原子飞机的发动机

1959-01-19攻坚

航空知识 1959年2期

攻　坚

飞机是靠发动机带动往前飞的。目前除了小型的或民用的飞机还有使用活塞式发动机之外，大都采用空气喷气发动机了。这种发动机靠烧煤油供给所须的能量。就是说，空气从发动机进气口进入到燃烧室，与煤油混合以后进行燃烧，使气体的温度及压力都大大提高，然后再以高速度喷出飞机外。气体喷出的速度比进入时的速度大得多，因此就产生反作用推力，使飞机前进。加入煤油进行燃烧，目的就是把热量交给气体，然后气体把所得的热量转化为功。目前使用的发动机都是通过燃烧而获得热量，即通过化学反应而获得。化学燃料在地球的储藏量是有限的。拿煤油来说，按目前的消耗量消耗下去，据统计，只能再用200年。因此人们需要努力去寻找别的燃料。

随着近代物理学的发展，发现了铀被中子轰击后，引起分裂，随之放出巨大的热量。这就是所谓原子能。在最近的几年中，人们已经成功地用原子能来进行发电，如原子能电站，或者用于船舶上，如原子破冰船、原子潜水艇等。能不能在航空上利用这种原子能呢？这个问题的答复是肯定的。大家都知道，苏联正在建造这种原子飞机，并且曾试飞过。所以，在不久的将来我们完全可以看到原子飞机在天空飞翔。

采用原子能作为动力显然有很多地方优越于采用化学燃料。首先从发热的能力来看，一公斤的铀235(质量数为235的金属铀)分裂后产生的热量为一公斤煤油所生热量的二百万倍。所以消耗少量的铀就可产生大量热能。据估计，飞机只消耗500－600克的铀就可以作绕地球一周不着陆的飞行。如果用化学燃料的话，就必须消耗1000吨的煤油。另外，由于小量铀就能产生大量热，可以想像，飞机会获得比一般化学燃料的飞机大得多的能量。这样，原子飞机就不但可以飞得更远，还可飞得更高，飞得更快。

原子反应堆

大家都很熟悉，原子反应堆是产生原子能的装置。因此任何原子能动力装置的重要组成部分就是原子反应堆。原子航空发动机也是如此。因此应该先研究一下原子反应的情况。

铀235原子分裂及释放热量的同时，放出二个到三个中子，这些中子又去轰击其他铀的原子核，又引起铀核分裂，如此下去，就成为链锁反应。在这个过程中，不断有原子核分裂，于是就不断产生热量。反应堆的任务就是要维持可以为人们控制的链锁反应，这样人们就可以按照动力装置的需要来控制反应堆产生的热量。图1是一个飞机上可能采用的原子反应堆的原理示意图。铀分裂时产生的中子的速度是很高的，一般叫作快中子。如果快中子在减速剂中与其原子核多次碰撞后，中子速度就可以减低，这叫慢中子。快中子轰击铀核后引起分裂的机会比慢中子小些。靠快中子使铀核分裂的叫快中子反应堆。相反，靠慢中子引起铀分裂的叫慢中子反应堆。慢中子反应堆中，铀棒周围是减速剂。为了防止中子过多的漏泄到反应堆外，在反应堆四周加上反射层，使中子能反射回来。在反应堆内，铀棒周围都有载热剂经过，它可以是空气或者是其他气体，或者可以使用液体状态的金属。载热剂的目的是把铀棒发出的热量带走，载热剂由一个泵带动，使它不断地循环。要想维持一个恒定的功率，就要求反应堆发出恒定的热量。而发出的热量是正比于铀核分裂的数目的，也即是正比于反应堆内中子的数目。因此须要控制反应堆内中子数目。反应堆内插有控制棒，它一般是由吸收中子能力强的物质(如硼、镉等)制成。控制棒的动作是自动控制的。当中子数目少了，控制棒就自动地抽出一些，吸收中子就少些，发动机须要增加或减少功率时，就可操纵控制棒抽出或插入。

图1原子反应堆方案图

1.支持板2.减速剂3.反射层4.控制棒5.外壳6.铀棒

在航空上，快中子反应堆或慢中子反应堆都有可能被采用。它们各有优缺点。但是快中子反应堆对航空来说，优越性更大一些。因为快中子反应堆和慢中子反应堆在同样的体积或重量下，前者能产生更大的功率。这就是说，采用快中子反应堆，发动机重量轻些，尺寸小些，而且功率可大些。另外采用快中子反应堆的材料的限制性也少些。但是快中子反应堆要装入较多的金属铀才能维持链锁反应。不过优点还是主要的。

原子能冲压式发动机

图2是原子冲压式发动机原理图。反应堆相当于化学燃料的冲压式发动机的燃烧室。高速度的空气由进口进入，经过扩散，减速，压力提高后，就进入反应堆，反应堆把空气加热了，然后喷出去。如果反应堆发热量大，发动机推力就可以增大。但是铀棒的包皮的材料，目前只能承受一千度左右的温度，因而空气的温度就只能低于一千度。而使用化学燃料燃烧时，空气的温度要比这数值高一些，因为燃烧气流的中心温度高，传到壁上金属时温度要低些，所以气体温度可以高于金属能承受的温度。然而可以加大发动机的气体流量来弥补温度不高的缺点，使能产生较大的推力。另外气体流经反应堆内的通道都不大，因此阻力损失也较大。所以原子冲压发动机在这两点上不如化学燃料的冲压发动机。但是由于反应堆发热能力大，只要增大流量总推力还是能够比化学燃料的冲压发动机大的。除了这种用反应堆直接把空气加热的型式外，还有一种利用热交换器来加热空气的原子冲压发动机。

图2原子冲压喷气式发动机方案图

1.进口锥2.控制棒3.反应堆4.尾喷口

原子能涡轮喷气发动机

图3是不带热交换器的原子涡轮喷气发动机。空气从进气口进入后就进行减速并由此而提高了压力，然后进入压气机使压力大大提高，最后才进入反应堆。空气在反应堆加热后通过涡轮，于是便给一部份能量予涡轮来带动压气机。然后再进入尾喷管膨涨喷出，于是便产生了反作用推力。从图上可见，反应堆没有放在发动机体内，而是放在外面。这是为了防止反应堆所产生的各种射线(特别是中子及β和γ射线)照射涡轮轴以后而影响轴的强度，同时也可使控制棒的传动机构的设计较为简单，防护各种射线向外辐射也比较容易。但是空气须要拐几个弯，这样压力损失就增加，而且空气从反应堆到涡轮的道路上，热量散走的损失也不小。要是采用热交换器，反应堆也可以小一些。如果在涡轮后的空气再加热一次，这样膨涨后喷出去的速度就更大些，推力更可增大。

在涡轮喷气原子发动机中，气体要把自己一部分热能给涡轮作功，如果我们采用另外的办法带动压气机，那么空气的全部能量就都能用于产生推力了。图4就是采用水银蒸气涡轮来带动压气机的一个原理图。水银作为载热剂由水银泵带动作封闭循环。水银蒸气从反应堆出来就进入水银蒸气涡轮，然后再到冷凝器(起热交换器作用)，空气经过冷凝器吸收了大量热量，而水银蒸气也因冷却而凝结为液体水银，最后由水银泵打回反应堆。水银在反应堆内加热变为蒸气。水银吸收慢中子能力相当大，在慢中子反应堆内就会损失大量中子，而水银对快中子的吸收能力小，所以只有快中子反应堆才有可能采用水银作载热剂。采用氦气作为载热剂也可以，涡轮变为氦气涡轮了。氦气涡轮比水银涡轮消耗的功率要多些，而且氦气的传热能力比水银差。但是水银在反应堆内气化，就使得反应堆的散热不均匀(液体水银传热多，水银蒸气传热少)，氦气就没有这个缺点。

原子能涡轮螺旋桨喷气发动机

图5是原子涡轮螺旋桨喷气发动机的方案图。这是采用水银蒸气涡轮来带动螺旋桨的型式。它有两个回路，第一个回路是液态钠的封闭循环，钠把反应堆的热量带到热交换器，把热量交给水银后又回到反应堆内。第二回路是水银封闭循环，水银流经热交换器就加热，而变成蒸气，然后再去推动水银蒸气涡轮，水银蒸气经过冷凝器冷凝为液态水银后又回到热交换器。由风扇打入的空气经过冷凝器加热后喷出可以产生推力。所以这种方案的发动机相当于两种发动机的联合：涡轮螺旋桨和冲压直流发动机。这种联合的优点很大，低速时涡轮螺旋桨发动机的效能好，而在高速时冲压直流发动机的效能好，这样，涡轮螺旋桨及冲压直流式的优缺点能彼此互相补偿。

图3反应堆在发动机外面的原子涡轮喷气发动机方案图。

1.进口锥2.压气机3.控制棒4.反应堆5.尾喷口6.涡轮

化学燃料及原子能动力联合采用

图4带有蒸气涡轮的原子能空气喷气发动机原理图

1.进口锥2.压气机3.水银蒸气涡轮4.控制棒5.反应堆6.水银泵7.冷凝器8.尾喷口

这种型式在原子发动机中装有煤油喷嘴和燃烧室，可以在飞机起飞时使用化学燃料，到高空后才开动原子反应堆，这样就可以避免反应堆辐射对机场的沾污。另外，也可以用来预热热交换器内的金属载热剂，以及在空中飞行时，额外地增加推力。这与化学燃料的涡轮喷气发动机的加力燃烧室的作用一样。

上面介绍的只是一部分方案。科学家和工程师们还在努力设计新的方案。原子能除了应用在飞机上，更大的可能是应用在火箭航空器上。就目前看来，研究原子火箭的迫切性更大。大家知道，发射人造卫星须要多级的化学燃料火箭。如果采用原子火箭只须一级就够了。在火箭上应用原子能的型式更是多种多样。除了可以利用重原子核分裂放出的热能外，还可以利用轻原子核聚合后放出的能量(热核反应)。