关于原子飞机设计的一些问题

徐鑫福

飞机是现今国防上所必需的攻击和防御武器，并且也是国民经济中所不可缺少的交通运输工具。由于飞机的用途不同，要求飞机的飞行性能也就不同，但一般说来，飞机的平飞最大速度，升限，和航程是飞机飞行性能的三个主要指标。在过去几十年中由于飞机动力装置的不断改进和飞机气动力外形的不断改善，飞机的最大速度和升限均有飞跃的提高，但增大飞机航程问题却一直没有能得到满意的解决。现今所采用的是极不方便的空中加油方法。

增加飞机的航程具有现实意义，比如国防上所用的战略轰炸机，其起飞重量已超过150吨，但由于航程的限制，其进攻和返回还不能选取最有利的路线，容易遭受敌人歼击机的拦击；又如作长距离飞行的旅客机，如果不在中间站加油，则航行时间可以大大地缩短，而且可以避开恶劣气候的地区，使得飞行的安全性有更可靠的保证。

大家知道现今用化学燃料的飞机，其航程受到它所能携带的燃料量的限制。飞机的飞行速度愈大则它所需要的发动机的功率也愈大，因而单位时间内的燃料消耗量也就愈大。假如携带的燃料量为定值时，则其可能飞行的时间也愈短，因此人们在寻求是否有另一种物质，作为发动机的燃料，能使飞机的速度、高度、和航程同时皆增大。在原子能被人类掌握之后，这种愿望已成为事实了。

我们知道在原子核内储藏有巨大的能量，利用核子作为“燃料”，就能够产生比汽油高二百万倍的热能。这样就够保证飞机飞得快、飞得高、又飞得远，不致因为燃料不足而必需在中途着陆。例如，“图－104”喷气式客机以每小时800公里的速度绕地球赤道飞行一周，大约要消耗200吨的煤油，而原子能飞机只用100克的原子“燃料”就够了。这些燃料的体积只有一个核桃那么大。如果携带50公斤原子“燃料”则可绕地球赤道飞行500周，昼夜不停地飞行，可飞行约三年之久。由此可见原子飞机的航程和续航时间不再受燃料不足的限制。这样远的航程在地球表面上飞行是太富余了，它还将为星际飞行创造有利的条件。

原子飞机依据采用的原子动力装置型式的不同，其工作的情况也就不同。它可能在大气层以外飞行或只能在大气层以内飞行。这决定于它所采用的动力装置属于何种型式。能够在大气层以外工作的原子发动机必需是反作用式的，其向后喷射的物质不可能再用空气。可是这种喷射物质从那里获得呢？从理论上说可能有两种方式：一种是直接利用铀或其他原子燃料的原子分裂而产生出的微粒流；另一种是利用原子飞机携带的喷射物质比如说水。水在高温下分解可由发动机的尾喷口喷出。前一种现实的可能性较小，因为会产生几百万度的高温。这将使发动机在转瞬间熔化而蒸发掉。后一种实现的可能性较大，但喷射物质用完后发动机就不能再继续工作。我们深信会有其他型式的原子发动机出现。因为我们现在还处在原子能工程的幼年时代，只要今后大力开展研究工作，必然会出现完全新的方法来解决目前尚不能解决的问题。

在大气层以内飞行的原子飞机，可能采用的原子动力装置有多种型式。在那许多型式中适合于超音飞行和在目前条件下最易于实现的，是涡轮喷气式原子发动机。关于这种发动机的工作原理在本文中不拟多谈，以下我们将谈一下关于原子飞机设计中的一些问题。

首先要指出：原子飞机的设计方法和步骤，是与一般飞机设计相同的，但也具有一些特殊问题需要解决。这些特殊问题是由原子动力装置的基本特点所引起的。原子动力装置有那些基本特点呢？

第一、在原子分裂过程中，从反应堆里放出大量的放射性粒子，其中丙种射线(γ射线)和快中子，会给予周围的生物以严重的危害，因此必需加以防护。我们知道原子能发电站中的原子反应堆的防护层，重量可达几千吨，这对飞机来说是不成的。我们不可能在飞机里砌上至少二公尺厚的水泥墙来，这样是太重了。如用防护效能较高的材料如硼和锂，或采取其他措施，可使防护层的重量减轻，但其重量仍要有几十吨。

第二、在飞行中原子动力装置的燃料可认为是无变化的，因为消耗物质的重量与飞机的重量比较起来是微不足道的，不像用化学燃料的飞机，燃料的重量占飞机总重的百分比较大，而且在飞行中时时刻刻在变化。

由于原子动力装置具有以上的两个特点，因此在设计原子动力飞机时，就要解决以下几方面的问题。

1.如何减轻飞机的飞行重量，也就是如何减轻防护层的重量？除了寻找重量轻、防护效能高的材料外，在防护方式上也可寻求减轻防护层重量的措施。现在采用的防护方式有两种，一种是集中防护，另一种是分散防护。所谓集中防护是将防护装置集中在原子反应堆周围，不使放射性粒子逃逸出来。这种方法对乘员上下飞机很方便，但所需的防护装置的重量则较重。我们知道放射线的强度与通过距离的平方成反比，离开反应堆愈远放射线的强度愈弱，因此可将原子动力装置放在机身尾部，乘员座舱放在机身头部，以增加其间的距离，然后再分别加以防护。这种分散式防护方法，可使防护材料的重量减轻，但带来了乘员上下机的不方便，必须等放射性物质移开后，乘员始能上下飞机；或必需采用特殊的地面设备，足以保护乘客上下机的安全。

2.动力装置型式的选择

当原子飞机在机场起飞和着陆时，开动原子发动机，非但乘员不能上下飞机，而且机场附近的生物也将受到放射线的危害。因而原子飞机必需有特殊的机场；不许可在一般机场上起飞和着陆。但由于原子飞机能环绕地球一圈又一圈地不着陆飞行，因而苏联近卫军上校华尔洛夫提出采用“子机”方法。机上的乘客由另一架小飞机(子机)接送，当然，子机也要加以适当地防护。

我们也可采用混合式动力装置，即在原子飞机上除装有原子动力装置外，还装有普通的喷气发动机。一般飞行时使用原子发动机，起飞和着陆时使用普通的喷气发动机，这样可使机场上人员免受放射线的侵害。

3.原子发动机在飞机上安放的位置

为了飞机上乘员和地面居民的安全，原子飞机上的原子发动机至少有二台。当一台发动机发生故障停车后，飞机仍能照常飞行到预定的机场上着陆。这两台发动机的安装位置可以放在机身的两侧，像图－104那样。这对飞机的气动力性能较好，但对发动机的装拆和维护却是不方便的，尤其对原子发动机则更不方便。为了维护与装拆方便可采用吊挂式，即将原子发动机吊在机翼的下面。这种方式也便于应用遥控设备来进行维护工作。苏联原子轰炸机就采用这种型式。这样可使机身内的炸弹舱具有最大的容积、适宜的位置，而且由于发动机重量对机翼起卸载作用，因而机翼的结构重量得以减轻。

4.原子飞机上的增举装置问题

由于原子飞机上没有大量消耗性的物质，所以在整个飞行过程中可以认为其重量是没有变化的。除起落架收起与放下影响飞机重心略有移动外，原子飞机的重心位置在飞行中是变化很小的。这可减少设计中的麻烦，同时尾翼的面积也可以减小。由于飞机的降落重量和起飞重量相等，就不像一般飞机那样，起飞重量大，降落重量小，有利于降落速度的降低，因此如果采用的翼负荷相同，则原子飞机的降落速度必大于一般的飞机，这样在原子飞机上就必需采用效能较高的增举装置，或选用较低的翼负荷。

5.原子飞机上所采用的材料和电子设备受放射线的影响问题

原子核在分裂过程中所放出的射线不仅对生物有危害性，并且对某些金属和非金属材料以及电子设备也有影响。它会使某些金属材料的物理性质和机械性能改变。如结构材料的硬度和脆性增加，蠕变加速，应力腐蚀更显得严重。某些材料甚至还会变质，如铝变成矽，铜变成镍和锌，某些材料如钴，锌，钼等，可能变成放射性物质。因此原子飞机结构所用的材料必需加以仔细的研究，而且所用的合金必需是纯洁的。

放射性对于非金属材料也有影响，如橡皮会失去弹性，塑料会变成粉末，润滑油、燃料及液压油会变成胶状体等等。

由于放射线能使飞机周围空气离子化，而减弱电磁波的传播，因此飞机上的电子设备也必须远离原子反应堆并须加以防护。