核动力航空推进探析

（本文文字摘自《工程热物理学报》2010年第31卷第2期，作者：陈  江1  杜  刚1  季路成2；1．北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2．中国科学院高技术局，北京100864）

摘要   文献调研国外核动力航空推进相关技术研究，美国GE与P&W公司通过ANP计划已试验验证了核动力航空推进的可行性；分析认为核动力航空推进当前最佳用途是长航时无人机与巡航导弹动力，关键技术是核屏蔽的轻量化设计、热交换效率与速率、热力系统设计与新型结构问题；核动力航空推进若采用蒸汽介质的二回路闭式循环驱动螺旋桨，蒸汽透平及动力系统设计没有技术障碍，闭式循环蒸汽流量关键取决于蒸汽透平汽耗率与热交换循环时间。

0引 言

          核能已和平应用于海、陆、天三维立体空间动力，海上有核动力潜艇、核动力航母等；陆上有核电站、核动力机车等；航天有深空核动力航天探测器等；唯有航空核动力是缺项，核动力航空推进至今尚未获得有效应用。

          航空飞行器主要性能目标：一是高推重比，二是长航时。两项性能都需求高密度能源燃料作为动力源。目前航空发动机使用的航空燃油是除核能外常规化石能源中能量密度最高的能源品神，即便如此，航空飞行器在执行任务时，往往都需带上几吨、几十吨、甚至上百吨的航空燃油，更有飞机需要空中续航加油，这些都对飞机飞行性能产生许多不利影响，而核能作为能源密度最高级别的能源品种，自然应是航空动力首选目标。本文将对核能驱动的航空推进动力装置进行调研、分析，研讨核动力航空推进的可行性，但不涉及核裂变原子能技术及核反应器热交换技术。

1国外研究及相关分析

           美国早在1942年费米的曼哈顿计划时期就已相中核能用做航空发动机的动力源。1946年，霍普金斯大学应用物理实验室着手进行核动力航空推进技术研究，研究主要问题是缺乏核辐射材料的影响资料，也没有核辐射屏蔽试验条件。同年5月，美国空军实施了“核能飞机发动机计划” (NEPA：Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft)，  目标是研发核动力的长航时战略轰炸机和高性能飞机。由于核能的可持续供给特性及理论上的高温特性，自然成了最具潜质的动力源。NEPA计划运行6年，花费几千万美元，至1951年被“飞机核动力计划”(ANP：Aircraft Nuclear Propulsion)替代。ANP计划由美国空军和美国原子能委员会共同出资和管理，麻省理工学院负责组织实施，目标是研发全尺寸飞机用核反应器和发动机系统．ANP计划持续10年，1961年因多种原因计划中止。

          ANP计划研究人员初始认为：核动力飞机（载人）喷气发动机原理简单，实施应比核动力冲压发动机、核动力火箭发动机更为容易。但实际与想象的正好相反，核动力冲压发动机(Pluto项目)、核动力火箭发动机(Rover项目)成功进行试验测试，而核动力喷气发动机项目则离目标差距尚远，以至于ANP项目主任Briant感言：“载人核动力航空发动机可能是本世纪最艰难的工程”。

          ANP计划并不成功，除技术难度因素外，组织管理是其最大弊垢。美国空军与原子能委员会分块管理，缺乏整体协调与相互协作，导致项目整体进程不理想．即便如此，ANP计划仍为核动力航空发动机技术发展做了许多探索和技术铺垫工作．ANP计划下的核动力航空发动机技术研究是由美国两大航空发动机制造企业GE和P&W公司分别承担[4l. GE公司研发的是“直接循环式航空推进喷气发动杌”，简称“开式循环”，其原理是由核反应器替代航空涡轮喷气发动机的燃烧室部件功能，压缩空气直接通过核反应器进行热交换，热交换后的高温高压气体推动涡轮做功，并从尾喷管高速喷出。对核反应器而言，来自压气机后的高压空气直接作为核反应器的冷却剂；对航空发动机而言，核反应器替代燃烧室为高温气体提供热源。由于GE研发的核动力航空发动机其吸入空气经压气机压缩后与核反应器直接接触传热，经涡轮热功转换后喷入大气，所以称之“开式循环”。P&W公司研发的是“间接循环式航空推进喷气发动机”，简称“闭式循环”。与开式循环所不同的是，核反应器有二回路，航空发动机吸入空气经压气机加压后与二回路换热器进行热交换，空气只与二回路换热器接触，核反应器由高密度流体介质进行内循环，在一回路与二回路间换热，不直接与空气接触，所以称之“闭式循环”．

         GE公司开式循环研究了三种核反应器布置方案：(1)单个核反应器；(2)两个核反应器；(3)核反应器+燃烧室。研究结论认为.单个核反应器喷气推进航空发动机最简单，研发时间最短．所以，单个核反应器方案整体性能最佳。

         GE研发开式循环成功开展了一系列热交换反应器试验(HTRE: Heatlyansfer Rector Experiment)．共有三类反应器：HTRE-1、-2、一3。HTRE-1是原理验证试验器，演示验证了核动力喷气推进的可行性；HTRE-2是对HTRE-1的改进设计，已成功用于X-39项目(J-47发动机改装)核动力试验测试；HTRE-3是在HTRE-1、2基础上最接近实际飞行动力的反应器试验。HTRE-3最终试验测试证实：核动力航空喷气推进切实可行。开式循环工程优化后有较多优势，但开式循环必须附带燃油燃烧室，在飞机起飞和着陆过程，核反应器没有起动时，须用燃油燃烧室提供运行推力，这对运行控制及核反应器的反应时间都存在负面影响．

         HTRE系列试验虽然满足或超过了目标要求，但离实际核动力航空发动机仍存在相当距离．HTRE系列尚未进行设计优化，还停留在原理验证样机阶段，HTRE-3试验证实，核动力航空发动机可实现航空涡轮发动机相当的出功能力，但在尺寸、重量等方面尚需进行一系列改进和优化设计。

         P&W公司研发的是单个核反应器闭式循环系统。采用超临界水蒸气为二回路循环介质，如同压水堆反应器(PWR)原理，发动机中的压缩空气用做二回路冷却剂，二回路水蒸氕温度可达8000C以上，并保持二回路水蒸气压力．研究指出，一回路循环流体采用液态金属仍存在许多问题。P&W公司的研究进展没有GE迅速，没有进行实际系统试验测试，只开展了部件试验。完成了液态金属循环剂循环、辐射防护和热交换器设计，未进行反应器试验测试．从长航时飞行考虑，闭式循环更具潜质，但需要更多的研发技术工作支持。

         ANP计划包含X-6项目，利用B-36飞机改装核动力进行飞行试验测试，其目的：一是检测飞行事故中的核泄漏；二是检测开式循环的气体辐射泄漏。选用GE公司的J53发动机改装核动力，改装动力总重为165000磅(1 kg=2.2046磅，74844 kg)，具体分配：总重(74844 kg)=核反应器(4536 kg)+屏蔽层(27216 kg)+机组隔离屏(16738 kg)+发动机重(8165 kg)+管路及附件(18144 kg)。试验测试认为：核反应器是安全、可靠的．

         前苏联也于1950年提出飞机或飞船的核动力方案．由4台核动力涡桨发动机驱动飞机，飞机翼展130 m，发动机总功率超过1119000 kW，可载1000名人员和100吨货物，飞行时速1000 km／h．核动力设有5层屏蔽屡，机组人员在专设隔离区，发动机总重约80吨。

        分析上述美国、前苏联核动力航空推进研究结果，粗略能得以下结论：

        (1)核动力航空推进是切实可行的，突出优势在于长航时特性。

        (2)核动力航空推进中的核反应器是安全、可靠的，关键是核屏蔽重量问题。

        (3)核动力开式循环已经试验测试验证是可行的，且单个核反应器方案最佳，负面因素是须带有燃油燃烧室，带来控制及核反应器切换反应问题．

        核动力闭式循环对长航时更具潜质，但研发作尚未得到充分验证。

2核动力应用分析与方案设想

         研究探讨的核动力航空推进是指高度30 km以下的航空飞行器，可利用大气层中的空气介质维持飞行器飞行。

         根据核动力航空推进的国外研究调研，分析认为核动力航空发动机与航空燃气涡轮发动机相比，除核辐射安全性外，技术实现上最突出关键问题有以下三点：

        (1)自重量问题。来自核反应器结构重量、核辐射屏蔽重量，其中尤其关键是核辐射屏蔽重量；

        (2)热交换器换热效率与速率问题。核动力航空推进核心是核反应器热能传递给航空推进各类介质，热交换器的效率与速率问题则成了核动力是否可行的关键问题；

        (3)热力系统及新型结构问题。核动力航空推进可选多种实施方案，但都需要热力系统设计，以追求总体高性能，同时新动力型式需要新型结构研究，以确保可靠运行。

        核动力航空推进的性能特点及其技术难题，分析认为对于以下两类用途较为有利：一是核动力长航时无人机推进动力：二是核动力巡航导弹发动机。

        长航时无人机滞空时间长，而核动力由于核燃料特殊性，可保证飞机滞空时间；无人机核辐射屏蔽防护可以弱化，使发动机推重比或飞机功重比提高，自重量问题有所缓解。巡航弹需要长距离奔袭的持续动力，作为作战武器，核动力巡航弹核屏蔽措施弱化，自重问题缓解。

         核动力作为长航时无人机和巡航弹推进动力，设想可行方案大致有四：

          方案一：核动力闭式循环+螺旋桨推进核反应器二回路蒸汽动力输出轴功，带动螺旋桨推进。原理如图1所示。核反应堆内是一回路，完成核能发热与一回路流体介质间的热交换。二回路采用水蒸气介质，经与一回路热交换器换热后，二回路水介质变为高温、高压超临界水蒸气，阀门控制进入汽轮机做功，输出轴功率，经由齿轮变速机构驱动螺旋桨做功，提供飞行器飞行动力。超临界水蒸气经汽轮机做功后降温、降压，变成气、液两相的水、汽混合物，采用飞行器飞行中冷空气作为冷凝器的冷却介质，经系统热力设计，则可有效提高核动力航空推进装置的整机热效率。控制棒I给水泉

    方案二：核动力开式循环航空喷弋推进同美国GE公司研发路径，由核反应器替换航空发动机的燃烧室，完成喷气推进。原理见图1，去掉虚线右侧部分，涡轮发动机从大气中吸入空气直接通过核反应堆进行换热，吸热后的高温、高压空气驱动涡轮做功，随后喷入大气，完成喷气推进。

          方案三：核动力闭式循环航空喷气推进同美国P&W公司研发路径，将图1中的核反应器二回路去掉蒸汽轮机，变为热交换器替代航空发动机中的燃烧室，涡轮发动机吸入高压气体变为核反应器二回路中的冷却剂，从二回路换热器中吸热后推动涡轮做功，随后喷入大气，完成喷气推进。

         方案四：核动力纯电推进核能用于发电，电能完成各项做功需求。原理如图1，二回路中蒸汽透平所做轴功直接发电机发电，电输出驱动螺旋桨或其它推进装置。

3核动力闭式循环蒸汽动力分析

         核动力航空推进设想方案一、三、四都是闭式循环。由于是航空动力装置，蒸汽透平应设计成轻量化背压式，设计理念与航空发动机涡轮部件类似，技术上不存在障碍，具体设计应经系统热力计算后确定的量化参数进行．为了对闭式循环蒸汽参数有一量化概念，在假设前提下对核反应闭式循环蒸汽动力进行初步分析。

假设推进动力对功率需求是5 MW，我国当前涡轴发动机的功重比约在7左右，P/W—7，飞机的功重比约为0.33，PlG～0.33。若P=5 MW，则W-715 kg