Anii cincizeci ai secolului trecut au fost o perioadă de dezvoltare rapidă a tehnologiei nucleare. Superputerile și-au construit arsenalele nucleare, construind centrale nucleare, spărgătoare de gheață, submarine și nave de război cu centrale nucleare pe parcurs. Noile tehnologii au avut o mare promisiune. De exemplu, submarinul nuclear nu avea nicio restricție cu privire la raza de croazieră în poziția scufundată, iar „realimentarea” centralei ar putea fi făcută la fiecare câțiva ani. Desigur, și reactoarele nucleare au dezavantaje, dar avantajele lor inerente compensează mai mult decât toate costurile de siguranță. De-a lungul timpului, potențialul ridicat al sistemelor de energie nucleară a interesat nu numai comanda marinei, ci și aviația militară. O aeronavă cu reactor la bord ar putea avea caracteristici de zbor mult mai bune decât omologii săi de benzină sau kerosen. În primul rând, armata a fost atrasă de aria teoretică de zbor a unui astfel de bombardier, avion de transport sau aeronavă antisubmarină.
La sfârșitul anilor 1940, foștii aliați în războiul cu Germania și Japonia - SUA și URSS - au devenit brusc dușmani amari. Trăsăturile geografice ale locației reciproce a ambelor țări au necesitat crearea de bombardiere strategice cu o rază intercontinentală. Vechea tehnologie era deja incapabilă să asigure livrarea muniției atomice pe un alt continent, ceea ce presupunea crearea de noi aeronave, dezvoltarea tehnologiei rachete etc. Deja în anii patruzeci, ideea de a instala un reactor nuclear pe o aeronavă era coaptă în mintea inginerilor americani. Calculele din acel moment au arătat că o aeronavă comparabilă ca greutate, dimensiune și parametri de zbor cu un bombardier B-29 ar putea petrece cel puțin cinci mii de ore în aer la o singură realimentare cu combustibil nuclear. Cu alte cuvinte, chiar și cu tehnologiile imperfecte din acea vreme, un reactor nuclear la bord cu un singur realimentare ar putea furniza unei aeronave energie pe toată durata de viață.
Al doilea avantaj al ipoteticelor atomicolete de atunci erau temperaturile atinse de reactor. Cu proiectarea corectă a unei centrale nucleare, ar fi posibilă îmbunătățirea motoarelor turbojete existente prin încălzirea substanței de lucru cu ajutorul unui reactor. Astfel, a devenit posibilă creșterea energiei gazelor cu jet ale motorului și a temperaturii acestora, ceea ce ar duce la o creștere semnificativă a tracțiunii unui astfel de motor. Ca urmare a tuturor considerațiilor și calculelor teoretice, aeronavele cu motoare nucleare în unele capete s-au transformat într-un vehicul de livrare universal și invincibil pentru bombele atomice. Cu toate acestea, lucrările practice suplimentare au răcit ardoarea unor astfel de „visători”.
Program NEPA
În 1946, nou-înființatul Departament al Apărării al SUA a deschis proiectul NEPA (Energie Nucleară pentru Propulsia Avioanelor). Scopul acestui program a fost studierea tuturor aspectelor centralelor nucleare avansate pentru aeronave. Fairchild a fost numit contractor principal pentru programul NEPA. Ea a fost instruită să studieze perspectivele bombardierelor strategice și avioanelor de recunoaștere de mare viteză echipate cu centrale nucleare, precum și să modeleze aspectul acestora. Angajații Fairchild au decis să înceapă să lucreze la program cu cea mai presantă problemă: siguranța piloților și a personalului de întreținere. Pentru aceasta, o capsulă cu câteva grame de radiu a fost plasată în compartimentul de marfă al bombardierului folosit ca laborator de zbor. În loc de a face parte din echipajul obișnuit, angajații companiei, „înarmați” cu ghișee Geiger, au luat parte la zborurile experimentale. În ciuda cantității relativ mici de metal radioactiv din compartimentul de marfă, radiația de fond a depășit nivelul permis în toate volumele locuibile ale aeronavei. Ca urmare a acestor studii, angajații Fairchild au trebuit să treacă la calcule și să afle de ce protecție ar avea nevoie reactorul pentru a asigura o siguranță adecvată. Calculele preliminare au arătat în mod clar că aeronava B-29 pur și simplu nu va putea transporta o astfel de masă, iar volumul compartimentului de marfă existent nu va permite plasarea reactorului fără demontarea rafturilor pentru bombe. Cu alte cuvinte, în cazul modelului B-29, ar trebui să alegeți între o rază de zbor lungă (și chiar și atunci, într-un viitor foarte îndepărtat) și cel puțin un fel de sarcină utilă.
Lucrările ulterioare privind crearea unui proiect preliminar al unui reactor de aeronave s-au confruntat cu probleme noi și noi. În urma parametrilor inacceptabili de greutate și dimensiune, au apărut dificultăți cu controlul reactorului în zbor, protecția eficientă a echipajului și a structurii, transferul puterii de la reactor la elice și așa mai departe. În cele din urmă, sa dovedit că, chiar și cu o protecție suficient de serioasă, radiațiile din reactor pot afecta negativ setul de putere al aeronavei și chiar lubrifierea motoarelor, ca să nu mai vorbim de echipamentul electronic și de echipaj. Conform rezultatelor lucrărilor preliminare, programul NEPA până în 1948, în ciuda cheltuielilor de zece milioane de dolari, a avut rezultate foarte dubioase. În vara anului 48, a avut loc o conferință închisă la Institutul de Tehnologie din Massachusetts pe tema perspectivelor pentru centralele nucleare pentru avioane. După o serie de dispute și consultări, inginerii și oamenii de știință care au participat la eveniment au ajuns la concluzia că era, în principiu, posibil să se creeze un avion atomic, dar primele sale zboruri au fost atribuite doar la mijlocul anilor șaizeci sau chiar unei chiar mai târziu. Data.
La conferința de la MIT, a fost anunțată crearea a două concepte pentru motoare nucleare avansate, deschise și închise. Motorul cu jet nuclear „deschis” era un fel de motor turbojet convențional, în care aerul de intrare este încălzit folosind un reactor nuclear fierbinte. Aerul fierbinte a fost aruncat prin duză, rotind simultan turbina. Acesta din urmă a pus în mișcare rotorele compresorului. Dezavantajele unui astfel de sistem au fost imediat discutate. Datorită necesității unui contact cu aerul cu părțile de încălzire ale reactorului, siguranța nucleară a întregului sistem a cauzat probleme speciale. În plus, pentru o dispunere acceptabilă a aeronavei, reactorul unui astfel de motor trebuia să fie foarte, foarte mic, ceea ce îi afecta puterea și nivelul de protecție.
Un motor cu jet nuclear de tip închis trebuia să funcționeze într-un mod similar, cu diferența că aerul din interiorul motorului s-ar încălzi la contactul cu reactorul în sine, dar într-un schimbător de căldură special. Direct din reactor, în acest caz, s-a propus încălzirea unui anumit agent de răcire, iar aerul trebuia să câștige temperatura la contactul cu radiatoarele circuitului primar din interiorul motorului. Turbina și compresorul au rămas la locul lor și au funcționat exact în același mod ca și pe turboreactoare sau motoare nucleare de tip deschis. Motorul cu circuit închis nu a impus restricții speciale asupra dimensiunilor reactorului și a făcut posibilă reducerea semnificativă a emisiilor în mediu. Pe de altă parte, o problemă specială a fost selectarea unui agent de răcire pentru transferul energiei reactorului în aer. Diferite lichide de răcire-lichide nu au asigurat eficiența adecvată, iar cele metalice au necesitat preîncălzirea înainte de a porni motorul.
În timpul conferinței, au fost propuse mai multe metode originale pentru creșterea nivelului de protecție a echipajului. În primul rând, se refereau la crearea de elemente portante cu un design adecvat, care să protejeze independent echipajul de radiația reactorului. Oamenii de știință mai puțin optimisti au sugerat să nu riște piloții sau cel puțin funcția lor reproductivă. Prin urmare, a existat o propunere de a oferi cel mai înalt nivel posibil de protecție și de a recruta echipaje de la piloți vârstnici. În cele din urmă, au apărut idei referitoare la echiparea unei aeronave atomice promițătoare cu un sistem de control de la distanță, astfel încât oamenii din timpul zborului să nu-și pună deloc în pericol sănătatea. În timpul discuției despre ultima opțiune, a venit ideea de a plasa echipajul într-un planor mic, care trebuia să fie tractat în spatele avionului cu propulsie atomică pe un cablu de lungime suficientă.
Programul ANP
Conferința de la MIT, care a servit ca un fel de sesiune de brainstorming, a avut un efect pozitiv asupra cursului ulterior al programului de creare a aeronavelor cu propulsie atomică. La mijlocul anului 1949, armata SUA a lansat un nou program numit ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). De data aceasta, planul de lucru a presupus pregătiri pentru crearea unei aeronave cu drepturi depline, cu o centrală nucleară la bord. Datorită altor priorități, lista întreprinderilor implicate în program a fost modificată. Astfel, Lockheed și Convair au fost angajați ca dezvoltatori ai unei aeronave promițătoare, iar General Electric și Pratt & Whitney au fost însărcinați să continue activitatea Fairchild la motorul cu reacție nucleară.
În primele etape ale programului ANP, clientul s-a concentrat mai mult pe un motor închis mai sigur, dar General Electric a realizat „acces” la oficiali militari și guvernamentali. Angajații General Electric au făcut presiuni pentru simplitate și, ca urmare, ieftinitatea unui motor deschis. Au reușit să-i convingă pe cei responsabili și, ca rezultat, direcția de conducere a programului ANP a fost împărțită în două proiecte independente: un motor „deschis” dezvoltat de General Electric și un motor cu circuit închis de la Pratt & Whitney. În curând, General Electric a reușit să-și promoveze proiectul și să obțină o prioritate specială pentru acesta și, ca rezultat, finanțare suplimentară.
În cursul programului ANP, a fost adăugat altul la opțiunile deja existente pentru motoare nucleare. De această dată s-a propus realizarea unui motor care seamănă cu o centrală nucleară în structura sa: reactorul încălzește apa, iar aburul rezultat acționează turbina. Acesta din urmă transferă puterea către elice. Un astfel de sistem, având o eficiență mai mică în comparație cu altele, sa dovedit a fi cel mai simplu și cel mai convenabil pentru cea mai rapidă producție. Cu toate acestea, această versiune a centralei electrice pentru avioanele cu propulsie atomică nu a devenit principala. După unele comparații, clientul și contractorii ANP au decis să continue dezvoltarea motoarelor „deschise” și „închise”, lăsând turbina cu abur ca o rezervă.
Primele mostre
În 1951-52, programul ANP a abordat posibilitatea construirii primului avion prototip. Bombardierul Convair YB-60, care a fost dezvoltat la acea vreme, a fost luat ca bază pentru acesta, ceea ce a reprezentat o modernizare profundă a modelului B-36 cu o aripă măturată și motoare cu turboreactor. Centrala P-1 a fost special concepută pentru YB-60. S-a bazat pe o unitate cilindrică cu un reactor în interior. Instalația nucleară a furnizat o putere termică de aproximativ 50 de megawați. Patru motoare turboreactoare GE XJ53 au fost conectate la reactor printr-un sistem de conducte. După compresorul motorului, aerul a trecut prin conductele care trec de miezul reactorului și, încălzindu-se acolo, a fost aruncat prin duză. Calculele au arătat că aerul singur nu va fi suficient pentru răcirea reactorului, astfel încât rezervoarele și conductele pentru soluția de apă cu bor au fost introduse în sistem. Toate sistemele de centrale electrice conectate la reactor au fost planificate pentru a fi montate în compartimentul de marfă din spate al bombardierului, cât mai departe posibil de volumele locuibile.
Prototipul YB-60
Este demn de remarcat faptul că a fost planificată, de asemenea, să lase motoarele turbojete native pe avionul YB-60. Faptul este că motoarele nucleare cu circuit deschis poluează mediul și nimeni nu ar permite acest lucru să se facă în imediata vecinătate a aerodromurilor sau așezărilor. În plus, centrala nucleară, datorită caracteristicilor tehnice, a avut un răspuns slab al clapetei. Prin urmare, utilizarea sa a fost convenabilă și acceptabilă numai pentru zborurile lungi cu viteză de croazieră.
O altă măsură de precauție, dar de altă natură, a fost crearea a două laboratoare de zbor suplimentare. Primul dintre ele, desemnat NB-36H și cu numele propriu Crusader („Crusader”), a fost destinat să verifice siguranța echipajului. Pe seria B-36, a fost instalat un ansamblu de cabină de douăsprezece tone, asamblat din plăci groase de oțel, panouri de plumb și sticlă de 20 cm. Pentru protecție suplimentară, în spatele cabinei se afla un rezervor de apă cu bor. În secțiunea de coadă a Crusaderului, la aceeași distanță de cabină ca pe YB-60, a fost instalat un reactor experimental ASTR (Aircraft Shield Test Reactor) cu o capacitate de aproximativ un megawatt. Reactorul a fost răcit cu apă, care a transferat căldura miezului către schimbătoarele de căldură de pe suprafața exterioară a fuselajului. Reactorul ASTR nu a efectuat nicio sarcină practică și a funcționat doar ca sursă de radiații experimentale.
NB-36H (X-6)
Zborurile de testare ale laboratorului NB-36H arătau astfel: piloții au ridicat în aer o aeronavă cu un reactor amortizat, au zburat în zona de testare peste cel mai apropiat deșert, unde au fost efectuate toate experimentele. La sfârșitul experimentelor, reactorul a fost oprit, iar avionul s-a întors la bază. Împreună cu Crusader, un alt bombardier B-36 cu instrumentație și un transport cu parașutiști marini au decolat de la aerodromul Carswell. În cazul unui accident al unui avion prototip, pușcașii marini urmau să aterizeze lângă epavă, să înconjoare zona și să ia parte la eliminarea consecințelor accidentului. Din fericire, toate cele 47 de zboruri cu un reactor funcțional au făcut fără o aterizare forțată de salvare. Zborurile de testare au arătat că o aeronavă cu propulsie nucleară nu reprezintă o amenințare gravă pentru mediu, desigur, cu o funcționare adecvată și fără incidente.
Al doilea laborator zburător, desemnat X-6, urma să fie, de asemenea, convertit din bombardierul B-36. Urmau să instaleze o cabină de pilotaj în acest avion, similar cu unitatea „Cruciaților” și să monteze o centrală nucleară în mijlocul fuselajului. Acesta din urmă a fost proiectat pe baza unității P-1 și echipat cu noi motoare GE XJ39, create pe baza turboreactoarelor J47. Fiecare dintre cele patru motoare avea o tracțiune de 3100 kgf. Interesant este faptul că centrala nucleară era un monobloc conceput pentru a fi montat pe un avion chiar înainte de zbor. După aterizare, a fost planificat să conducă X-6 într-un hangar special echipat, să scoată reactorul cu motoare și să-l pună într-un depozit special. În această etapă a lucrării, a fost creată și o unitate specială de purjare. Faptul este că, după oprirea compresoarelor motoarelor cu reacție, reactorul a încetat să fie răcit cu o eficiență suficientă și a fost necesar un mijloc suplimentar pentru a asigura oprirea sigură a reactorului.
Verificare înainte de zbor
Înainte de începerea zborurilor de avioane cu o centrală nucleară cu drepturi depline, inginerii americani au decis să efectueze cercetări adecvate la laboratoarele terestre. În 1955, a fost asamblată o instalație experimentală HTRE-1 (Heat Transfer Reactor Experiments). Unitatea de cincizeci de tone a fost asamblată pe baza unei platforme feroviare. Astfel, înainte de a începe experimentele, acesta ar putea fi luat de la oameni. Unitatea HTRE-1 a folosit un reactor compact de uraniu ecranat care utilizează beriliu și mercur. De asemenea, două platforme JX39 au fost plasate pe platformă. Au început să folosească kerosen, apoi motoarele au atins viteza de funcționare, după care, la comanda de la panoul de control, aerul din compresor a fost redirecționat către zona de lucru a reactorului. Un experiment tipic cu HTRE-1 a durat câteva ore, simulând un zbor lung al unui bombardier. Până la mijlocul anului 56, unitatea experimentală a atins o capacitate termică de peste 20 de megawați.
HTRE-1
Ulterior, unitatea HTRE-1 a fost reproiectată în conformitate cu proiectul actualizat, după care a fost denumită HTRE-2. Noul reactor și noile soluții tehnice au furnizat o putere de 14 MW. Cu toate acestea, a doua versiune a centralei experimentale a fost prea mare pentru a fi instalată pe avioane. Prin urmare, până în 1957, a început proiectarea sistemului HTRE-3. A fost un sistem P-1 profund modernizat, adaptat pentru a funcționa cu două motoare cu turboreactor. Sistemul HTRE-3 compact și ușor a furnizat 35 de megawați de putere termică. În primăvara anului 1958, au început testele celei de-a treia versiuni a complexului de testare la sol, care a confirmat pe deplin toate calculele și, cel mai important, perspectivele pentru o astfel de centrală electrică.
Circuit închis dificil
În timp ce General Electric acorda prioritate motoarelor cu circuit deschis, Pratt & Whitney nu a pierdut timp în dezvoltarea propriei versiuni a unei centrale nucleare închise. La Pratt & Whitney, au început imediat să investigheze două variante ale unor astfel de sisteme. Primul a implicat cea mai evidentă structură și funcționare a instalației: lichidul de răcire circulă în miez și transferă căldura către partea corespunzătoare a motorului cu reacție. În al doilea caz, sa propus măcinarea combustibilului nuclear și plasarea acestuia direct în lichidul de răcire. Într-un astfel de sistem, combustibilul ar circula de-a lungul întregului circuit de răcire, cu toate acestea, fisiunea nucleară ar avea loc numai în miez. Trebuia să realizeze acest lucru cu ajutorul formei corecte a volumului principal al reactorului și conductelor. Ca rezultat al cercetării, a fost posibil să se determine cele mai eficiente forme și dimensiuni ale unui astfel de sistem de conducte pentru circulația lichidului de răcire cu combustibil, care a asigurat funcționarea eficientă a reactorului și a contribuit la asigurarea unui nivel bun de protecție împotriva radiațiilor.
În același timp, sistemul de alimentare cu combustibil circulant sa dovedit a fi prea complex. Dezvoltarea ulterioară a urmat în principal calea elementelor combustibile „staționare” spălate de un agent de răcire metalic. La fel ca acestea din urmă, s-au luat în considerare diferite materiale, însă dificultățile legate de rezistența la coroziune a conductelor și asigurarea circulației metalului lichid nu ne-au permis să ne oprim asupra lichidului de răcire pentru metal. Ca urmare, reactorul a trebuit să fie proiectat pentru a utiliza apă foarte supraîncălzită. Conform calculelor, apa ar fi trebuit să atingă o temperatură de aproximativ 810-820 ° în reactor. Pentru a-l menține în stare lichidă, a fost necesar să se creeze o presiune de aproximativ 350 kg / cm2 în sistem. Sistemul s-a dovedit a fi foarte complex, dar mult mai simplu și mai potrivit decât un reactor cu un agent de răcire metalic. Până în 1960, Pratt și Whitney finalizaseră lucrările la centrala lor nucleară pentru avioane. Au început pregătirile pentru testarea sistemului finalizat, dar în cele din urmă aceste teste nu au avut loc.
Sfârșit trist
Programele NEPA și ANP au contribuit la crearea a zeci de noi tehnologii, precum și o serie de cunoștințe interesante. Cu toate acestea, obiectivul lor principal - crearea unei aeronave atomice - chiar și în 1960 nu a putut fi atins în următorii câțiva ani. În 1961, a venit la putere J. Kennedy, care a devenit imediat interesat de progresele în tehnologia nucleară pentru aviație. Întrucât acestea nu au fost respectate și costurile programelor au atins valori complet obscene, soarta ANP și a tuturor aeronavelor cu propulsie atomică s-a dovedit a fi o mare întrebare. Peste un deceniu și jumătate, mai mult de un miliard de dolari au fost cheltuiți pentru cercetare, proiectare și construcție a diferitelor unități de testare. În același timp, construirea unei aeronave terminate cu o centrală nucleară era încă o chestiune a viitorului îndepărtat. Desigur, cheltuieli suplimentare de bani și timp ar putea aduce avionul atomic la o utilizare practică. Cu toate acestea, administrația Kennedy a decis altfel. Costul programului ANP a fost în continuă creștere, dar nu a existat niciun rezultat. În plus, rachetele balistice și-au dovedit pe deplin potențialul ridicat. În prima jumătate a anului 61, noul președinte a semnat un document conform căruia ar fi trebuit oprite toate lucrările la aeronavele cu propulsie atomică. Este demn de remarcat faptul că, cu puțin timp înainte, în anul 60, Pentagonul a luat o decizie controversată, potrivit căreia toate lucrările la centralele electrice de tip deschis au fost oprite, iar toate finanțările au fost alocate sistemelor „închise”.
În ciuda unui anumit succes în domeniul creării de centrale nucleare pentru aviație, programul ANP a fost considerat nereușit. De ceva timp, simultan cu ANP, au fost dezvoltate motoare nucleare pentru rachete promițătoare. Cu toate acestea, aceste proiecte nu au dat rezultatul scontat. De-a lungul timpului, acestea au fost, de asemenea, închise și lucrează în direcția centralelor nucleare pentru avioane și rachete oprite complet. Din când în când, diferite companii private au încercat să realizeze astfel de evoluții din proprie inițiativă, dar niciunul dintre aceste proiecte nu a primit sprijin guvernamental. Conducerea americană, după ce și-a pierdut încrederea în perspectivele avioanelor cu propulsie atomică, a început să dezvolte centrale nucleare pentru flotă și centrale nucleare.
