美国超级无人机技术（美国核动力无人机计划）

作者：晨枫

无人机的超长航时正在改变战场航空的面貌。无人机可以连续在高空徘徊几天，不间断地观察目标，在最有利的时候引导战斗机攻击，或者直接发射导弹攻击。飞行员的生理限制已经无关紧要，无人机控制员可以轮班，只要飞机还有继续留空的能力，就没有时间限制。正是因为无人机的这个特点和超长航时的巨大实战价值，使得一个早已死寂的概念重新复活。

桑迪亚国家实验室测试F-14电子设备的抗干扰能力

提出核动力无人机概念的是美国桑迪亚国家实验室，作为美国国家实验室之一，桑迪亚负责核武器的安全性和可靠性研究（包括核武器的数学模型和核爆炸的计算机仿真）、核废料的处理以及能源和环境问题，另外也从事计算生物学、数学、材料科学、心理学、微机电、认知科学等领域的研究。桑迪亚实验室是40年代曼哈顿计划时代建立的。洛斯·阿拉莫斯实验室是美国核武器研究的主要基地，洛斯·阿拉莫斯的主任罗伯特·奥本海默一方面是研制核武器的曼哈顿计划的负责人，另一方面兼管大量非核研究。在第一次核试爆的前夜，奥本海默带领技术主管哈特利·罗威到同在新墨西哥的阿布奎基寻找新的研究基地，以便把洛斯·阿拉莫斯不和核武器直接相关的研究转移过来，一方面为洛斯·阿拉莫斯分压，另一方面也容易避开保密研究的问题。今天，桑迪亚的ASCI“红色风暴”是世界上最快的超级计算机之一，“Z机器”则是世界上最大的X光发生器。作为应用核研究的领先机构，桑迪亚提出核动力无人机概念并不使人惊讶。

太阳能动力的无人机已经升空，采用碳氢燃料或者纯氢燃料的无人机已经可以达到几天的留空时间，但这样的无人机的载重量十分有限，只能携带微不足道的有效载荷。另外，太阳能或者氢动力无人机的速度非常低，必须靠前部署才能及时赶到目标空域；而且只能使用螺旋桨推进，无益于隐身。机上发电能力也很有限，无法为机载雷达、通信系统提供足够的电力。桑迪亚提出的核动力无人机可以在30000米以上的高空留空6个月甚至一年核动力飞机，携带2200千克以上的有效载荷，堪称“大气层内飞行的卫星”。不光可以用于光学和电子侦察、战场监视、通信中继，还可以用于猎-歼作战，长时间蛰伏在高空，发现目标露头就发射导弹定点消灭。桑迪亚的计算表明，使用成本实际上低于常规无人机。

核动力飞机的概念在上世纪四五十年代曾经流行。除了显而易见的航程优势外，核动力可以具有超长的留空时间，这对冷战时期大规模核报复战略十分有用。在大规模核报复战略中，可靠的核反击是十分关键的。那个时代还没有形成核三位一体，核反击的主力是挂载核弹的轰炸机。停放在停机坪的轰炸机容易遭到对方先发制人的攻击，但在空中不断巡逻的轰炸机不仅极大地缩短了出动时间，还可以免遭先发制人的打击。另一方面，轰炸机在投放核弹后，必须超声速逃逸才能躲开核爆炸的威力。早期涡喷的油耗惊人，远程超声速飞行光机载燃油量就是一个不可能的任务，所以设计师们想到了核动力。

美国在1946年启动了“核动力航空推进计划”（NEPA），在1951年NEPA改称“飞机核动力计划”（ANP）。ANP包括通用电气的直接循环方案和普拉特·惠特尼的间接循环方案，计划用一架康维尔B-36轰炸机作为试验平台，重点研究反应堆的屏蔽问题。最终研究成果将用于WS-110核动力超声速轰炸机。

普拉特·惠特尼的简介循环方案采用液态金属作为工质，流经反应堆时把反应堆的热量带走，冷却反应堆的堆芯；进入相当于燃烧室的工作空间时，加热流过的空气，使之升温膨胀做功。间接循环的热效率较低，系统复杂，但核污染小。间接循环可以在两台涡喷发动机之间共用一台反应堆，使系统重量和复杂性有所降低。但普拉特·惠特尼始终没有能够研制出能够升空的反应堆，间接循环方案停留在纸面上。

直接循环方案把反应堆的堆芯直接暴露，流经的空气得到直接加热，升温膨胀做功。直接循环的热效率高，系统简单，但核污染大。流经堆芯的空气到底是否具有足够的放射性，到现在也没有定论。通用电气使用熔盐反应堆技术和液态金属冷却，使得反应堆具有很小的体积。通用电气用J47涡喷发动机作为改装基础，使直接循环方案具有升空能力，在1956年1月31日成功地试车。

另一方面，联合-沃特（Consolidated-Vaught，后并入康维尔和通用动力，现为洛克希德的一部分）吧一架B-36轰炸机改装为NB-36H，在机上搭载一个核反应堆，用于测试机载反应堆的屏蔽技术。NB-36H一共做过47次飞行。

洲际弹道导弹的出现使核动力轰炸机不再必要，另外由于巨大的技术困难，核动力飞机始终无法实用化。艾森豪威尔在1960年中止了ANP，但小规模研究继续进行，直到肯尼迪上台后，把小规模研究也中止了。在15年和10亿美元投资之后，核动力飞机成为历史上的一段辛酸故事，两台核动力涡喷发动机样机今天在阿科附近的爱达荷国家实验室陈列展出。

除了核动力飞机外，美国还展开了核动力巡航导弹的研制计划，代号“冥王计划”（ProjectPluto）。“冥王计划”的主体是采用核动力冲压发动机的“超声速低空导弹”（Supersonic LowAltittude Missile，SLAM）。核冲压发动机的结构并不复杂，用核反应堆加热冲压进来的空气，别的和常规的冲压发动机没有本质的不同。SLAM用火箭助推器起飞，达到工作高度和速度后，在远离人烟的地区转为核冲压动力巡航。核动力可以持续几个月，所以可以升空后在待命空域徘徊，直到最高统帅部下达核攻击的命令，才转为在300米高度的超低空以三倍声速飞行，采用20多年以后才在巡航导弹上常见的地形匹配制导系统，射程达11000公里。SLAM可以携带多个热核弹头，沿途投放。因为核动力段主要在海上和敌国上空，SLAM的核反应堆没有屏蔽，在核反应堆里加热的空气是不是有放射性，到现在也没有定论。实际上，在这样的低空超声速飞行，沿途的核辐射和音爆造成的破坏就够大了。连带没有耗尽的核反应堆一头扎下去，不要战斗部就够敌人一呛。还有人建议，核弹头投放完后，不要直接一头扎下去同归于尽，在敌国上空绕圈子转，核辐射和音爆就有足够的杀伤力。冷战时期的思维就是这样的毫无人性。

SLAM的核心在小巧的核反应堆，其工作温度达1600度，对材料的高温强度和冷却技术是一个极大的挑战。反应堆采用大量只有铅笔粗细的陶瓷质核燃料棒，委托库尔斯（Coors）陶瓷公司制作。库尔斯作为陶瓷专业户，也为酿造业的容器大量制造陶瓷衬里。库尔斯后来开始酿造啤酒，啤酒逐渐成为主业，以至于今天人们只知道库尔斯啤酒，不知道库尔斯陶瓷，不过这是题外话了。SLAM的核冲压发动机的代号为“托利”，设计中实在有太多的问题无法用理论或者实验室试验解答，必须作全尺寸试验。为了避免试验造成核污染，特意在内华达核试验场建造试验设施，用长达40公里的石油钻探时用的套管，内容450吨的空气！试验后，由一条全自动的铁路将“托利”发动机运到附近的设施，由全遥控的机器人拆卸开来，科学家们用闭路电视遥控检查发动机的部件，这都是在1961年的时候！为了预防万一，科学家们躲在远处的核掩蔽部里，里面有足够两个星期的食物和饮水。

静态的发动机试验都要如此兴师动众，飞行试验和实战部署自然更加不可思议。“托利”发动机成功地在地面试验过，但是地面发动机试验是一个问题，实弹全程飞行试验是另一个问题。即使在海上试验，涉及的面也实在太大，对航船是极大的威胁。最终抛弃在海里，对环境也是极大的威胁，即使在60年代也是不可接受的。更有甚者，万一导弹失控，这个在超低空飞行的不断散布核污染的反应堆可能在世界上空游荡几个月之久，谁也不知道拿它如何是好。击落的问题更大，如果不是地方，坠毁的无屏蔽核反应堆要造成严重的地面核污染。SLAM最终也要飞经美国和盟国的上空，对敌人和对自己是同样的威胁，如何处置这类问题，谁也没有答案。与此同时，洲际弹道导弹的发展意味着SLAM的概念已经过时，最后在1964年下马。

另一方面，1958年12月1日的美国《航空周刊》报导，苏联已经成功地试验了核动力轰炸机。和美国的研究机不一样的是，苏联的核动力轰炸机已经实用化了。文章还有一张照片，照片上外形新颖的喷气式重轰炸机看起来很先进，明显和苏联空军现有的任何轰炸机都不一样。这条消息引起美国朝野一片震动，但最终被证明是一条假新闻。照片上的轰炸机是已经下马的米亚西舍夫M-50。弗拉德米尔·米亚西舍夫是苏联航空界的一个异类，才华横溢，设计的飞机新颖、异端，但极少投产，设计局后来也解散了。但米亚西舍夫本人反而去领导中央流体力学研究所（简称TsAGI，相当于美国的NASA）了，直到1967年再创设计局，至今还在，还是时有惊人但叫好不叫座之作。1963年苏联航空节时，M-50轰炸机正式展出，总算排解了核动力轰炸机之谜。不过图波列夫设计局是研制过图-119核动力轰炸机的。这是搭载核反应堆的图-95轰炸机，研究重点同样在于反应堆屏蔽。图-119经历过34次试飞，但大多数试飞时核反应堆关闭。60年代中期时，洲际导弹证明了无可置疑的优越性，苏联的核动力轰炸机研究也偃旗息鼓了。

在沉寂50年后，桑迪亚重新提出核动力无人机，当然不是对历史的简单重演。美国空军在80年代曾经研制过“先进机载侦察系统”（AdvancedAirborne Reconnaissance System，简称AARS），这是一种传统喷气动力的长航时隐身无人机，用于追踪苏联的机动核导弹发射系统，但在冷战结束后计划中止。AARS中止后，桑迪亚在90年代中期研究过用核动力复活AARS的设想，但2001年才开始认真的研究。桑迪亚声称现有技术已经足够成熟，核动力长航时无人机将不是一个科研项目，而是一个工程发展项目，只要10年时间就可以达到试飞程度。

波音的秘密研究机构“幻影工厂”参与了核动力无人机的研究。这将是一架高亚声速的飞翼，发动机的基本概念还是基于50年代的ANP。但50年的技术进步使新一代核动力涡喷有一些显著的差异。ANP失败的一大原因是反应堆屏蔽太过沉重，ANP的至少一半重量都被对推进没有作用的屏蔽占用了。无人机使得反应堆屏蔽的要求大大降低，只需要保证机体不受到放射性沾染，与地面的距离本省就是一种有效的屏蔽。核反应堆在低功率时的放射性大大降低。桑迪亚的设计在起飞、着陆和低空飞行阶段使用常规的碳氢燃油能源，怠速运转的核反应堆的屏蔽要求很低。美国空军的一项研究表明，“全球鹰”大小的核动力无人机之需要1225千克的屏蔽就足够。

技术进步使得无油润滑也成为可能，不需要机油的磁悬浮轴承不仅适用于超高转速和大功率，也减少了一个放射性沾染源。反应堆技术的进步也是核动力无人机的另一个动力。美国空军和桑迪亚联合研制的空间核能热动力驱动（SpaceNuclear Thermal Propulsion，简称SNTP）技术的研究接近尾声，这是1987年为里根时代的“星球大战”计划研制的核动力火箭技术，用核能加热液氢急剧膨胀产生推力，用于空间部署的反导弹动力。这个计划在冷战结束后中止了，但有关研究继续了下来。SNTP计划采用新型的颗粒床反应堆（ParticleBed Reactor，简称PBR），采用碳-碳和陶瓷-金属矩阵复合材料，重量只有1000千克。据说PBR“很安全”，除非直接掉在人的脑袋上，否则不会造成伤害。特殊的核燃料技术具有有机的屏蔽和可靠的熄火机制，保证在意外的时候不会发生无控链式反应。桑迪亚和诺思罗普的设计包括8个核动力热源、三个动力转换系统、两个双循环推进系统和一个发电系统，现在还不清初桑迪亚-诺思罗普使用了PBR还是更先进的反应堆。但早在2001年，桑迪亚-诺思罗普的提议中就指出，核动力无人机将能提供至少几百千瓦的电力供机载系统使用，常规的使用碳氢燃油的涡喷/涡扇发动机最多只有50多千瓦的机载发电能力，不够越来越多的记载雷达、光电、计算机、通信和电子战系统的电力需求。

但核动力无人机依然有政治上和军事上难以克服的困难。由于核动力的存在，核动力无人机在基地时的处置不能和常规动力飞机相同，维修、停放都要有专门设施，警卫也要特别加强。地勤人员不仅需要常规的无人机技术支援技能，还需要接受核动力方面的专业训练。即使和动力系统无关的系统支援人员也需要接受防辐射的专门训练，毕竟这是近距离操作，有专门的检测、操作和防护程序。基地需要有专门的监测系统和辐射洗消系统，防备由于系统失效或者人为错误而万一发生核泄漏事故。

在作战使用时，核动力无人机应该避免和非核动力飞机混合出动。即使是非核动力的无人机没有人员受到核辐射的危险，未经抗辐射加固的电子设备和精确制导武器在经受核动力无人机近距离照射后也不一定能保证正常工作。

法国“可畏”号核潜艇的核反应堆

更大的问题在基地。核动力舰艇的部署已经是一个敏感问题，但核动力舰艇的辐射屏蔽不是核动力无人机可以比拟的，核动力舰艇上常驻人员，核动力舰艇也不必近距离经过居民密集地区，这些都是可以安抚居民不安心理的因素。核动力无人机就不一样，不光屏蔽相对薄弱，起飞、下滑路径很可能飞越人烟密集地区，容易受到居民的反对。如果在起飞、下滑阶段发生飞行事故，居民就面临零距离核沾染的危险。

飞机都是可能失事的，无人机没有机上的飞行员，本身的安全设计标准就较低，还由于没有飞行员在机上应变处理而在意外情况下容易失控。美国军方的无人机失事概率远远高于有人驾驶飞机。在人烟密集地区发生失事，后果不堪设想。另外一个问题是飞机故障，无法正常降落，这时就非常难办。按照正常程序，这时应该返航，在基地迫降。常规动力飞机迫降最坏的后果是大火，核动力无人机迫降最坏的后果就没有那么简单了，弄不好不光基地的人员和装备受到损害，基地都可能被迫永久性关闭。但不在基地迫降更不好办，没有任何地方会在知情的情况下接受核动力无人机的受控坠毁，在公海上这么做都要受到全世界的谴责。如果碰到像“哨兵”在伊朗那样无控迫降的情况，就更加麻烦。置之不理不行，安全回收更难，留给伊朗那是送上门来的核材料，更加不堪设想。

核动力无人机最终或许不是一个技术问题，而是一个政治问题，在可预见的将来，这将停留在科学幻想层面，但这是不同于一般的科学幻想，是“技术上可以实现但政治上没法实现”的科学幻想。

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