也数次被带到空中做过短暂的开机试验，但并未实质性地用于产生推力，只是试验和收集数据，以验证空中机载平台核反应堆持续产生动力的可靠性和安全性。尽管有限的试飞中，核反应堆并未满负荷运行推动飞机，但实验验证了这种动力确可用于空中平台的长航时飞行。就在设计人员正准备进行核反应堆的全功率试飞时，却遭遇了难以逾越的障碍，驻地民众强烈质疑核动力飞行的安全，这毕竟是一架装载着大量核材料的飞行器，一旦发生事故，即使不引发核爆炸，单是泄漏、散失的放射性部件也将造成巨大的恐慌。最终，基于当时的技术条件限制和政治原因，NB-36核动力轰炸机项目在耗费了至少4.69亿美元后，于上世纪60年代末期正式被美国空军终止。

NB-36虽然是为战争而生，但所幸的是并未投入量产和实战部署，作为人类历史上唯一实际升空飞行过的核动力飞行器，其空前绝后的经历将永远成为人类航空科技发展史上不可磨灭的印记。

（试飞中的 NB-36H）

图－119与M-60：破碎的红色梦幻

正当美国人热火朝天地开发核动力轰炸机时，苏联人也没闲着。1955年8月12日，苏联部长会议下达第1561-868号决议，决定分别由安德烈·图波列夫和弗拉基米尔·米亚舍夫领衔，组织苏联航空工业界开发核动力大型飞行器。事实上，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，只是当时最迫切的目标是开发出原子弹，而不是应用核能。如今时机已成熟，苏联的核动力航空器研制遂迅速拉开了帷幕。

和美国同行一样，苏联设计师们一开始就将热直循环方式作为未来机载反应堆的能量传输模式；不同的是，苏联没有全在能量传输的循环方式上下功夫，而是试验了更多种类的引擎，冲压喷气引擎、螺旋桨引擎、涡喷引擎等，都经过了与核动力的搭配试验。经过大量的筛选试验，最终确定了以涡轮喷气引擎配合核动力的热直循环模式作为未来飞行器的动力组成。

（核反应堆在进行地面试验）

苏联人的设计方案中，空气进入涡喷引擎进气口后，经过压缩机压缩后成为高压气体，再经由一个高压气室导向堆芯区域，这些气体将直接作为堆芯的冷却介质被加热；之后，高温、高压气体到达另一个高压气室并被分流导向各个喷气引擎，驱动涡轮产生推力。最初，苏联工程人员面临的主要问题是核动力装置的体积和重量，加上核装置的防护、屏蔽造成超重问题，都成为急需克服的技术障碍。

图波列夫设计局很清楚这一工程的复杂性，并预计将花费20年时间，即在70、80年代，生产数架可飞离地面的核动力飞机原型机。项目分数阶段实施，第一阶段于1955年底开始，开发并试验可机载的小型核动力反应堆。1956年3月，苏联决策层决定由图波列夫设计局尽快为核动力飞机设计载机平台，图波列夫遂以图-95M轰炸机为基础做了大量修改，作为未来核动力的载机，被称为图-95LAL。到1958年初，飞机完成各项改装，装备装载上核动力装置进行地面试车；当年夏天，载机和核动力装置成功完成了地面开机试验，堆芯成功达到预定功率，这为下一阶段空中试飞开机铺平了道路。1961年5月至8月，图-95LAL进行了总数多达34次的研究性飞行，多名试飞员、设计师、工程师和物理学家参加了测试。结果表明，这种飞机的性能差强人意，但存在的问题也不少，例如机体过重、续航能力不理想等。不过，最关键的还是安全问题，特别是在灾难情况下如何避免核污染。

（正在向机腹内吊装核反应堆）

在这些试飞中，大多数时间核反应堆都未开机，飞行阶段的主要目的在于检查核装置屏蔽系统的可靠性。至于防护罩的组成也和美国人的一样：氧化铍、镉、固体石蜡和钢板。在对机组成员的核防护上，再一次显示出了美、苏在技术上的异曲同工，苏联设计人员除了对堆芯重点防护外，对机组舱也做了重要的防护，使机组舱内的辐射水平降至可接受的程度。解决了防护问题后，计划的下一阶段便是制造一架样机，主要用于试验空中核动力飞行试验。样机依然以图-95为基础设计，代号为119号样机，它吸取了前一阶段的经验。与第一架原型机相比，此架飞机的主要区别在于其近机身的四台引擎；它换装了新的、搭配了热交换器的NK14a型涡轮桨引擎，至于两台NK12Ms发动机仍保留不变。

在第119号样机设计之时，库兹涅佐夫设计局也紧锣密鼓地展开了利用核能的引擎研制工作。核反应堆位于机身中后部弹药舱内，反应放热通过直循环系统将气体加压、加温，再通过连接管路输往各部引擎。图波列夫估计119样机最快也得在1965年进行实机试验。该实验完成后，119样机的引擎将更换成4台由NK 库兹涅佐夫设计局开发的NK14a引擎。然而，由于预算限制和种种安全原因，这种利用核热能的NK14a引擎却始终未能如期完成，到1966年8月第119号样机的后续制造被彻底放弃。但这并不意味着苏联完全终止了核动力飞机计划。苏联已调整了计划，准备设计一种以原子能为动力的超音速大型轰炸机，代号120号样机。

（图中隆起的鼓包处，就是安装核反应堆的位置。）

其实，就在119号样机正在进行一系列试验时，图波列夫的120号样机就已开始进入研制阶段。120机装备两台库兹涅佐夫设计的涡喷发动机，堆芯装配在机体离机组舱尽可能远的后部，减少了对机组人员和敏感的航电设备的辐射。120样机采用全新设计的机体，常规气动布局，机翼采用当时最流行的后掠45°的超音速翼形。但120样机的命运甚至连119号样机都不如，只存在于设计图上，很快就因与119号样机同样的原因被放弃。

图波列夫设计局在放弃120号样机后，又酝酿研制第132号样机，但与前两种样机一样，132号样机也很快被放弃。其原因主要是考虑到，当时苏联在洲际战略核导弹和导弹核潜艇方面已取得突破，用这些战略核力量同样能达到核威慑的目的，如果硬是在自己所不擅长的战略空军领域与美国争雄的话，那将事倍功半；而且，当时苏联的军工制造工艺较西方落后，核动力飞机在空中一旦失事，必定造成大规模的核污染，这是任何一个决策者所难以承受的。至此，图波列夫设计局开发核动力轰炸机的努力告一段落。

（唯一的一架图－119实验样机）

1955年夏，与图波列夫设计局同时展开核动力飞机项目的还有米亚舍夫设计局。同年5月19日，苏联部长会议指令该设计局进行预研，并命名为M-60样机。M-60的第一张设计草图于次年7月完成；与此同时，留里卡设计局的新引擎研制工作也同时展开，其预定推力为4.96万磅。和NB-36一样，M-60在起飞和降落阶段也采用化学燃料，只在空中稳定阶段开启核反应堆，进行2倍音速的巡航。

（图－119三视图）

核反应堆部署在机身尾部，机组舱采用防辐射的重金属和吸收中子材料裹住。载机采用全新的设计，梯形翼、机体细长，T形尾翼，进气口和4台发动机配置在机体两侧；为了减轻核辐射对机组人员的影响，发动机分成上下两层，并排安装在飞机尾部的隔离舱里。导弹和炸弹则直接安装在悬挂架上，部署在机舱内部。全机预计长51.51米、翼展26.21米，起落架为常规三点式。该机的时速超过2倍音速，航程达2.5万千米、实用升限超过2万米。但遗憾的是，M-60也从未制造出来。

按照计划，M系列核动力飞机将于1966年进行首飞，但米亚舍夫设计局在1959年秋转向了太空火箭项目。于是，M系列核动力飞机项目搁浅，只留下一堆图纸被封存在铁皮保险柜里。出于安全考虑，苏联政府最终放弃了M系列核动力战略轰炸机的研究。而苏联制造出的唯一一架核动力飞机——图-95LAL，与其他试验飞机的命运一样，被长期搁置在机库里。20世纪70年代初，它被移交给伊尔库茨克航空技术学院，将核反应堆拆除后作为教学工具使用。在戈尔巴乔夫时代，美国和苏联达成大规模销毁战略武器的协定，出于保存本国现役核打击平台的需要，苏联政府拿图-95LAL当“替罪羊”销毁，为被销毁的战略武器充数。

（M-60设计草图）

核动力轰炸机夭折的原因

核反应堆整体小型化困难重重　

美苏两国的核动力轰炸机项目都是利用当时现役的载机平台进行核动力改装，因此影响核动力轰炸机项目成败的关键因素就在于飞机上使用的小型化核反应堆。从近期解密的资料来看，在20世纪50、60年代核反应堆的小型化技术已经可以实现。NB－36项目所用的小型核反应堆的核心部分不过也只有约1.6吨重。而且就在当时，美国还曾研制过一种核动力巡航导弹，导弹上的核反应堆更小更轻。但是以重金属铀为燃料的核反应堆有一个最大的问题，那就是它时刻都在向四周发散着能杀死任何生物的核辐射。而要屏蔽和降低辐射的强度，使其对机组人员无害，就必须在核反应堆和机组人员之间加装厚重的重金属防护层。而这将会使反应堆整体上变的至少有20到30吨重。例如，NB－36项目中的小型反应堆在加装重金属防护层后达20多吨重，这还不包括在飞机重要部位上加装的防护材料的重量。而前苏联图－119样机上所用的核反应堆由于直接装在飞机内部，因此为其加装的防护层的重量只会更重。增加几十吨的重量对于排水量几万吨的核动力航空母舰或近万吨的核动力巡洋舰、核动力潜艇来说不算什么问题，可对于最大飞行载重就几十吨的大型轰炸机而言，这显然是太重了。巨大的重量会对载机平台本身的结构产生严重影响，同时也大大降低了飞机的机动性能和完成轰炸任务的能力。因此，即使是从现在的技术角度来看，对于核动力飞机实验项目来说，最难的并不是反应堆的小型化，而是如何轻量化反应堆的核辐射屏蔽。

（NB－36H在加装核反应堆）

核反应堆的散热问题难以解决　

众所周知，核反应堆在工作时会产生大量的热量，如不能在冷却剂的作用下及时排出，核反应堆堆芯部位的温度会不断升高。一旦核反应堆中心的温度超过了摄氏2000度，反应堆的堆芯就会被熔化。而这将会导致极为严重的后果。一般核反应堆最常用的冷却剂是淡水。也正因如此，大型的民用核电站在选址上一般都会选择靠近大海等有充足水源的地方。同样，在大洋上行驶的核动力航空母舰、核动力巡洋舰及核动力潜水艇等也不用考虑冷却反应堆用的淡水问题。但对于要长时间在空中飞行的核动力轰炸机来说，有关核反应堆的冷却技术就成了大问题。从现有资料来看，美苏两国散热试验的效果都不理想，均未能解决好反应堆在空中的散热问题，使得反应堆不能长时间稳定工作。

核动力轰炸机的自身的安全问题突出　

在对核动力轰炸机项目进行深入试验后不久，美苏两国的高层都认识到，即使核动力轰炸机研制成功，其自身的安全性就是一个重大问题。因为，即便是核动力轰炸机在平常飞行中安全且无污染，但在作战中则存在难以控制的巨大风险。一旦被击落，肯定会产生类似切尔诺贝利核电站核泄漏事故那样严重的后果。　正是核动力轰炸机在自身定位上的缺陷和安全性方面的先天不足，成为后来纷纷下马的重要因素。

（当时美国人曾设想过一种可分解的模块化组件设计，飞行员遇到紧急情况时可及时逃离。）

军事科技的迅猛发展使其很快沦为“鸡肋”

在美苏两国进行核动力轰炸机试验的上世纪50、60年代，也是世界军事科技迅猛发展的时代。随着远程火箭发动机技术、固体推进剂技术、精确制导技术及潜射弹道导弹技术等相关军事科技的发展成熟和运用，使得美苏两个军事强国都将发展核打击力量的重点从远程轰炸机转向了远程导弹，特别是陆基洲际弹道导弹和潜射弹道导弹。由于洲际弹道导弹的出现，核动力轰炸机实际上已被判了死刑。由于核动力轰炸机价格高昂，突破敌人领空的能力又不如弹道导弹，因此遭到诸多质疑。尤其是在美苏联都大量拥有洲际弹道导弹及本土防空网的日益强化的上世纪60年代，轰炸机的报复成功率，难以和洲际弹道导弹相比。因此，核动力轰炸机已完全失去了存在的意义，其试验机自然难逃被拆解或被封存的命运。

（（美）罗尔·科隆 毛 翔 张孟月 编译）