[科普中國(guó)]-核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)

簡(jiǎn)介自20世紀(jì)40年代以來(lái), 人們一直在從事核能的開(kāi)發(fā)。目前, 人們所熟知的成功利用核能的方法包括核動(dòng)力潛艇、核動(dòng)力航母以及核能發(fā)電站等。但是, 早在20世紀(jì)被稱為原子時(shí)代的四五十年代, 人們關(guān)注的焦點(diǎn)集中在核動(dòng)力汽車、火車, 利用核裝置的挖掘機(jī)械以及核動(dòng)力飛機(jī)2, 其中核動(dòng)力飛機(jī)引起了人們極大的興趣。傳統(tǒng)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是將空氣吸入, 經(jīng)低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)壓縮后在燃燒室與燃料混合燃燒產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng), 體積急劇膨脹后的氣體在前方壓力的限制下通過(guò)渦輪葉片噴出, 產(chǎn)生推力, 并且?guī)?dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn), 進(jìn)而通過(guò)機(jī)械連接將動(dòng)力傳給前方的壓氣機(jī), 再次吸入空氣, 如此循環(huán)往復(fù)的連續(xù)工作。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)克服了渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量大的弱點(diǎn), 但是在加力燃燒時(shí)一樣消耗大量的燃油。而核能發(fā)動(dòng)機(jī)則完全不存在燃料供應(yīng)量問(wèn)題。在反應(yīng)堆原料整個(gè)半衰期內(nèi), 反應(yīng)堆都能提供穩(wěn)定的能量, 用于加熱空氣。到20世紀(jì)五六十年代, 核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了轟轟烈烈的大發(fā)展, 最后由于政治原因而歸于沉寂。到80 年代末90 年代初, 隨著人們對(duì)遠(yuǎn)距離巡航飛行器和星際旅行興趣的逐漸提高,核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)再次進(jìn)入了人們的視野。

20世紀(jì)40年代至60年代的發(fā)展1 美國(guó)

最早的核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究始于20世紀(jì)40年代的美國(guó)。當(dāng)時(shí)美國(guó)希望擁有一種能掛載核武器在天空飛行超過(guò)1個(gè)月的轟炸機(jī), 也許在無(wú)人機(jī)大行其道的今天, 這個(gè)想法才有一些可行性,但當(dāng)時(shí), 美國(guó)政府確實(shí)為之投入了大量的時(shí)間和精力。

美國(guó)于1946 年實(shí)施了一項(xiàng)名為核能推進(jìn)飛機(jī)的項(xiàng)目(NEPA)。1951年, 原子能委員會(huì)參加了該項(xiàng)目, 項(xiàng)目更名為ANP(飛機(jī)核能推進(jìn))。NEPA項(xiàng)目主要關(guān)注技術(shù)研究, 而ANP項(xiàng)目則致力于將研究成果轉(zhuǎn)化成可用的核能發(fā)動(dòng)機(jī)原型。ANP項(xiàng)目的子項(xiàng)目包括Rover核能火箭項(xiàng)目、Pluto核能沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目、Snap核能輔助動(dòng)力系統(tǒng)項(xiàng)目。

ANP項(xiàng)目技術(shù)困難主要包括兩個(gè)方面。一是必須制造一臺(tái)適用核反應(yīng)堆推進(jìn)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及核反應(yīng)堆本身。二是輻射屏蔽裝置必須能控制質(zhì)量, 且有足夠的屏蔽能力。

ANP項(xiàng)目以B-36 為研究載體。在研究過(guò)程中, 對(duì)其做了大量的改進(jìn), 以適應(yīng)核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)將一個(gè)小型的空冷核反應(yīng)堆置于飛機(jī)的后炸彈艙內(nèi)(轟炸機(jī)不是用核動(dòng)力推進(jìn)), 并且制造了一個(gè)全新的機(jī)頭, 用了12 t鉛和橡膠保護(hù)機(jī)組人員。同時(shí)在反應(yīng)堆附近也增加了輻射防護(hù)裝置, 機(jī)身周圍和機(jī)艙后部還安裝了水套以吸收輻射。改進(jìn)的轟炸機(jī)名為NTA(核試驗(yàn)飛機(jī)), 代號(hào)為NB-36H, 在1955— 1957 年之間進(jìn)行了多次飛行試驗(yàn)。

B-36是當(dāng)時(shí)僅有的機(jī)身能承受該發(fā)動(dòng)機(jī)和防護(hù)裝置質(zhì)量的飛機(jī), 至于發(fā)動(dòng)機(jī)載體則首先選擇了J-53渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)是GE公司的常規(guī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),當(dāng)時(shí)尚處于計(jì)劃階段。J-53具有很高的性能, 并且認(rèn)為它可以比當(dāng)時(shí)在役的發(fā)動(dòng)機(jī)更輕松地轉(zhuǎn)化為核動(dòng)力。在項(xiàng)目早期階段, 計(jì)劃將J-53與液態(tài)金屬反應(yīng)堆相連, 用于X系列新概念飛行器X-6的研究。初始的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量達(dá)75 t, 包括5 t的反應(yīng)堆, 27 t的反應(yīng)堆輻射防護(hù)裝置, 17 t的人員輻射防護(hù)裝置,8 t的發(fā)動(dòng)機(jī)以及18 t的管路和附件。在J-53的研究遭遇困境以后, GE公司又采用了J-47 為動(dòng)力裝置, 試驗(yàn)被認(rèn)為獲得了成功。

用于實(shí)現(xiàn)核動(dòng)力飛機(jī)可靠飛行的備選方案有三個(gè):單反應(yīng)堆系統(tǒng)———全核能飛機(jī), 雙反應(yīng)堆系統(tǒng)以及核能-化學(xué)能(燃燒)組合系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)認(rèn)為第一種方案最具可行性。

核反應(yīng)堆和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究采用兩種不同的途徑:直接循環(huán)系統(tǒng)和間接循環(huán)系統(tǒng)。直接循環(huán)方案主要由GE公司負(fù)責(zé)研究, 。

在該方案中, 流道在壓氣機(jī)后轉(zhuǎn)向。氣流流入核反應(yīng)堆, 并被直接加熱, 然后流回發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部分。其進(jìn)行了一系列稱為熱交換反應(yīng)堆系列試驗(yàn)(HTRE)。試驗(yàn)涉及到了3 個(gè)反應(yīng)堆, 從HTRE-1到HTRE-3。HTRE-1 在其試驗(yàn)項(xiàng)目得出結(jié)論后轉(zhuǎn)成HTRE-2。HTRE-1 (后來(lái)的HTRE-2)成功地采用核動(dòng)力使X-39(改進(jìn)的J-47)工作。HTRE-3則是最接近飛行目標(biāo)的產(chǎn)品,它采用了固體減速, 而非早期反應(yīng)堆的液體減速, 并且以更高的功率水平為兩臺(tái)X-39發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。HTRE-3 僅限于為2 臺(tái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力, 但它有能力將其功率提到更高水平。HTRE-1基本屬于概念驗(yàn)證反應(yīng)堆。

HTRE-1實(shí)現(xiàn)了幾次全功率運(yùn)行, 最后驗(yàn)證了核動(dòng)力噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可行性。HTRE-2 則是HTRE-1的改進(jìn)型, 用于在中心六角形腔體內(nèi)試驗(yàn)先進(jìn)的反應(yīng)堆部分。采用這種方法, 不需要制造一個(gè)全新的反應(yīng)堆就可對(duì)新的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。從HTRE-1和HTRE-2 中獲得的經(jīng)驗(yàn)都用于HTRE-3 的建造上。HTRE-3是用于驗(yàn)證制造一種可實(shí)際用于飛機(jī)的核動(dòng)力系統(tǒng)可行性的最后一次嘗試。HTRE-3 的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)推進(jìn)了直接循環(huán)項(xiàng)目, 超出了工程優(yōu)化問(wèn)題中對(duì)可行性質(zhì)疑的階段。這三個(gè)HTRE反應(yīng)堆都是標(biāo)準(zhǔn)的直接循環(huán)結(jié)構(gòu), 并且在渦輪上游加裝化學(xué)燃燒室。該燃燒室可使噴管利用化學(xué)能啟動(dòng), 并且隨著反應(yīng)堆達(dá)到工作溫度而轉(zhuǎn)化到原子能加熱。工作系統(tǒng)還可在起飛和降落以及可能的目標(biāo)穿越等由于反應(yīng)堆相對(duì)較慢的響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生不利影響的階段利用化學(xué)燃燒室。

HTRE-1 到HTRE-3 進(jìn)行的試驗(yàn)驗(yàn)證了利用核反應(yīng)堆為一臺(tái)或多臺(tái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的概念。HTRE-3 的最終結(jié)構(gòu)是采用了兩臺(tái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī), 并且其尺寸適合安裝到飛行器內(nèi), 盡管該裝置并非為飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。除了提供基本概念以外, 試驗(yàn)還顯示化學(xué)-核動(dòng)力系統(tǒng)還可串聯(lián)使用。采用這三種反應(yīng)堆的發(fā)動(dòng)機(jī)都整合到可靠的混合燃燒核能渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上。每個(gè)改進(jìn)的J-47發(fā)動(dòng)機(jī)都保留其燃燒部件, 并且在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)使用, 直至反應(yīng)堆升高到合適的溫度。化學(xué)燃料將逐漸節(jié)流, 至反應(yīng)堆能提供足夠的熱量, 燃料供應(yīng)停止, 燃燒過(guò)程結(jié)束。

HTRE已經(jīng)實(shí)現(xiàn)或者超出了原先的預(yù)期, 盡管適合飛機(jī)的反應(yīng)堆核心的尺寸已大致有數(shù), 但在HTRE設(shè)計(jì)之初就并非針對(duì)飛行系統(tǒng);這一系列試驗(yàn)顯示了在采用類似HTRE-3的材料和相似的尺寸制造適合飛行的反應(yīng)堆方面, 已有技術(shù)具有可行性和可操作性。

HTRE-3并未制造出可用于飛行的動(dòng)力裝置, 這主要是因?yàn)槠洳⒎鞘莾?yōu)化設(shè)計(jì), 而僅是簡(jiǎn)單的作為研究用的反應(yīng)堆設(shè)計(jì), 用于驗(yàn)證飛行動(dòng)力裝置所需的概念。試驗(yàn)顯示, 采用與HTRE-3相同材料并為燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置提供動(dòng)力的反應(yīng)堆, 在當(dāng)時(shí)即可制造出來(lái)。

KellyJohnson和ClevelandFA在論文中表示, 當(dāng)材料技術(shù)足夠成熟, 核動(dòng)力裝置將可以迅速提高其整體效率, 進(jìn)而大大提高類似的動(dòng)力裝置以更小的尺寸安裝到飛機(jī)上的能力。

另一種方案則是普惠公司研究的間接循環(huán)方案, 但其進(jìn)展卻大大慢于HTRE。在間接循環(huán)中,反應(yīng)堆生成的熱量被反應(yīng)堆芯周圍的液態(tài)金屬冷卻劑吸收, 進(jìn)入二級(jí)循環(huán)。經(jīng)過(guò)加熱的液態(tài)金屬隨后被抽入噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的散熱器將液態(tài)金屬的熱量傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)流道中的氣流中。

普惠公司從未運(yùn)行過(guò)可實(shí)用的試驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)際上, 他們的研究?jī)H限于部件測(cè)試。其研究的方案主要包括兩種:一種是固體核心反應(yīng)堆, 液態(tài)金屬在固體反應(yīng)堆核心周圍流動(dòng);另一種是流動(dòng)燃料設(shè)計(jì), 其燃料與冷卻劑混合, 隨著冷卻劑繞中心層流動(dòng)實(shí)現(xiàn)臨界質(zhì)量。其中流通燃料設(shè)計(jì)顯示了可行性, 因此, 超臨界反應(yīng)堆的方案被擱置。

普惠公司在液態(tài)金屬冷卻環(huán)路設(shè)計(jì)、防腐蝕以及熱交換設(shè)計(jì)方面完成了大量的研究工作。但普惠公司的工作并未制造出可供試驗(yàn)的反應(yīng)堆, 更不必說(shuō)可供飛行試驗(yàn)。在長(zhǎng)期運(yùn)行方面, 間接循環(huán)顯示了更高的可行性, 但還需要進(jìn)行大量的研究。在這些試驗(yàn)項(xiàng)目取得成功的同時(shí), 也有其它一些項(xiàng)目失敗了。很多項(xiàng)目在開(kāi)始時(shí)投入大量的時(shí)間和財(cái)力, 卻在對(duì)項(xiàng)目方向進(jìn)行調(diào)整時(shí)下馬。美國(guó)政府在報(bào)告ANP項(xiàng)目時(shí)也列舉了這些項(xiàng)目, 如飛行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備, 用于在地面和試驗(yàn)飛行器上對(duì)飛行__發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。該設(shè)備的費(fèi)用超過(guò)800 萬(wàn)美元, 但卻并未在ANP項(xiàng)目中得到利用。又如建造的輻射體實(shí)驗(yàn)室被用于研究空氣熱交換器上的液態(tài)金屬, 花費(fèi)600萬(wàn)美元以后, 僅完成了一個(gè)防護(hù)裝置, 此后由于軍方想法的變化而終止。再如某實(shí)驗(yàn)室研究真空狀態(tài), 投入超過(guò)100 萬(wàn)美元, 并于1961年投入使用, 同月ANP項(xiàng)目取消。類似浪費(fèi)的例子還有很多,但這并非是技術(shù)人員的問(wèn)題, 而是領(lǐng)導(dǎo)層(決策層)想法的變化和設(shè)備不可用的原因。

2 蘇聯(lián)

蘇聯(lián)也在相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展了研究。20世紀(jì)50年代計(jì)劃研制一架飛行器和一架飛艇, 質(zhì)量將達(dá)1000 t。原計(jì)劃在巨大飛行器上安裝4臺(tái)原子能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。飛行器的翼展將超過(guò)130 m, 發(fā)動(dòng)機(jī)的總功率將超過(guò)36.75 ×106 W。該飛機(jī)將能裝載1000名乘客和100t載荷, 速度達(dá)1000 km/h。

計(jì)劃在反應(yīng)堆外部安置5層防護(hù)層:第一層:氧化鈹反射體;第二層:用于從壁面吸熱的液態(tài)鈉;第三層:鎘, 用于吸收慢中子(Slow Neutrons);第四層:固體石蠟, 用于為快中子減速;第五層:鋼外殼, 用于吸收慢中子和伽馬射線。這種多層“裝甲”可以降低防護(hù)層必要的質(zhì)量和尺寸。

蘇聯(lián)研究的很多方案與美國(guó)相似, 包括直接和間接循環(huán), 渦輪螺槳, 防護(hù)層以及所需的特殊地面處理。蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的原子能動(dòng)力裝置質(zhì)量達(dá)73t。與X-6推進(jìn)系統(tǒng)原結(jié)構(gòu)的75t相比, 兩者差別不大。

如果可能在反應(yīng)堆周圍放置像地面上那么多的防護(hù)層, 就可將輻射降低到可以忽略的水平。然而防護(hù)層總質(zhì)量的限制卻意味著這種想法是不可行的。實(shí)際上, 研究人員如此關(guān)注分離防護(hù)的概念就是為了將防護(hù)層的總質(zhì)量降低到一個(gè)可承受的程度。 所謂分離防護(hù)層, 就是指在反應(yīng)堆和機(jī)組人員之間的防護(hù)層是分離的, 通過(guò)這種方法可將防護(hù)層的總質(zhì)量降到最低。

這種防護(hù)層當(dāng)然可以降低總質(zhì)量, 但這也意味著飛機(jī)將暴露在更高程度的輻射中, 并且一旦在地面狀態(tài)下, 更多輻射將侵襲周圍的區(qū)域。這些問(wèn)題可以通過(guò)采用新型材料或者能在更高輻射程度的環(huán)境下工作的飛機(jī)設(shè)備來(lái)克服。而分離防護(hù)層還有其它一些好處:輻射的方向特性還可以使飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和部件得益, 因?yàn)榉雷o(hù)材料以及類似機(jī)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(jī)組人員艙后部所需的防護(hù)層厚度。分離防護(hù)概念的研究, 通過(guò)增加反應(yīng)堆功率密度、提高反應(yīng)堆工作溫度等措施來(lái)提高推進(jìn)效率和飛行器性能,并降低反應(yīng)堆尺寸, 從而減小防護(hù)層的尺寸, 同時(shí)也由此為飛機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)好處。盡管對(duì)實(shí)際機(jī)身的研究遠(yuǎn)未深入, 但在動(dòng)力裝置方面確實(shí)完成了大量的研究工作。

20世紀(jì)90年代以后的發(fā)展自從20世紀(jì)60年代后期核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究歸于沉寂以后, 核能在動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要集中在航天空間所使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及潛艇的核動(dòng)力上。

隨著巡航導(dǎo)彈和無(wú)人機(jī)的發(fā)展, 核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)于20世紀(jì)90年代末再次進(jìn)入了研究人員的視野。而1998年, 觸發(fā)異構(gòu)體反應(yīng)(TriggeredIsomerReaction)的發(fā)現(xiàn)和觸發(fā)式異構(gòu)體熱交換器(TriggeredIsomerHeatExchanger,TIHE)的發(fā)明為核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)拓了另一片天地。

1998年, 德克薩斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn), 當(dāng)他們使用dentalX射線對(duì)鉿異構(gòu)體-鉿178進(jìn)行轟擊時(shí), 能顯著提高其能量衰減速度, 并使其釋放比X射線強(qiáng)60倍的γ射線。盡管這讓人難以理解, 但卻是符合物理學(xué)原理的。在亞原子級(jí)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(chǎng)小型雪崩一樣。

這種新發(fā)現(xiàn)的核反應(yīng)類型有一個(gè)突出的特點(diǎn):如果關(guān)閉X射線機(jī), γ射線的輸出會(huì)立即大幅下降, 因此, 控制起來(lái)十分方便。此外, 由于這種反應(yīng)只產(chǎn)生γ射線輻射, 故所需要的屏蔽較少。即使發(fā)生事故, 它對(duì)環(huán)境的影響也比核裂變反應(yīng)堆要小得多。鉿178的半衰期只有31年,而其它用作核反應(yīng)堆燃料的元素(鈾和钚等)半衰期卻可達(dá)數(shù)千年。該衰變能夠提供大量的熱量。如果能將一部分用于高推重比熱交換器推進(jìn)系統(tǒng), 無(wú)論是對(duì)飛機(jī)還是飛船來(lái)說(shuō)都將是一場(chǎng)革命。該動(dòng)力的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是主要產(chǎn)生伽馬輻射。盡管仍有一定的危險(xiǎn), 但對(duì)防護(hù)的要求大大降低。量子核反應(yīng)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(yīng)堆中, 鉿卻是用來(lái)減緩鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的元素。所謂鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就是一個(gè)原子分裂釋放出的中子又去轟擊相鄰的原子, 使它也發(fā)生分裂, 從而使反應(yīng)得以持續(xù)。鉿原子具有很強(qiáng)的吸收中子而不發(fā)生裂變的能力, 因此, 它在裂變類反應(yīng)堆中用作制動(dòng)器或控制桿。

基于觸發(fā)異構(gòu)體反應(yīng)研究的TIHE則成為了新的動(dòng)力來(lái)源。與20世紀(jì)五六十年代研制的核裂變噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比, 以TIHE替代燃燒室的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)輻射防護(hù)的需求由于觸發(fā)異構(gòu)體反應(yīng)中施放的中子和放射性產(chǎn)物的減少而大大降低。這也使得防輻射裝置的質(zhì)量大大降低。當(dāng)然缺點(diǎn)是共同的, 即在整個(gè)飛行過(guò)程中熱交換器施放輻射。該輻射能輕易影響導(dǎo)彈上的導(dǎo)航設(shè)備, 并且對(duì)載機(jī)及上面的工作人員造成傷害。由于該飛行器是一種巡航導(dǎo)彈, 速度當(dāng)然越高越好, 同時(shí)高速也意味著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的提高。由于輻射防護(hù)裝置的質(zhì)量與熱源的輸出功率直接相關(guān), 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(gè)最佳的折衷方案。

目前尚未找到關(guān)于這種新型動(dòng)力裝置的具體方案。但美國(guó)空軍在該領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了一些研究, 以AGM-86 巡航導(dǎo)彈為原型, 研究了適合其工作環(huán)境的核能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和核能沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。研究結(jié)果顯示, 在海平面狀態(tài)下, J-57 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃燒室和熱交換器能提供相等的推力。研究結(jié)論包括幾點(diǎn)。

第一, 如果熱生成速率可控, 熱交換器材料本身是異構(gòu)體, 就可利用一些不同的結(jié)構(gòu)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(duì)加熱能力的需求可能由于與該高度下發(fā)動(dòng)機(jī)性能相關(guān)的熱力學(xué)而下降。這導(dǎo)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(gè)結(jié)論是該熱源能夠大大增加飛行器性能, 并且顛覆很多任務(wù)的執(zhí)行概念。熱交換器的幾何形狀和結(jié)構(gòu)可根據(jù)特定的飛機(jī)或平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化。__以TIHE為動(dòng)力的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與傳統(tǒng)動(dòng)力的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不同, 因?yàn)楫悩?gòu)體的燃料消耗幾乎可以忽略不計(jì)。這實(shí)質(zhì)上消除了飛行器在射程上的限制。研究人員利用戰(zhàn)斗機(jī)空載模型計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)AGM-86C射程為740 km, 而TIHE為動(dòng)力的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)則可將射程提升至8 200 km。在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)上用TIHE替換常規(guī)燃燒室是提高空射巡航導(dǎo)彈射程的絕佳途徑。

2003年, 美國(guó)空軍在TIHE研究成果的基礎(chǔ)上, 開(kāi)始研究一種采用核能/普通渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)組合動(dòng)力的高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)。飛機(jī)在起飛、爬升、下降和著陸時(shí)以普通的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力, 而在高空巡航時(shí)則以基于TIHE燃燒室的發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力, 這種無(wú)人機(jī)可在高空持續(xù)飛行1個(gè)月。經(jīng)過(guò)對(duì)渦槳、渦扇、渦噴和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的評(píng)估, 最后認(rèn)定一種Ma=0.5的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為最佳的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī), 所選發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)與全球鷹無(wú)人機(jī)的動(dòng)力裝置AE3007很接近。

出于環(huán)境等方面的考慮, 在6100 m以下的飛行高度, 普通的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)將提供飛機(jī)所需的動(dòng)力。普通發(fā)動(dòng)機(jī)和核能動(dòng)力轉(zhuǎn)換的最佳高度和速度分別是12km和Ma=0.4。這種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)將需要一個(gè)厚70mm、質(zhì)量1250 kg的前導(dǎo)輻射防護(hù)屏, 這個(gè)質(zhì)量占無(wú)人機(jī)起飛質(zhì)量的11%, 占普通全球鷹無(wú)人機(jī)燃油質(zhì)量的19%。研究認(rèn)為, 對(duì)于一種執(zhí)行7天任務(wù)的、采用TIHE/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)組合動(dòng)力的高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō), 可減少超過(guò)2250 kg的質(zhì)量。2008 年, 英國(guó)政府啟動(dòng)了Omega項(xiàng)目, 開(kāi)始研究核動(dòng)力飛行。

總結(jié)目前的巡航導(dǎo)彈和無(wú)人機(jī),其因受燃料的限制,其續(xù)航能力的提高難度很大。而續(xù)航能力強(qiáng)恰恰是核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)所在。美國(guó)無(wú)論是在AGM-86的原型上進(jìn)行的研究還是以全球鷹無(wú)人機(jī)為研究平臺(tái)的研究,提高射程是最為關(guān)鍵的一點(diǎn)。無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,擁有幾乎無(wú)限續(xù)航能力的核動(dòng)力無(wú)人機(jī),這種想法無(wú)疑對(duì)任何國(guó)家來(lái)說(shuō)都是一種不可抵擋的誘惑。

20世紀(jì)五六十年代研究的核能航空發(fā)動(dòng)機(jī), 其原理與現(xiàn)在的研究存在一定的差別,當(dāng)時(shí)動(dòng)輒幾十噸的發(fā)動(dòng)機(jī)和屏蔽裝置確實(shí)極大地限制了核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。2000年以后,隨著新的核反應(yīng)方式的發(fā)現(xiàn),以及新的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)和遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈的需求, 美國(guó)對(duì)核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究的興趣又逐漸抬頭,技術(shù)的進(jìn)步也確實(shí)給核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究帶來(lái)了新的契機(jī)3。

然而, 核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究仍處于起步階段,只有很好地解決了核反應(yīng)堆小型化和核輻射屏蔽這兩個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題, 并且在核污染方面做到有效控制, 核能航空發(fā)動(dòng)機(jī)才有可能真正走向?qū)嵱没?/p>