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當(dāng)前，艦船和航天已有裝備采用核反應(yīng)堆作為主要?jiǎng)恿?lái)源。而航空工業(yè)卻在絕大多數(shù)情況下仍然使用化學(xué)燃料。根據(jù)目前現(xiàn)役機(jī)型測(cè)算，為了使航空器獲得較長(zhǎng)的滯空時(shí)間，燃料占航空器總重量已經(jīng)超過(guò)30%，極大限制了航空器應(yīng)有的性能水平發(fā)揮。

與傳統(tǒng)化石燃料相比，核動(dòng)力裝置不僅擁有理論上幾乎無(wú)限的續(xù)航能力，而且工作時(shí)不需要氧氣參與，因此不會(huì)受到氣壓制約，為研制地球內(nèi)全域到達(dá)的航空器提供了原理支撐。也正是基于核動(dòng)力不需要氧氣的原理，核動(dòng)力飛行器可以在任何有大氣的環(huán)境中工作。因?yàn)樵S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(kāi)始加大對(duì)核動(dòng)力飛行器的研制投入，那么中國(guó)在未來(lái)將成為地外行星探測(cè)器領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)軍者。

▲從美國(guó)NB-36H型核動(dòng)力試驗(yàn)飛機(jī)上，可以看出在20世紀(jì)50年代，美蘇對(duì)于核動(dòng)力飛機(jī)的研究都集中在核反應(yīng)堆為渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力階段。

核動(dòng)力飛行器雖然至今仍未被采用，但理論技術(shù)積累卻十分成熟。早在20世紀(jì)40年代，航空技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家就已經(jīng)開(kāi)始了在航空領(lǐng)域采用核動(dòng)力的可行性研究。1942年，美國(guó)曼哈頓計(jì)劃當(dāng)中，美國(guó)空軍提出了研制擁有幾乎無(wú)限續(xù)航能力的轟炸機(jī)與運(yùn)輸機(jī)，“核能飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃”由于當(dāng)時(shí)無(wú)法全面掌握核反應(yīng)堆的工作狀態(tài)，再加上科研管理方式的落后，這項(xiàng)計(jì)劃在1961年被終止。同時(shí)期，主要技術(shù)強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)先開(kāi)展核聚變受控研究，蘇聯(lián)曾嘗試過(guò)使用小型核反應(yīng)堆推進(jìn)4臺(tái)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，雖然飛機(jī)試飛成功，但由于防輻射屏蔽層的體積過(guò)大，項(xiàng)目最終下馬。因此21世紀(jì)前，如何提升設(shè)計(jì)的緊湊性降低核動(dòng)力防輻射屏蔽裝置的質(zhì)量尺寸，成為核動(dòng)力飛行器研究的主要方向。

進(jìn)入21世紀(jì)后，為了將核聚變反應(yīng)堆盡快推廣使用，核反應(yīng)堆的約束技術(shù)主要分為兩個(gè)研究方向，即磁約束和慣性約束兩條技術(shù)主線。

磁約束也被叫做持續(xù)性聚變，是將核燃料變成數(shù)百萬(wàn)度的高溫等離子漿，并用特殊形態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)，將等離子體約束在有限空間引發(fā)核聚變，釋放巨大能量，用于發(fā)電或動(dòng)力推進(jìn)，目前世界上最先進(jìn)的技術(shù)還停留在臺(tái)架試驗(yàn)，僅為驗(yàn)證原理的可行性，還沒(méi)有進(jìn)入工程設(shè)計(jì)階段。

▲亞洲某核能技術(shù)強(qiáng)國(guó)研制的相關(guān)設(shè)備

慣性約束聚變又被稱(chēng)作脈沖性聚變，利用激光或者粒子束來(lái)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(shí)密度要高1萬(wàn)億倍的離子漿，從而產(chǎn)生聚變。由于這種反應(yīng)時(shí)間非常快,無(wú)須強(qiáng)磁場(chǎng)束縛。但目前這項(xiàng)技術(shù)只能在面積約為2個(gè)足球場(chǎng)大小的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行原理論證，遠(yuǎn)沒(méi)有到工程樣機(jī)階段。

隨著受控核聚變技術(shù)的發(fā)展，洛克希德·馬丁公司所屬的臭鼬工廠已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行緊湊型聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)工作，采用磁約束聚變?cè)?，并采用新型磁?chǎng)設(shè)計(jì)，尺寸為直徑2米、高4米的圓柱形，電功率100兆瓦，可為8萬(wàn)戶(hù)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?qū)崿F(xiàn)小型化的關(guān)鍵在于在反應(yīng)堆內(nèi)部采用了獨(dú)特的內(nèi)置特定形狀磁場(chǎng)管狀設(shè)計(jì)，避開(kāi)了傳統(tǒng)核聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中只能容納有限數(shù)量的等離子體的問(wèn)題。

▲美國(guó)洛馬公司研制的磁約束航空核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)原理示意圖

▲激光核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖

目前世界上發(fā)展航空器核動(dòng)力小型化的技術(shù)還有幾個(gè)不同分支，綜合來(lái)看，小型核聚變裝置離實(shí)用還有較大距離，特別是在等離子體靶形成、傳輸與點(diǎn)火等關(guān)鍵技術(shù)上還有待突破，我個(gè)人的建議是繼續(xù)加強(qiáng)理論研究的投入，待關(guān)鍵技術(shù)原理有明顯突破后，再進(jìn)入緊湊化設(shè)計(jì)階段。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，核動(dòng)力裝置能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)飛行器的“動(dòng)力自由”，為航空動(dòng)力領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性的革命，最終使飛機(jī)的航程、載荷等大幅增加甚至能實(shí)現(xiàn)數(shù)天不間斷的長(zhǎng)時(shí)間空中飛行。

劉曉峰：裝備專(zhuān)家，長(zhǎng)期從事武器裝備論證、預(yù)研制工作，主持軍工企業(yè)省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，為國(guó)防裝備建設(shè)提供決策性重要參考1項(xiàng)，參與新一代裝備關(guān)重件試制工作2項(xiàng)，為裝備研制和使用部門(mén)提供重要建設(shè)性改進(jìn)意見(jiàn)并得到采納2項(xiàng)，擁有行業(yè)內(nèi)著作1部，在《坦克裝甲車(chē)輛理事會(huì)論文集》發(fā)表裝備發(fā)展規(guī)劃論文1篇。

出品：科普中國(guó)

作者：劉曉峰

策劃：金赫

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部