[ezup]

Пятидесятые годы пошлого века стали периодом бурного развития ядерных технологий. Сверхдержавы создавали свои ядерные арсеналы, попутно строя атомные электростанции, ледоколы, подлодки и боевые корабли с ядерными силовыми установками. Новые технологии сулили большие перспективы. К примеру, атомная подлодка не имела каких-либо ограничений по дальности хода в подводном положении, а «дозаправку» энергетической установки можно было производить раз в несколько лет. Конечно, ядерные реакторы имели и недостатки, но присущие им преимущества с лихвой компенсировали все затраты на безопасность. Высокий потенциал ядерных энергосистем со временем заинтересовал не только командование военно-морских флотов, но и военной авиации. Самолет с реактором на борту мог иметь гораздо лучшие характеристики полета, чем его бензиновые или керосиновые «собратья». В первую очередь, военных привлекала теоретическая дальность полета такого бомбардировщика, транспортника или противолодочного самолета.

В конце сороковых годов бывшие союзники в войне с Германией и Японией – США и СССР – внезапно стали злейшими врагами. Географические особенности взаимного расположения обеих стран требовали создания стратегических бомбардировщиков с межконтинентальной дальностью. Старая техника уже была неспособна обеспечить доставку атомных боеприпасов на другой материк, что потребовало создания новых самолетов, развития ракетной техники и т.д. Уже в сороковых годах в умах американских инженеров созрела идея установить на самолет ядерный реактор. Подсчеты того времени показывали, что на одной заправке ядерным топливом самолет, сопоставимый по массогабаритным и летным параметрам с бомбардировщиком B-29, сможет провести в воздухе не менее пяти тысяч часов. Иными словами, даже при тогдашних несовершенных технологиях ядерный реактор на борту при помощи всего одной заправки топливом мог обеспечивать самолет энергией на протяжении всего срока эксплуатации.

Вторым преимуществом гипотетических атомолетов того времени были достигаемые реактором температуры. При правильном конструировании ядерной силовой установки можно было бы усовершенствовать существующие турбореактивные двигатели, нагревая рабочее вещество при помощи реактора. Таким образом, появилась возможность увеличить энергию реактивных газов двигателя и их температуру, что привело бы к значительному повышению тяги подобного двигателя. В результате всех теоретических размышлений и расчетов самолеты с ядерными двигателями в некоторых головах превратились в универсальное и непобедимое средство доставки атомных бомб. Однако дальнейшие практические работы охладили пыл таких «мечтателей».

Программа NEPA

Еще в 1946 году новообразованное министерство обороны США открыло проект NEPA (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft – «Ядерная энергия для движения самолета»). Целью этой программы было изучение всех аспектов перспективных ядерных силовых установок для самолетов. Головным подрядчиком по программе NEPA была назначена компания Fairchild. Ей поручили изучить перспективы стратегических бомбардировщиков и высокоскоростных разведчиков, оснащенных ядерными энергоустановками, а также сформировать облик последних. Сотрудники «Фэйрчайлд» решили начать работы по программе с самого актуального вопроса: безопасности пилотов и обслуживающего персонала. Для этого в грузоотсеке бомбардировщика, использовавшегося в качестве летающей лаборатории, поместили капсулу с несколькими граммами радия. Вместо части штатного экипажа в экспериментальных полетах участвовали сотрудники компании, «вооруженные» счетчиками Гейгера. Несмотря на сравнительно малое количество радиоактивного металла в грузоотсеке, радиационный фон превышал допустимый уровень во всех обитаемых объемах самолета. По результатам этих исследований сотрудникам Fairchild пришлось засесть за расчеты и выяснить, какая защита потребуется реактору для обеспечения должной безопасности. Уже предварительные расчеты наглядно показали, что самолет B-29 просто не сможет нести такую массу, да и объемы имеющегося грузоотсека не позволят разместить реактор без демонтажа бомбодержателей. Иными словами, в случае с B-29 пришлось бы выбирать между большой дальностью полета (и то, в очень отдаленной перспективе) и хоть какой-то полезной нагрузкой.

Дальнейшие работы по созданию предварительного проекта авиационного реактора наталкивались на новые и новые проблемы. Вслед за неприемлемыми массогабаритными параметрами проявились сложности с управлением реактором в полете, эффективная защита экипажа и конструкции, передача мощности от реактора к движителям и так далее. Наконец, выяснилось, что даже при достаточно серьезной защите радиация от реактора может негативно воздействовать на силовой набор самолета и даже на смазку двигателей, не говоря уже об электронном оборудовании и экипаже. По результатам предварительных работ программа NEPA к 1948 году, несмотря на затраченные десять миллионов долларов, имела весьма сомнительные результаты. Летом 48-го в Массачусетском технологическом институте провели закрытую конференцию, посвященную тематике перспектив атомных энергоустановок для самолетов. После ряда споров и консультаций участвовавшие в мероприятии инженеры и ученые пришли к выводу о принципиальной возможности создания атомолета, но его первые полеты отнесли лишь к середине шестидесятых годов или даже к еще более позднему сроку.

На конференции в МТИ было объявлено о создании двух концепций перспективных ядерных двигателей, открытой и закрытой. «Открытый» ядерный реактивный двигатель представлял собой некое подобие обычного турбореактивного, в котором нагрев поступающего воздуха осуществляется при помощи горячего ядерного реактора. Раскаленный воздух выбрасывался через сопло, попутно вращая турбину. Последняя приводила в движение крыльчатки компрессора. Сразу же были оговорены и минусы такой системы. Из-за необходимости контакта воздуха с нагревающимися деталями реактора особые вопросы вызвала ядерная безопасность всей системы. Кроме того, для приемлемой компоновки самолета реактор такого двигателя должен был иметь очень и очень малые размеры, что сказывалось на его мощности и уровне защиты.

Ядерный реактивный двигатель закрытого типа должен был работать схожим образом, с той разницей, что воздух внутри двигателя нагревался бы при контакте с самим реактором, но в специальном теплообменнике. Непосредственно от реактора в таком случае предлагалось нагревать некий теплоноситель, а воздух должен был набирать температуру при контакте с радиаторами первого контура внутри двигателя. Турбина и компрессор оставались на своих местах и работали точно так же, как на турбореактивных или на ядерных двигателях открытого типа. Двигатель закрытой схемы не накладывал особых ограничений на габариты реактора и позволял значительно сократить выбросы в окружающую среду. С другой стороны, особой проблемой явился подбор теплоносителя для передачи энергии реактора воздуху. Различные теплоносители-жидкости не обеспечивали должного КПД, а металлические требовали предварительного нагрева до запуска двигателя.

В ходе конференции было предложено несколько оригинальных методик повышения уровня защиты экипажа. Прежде всего, они касались создания силовых элементов соответствующей конструкции, которые самостоятельно экранировали бы экипаж от излучения реактора. Менее оптимистично настроенные ученые предложили не рисковать пилотами или, как минимум, их репродуктивной функцией. Поэтому появилось предложение обеспечивать максимально возможный уровень защиты, а экипажи набирать из пожилых летчиков. Наконец, появились идеи, касавшиеся оснащения перспективного атомолета системой дистанционного управления, дабы люди во время полета вообще не рисковали своим здоровьем. В ходе обсуждения последнего варианта появилась идея разместить экипаж в небольшом планере, который должен был буксироваться за атомолетом на тросе достаточной длины.

Программа ANP

Конференция в МИТ, послужив своеобразным мозговым штурмом, положительным образом сказалась на дальнейшем ходе программы создания атомолетов. В середине 49-го года военное ведомство США запустило новую программу под названием ANP (Aircraft Nuclear Propulsion – «Авиационная ядерная двигательная установка»). На этот раз план работ подразумевал подготовку создания полноценного самолета с ядерной энергоустановкой на борту. Из-за других приоритетов был изменен список предприятий, занятых в программе. Так, Lockheed и Convair были привлечены в качестве разработчиков планера перспективного самолета, а General Electric и Pratt & Whitney получили задание продолжить работы Fairchild по теме ядерного реактивного двигателя.

На ранних стадиях программы ANP заказчик большее внимание уделял более безопасному двигателю закрытого типа, однако компания General Electric провела среди военных и государственных чиновников «разъяснительную работу». Сотрудники General Electric напирали на простоту и, как следствие, дешевизну открытого двигателя. Им удалось сагитировать ответственных лиц, и в итоге двигательное направление программы ANP было разделено на два самостоятельных проекта: «открытый» двигатель разработки General Electric и мотор закрытой схемы от Pratt & Whitney. Вскоре «Дженерал Электрик» смогли протолкнуть свой проект и добиться для него особого приоритета и, как следствие, дополнительного финансирования.

В ходе программы ANP к уже существующим вариантам ядерных двигателей добавился еще один. На этот раз предлагалось сделать мотор, по своему строению напоминающий атомную электростанцию: реактор нагревает воду, а получившийся пар приводит в движение турбину. Последняя передает мощность на воздушный винт. Подобная система, имея меньший КПД в сравнении с другими, получалась наиболее простой и удобной для скорейшего изготовления. Тем не менее, подобный вариант силовой установки для атомолетов не стал основным. После некоторых сравнений заказчик и подрядчики программы ANP решили продолжить разработку «открытых» и «закрытых» двигателей, а паротурбинный оставить в качестве запасного варианта.

Первые пробы

В 1951-52 годах программа ANP приблизилась к возможности строительства первого опытного самолета. В качестве основы для него был взят разрабатывавшийся в то время бомбардировщик Convair YB-60, представлявший собой глубокую модернизацию B-36 со стреловидным крылом и турбореактивными двигателями. Специально для YB-60 была спроектирована энергетическая установка P-1. Ее основой был цилиндрический агрегат с реактором внутри. Ядерная установка обеспечивала тепловую мощность порядка 50 мегаватт. Через систему трубопроводов с реакторным агрегатом соединялись четыре турбореактивных двигателя GE XJ53. После компрессора двигателя воздух по трубам проходил мимо активной зоны реактора и, нагреваясь там, выбрасывался через сопло. Расчеты показали, что для охлаждения реактора будет недостаточно одного только воздуха, поэтому в систему были введены баки и трубы для водяного раствора бора. Все системы энергоустановки, соединенные с реактором планировалось монтировать в заднем грузоотсеке бомбардировщика, как можно дальше от обитаемых объемов.

YB-60 прототип

Стоит отметить, на самолете YB-60 также планировалось оставить и родные турбореактивные двигатели. Дело в том, что ядерные моторы открытой схемы загрязняют окружающую среду и никто бы не позволил делать это в непосредственной близости от аэродромов или населенных пунктов. Кроме того, атомная силовая установка из-за технических особенностей имела плохую приемистость. Поэтому ее использование было удобным и приемлемым только при длительных перелетах с крейсерской скоростью.

Еще одной мерой предосторожности, но другого характера, стало создание двух дополнительных летающих лабораторий. Первая из них, получившая обозначение NB-36H и собственное имя Crusader («Крестоносец»), предназначалась для проверки безопасности экипажа. На серийный B-36 установили двенадцатитонный агрегат кабины, собранный из толстых стальных плит, свинцовых панелей и 20-см стекол. Для дополнительной защиты за кабиной находился бак для воды с бором. В хвостовой части «Крестоносца», на том же расстоянии от кабины, что и на YB-60, установили экспериментальный реактор ASTR (Aircraft Shield Test Reactor – «Реактор для испытаний защиты самолета») мощностью около одного мегаватта. Охлаждение реактора производилось водой, переносившей тепло активной зоны к теплообменникам на внешней поверхности фюзеляжа. Никакой практической задачи реактор ASTR не выполнял и работал только экспериментальным источником излучения.

NB-36H (X-6)

Испытательные полеты лаборатории NB-36H выглядели следующим образом: летчики поднимали в воздух самолет с заглушенным реактором, летели в испытательную зону над ближайшей пустыней, где проводили все эксперименты. По окончании опытов реактор отключался, а самолет возвращался на базу. Вместе с «Крестоносцем» с аэродрома Карсвелл взлетал еще один бомбардировщик B-36 с контрольно-измерительной аппаратурой и транспортник с десантниками-морпехами. В случае падения опытного самолета морские пехотинцы должны были десантироваться рядом с обломками, оцепить район и принять участие в ликвидации последствий аварии. К счастью, все 47 полетов с работающим реактором обошлись без вынужденного спасательного десанта. Пробные полеты показали, что самолет с ядерной силовой установкой не представляет какой-либо серьезной опасности для окружающей среды, конечно, при правильной эксплуатации и отсутствии каких-либо инцидентов.

Вторая летающая лаборатория с обозначением X-6 тоже должна была быть переделана из бомбардировщика B-36. На этот самолет собирались установить кабину экипажа, аналогичную агрегату «Крестоносца», а в средней части фюзеляжа смонтировать атомную силовую установку. Последнюю спроектировали на базе установки P-1 и оснастили новыми двигателями GE XJ39, созданными на основе турбореактивных J47. Каждый из четырех двигателей имел тягу в 3100 кгс. Интересно, что ядерная энергоустановка представляла собой моноблок, предназначенный для монтажа на самолет непосредственно перед полетом. После посадки X-6 планировалось загонять в специально оборудованный ангар, снимать реактор с двигателями и убирать их в специальное хранилище. На этом этапе работ также была создана специальная продувочная установка. Дело в том, что после остановки компрессоров реактивных двигателей реактор переставал охлаждаться с достаточной эффективностью, и требовалось дополнительное средство обеспечения безопасного отключения реактора.

Проверка перед полетом

Перед началом полетов самолетов с полноценной ядерной энергоустановкой американские инженеры решили провести соответствующие исследования на наземных лабораториях. В 1955 году была собрана экспериментальная установка HTRE-1 (Heat Transfer Reactor Experiments – «Эксперименты с переносом тепла от реактора»). Пятидесятитонный агрегат собрали на базе железнодорожной платформы. Таким образом, перед началом экспериментов его можно было отвезти подальше от людей. В установке HTRE-1 применялся компактный урановый реактор с защитой, в которой применили бериллий и ртуть. Также на платформе разместили два двигателя JX39. Их запуск производился при помощи керосина, далее двигатели выходили на рабочие обороты, после чего по команде с пульта управления воздух от компрессора перенаправлялся к рабочей зоне реактора. Типичный эксперимент с HTRE-1 продолжался несколько часов, так имитировался длительный полет бомбардировщика. К середине 56-го года экспериментальный агрегат достиг тепловой мощности свыше 20 мегаватт.

HTRE-1

В дальнейшем установку HTRE-1 переделали в соответствии с обновленным проектом, после чего она получила название HTRE-2. Новый реактор и новые технические решения обеспечили мощность в 14 МВт. Однако и второй вариант экспериментальной энергоустановки был слишком крупным для монтажа на самолетах. Поэтому к 1957 году началось конструирование системы HTRE-3. Она представляла собой глубоко модернизированную систему P-1, приспособленную для работы с двумя турбореактивными двигателями. Компактная и легкая система HTRE-3 обеспечивала тепловую мощность в 35 мегаватт. Весной 1958 года начались испытания третьего варианта наземного испытательного комплекса, полностью подтвердившие все расчеты и – главное – перспективы такой энергетической установки.

Непростая закрытая схема

Пока «Дженерал Электрик» в приоритетном порядке занимались тематикой двигателей открытой схемы, компания Pratt & Whitney не теряла времени и разрабатывала свой вариант ядерной энергоустановки закрытого типа. В «Пратт-энд-Уитни» сразу начали исследовать два варианта подобных систем. Первый подразумевал самое очевидное строение и функционирование установки: теплоноситель циркулирует в активной зоне и переносит тепло в соответствующую часть реактивного двигателя. Во втором случае ядерное топливо предлагалось измельчить и поместить непосредственно в теплоноситель. В такой системе топливо циркулировало бы по всему контуру теплоносителя, однако деление ядер происходило бы только в активной зоне. Достигнуть этого предполагалось при помощи правильной формы основного объема реактора и трубопроводов. В результате исследований удалось определить наиболее эффективные формы и размеры такой системы трубопроводов для циркуляции теплоносителя с топливом, которые обеспечивали эффективную работу реактора и помогали обеспечить хороший уровень защиты от излучения.

В то же время, система с циркулирующим топливом оказалась слишком сложной. Дальнейшая разработка в основном шла по пути «стационарных» тепловыделяющих элементов, омываемых металлическим теплоносителем. В качестве последнего рассматривались разные материалы, однако сложности с коррозионной стойкостью трубопроводов и обеспечением циркуляции жидкого металла не позволили остановиться именно на металлическом теплоносителе. В итоге пришлось проектировать реактор для использования сильно перегретой воды. По расчетам вода должна была набирать в реакторе температуру около 810-820°. Для ее сохранения в жидком состоянии пришлось создавать в системе давление около 350 кг/кв.см. Система получилась очень сложной, но значительно более простой и пригодной чем реактор с металлическим теплоносителем. К 1960 году Pratt & Whitney закончили работы над своей ядерной энергетической установкой для самолетов. Началась подготовка к испытаниям готовой системы, но эти тесты в итоге так и не состоялись.

Печальный конец

Программы NEPA и ANP помогли создать несколько десятков новых технологий, а также освоить ряд интересных ноу-хау. Однако главная их цель – создание атомолета – даже в 1960 году не могла быть достигнута в течение ближайших лет. В 1961 году к власти пришел Дж. Кеннеди, который сразу же заинтересовался успехами в области ядерных технологий для авиации. Поскольку таковых не наблюдалось, а расходы по программам достигли совершенно непотребных значений, судьба ANP и всех атомолетов оказалась под большим вопросом. За полтора десятилетия на исследования, проектирование, строительство различных агрегатов испытания ушло более миллиарда долларов. При этом строительство готового самолета с ядерной энергоустановкой все еще оставалось делом далекого будущего. Конечно, дополнительные затраты денег и времени могли бы довести атомолеты до практического применения. Однако администрация Кеннеди решила по-другому. Стоимость программы ANP постоянно росла, а результата не было. Кроме того, баллистические ракеты полностью доказали свой высокий потенциал. В первой половине 61-го новый президент подписал документ, согласно которому все работы по атомолетам следовало прекратить. Стоит отметить, незадолго до того, в 60-м году, Пентагон принял спорное решение, согласно которому прекращались все работы по энергоустановкам открытого типа, а все финансирование отводилось «закрытым» системам.

Несмотря на определенные успехи в области создания атомных энергоустановок для авиации, программа ANP была признана неудачной. В течение некоторого времени, одновременно с ANP, разрабатывались ядерные двигатели для перспективных ракет. Однако и эти проекты не дали ожидаемого результата. Со временем закрыли и их, а работы в направлении ядерных энергоустановок для самолетов и ракет полностью прекратились. Время от времени различные частные компании пробовали вести подобные разработки в инициативном порядке, но ни один из таких проектов не получил поддержки государства. Американское руководство, разуверившись в перспективах атомолетов, стало развивать ядерные энергоустановки для флота и АЭС.


По материалам сайтов:
http://vfk1.narod.ru/
http://hq.nasa.gov/
http://air-and-space.com/
http://airwar.ru/
http://nkj.ru/

Автор Рябов Кирилл