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核動力飛機技術積累成熟 為何至今未列裝部隊?

來源:科普中國-軍事科技前沿2021-03-22 10:40

  當前,艦船和航天已有裝備采用核反應堆作為主要動力來源。而航空工業卻在絕大多數情況下仍然使用化學燃料。根據目前現役機型測算,為了使航空器獲得較長的滯空時間,燃料占航空器總重量已經超過30%,極大限制了航空器應有的性能水平發揮。

  與傳統化石燃料相比,核動力裝置不僅擁有理論上幾乎無限的續航能力,而且工作時不需要氧氣參與,因此不會受到氣壓制約,為研制地球內全域到達的航空器提供了原理支撐。也正是基于核動力不需要氧氣的原理,核動力飛行器可以在任何有大氣的環境中工作。因為許多行星表面都擁有不同濃度的大氣層,所以如果我們今天開始加大對核動力飛行器的研制投入,那么中國在未來將成為地外行星探測器領域的行業領軍者。

核動力飛機技術積累成熟 為何至今未列裝部隊?

  ▲從美國NB-36H型核動力試驗飛機上,可以看出在20世紀50年代,美蘇對于核動力飛機的研究都集中在核反應堆為渦槳發動機提供動力階段。

  核動力飛行器雖然至今仍未被采用,但理論技術積累卻十分成熟。早在20世紀40年代,航空技術領先的國家就已經開始了在航空領域采用核動力的可行性研究。1942年,美國曼哈頓計劃當中,美國空軍提出了研制擁有幾乎無限續航能力的轟炸機與運輸機,“核能飛機發動機計劃”由于當時無法全面掌握核反應堆的工作狀態,再加上科研管理方式的落后,這項計劃在1961年被終止。同時期,主要技術強國爭先開展核聚變受控研究,蘇聯曾嘗試過使用小型核反應堆推進4臺渦槳發動機的設計方案,雖然飛機試飛成功,但由于防輻射屏蔽層的體積過大,項目最終下馬。因此21世紀前,如何提升設計的緊湊性降低核動力防輻射屏蔽裝置的質量尺寸,成為核動力飛行器研究的主要方向。

  進入21世紀后,為了將核聚變反應堆盡快推廣使用,核反應堆的約束技術主要分為兩個研究方向,即磁約束和慣性約束兩條技術主線。

  磁約束也被叫做持續性聚變,是將核燃料變成數百萬度的高溫等離子漿,并用特殊形態強磁場,將等離子體約束在有限空間引發核聚變,釋放巨大能量,用于發電或動力推進,目前世界上最先進的技術還停留在臺架試驗,僅為驗證原理的可行性,還沒有進入工程設計階段。

核動力飛機技術積累成熟 為何至今未列裝部隊?

▲亞洲某核能技術強國研制的相關設備

  慣性約束聚變又被稱作脈沖性聚變,利用激光或者粒子束來照射并壓縮含氫的同位素氘氚混合材料的靶丸,生成比磁約束聚變時密度要高1萬億倍的離子漿,從而產生聚變。由于這種反應時間非常快,無須強磁場束縛。但目前這項技術只能在面積約為2個足球場大小的實驗室內進行原理論證,遠沒有到工程樣機階段。

  隨著受控核聚變技術的發展,洛克希德·馬丁公司所屬的臭鼬工廠已經開始進行緊湊型聚變反應堆的設計工作,采用磁約束聚變原理,并采用新型磁場設計,尺寸為直徑2米、高4米的圓柱形,電功率100兆瓦,可為8萬戶家庭提供生活用電,是同性能慣性約束聚變堆的十分之一。洛馬公司能夠實現小型化的關鍵在于在反應堆內部采用了獨特的內置特定形狀磁場管狀設計,避開了傳統核聚變反應堆設計中只能容納有限數量的等離子體的問題。

核動力飛機技術積累成熟 為何至今未列裝部隊?

▲美國洛馬公司研制的磁約束航空核反應堆結構原理示意圖

核動力飛機技術積累成熟 為何至今未列裝部隊?

▲激光核聚變發動機原理圖

  目前世界上發展航空器核動力小型化的技術還有幾個不同分支,綜合來看,小型核聚變裝置離實用還有較大距離,特別是在等離子體靶形成、傳輸與點火等關鍵技術上還有待突破,我個人的建議是繼續加強理論研究的投入,待關鍵技術原理有明顯突破后,再進入緊湊化設計階段。從長遠發展看,核動力裝置能夠實現長航時飛行器的“動力自由”,為航空動力領域帶來顛覆性的革命,最終使飛機的航程、載荷等大幅增加甚至能實現數天不間斷的長時間空中飛行。

  劉曉峰:裝備專家,長期從事武器裝備論證、預研制工作,主持軍工企業省部級重點項目1項,為國防裝備建設提供決策性重要參考1項,參與新一代裝備關重件試制工作2項,為裝備研制和使用部門提供重要建設性改進意見并得到采納2項,擁有行業內著作1部,在《坦克裝甲車輛理事會論文集》發表裝備發展規劃論文1篇。

  出品:科普中國

  作者:劉曉峰

  策劃:金赫

  監制:光明網科普事業部

[ 責編:趙清建 ]
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