瘋狂的核動力飛機和火箭

01-29

出品：科普中國

製作：寒木釣萌

監製：中國科學院計算機網路信息中心

打開了原子的大門，進入了核的世界，人類異常興奮，就像一個小孩第一次學會自行車，認為可以騎行到任何地方。

核武器的研製和發展主要來自一種安全上的需求，就像馬斯洛需求層次理論，它屬於比較底層的需求，見識了核威力後，人類對於核武器的發展是抵制的，並一直在努力防止核擴散。

馬斯洛需求層次理論

而核能的和平利用則是一種自我實現式的高級需求。除了核電站，各國都希望核能可以做得更多一些，他們希望建造一艘排水量超過10萬噸，50年不用換燃料的大船，成功了，這就是航空母艦，還有核動力商船、破冰船，也成功了。

核動力破冰船

他們還希望建造一艘可在深海潛游的大船，也成功了，這就是核潛艇。

到這裡就止步了嗎？那是不可能的，科學家們還希望建造能在天上繞地球飛幾十圈而不用降落的飛機，這就是核動力飛機。

核動力飛機暢想圖

核動力飛機

二戰還沒有結束，準備用原子彈終結二戰的「曼哈頓計劃」還在如火如荼地進行時，著名科學家費米就對那些科學家說，除了原子彈，大家也不要忘了研製核動力飛機。

果然，二戰剛結束，核動力飛機的研製工作還真就大張旗鼓地上馬了。

美國研製核動力飛機，出發點是想造出高性能的遠程戰略轟炸機，繞地球轉十幾圈也不用加油，這誘惑是如此的大，這種飛機能擺脫對大量機場的依賴，擺脫對空中加油機的依賴。如果改裝成核動力運輸機，那效率也是沒得說。

前蘇聯呢，他們的動力更大，那時，蘇聯還沒有航程很遠的轟炸機，所以蘇聯領導人非常希望能研發出一種可以輕鬆飛到美國任何地方的上空，進行轟炸後，還能返航的轟炸機。

1946年5月，由美國空軍主持，核動力飛機開始啟動，到1948年時，美國空軍已為此投入了1000萬美元。

蘇聯對核動力飛機的行動在早期只是只停留在報告上，直到後來，蘇聯得到情報，美國正在研製一種名為 NB-36H的核動力飛機，且進展順利。於是，蘇聯領導人也慌了，下令研製!

如何提高動力？

美國的設計方案中，有兩種驅動方式。

第一種是，飛機在天上飛行時，反應堆啟動，加熱堆芯周圍的液態金屬，接著讓高速氣流與高溫液態金屬接觸，於是氣流變成高溫高壓氣體，經過導流，這些氣體通向各個引擎的增壓渦輪，最後噴出產生後推力。這種設計是一種混合動力，即飛機起降時發動機使用的還是燃油，爬升至高空後，才切換為核動力。為什麼起降時不使用核動力？因為高速氣流通過堆芯的液體金屬，再排出，核污染比較嚴重。

第二種方案是，空氣不直接進入堆芯，而是使用熱交換器加熱空氣。熱交換器裡面有水或者液態金屬，它們循環流動，不斷把熱量從堆芯帶出來，並加熱從外面通過的空氣，如此往複。

蘇聯的設計在細節上稍有不同，但本質上都差不多。

技術難點有哪些？

這是蘇聯核動力飛機的駕駛艙設計，圖中5和6是厚重的鉛防護層和橡膠防護層。
B-36轟炸機是翼展最大的軍用飛機，美國人把反應堆加上去後，改編號為 NB-36H。
圖為 NB-36H的駕駛艙，用鉛和橡膠屏蔽層包裹，重12噸。

以上圖片告訴我們，研製核動力飛機很大的一個難點是，如何保護駕駛員不被長時間輻射？還有，若飛機墜毀後，帶來的地面核污染如何避免？當年 NB-36H裝反應堆試飛，測試反應堆對駕駛員的輻射水平時， NB-36H旁邊還跟著另一架飛機，上面裝滿了士兵，就是為了萬一NB-36H墜毀，能第一時間衝下去，封鎖現場，避免周圍群眾受到核輻射。

正在試飛中的NB-36H

核動力航母和核潛艇之所以比較容易實現，是因為它們天生就在海里，可以用取之不盡的水來冷卻堆芯，另外就是航母和潛艇體積龐大，裝一個反應堆上去後，就算再加一個幾十噸的保護罩上去，體積和重量都是可以接受的。但飛機就不同了。

後來，洲際導彈的出現降低了對核動力遠程轟炸機的需求，加上各種技術困難，美蘇這才下馬了核動力飛機計劃。
瘋狂的核動力火箭

除了核動力飛機，人們對核動力火箭也充滿渴望，有科學家認為，如果我們使用核動力火箭飛往火星，只需要30天時間。

而早在20世紀初，得知居里夫婦提煉出放射性元素鐳之後，俄國航天之父齊奧爾科夫斯基就預言：「一噸重的火箭只要用一小撮鐳，就足以掙斷與太陽系的一切引力聯繫。」

繼核動力飛機後，1957年，美國人又開始了核火箭的研製，這就是獵戶座核火箭計劃。

獵戶座核火箭計劃

這是一個現在看來相當瘋狂的計劃，即使出現在科幻小說中，也會給人一種異想天開的感覺，你猜他們是怎麼推進火箭的？用原子彈爆炸的方式！

具體過程是這樣的，使用一顆顆小當量原子彈在火箭尾部相繼爆炸，火箭後面安裝的推進盤可以吸收爆炸產生的衝擊波，並藉此獲得動力。

獵戶座核火箭升空示意圖

很容易想像，核火箭升空的過程就像海洋里的水母，一蹦一蹦的，每扔掉一顆原子彈，火箭就向上竄出一段距離。

根據設想，在起飛階段，每秒引爆一顆100噸TNT當量的小型原子彈，當火箭到達一定速度和高度後，引爆速率下降到每10秒一枚，由於已經遠離地面，此時引爆的是2萬噸當量的核彈。

研究人員用常規炸彈試驗
研究人員用常規炸彈試驗
研究人員現場實驗照片

研究人員使用常規炸彈實驗照片

以地球喜歡的方式

以上這種方式對地球很不友好，註定胎死腹中。而另一個更安全的方式是，先用多根火箭把飛船升到太空，遠離人間後再盡情地拋灑核彈。

用常規火箭升空
獵戶座核火箭發射過程
獵戶座核火箭模擬發射過程

獵戶座核火箭模擬發射過程
到達外太空後，開始點燃核彈

顯然，使用小當量核彈爆炸以提供動力，這能達到極高的速度。1958年，美國核科學家泰勒設想，如果在大氣層外每顆原子彈的爆炸當量為2000噸TNT，那麼引爆50顆這樣的原子彈後，飛船的最大速度可達70千米/秒。

核火箭在外太空前進簡單示意圖

但是問題來了，這到了火星怎麼辦？沒關係，把「屁股」調過來。

到了火星後，把「屁股「調過來，繼續放核彈

現在回過頭去看，獵戶座核火箭計劃實在是過於瘋狂，但在當時的環境下，其實也是可以理解的。從1945年7月16日美國進行世界上首次核試驗到1989年底，各國共進行了2000多次核試驗。這其中，美、蘇兩國核試驗次數約佔總數的80％。

既然都進行那麼多次核試驗了，而且還是大當量的，那麼用很多小當量核彈發射火箭又有何不可？這是那個年代的想法。另外，獵戶座核火箭計劃還有一個在那時聽上去很美好的借口：把美蘇巨大核武庫中的核材料充分利用起來，為人類探索宇宙做貢獻。

1963年，《禁止在大氣層和外層空間進行核試驗條約》生效，獵戶座核火箭計劃也隨之走到了終點。

有失敗更有成功

因為對環境不友好，以及技術原因，以上兩種對核能的利用均以失敗告終。然而，宇宙探索終究離不開核能，「旅行者1號」長久以來之所以還能與地球通訊，也全靠它上面的兩枚核電池。未來的太空探索，要想大大超越現今的成績，核能是唯一的選擇。

請關注「科普中國」，在下一個篇章我們將要說說在目前的宇宙探索中，已經廣泛且成功的核能利用。

「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。

本文由科普中國移動端出品，轉載請註明出處。