攻　堅(jiān)

飛機(jī)是靠發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)往前飛的。目前除了小型的或民用的飛機(jī)還有使用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)之外，大都采用空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)了。這種發(fā)動(dòng)機(jī)靠燒煤油供給所須的能量。就是說，空氣從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入到燃燒室，與煤油混合以后進(jìn)行燃燒，使氣體的溫度及壓力都大大提高，然后再以高速度噴出飛機(jī)外。氣體噴出的速度比進(jìn)入時(shí)的速度大得多，因此就產(chǎn)生反作用推力，使飛機(jī)前進(jìn)。加入煤油進(jìn)行燃燒，目的就是把熱量交給氣體，然后氣體把所得的熱量轉(zhuǎn)化為功。目前使用的發(fā)動(dòng)機(jī)都是通過燃燒而獲得熱量，即通過化學(xué)反應(yīng)而獲得?；瘜W(xué)燃料在地球的儲(chǔ)藏量是有限的。拿煤油來說，按目前的消耗量消耗下去，據(jù)統(tǒng)計(jì)，只能再用200年。因此人們需要努力去尋找別的燃料。

隨著近代物理學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了鈾被中子轟擊后，引起分裂，隨之放出巨大的熱量。這就是所謂原子能。在最近的幾年中，人們已經(jīng)成功地用原子能來進(jìn)行發(fā)電，如原子能電站，或者用于船舶上，如原子破冰船、原子潛水艇等。能不能在航空上利用這種原子能呢？這個(gè)問題的答復(fù)是肯定的。大家都知道，蘇聯(lián)正在建造這種原子飛機(jī)，并且曾試飛過。所以，在不久的將來我們完全可以看到原子飛機(jī)在天空飛翔。

采用原子能作為動(dòng)力顯然有很多地方優(yōu)越于采用化學(xué)燃料。首先從發(fā)熱的能力來看，一公斤的鈾235(質(zhì)量數(shù)為235的金屬鈾)分裂后產(chǎn)生的熱量為一公斤煤油所生熱量的二百萬倍。所以消耗少量的鈾就可產(chǎn)生大量熱能。據(jù)估計(jì)，飛機(jī)只消耗500－600克的鈾就可以作繞地球一周不著陸的飛行。如果用化學(xué)燃料的話，就必須消耗1000噸的煤油。另外，由于小量鈾就能產(chǎn)生大量熱，可以想像，飛機(jī)會(huì)獲得比一般化學(xué)燃料的飛機(jī)大得多的能量。這樣，原子飛機(jī)就不但可以飛得更遠(yuǎn)，還可飛得更高，飛得更快。

原子反應(yīng)堆

大家都很熟悉，原子反應(yīng)堆是產(chǎn)生原子能的裝置。因此任何原子能動(dòng)力裝置的重要組成部分就是原子反應(yīng)堆。原子航空發(fā)動(dòng)機(jī)也是如此。因此應(yīng)該先研究一下原子反應(yīng)的情況。

鈾235原子分裂及釋放熱量的同時(shí)，放出二個(gè)到三個(gè)中子，這些中子又去轟擊其他鈾的原子核，又引起鈾核分裂，如此下去，就成為鏈鎖反應(yīng)。在這個(gè)過程中，不斷有原子核分裂，于是就不斷產(chǎn)生熱量。反應(yīng)堆的任務(wù)就是要維持可以為人們控制的鏈鎖反應(yīng)，這樣人們就可以按照動(dòng)力裝置的需要來控制反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量。圖1是一個(gè)飛機(jī)上可能采用的原子反應(yīng)堆的原理示意圖。鈾分裂時(shí)產(chǎn)生的中子的速度是很高的，一般叫作快中子。如果快中子在減速劑中與其原子核多次碰撞后，中子速度就可以減低，這叫慢中子。快中子轟擊鈾核后引起分裂的機(jī)會(huì)比慢中子小些?？靠熘凶邮光櫤朔至训慕锌熘凶臃磻?yīng)堆。相反，靠慢中子引起鈾分裂的叫慢中子反應(yīng)堆。慢中子反應(yīng)堆中，鈾棒周圍是減速劑。為了防止中子過多的漏泄到反應(yīng)堆外，在反應(yīng)堆四周加上反射層，使中子能反射回來。在反應(yīng)堆內(nèi)，鈾棒周圍都有載熱劑經(jīng)過，它可以是空氣或者是其他氣體，或者可以使用液體狀態(tài)的金屬。載熱劑的目的是把鈾棒發(fā)出的熱量帶走，載熱劑由一個(gè)泵帶動(dòng)，使它不斷地循環(huán)。要想維持一個(gè)恒定的功率，就要求反應(yīng)堆發(fā)出恒定的熱量。而發(fā)出的熱量是正比于鈾核分裂的數(shù)目的，也即是正比于反應(yīng)堆內(nèi)中子的數(shù)目。因此須要控制反應(yīng)堆內(nèi)中子數(shù)目。反應(yīng)堆內(nèi)插有控制棒，它一般是由吸收中子能力強(qiáng)的物質(zhì)(如硼、鎘等)制成?？刂瓢舻膭?dòng)作是自動(dòng)控制的。當(dāng)中子數(shù)目少了，控制棒就自動(dòng)地抽出一些，吸收中子就少些，發(fā)動(dòng)機(jī)須要增加或減少功率時(shí)，就可操縱控制棒抽出或插入。

圖1原子反應(yīng)堆方案圖

1.支持板2.減速劑3.反射層4.控制棒5.外殼6.鈾棒

在航空上，快中子反應(yīng)堆或慢中子反應(yīng)堆都有可能被采用。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。但是快中子反應(yīng)堆對(duì)航空來說，優(yōu)越性更大一些。因?yàn)榭熘凶臃磻?yīng)堆和慢中子反應(yīng)堆在同樣的體積或重量下，前者能產(chǎn)生更大的功率。這就是說，采用快中子反應(yīng)堆，發(fā)動(dòng)機(jī)重量輕些，尺寸小些，而且功率可大些。另外采用快中子反應(yīng)堆的材料的限制性也少些。但是快中子反應(yīng)堆要裝入較多的金屬鈾才能維持鏈鎖反應(yīng)。不過優(yōu)點(diǎn)還是主要的。

原子能沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)

圖2是原子沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖。反應(yīng)堆相當(dāng)于化學(xué)燃料的沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。高速度的空氣由進(jìn)口進(jìn)入，經(jīng)過擴(kuò)散，減速，壓力提高后，就進(jìn)入反應(yīng)堆，反應(yīng)堆把空氣加熱了，然后噴出去。如果反應(yīng)堆發(fā)熱量大，發(fā)動(dòng)機(jī)推力就可以增大。但是鈾棒的包皮的材料，目前只能承受一千度左右的溫度，因而空氣的溫度就只能低于一千度。而使用化學(xué)燃料燃燒時(shí)，空氣的溫度要比這數(shù)值高一些，因?yàn)槿紵龤饬鞯闹行臏囟雀撸瑐鞯奖谏辖饘贂r(shí)溫度要低些，所以氣體溫度可以高于金屬能承受的溫度。然而可以加大發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體流量來彌補(bǔ)溫度不高的缺點(diǎn)，使能產(chǎn)生較大的推力。另外氣體流經(jīng)反應(yīng)堆內(nèi)的通道都不大，因此阻力損失也較大。所以原子沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在這兩點(diǎn)上不如化學(xué)燃料的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。但是由于反應(yīng)堆發(fā)熱能力大，只要增大流量總推力還是能夠比化學(xué)燃料的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)大的。除了這種用反應(yīng)堆直接把空氣加熱的型式外，還有一種利用熱交換器來加熱空氣的原子沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2原子沖壓噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)方案圖

1.進(jìn)口錐2.控制棒3.反應(yīng)堆4.尾噴口

原子能渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

圖3是不帶熱交換器的原子渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)?？諝鈴倪M(jìn)氣口進(jìn)入后就進(jìn)行減速并由此而提高了壓力，然后進(jìn)入壓氣機(jī)使壓力大大提高，最后才進(jìn)入反應(yīng)堆?？諝庠诜磻?yīng)堆加熱后通過渦輪，于是便給一部份能量予渦輪來帶動(dòng)壓氣機(jī)。然后再進(jìn)入尾噴管膨漲噴出，于是便產(chǎn)生了反作用推力。從圖上可見，反應(yīng)堆沒有放在發(fā)動(dòng)機(jī)體內(nèi)，而是放在外面。這是為了防止反應(yīng)堆所產(chǎn)生的各種射線(特別是中子及β和γ射線)照射渦輪軸以后而影響軸的強(qiáng)度，同時(shí)也可使控制棒的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為簡單，防護(hù)各種射線向外輻射也比較容易。但是空氣須要拐幾個(gè)彎，這樣壓力損失就增加，而且空氣從反應(yīng)堆到渦輪的道路上，熱量散走的損失也不小。要是采用熱交換器，反應(yīng)堆也可以小一些。如果在渦輪后的空氣再加熱一次，這樣膨漲后噴出去的速度就更大些，推力更可增大。

在渦輪噴氣原子發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣體要把自己一部分熱能給渦輪作功，如果我們采用另外的辦法帶動(dòng)壓氣機(jī)，那么空氣的全部能量就都能用于產(chǎn)生推力了。圖4就是采用水銀蒸氣渦輪來帶動(dòng)壓氣機(jī)的一個(gè)原理圖。水銀作為載熱劑由水銀泵帶動(dòng)作封閉循環(huán)。水銀蒸氣從反應(yīng)堆出來就進(jìn)入水銀蒸氣渦輪，然后再到冷凝器(起熱交換器作用)，空氣經(jīng)過冷凝器吸收了大量熱量，而水銀蒸氣也因冷卻而凝結(jié)為液體水銀，最后由水銀泵打回反應(yīng)堆。水銀在反應(yīng)堆內(nèi)加熱變?yōu)檎魵狻Ｋy吸收慢中子能力相當(dāng)大，在慢中子反應(yīng)堆內(nèi)就會(huì)損失大量中子，而水銀對(duì)快中子的吸收能力小，所以只有快中子反應(yīng)堆才有可能采用水銀作載熱劑。采用氦氣作為載熱劑也可以，渦輪變?yōu)楹鉁u輪了。氦氣渦輪比水銀渦輪消耗的功率要多些，而且氦氣的傳熱能力比水銀差。但是水銀在反應(yīng)堆內(nèi)氣化，就使得反應(yīng)堆的散熱不均勻(液體水銀傳熱多，水銀蒸氣傳熱少)，氦氣就沒有這個(gè)缺點(diǎn)。

原子能渦輪螺旋槳噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

圖5是原子渦輪螺旋槳噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的方案圖。這是采用水銀蒸氣渦輪來帶動(dòng)螺旋槳的型式。它有兩個(gè)回路，第一個(gè)回路是液態(tài)鈉的封閉循環(huán)，鈉把反應(yīng)堆的熱量帶到熱交換器，把熱量交給水銀后又回到反應(yīng)堆內(nèi)。第二回路是水銀封閉循環(huán)，水銀流經(jīng)熱交換器就加熱，而變成蒸氣，然后再去推動(dòng)水銀蒸氣渦輪，水銀蒸氣經(jīng)過冷凝器冷凝為液態(tài)水銀后又回到熱交換器。由風(fēng)扇打入的空氣經(jīng)過冷凝器加熱后噴出可以產(chǎn)生推力。所以這種方案的發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)于兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合：渦輪螺旋槳和沖壓直流發(fā)動(dòng)機(jī)。這種聯(lián)合的優(yōu)點(diǎn)很大，低速時(shí)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的效能好，而在高速時(shí)沖壓直流發(fā)動(dòng)機(jī)的效能好，這樣，渦輪螺旋槳及沖壓直流式的優(yōu)缺點(diǎn)能彼此互相補(bǔ)償。

圖3反應(yīng)堆在發(fā)動(dòng)機(jī)外面的原子渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)方案圖。

1.進(jìn)口錐2.壓氣機(jī)3.控制棒4.反應(yīng)堆5.尾噴口6.渦輪

化學(xué)燃料及原子能動(dòng)力聯(lián)合采用

圖4帶有蒸氣渦輪的原子能空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖

1.進(jìn)口錐2.壓氣機(jī)3.水銀蒸氣渦輪4.控制棒5.反應(yīng)堆6.水銀泵7.冷凝器8.尾噴口

這種型式在原子發(fā)動(dòng)機(jī)中裝有煤油噴嘴和燃燒室，可以在飛機(jī)起飛時(shí)使用化學(xué)燃料，到高空后才開動(dòng)原子反應(yīng)堆，這樣就可以避免反應(yīng)堆輻射對(duì)機(jī)場的沾污。另外，也可以用來預(yù)熱熱交換器內(nèi)的金屬載熱劑，以及在空中飛行時(shí)，額外地增加推力。這與化學(xué)燃料的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室的作用一樣。

上面介紹的只是一部分方案?？茖W(xué)家和工程師們還在努力設(shè)計(jì)新的方案。原子能除了應(yīng)用在飛機(jī)上，更大的可能是應(yīng)用在火箭航空器上。就目前看來，研究原子火箭的迫切性更大。大家知道，發(fā)射人造衛(wèi)星須要多級(jí)的化學(xué)燃料火箭。如果采用原子火箭只須一級(jí)就夠了。在火箭上應(yīng)用原子能的型式更是多種多樣。除了可以利用重原子核分裂放出的熱能外，還可以利用輕原子核聚合后放出的能量(熱核反應(yīng))。

圖5帶有熱交換器的原子能渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖。

1.空氣螺旋槳2.風(fēng)扇3.減速器4.熱交換器5.控制棒6.反應(yīng)堆7.載熱劑泵8.水銀泵9.水銀蒸氣渦輪10.冷凝器11.尾噴口

二十世紀(jì)是原子能的時(shí)代，人類的文明將獲得更大的飛躍，航空事業(yè)也一定獲得光輝的成果。不久的將來各式各樣的原子能航空器將飛翔在祖國遼闊的天空上。