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小火箭出品

本文作者：邢强博士

本文共8535字，76图。预计阅读时间：1小时。

近日，俄罗斯发展核动力巡航导弹的消息不胫而走。而有关深空探测与环球飞行中使用核动力发动机的讨论，一直以来就未曾有任何停歇。

有关核反应的原理与核能的军事应用，小火箭在《广岛原子弹：人类历史上第一次实战使用核武器》《长崎原子弹：第二颗也是迄今为止最后一颗实战原子弹》与《二战两颗原子弹爆炸之后，军事领域与科技领域的变化》三篇公号文章中，与大家进行了系列探讨。

无论是打开能够发射潜射洲际弹道导弹的战略核潜艇的核反应堆还是俯瞰核电站的核反应堆，我们都能够看到上图这样的幽幽蓝光。小火箭在《当运动超过光速！核反应堆摄人心魄的幽幽蓝光》，给出了核反应与切连科夫辐射相关的计算，复现了幽幽的蓝光。

这就是小火箭计算的一枚高速运动的粒子在水中从左向右高速运动时，因超过水中的光速而产生的切连科夫辐射现象的计算图。

本文，小火箭准备稍微提一下相关理论之后，就和大家一起回顾过往，看一看当年人类工程师是怎样让一座核反应堆在天空中飞行的吧！

理论

有关核裂变与链式反应的理论，在上世纪40年代就得到了学术界的认同。隐藏在原子核内部的，伴随宇宙的诞生而出现的巨大能量仿佛是一头凶猛的远古巨兽，即将突破牢笼，来到这个世界。上图为正在讲述原子核物理学的费米博士。

（费米博士是意大利人，二战爆发前几个月，他从意大利逃到美国。费米读大学期间，就已经开始为全校开设相对论课程了，前来听讲的教授络绎不绝。但终归因其博士论文在欧洲罕有人读懂而曲高和寡。）

1942年12月2日，费米博士领导的团队建成了人类第一个核反应堆。在4.5分钟的时间内，这个由铀、石墨和银堆成了大块头实现了人类首次可控核裂变，持续提供了0.5瓦的功率。（这个功率现在用来给手机充电都比较困难，但这的确宣告了核时代的来临。）

小火箭风格，该反应堆的具体坐标：

北纬41°47′32″N；西经87°36′3″W

在中子的轰击下，铀-235发生裂变，释放出大量能量，而在裂变的同时，会释放出更多中子。这些中子继续轰击其他铀原子核，从而迅速扩大反应规模，形成核爆炸。

公元1945年8月6日，东京时间上午8时15分17秒，美国陆军航空队的一架B-29轰炸机在日本广岛上空投下一枚名叫“小男孩”的原子弹（铀弹）。这是人类历史上第一次将核武器用于实战。

这枚原子弹的爆炸当量在今天看来虽然比较小（仅50万亿焦耳，也就是1.5万吨TNT），不到现代核武器当量的零头，但在72年前，那一瞬间造成了超过10万名当地居民的死亡，已经开始宣告了人类核武器时代的正式到来。

公元1945年8月9日，上午11时02分，一架B-29轰炸机在日本长崎上空投下了人类历史上第二颗用于实战的原子弹“胖子”。

这是一颗使用钚239的钚弹，而且是人类首次采用内爆式工作原理来激发一颗实战型原子弹，因此，无论是其研制还是投放的细节，都具有比较大的工程技术意义和历史意义。

至此，核能的理论与军事实践实现了闭环。最先进的工程技术与迄今为止依然是人类最接近宇宙终极问题的答案的能量形式被用于战争与各个大国之间的相互威慑。

概念

当然，事情也没有那么悲观。还是有一些工程师，怀抱“技术让生活更加美好”的信念，努力让这种非常接近于真理的能量来源为提升人类的生活品质做出贡献。

公元1949年，美国加州理工学院的38岁的H.S.Tsien博士 （中文名：钱学森）提出了核动力火箭发动机的概念。

钱学森博士的原子能火箭发动机的概念，后来整理进入了他的著作《星际航行概论》中。

钱学森博士进一步提出了将原子反应堆与电推进火箭发动机结合起来的方案。准备用于未来的星际航行。

电火箭和电推进技术，如今已经成功地应用在了多款卫星和深空探测器上了。（详见小火箭的公号文章《有关电推进发动机的几个设想》《离子发动机：星际远征的重要动力》）。

但是，核动力火箭在火箭领域的直接应用比起电火箭来说，少很多。

之后，钱学森博士的研究重点开始转向系统工程。

公元1954年，钱学森博士写了一本书，名为Engineering cybernetics。钱学森博士是冯·卡门博士的得意门生，是美国国防部的顾问，同时也是喷气发动机工作室（美国喷气推进实验室的前身）的合作创建者。

当时的钱学森博士虽然已经43岁了，但是依然有着足够的创新意识。

Engineering cybernetics这个名字，直接翻译的话，是工程赛博。该书的中文正式译名为《工程控制论》。

上图从左至右：普朗特博士、钱学森博士、冯·卡门博士：师爷、学生和老师三代人。

1955年，钱学森博士回国。

安培、维纳和钱学森都提到的赛博这个词，如今已经成为了热词。无论是早期的自动化机械还是后来的互联网和物联网，好像不提到赛博就不够时髦似的。

赛博与控制论息息相关，其本质就是要去认识复杂大系统的灵魂。

把节点有机地组织起来，即使是看上去不起眼的小零件也能变成强大的弹道计算机。把武器装备组成带有反馈机制和自组织能力的作战系统之后，体系化的优势就体现出来了。

应用

再说回到核动力在推进系统中的应用吧！

把核能作为推动文明进步的能源而不是毁灭城市的力量的尝试，在上世纪50年代就开始萌芽了。

公元1951年12月20日，人类技术发展史产生了一个具有里程碑意义的事件：美国伊利诺伊州的阿贡实验室内，4只灯泡被点亮，而给这些灯泡提供能源的，正是一座核反应堆。

这座曾经在第二次世界大战作为曼哈顿工程中的一部分的实验室，开启了人类和平利用核能的时代。

不过，就像小火箭经常说的那样，迄今为止，在人类工程技术发展史上，几乎没有任何一项尖端技术能够被军方所忽略。

而且不管这项技术的初衷到底是用于提升人类的生活质量还是仅仅用来满足人类的好奇心，最终这些家伙大多都被拿来用于增强军队的作战效能了。

上天

核能的巨大能量给美国空军的诱惑是难以抵抗的。

1947年9月8日，美国空军成立，终于摆脱了以往的陆军航空队的状态，开始独立成军。

年轻的美国空军对力量的渴望是与生俱来的。他们对技术的追求则是激进而浪漫的。

美国空军想要一款以核能为动力的战略轰炸机，从此拥有在全球上空持续飞行数周、数月的“永不落地”的能力，从而使携带核弹头的轰炸机具备极强的生存能力和战略威慑能力。

想要让核能为动力驱动轰炸机飞行，需要解决一系列技术问题。

在上世纪50年代，采用核能进行发电的技术刚刚取得了突破。但是，在那个时候，即使是最乐观的工程师，也会对核能飞机的项目表示谨慎。

主要的问题在于，核能虽然蕴藏着巨大的能量，但是将这些能量缓慢而持续地释放出来，需要庞大的设备。

上世纪50年代，美国两家航空发动机翘楚分别接了核动力航空发动机的项目。其中，通用电气提出了直接空气循环发动机的方案；普拉特·惠特尼则给出了间接空气循环发动机的方案。

这些方案的细节，咱们以后再详聊。今天，只说一下他们的大小：

上图为在美国爱达荷国家实验室进行测试的两台核动力航空发动机原型机。左侧为3号机，右侧为1号机。

小火箭风格，具体坐标为：

北纬43°30′42.21″N  西经113°0′17″W

动辄就数百吨的核动力发动机原型机，很难被放到飞行器上。（或许以后的万吨级星际飞船可以使用。）

于是，美国空军想到了一个比较可行的试验方案：

把核反应堆的核心部件放置在飞机上。该装置仅用于测试发电，而不参与飞机的动力输出。

这个方案用于对人类未来的核动力飞行器进行前瞻性的技术验证。

有3个目标有待实现：

第一：核反应堆的小型化能否成功？

第二：能否研制出有效屏蔽核辐射的设施？

第三：能否摸索出核飞行器的试验方法？

载机

在上世纪50年代，人们对于核反应堆的印象还处于类似芝加哥1号堆这样的水平。

实际上，那个年代的核反应堆也的确很难做得很小。

随着金属冷却快中子堆的诞生和发展，人类工程师才终于把核反应堆的形态变得多样化。

因此，在上世纪50年代，让核反应堆上天，一方面要尽量让反应堆足够小，而另一方面的努力，就是找一架足够大的飞机了。

B-17合适么？

第二次世界大战期间，美国生产了大量的B-17轰炸机（总产量为12731架）。和平年代，只好以客机生产规模来比拟了。迄今为止，在民航业如此发达的今天，也仅有产量达到10000架的波音737能够在量产规模上与之比肩。

二战结束后，刚刚成立的美国空军手里，有大量的B-17轰炸机。美国空军的前身美国陆军航空队对B-17轰炸机太有感情了。

二战期间，B-17在欧洲战场上投掷了58.05万吨炸弹，而其他飞机加起来投下的弹药重量也不过是83.08万吨（其中有将近一半是B-24投下的）。

小火箭根据二战数据统计：

二战欧洲战场上，41.13%的弹药是B-17轰炸机投放的，有29.08%的弹药是B-24轰炸机投放的，其他所有型号的飞行器投放的弹药比例只占约30%。

但是，在仔细分析后，工程师们认为，B-17不太合适。主要原因是其瘦长的机身和仅3.6吨的标准载弹量难以满足硕大沉重的核反应堆的要求。

B-29怎样呢？

B-17名为空中堡垒，B-29则名为超级空中堡垒。

B-29（上图右侧）比B-17（上图左侧）大出不少。

发动机功率也提升了83.3%。

B-29轰炸机的机内空间很大，在低空短程飞行时，载弹量可达9.1吨，比起B-17的3.6吨来说大太多了。

B-29的总产量为3970架，虽然比不上B-17的12731架，但是也算是高产了。

上图为波音公司交付第1000架B-29战略轰炸机时的场景。摄于1945年2月。

但是，工程师们计算后，发现，即使是B-29也很难完成带核反应堆上天的任务。

虽然B-29在第二次世界大战末期，连续执行过2次投掷原子弹的任务。但是，那毕竟是原子弹，而不是带有大量防护和产能设施的核反应堆。

从核物理的角度来看，让能量可靠且安全地释放出来甚至要难于将能量在一瞬间一股脑地迸发出来。

于是，人们想到了B-36重型战略轰炸机。

1946年8月8日首飞的B-36战略轰炸机，刚一问世，就创造了多项世界纪录。

她是当时世界上最大的采用螺旋桨动力的飞机。迄今为止，依然是翼展最长(70米)的作战飞机。

B-36战略轰炸机能够携带32.7吨的炸弹（改进型能够携带重达39吨的炸弹）。

她是当时美国空军唯一一款能够携带美国所有类似的核武器执行洲际投掷任务的轰炸机。

诞生伊始，B-36给人们的第一印象，就是：大。

把B-29超级空中堡垒（左）与B-36和平卫士（右）放在一起，或许更能够凸显出B-36的巨大。

B-36轰炸机巨大的机身和机翼给人留下了深刻的印象。上图左侧为B-29，中间为B-17，右侧是B-36。

她的翼根处，厚度达1.8米。

从B-36D开始，康维尔公司尝试给B-36左右两侧机翼下方各自加装了两台GE的J-47喷气式发动机。

从此，B-36开始走螺旋桨和喷气式混合动力的路线。其发动机总数也就达到了10台！

平时，在巡航飞行状态，为了省油，4台喷气式发动机是关闭的。在起飞时，4台喷气式发动机开始嘶吼，将该机的总功率飙升到4万马力，有效地改善了B-36的起飞性能。

上图为1955年一架B-36轰炸机的10台发动机（6台活塞+4台涡喷）火力全开的场景。

因为当年的核反应堆太大，也就只好选用当时美国空军能够拿得出来的最大的轰炸机来试一试了。

可以说，如果连B-36轰炸机都装不下的话，那就没戏了。

B-36有多大？

机长49.41米，翼展70.11米，机高14.25米，机翼面积443.52平方米。

当然，千言万语不如一张图：

这是将近一个连的人在B-36机翼上方的样子。

这是一位空军地勤人员手扶B-36战略轰炸机主起落架轮胎的情景。

（轮胎直径2.8米！）

在厂房里进行静力测试的B-36轰炸机机体。

上图右侧中部，小火箭用红圈标出了阳台上的3位工程师。对比之下，可以随意感受一下B-36的大。

这是美国空军的22款飞行器放在一起的照片。B-36D是最大的，比B-52还要大。（B-36的翼展为70米，B-52的翼展为56米。）

美国橡树岭国家实验室研制出了一座1兆瓦功率的核反应堆。

该反应堆重15.876吨。对于B-36轰炸机39吨的最大载弹量来说，这是可以接受的。

整座反应堆安置在B-36轰炸机的尾部机舱内，仅供测试运行使用，本身并不给飞机提供用于飞行的动力。

这一点，大家要弄清楚的。

（之前有一些人误以为B-36是首架核动力轰炸机了，实际上，同时代的X-6核动力飞机项目并未完成。美好的愿望可以理解，但是核动力航空发动机，还是任重而道远的。）

防护

这是保证1架B-36轰炸机能够安全飞上天空的人员和设备的最小单位。

值得注意的是，B-36轰炸机的机组人员多达13位！

还记得小火箭在前文说过的3大目标吧！

第一：核反应堆的小型化能否成功？

第二：能否研制出有效屏蔽核辐射的设施？

第三：能否摸索出核飞行器的试验方法？

第一个目标，经橡树岭国家实验室和B-36轰炸机的共同努力，通过采用减小核反应堆的体积和征用最大的战略轰炸机的方式完成了。

那么，把1兆瓦级别的核反应堆放在轰炸机的屁股上，一旦出现泄漏，后果是不堪设想的。

而且，未来如果真的把核动力航空发动机安装在轰炸机上，其喷流本身就具备相当程度的放射性，因此，必须设计有效的屏蔽设施来保障机组人员的安全。

（或者至少看起来能够保护一下机组人员，否则飞行员是断然不敢开这样的飞机的。）

这就需要对B-36的驾驶舱进行改进。

有趣的是，B-36轰炸机的驾驶舱在与核反应堆形成联系之前就有过多次改进的记录。

上图为1951年4月27日，工程师们准备把最后出厂的一个B-36A驾驶舱升级改进为B-36E驾驶舱的情形。

不过，专门为了放置核反应堆而升级改进一架B-36轰炸机的驾驶舱，康维尔公司一开始还是下不了决心。

主要是因为在厂房状态下，升级改进不算难。但是，如果是把一架完好无损的B-36升级为核防护专用型号的话，还涉及到一系列拆解的工作。

这是由B-36A升级为B-36E的驾驶舱的场景。

1952年9月1日，一场破坏力极强的飓风帮助康维尔公司做了决定：一架B-36轰炸机被飓风掀翻，然后狠狠地撞到了基地厂房侧面的立柱上，驾驶舱全毁。

于是，康维尔公司终于下定决心，就在这架B-36轰炸机上开始了大张旗鼓地改进工作。

原本13人的机组，被精简为5人，其中包括1名机长，1名副驾驶，1位飞行机械师，2位核反应堆工程师。

驾驶舱重新设计，由11.4吨铅和橡胶厚厚地包裹了起来！舱门关闭后，这个结构能够长时间承受直接暴露在核反应堆堆芯下的辐射。

通过比较上图和上上图，就能够发现抗核辐射驾驶舱和一般驾驶舱的区别了。

这是一辆吊车正在准备将抗核辐射驾驶舱吊装进入B-36轰炸机机体内的瞬间。

康维尔公司拥有量产B-36轰炸机的能力，在1946年到1959年，共生产了384架B-36轰炸机。

但是，在改造B-36的过程中，为了使新生的NB-36H（哈，这个名字听起来就很NB啊！）拥有抗核辐射能力，康维尔公司也是邀请了不少其他企业来帮忙。

比如NB-36H的驾驶舱的玻璃，就不再使用普通的航空玻璃，而是用了30厘米厚的铅玻璃。

流程

解决了反应堆和机体的问题，又解决了机身防护问题之后，就剩下第三个问题了：那就是核反应堆试验飞机的试验方法或者说试验流程是怎样的？

为了有效测试核反应堆在空中运作对飞行器的影响并尽量减少测试过程中对地面带来的辐射伤害，整个试验流程要遵循几个原则：

首先，在起降阶段不得开启核反应堆，只能在高空启动试验；

其次，试验飞行器只能在新墨西哥州和德克萨斯州上空飞行，这些区域本来就是美国的传统核武器试验场；

最后，要遵循科学试验的控制变量法，做好合理设计。

在实际操作过程中，为了以防万一，美国空军准备了一架B-50来进行伴飞（后来又加入了一架C-119）。

一旦飞机失控，开始扑向人口稠密地区，B-50已提前获得了授权对该机实施击落操作。

另外，一旦该机发动机熄火，需要迫降在人烟稀少地区时。B-50和C-119上的几十位美国空军人员会立刻紧随其后迫降，并迅速控制周边区域，号召当地国民警卫队和警察实施紧急疏散。

注意上图的NB-36H核反应堆试验机的垂直尾翼上的核辐射标志。

这是现代的核辐射标志。

反应堆在测试飞行之前，已经进行了大量验证测试，以保证可靠性。

上图右侧就是将近16吨重的1兆瓦核反应堆，左侧则是11.4吨铅和橡胶包裹起来的驾驶舱。

注意上图左下角有个牌子，写着“躲远点”。

这是核反应堆试验机的机长和副驾驶的座位，飞行仪表控的天堂。

这是核反应堆试验机的核工程师座位前的仪表，实时监测反应堆的温度、压力、辐射情况。

由于机组人员由13名缩减为5名，这位核工程师只能身兼多职，同时是机上的医生和安全员。

这是另一位核工程师的座位，主要用于对核反应堆进行日常操作（开启、关闭、功率提升、功率减小）。

这是机上机械师的座位。大部分仪表与其他B-36战略轰炸机相同，都是监控6台活塞式发动机的转速、温度和供油情况的。

不过，右侧多了一个紧急按钮。那是核反应堆舱的火灾报警按钮。

通常的资料显示，这架飞机在1955年到1957年3月期间，进行了47次测试飞行，累计飞行时长为215小时，累计开启核反应堆时间为89小时。

为了维持小火箭风格，我专门发动多位好友，经过一长段时间的搜集和整理，终于把47次测试飞行的时间和测试内容拿到。

在本文，小火箭在公号中制成表格如下：

在1955年7月20日到1957年3月28日期间，进行了47次测试飞行，累计飞行时长为215小时，累计开启核反应堆时间为89小时。

这期间，前期非常谨慎，每次开启核反应堆之前，都要专门进行测试飞行以确保B-36可靠。开启反应堆之后，也要进行自由飞行测试，以便弄清楚机尾的核反应堆的辐射对飞机的影响程度。

在1956年的5月份和6月份，测试飞行非常顺利，核反应堆空中启动试验连续做了4次。

这是世界上第一架也是迄今为止唯一一架B-36核反应堆试验机飞行在新墨西哥州上空的实拍场景。

1956年3月29日的第14次测试飞行中，核反应堆第4次空中启动，出现了阀门堵塞的险情。1956年4月4日的第15次测试飞行中，隐藏的阀门问题导致核反应堆冷却液体出现了第一次泄露。

这是人类第一次在空中出现核反应堆液体的泄露事故，也是迄今为止最后一次。

对于小火箭在前文统计的表格，我还需要特别说明一次：1957年2月27日，核反应堆空中测试飞行进行了第20次空中启动试验，也是最后一次。

这一次飞行，持续进行9小时5分钟，大部分时间都是在墨西哥湾上空以122米的超低空飞掠形式完成的！

1957年6月6日，美国第一款洲际弹道导弹宇宙神首飞成功。

宇宙神洲际弹道导弹和本文的主角NB-36H核反应堆试验机同为康维尔公司的项目。

两年前读过小火箭公号文章《从美国最早的洲际弹道导弹看项目管理》的好友或许还记得康维尔公司自筹经费的坚持与最后的成功。

但是，他们同样是要做取舍的。洲际弹道导弹的技术成熟度和应用前景更加明朗。最终，公司决定全力以赴发展洲际弹道导弹技术，而把核动力轰炸机的项目暂时搁置了。

后记

一曲终了，有时不是为了结束什么，反而是在开启着我们梦寐以求的什么。就像捷克作曲家德沃夏克的九部交响曲那样，那奏鸣曲式的第四乐章，盛大而恢弘，这是他的总结，却又是明显地在孕育新的经典和新的传奇。

核反应堆的空中开启试验，为人类积累了大量工程技术数据，这些数据和经验会对未来的应用提供帮助。

以核能作为动力的梦想，在其他领域得到了实现。

公元1955年1月17日上午11时，人类第一艘核动力潜艇鹦鹉螺号以艇上的无线电通讯设备向全世界发出了一条信息：

以核动力前行！

Underway on nuclear power！

随后，她驶入大洋。不久，就完成了人类舰艇首次穿越北极的壮举。直到1980年3月3日，鹦鹉螺号核动力潜水艇才退役。

1957年，人类第一艘核动力水面舰船下水。这艘苏联工程师打造的核动力破冰船进一步促进了核能推进技术的发展。

1957年12月2日，美国第一艘核动力水面作战舰艇 长滩号核动力导弹巡洋舰开工建造。1959年7月14日，长滩号下水。

1964年7月13日，人类第一艘核动力航空母舰企业号（最右）、人类第一艘核动力导弹巡洋舰长滩号（中）与班布里奇号核动力导弹巡洋舰（左）组成第一特遣编队，进行了全核动力不靠港补给的环球航行。

注意上图企业号航母的甲板上，水兵们组成了爱因斯坦博士的质能方程式，向核动力，向科学致敬。

这是三艘核动力水面舰艇当年进行无燃料补给的全球航行壮举的航线。

相关阅读：

《广岛原子弹：人类历史上第一次实战使用核武器》

《长崎原子弹：第二颗也是迄今最后一颗实战原子弹》

《两颗原子弹爆炸之后，军事领域与科技领域的变化》

《从美国最早的洲际弹道导弹看项目管理》

《当运动超过光速！核反应堆摄人心魄的幽幽蓝光》

《核恐慌大停电与报废的卫星：太阳风暴的威力》

《核爆炸与猎鹰火箭：NASA追日全食飞机的传奇》

《32.7公斤核燃料与地球擦肩而过：卡西尼的惊险之旅》

《美国陆基战略核导弹的部署、运输与防护》

《铍：洲际弹道导弹与核武器的关键材料》

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