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當(dāng)前，艦船和航天已有裝備采用核反應(yīng)堆作為主要動力來源。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(jīng)超過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，核動力裝置不僅擁有理論上幾乎無限的續(xù)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(nèi)全域到達(dá)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(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(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)軍者。

▲從美國NB-36H型核動力試驗(yàn)飛機(jī)上，可以看出在20世紀(jì)50年代，美蘇對于核動力飛機(jī)的研究都集中在核反應(yīng)堆為渦槳發(fā)動機(jī)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(shù)積累卻十分成熟。早在20世紀(jì)40年代，航空技術(shù)領(lǐng)先的國家就已經(jīng)開始了在航空領(lǐng)域采用核動力的可行性研究。1942年，美國曼哈頓計(jì)劃當(dāng)中，美國空軍提出了研制擁有幾乎無限續(xù)航能力的轟炸機(jī)與運(yùn)輸機(jī)，“核能飛機(jī)發(fā)動機(jī)計(jì)劃”由于當(dāng)時無法全面掌握核反應(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。同時期，主要技術(shù)強(qiáng)國爭先開展核聚變受控研究，蘇聯(lián)曾嘗試過使用小型核反應(yīng)堆推進(jìn)4臺渦槳發(fā)動機(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)的緊湊性降低核動力防輻射屏蔽裝置的質(zhì)量尺寸，成為核動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)百萬度的高溫等離子漿，并用特殊形態(tài)強(qiáng)磁場，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)電或動力推進(jìn)，目前世界上最先進(jìn)的技術(shù)還停留在臺架試驗(yàn)，僅為驗(yàn)證原理的可行性，還沒有進(jìn)入工程設(shè)計(jì)階段。

▲亞洲某核能技術(shù)強(qiáng)國研制的相關(guān)設(shè)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(chǎn)生聚變。由于這種反應(yīng)時間非?？?無須強(qiáng)磁場束縛。但目前這項(xiàng)技術(shù)只能在面積約為2個足球場大小的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行原理論證，遠(yuǎn)沒有到工程樣機(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，采用磁約束聚變原理，并采用新型磁場設(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?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)置特定形狀磁場管狀設(shè)計(jì)，避開了傳統(tǒng)核聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中只能容納有限數(shù)量的等離子體的問題。

▲美國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)動機(jī)原理圖

目前世界上發(fā)展航空器核動力小型化的技術(shù)還有幾個不同分支，綜合來看，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。從長遠(yuǎn)發(fā)展看，核動力裝置能夠?qū)崿F(xiàn)長航時飛行器的“動力自由”，為航空動力領(lǐng)域帶來顛覆性的革命，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)天不間斷的長時間空中飛行。

劉曉峰：裝備專家，長期從事武器裝備論證、預(yù)研制工作，主持軍工企業(yè)省部級重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，為國防裝備建設(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提供重要建設(shè)性改進(jìn)意見并得到采納2項(xiàng)，擁有行業(yè)內(nèi)著作1部，在《坦克裝甲車輛理事會論文集》發(fā)表裝備發(fā)展規(guī)劃論文1篇。

出品：科普中國

作者：劉曉峰

策劃：金赫

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部