Doświadczenie zdobyte w latach 50-70 XX wieku będzie nadal przydatne w XXI wieku
Może wydawać się dziwne, że energia jądrowa, która jest mocno zakorzeniona w ziemi, w hydrosferze, a nawet w kosmosie, nie zakorzeniła się w powietrzu. Dzieje się tak, gdy pozorne względy bezpieczeństwa (choć nie tylko) przeważyły nad oczywistymi korzyściami technicznymi i operacyjnymi z wprowadzenia elektrowni jądrowych (NPS) w lotnictwie.
Tymczasem prawdopodobieństwo poważnych konsekwencji incydentów z takimi samolotami, o ile są one doskonałe, trudno uznać za wyższe w porównaniu z systemami kosmicznymi wykorzystującymi elektrownie jądrowe (NPP). A dla zachowania obiektywizmu warto przypomnieć: wypadek radzieckiego satelity sztucznej ziemi Kosmos-954 typu US-A, który miał miejsce w 1978 roku wraz z upadkiem jego fragmentów na terytorium Kanady, co miało miejsce w 1978 roku, nie doprowadziło do ograniczenia morskiego systemu rozpoznania przestrzeni kosmicznej i wyznaczania celów (MKRT) „Legenda”, którego elementem były urządzenia US-A (17F16-K).
Zupełnie odmienne są natomiast warunki pracy lotniczej elektrowni jądrowej przeznaczonej do wytwarzania ciągu poprzez wytwarzanie ciepła w reaktorze jądrowym dostarczanym do powietrza w silniku turbogazowym niż w satelitarnych elektrowniach jądrowych, które są generatorami termoelektrycznymi. Dziś zaproponowano dwa schematyczne schematy lotniczego systemu kontroli jądrowej - otwarty i zamknięty. Schemat typu otwartego zapewnia ogrzewanie sprężonego powietrza przez sprężarkę bezpośrednio w kanałach reaktora z jego późniejszym wypływem przez dyszę strumieniową, a typ zamknięty zapewnia ogrzewanie powietrza za pomocą wymiennika ciepła, którego w zamkniętej pętli płyn chłodzący krąży. Obwód zamknięty może być jedno- lub dwuobwodowy, a z punktu widzenia zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacji najbardziej korzystna jest druga opcja, ponieważ blok reaktora z pierwszym obwodem można umieścić w ochronnej, odpornej na wstrząsy powłoce, szczelność z czego zapobiega katastrofalnym skutkom w przypadku wypadków statków powietrznych.
W lotniczych systemach jądrowych typu zamkniętego można stosować reaktory wodne ciśnieniowe i reaktory prędkich neutronów. Realizując schemat dwuobwodowy z reaktorem „szybkim” w pierwszym obiegu KSE jako chłodziwo zastosowano zarówno ciekłe metale alkaliczne (sód, lit) jak i gaz obojętny (hel), a w drugim metale (ciekły sód, eutektyczny stopiony sód itp.) potas).
W POWIETRZU - REAKTOR
Pomysł wykorzystania energii jądrowej w lotnictwie wysunął w 1942 roku jeden z liderów Projektu Manhattan, Enrico Fermi. Zainteresowała się dowództwem US Air Force, a w 1946 roku Amerykanie rozpoczęli projekt NEPA (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft), mający na celu określenie możliwości stworzenia bombowca o nieograniczonym zasięgu i samolotu rozpoznawczego.
Przede wszystkim konieczne było przeprowadzenie badań związanych z ochroną przeciwradiolokacyjną załogi i personelu obsługi naziemnej oraz dokonanie oceny probabilistyczno-sytuacyjnej możliwych wypadków. W celu przyspieszenia prac projekt NEPA w 1951 roku został rozszerzony przez Siły Powietrzne USA do programu docelowego ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). W jego ramach firma General Electric opracowała obwód otwarty, a firma Pratt-Whitney opracowała obwód zamknięty YSU.
Do testowania przyszłego lotniczego reaktora jądrowego (wyłącznie w trybie fizycznych startów) i ochrony biologicznej seryjny bombowiec strategiczny B-36H Peacemaker firmy Convair był przeznaczony z sześcioma silnikami tłokowymi i czterema turboodrzutowymi. Nie był to samolot jądrowy, a jedynie latające laboratorium, w którym miał być testowany reaktor, ale oznaczono go jako NB-36H – Bombowiec Nuklearny („bombowiec atomowy”). Kokpit został przekształcony w ołowiano-gumową kapsułę z dodatkową osłoną stalowo-ołowianą. W celu ochrony przed promieniowaniem neutronowym do kadłuba wstawiono specjalne panele wypełnione wodą.
Prototypowy reaktor lotniczy ARE (Aircraft Reactor Experiment), stworzony w 1954 roku przez Oak Ridge National Laboratory, stał się pierwszym na świecie jednorodnym reaktorem jądrowym o mocy 2,5 MW na paliwie ze stopionej soli – fluorku sodu oraz tetrafluorkach cyrkonu i uranu.
Zaletą tego typu reaktorów jest fundamentalna niemożność wypadku z zniszczeniem rdzenia, a sama mieszanka soli paliwowej, w przypadku NSU typu zamkniętego, pełniłaby rolę chłodziwa pierwotnego. Gdy jako chłodziwo stosuje się stopioną sól, wyższa, w porównaniu np. z płynnym sodem, pojemność cieplna stopionej soli pozwala na zastosowanie pomp obiegowych o małych wymiarach i korzyści ze zmniejszenia zużycia metalu przez konstrukcja reaktora jako całości oraz niska przewodność cieplna powinny zapewnić stabilność jądrowego silnika lotniczego przed nagłymi skokami temperatury w pierwszym obwodzie.
Na bazie reaktora ARE Amerykanie opracowali eksperymentalny lotniczy YSU HTRE (Heat Transfer Reactor Experiment). General Dynamics bez zbędnych ceregieli zaprojektował samolotowy silnik jądrowy X-39 oparty na seryjnym silniku turboodrzutowym J47 do bombowców strategicznych B-36 i B-47 „Stratojet” - zamiast komory spalania umieszczono w niej rdzeń reaktora.
Convair zamierzał dostarczyć X-39 do X-6 - być może jego prototypem byłby naddźwiękowy bombowiec strategiczny B-58 Hustler, który odbył swój dziewiczy lot w 1956 roku. Ponadto rozważano również atomową wersję doświadczonego bombowca poddźwiękowego tej samej firmy YB-60. Amerykanie porzucili jednak system kontroli jądrowej w lotnictwie otwartym, biorąc pod uwagę, że erozja ścian kanałów powietrznych rdzenia reaktora X-39 doprowadzi do tego, że samolot pozostawi ślad radioaktywny, zanieczyszczając środowisko.
Nadzieję na sukces obiecywała bardziej bezpieczna przed promieniowaniem elektrownia jądrowa typu zamkniętego firmy Pratt-Whitney, w tworzenie której był również zaangażowany General Dynamics. Dla tych silników firma „Convair” rozpoczęła budowę eksperymentalnego samolotu NX-2. Opracowywane były zarówno turboodrzutowe, jak i turbośmigłowe wersje bombowców atomowych z elektrowniami atomowymi tego typu.
Jednak przyjęcie w 1959 r. międzykontynentalnych pocisków balistycznych Atlas, zdolnych do rażenia celów w ZSRR z kontynentalnych Stanów Zjednoczonych, zneutralizowało program ANP, zwłaszcza że próbki produkcyjne samolotów atomowych prawie nie pojawiły się przed 1970 r. W rezultacie w marcu 1961 roku wszelkie prace w tym obszarze w Stanach Zjednoczonych zostały wstrzymane osobistą decyzją prezydenta Johna F. Kennedy'ego i nigdy nie zbudowano prawdziwego samolotu atomowego.
Próbka lotu reaktora lotniczego ASTR (Aircraft Shield Test Reactor), znajdującego się w komorze bombowej laboratorium latającego NB-36H, stanowił 1 MW reaktor neutronów prędkich, który nie był podłączony do silników i pracował na dwutlenku uranu i był chłodzony przez strumień powietrza pobierany przez specjalne wloty powietrza. Od września 1955 do marca 1957 NB-36H wykonał 47 lotów z ASTR nad niezamieszkałymi obszarami stanów Nowy Meksyk i Teksas, po czym samochód nigdy nie został wzniesiony w powietrze.
Należy zauważyć, że Siły Powietrzne USA zajmowały się również problemem silnika jądrowego do pocisków samosterujących lub, jak to było w zwyczaju mawiać do lat 60., do samolotów pociskowych. W ramach projektu Pluto Livermore Laboratory stworzyło dwie próbki jądrowego silnika strumieniowego Tory, który planowano zainstalować na naddźwiękowym pocisku manewrującym SLAM. Zasada „atomowego podgrzewania” powietrza przez przechodzenie przez rdzeń reaktora była tutaj taka sama jak w turbinowych silnikach jądrowych typu otwartego, z jedną tylko różnicą: w silniku strumieniowym brakuje sprężarki i turbiny. Torysy, pomyślnie przetestowane na ziemi w latach 1961-1964, są pierwszymi i jak dotąd jedynymi rzeczywiście działającymi lotniczymi (a dokładniej rakietowymi i lotniczymi) elektrowniami jądrowymi. Ale ten projekt został również zamknięty jako beznadziejny na tle sukcesów w tworzeniu rakiet balistycznych.
Dogoń i wyprzedzaj
Oczywiście pomysł wykorzystania energii jądrowej w lotnictwie, niezależnie od Amerykanów, rozwinął się także w ZSRR. Właściwie na Zachodzie nie bez powodu podejrzewali, że taka praca jest wykonywana w Związku Radzieckim, ale wraz z pierwszym ujawnieniem tego faktu wpadli w bałagan. 1 grudnia 1958 r. Aviation Week donosiło: ZSRR tworzy bombowiec strategiczny z silnikami jądrowymi, co wywołało w Ameryce spore emocje, a nawet pomogło utrzymać zainteresowanie programem ANP, który już zaczął zanikać. Jednak na rysunkach towarzyszących artykułowi autor redakcji dość dokładnie przedstawił samolot M-50 eksperymentalnego biura projektowego VM Myasishchev, który faktycznie był wówczas opracowywany, o całkowicie „futurystycznym” wyglądzie, który miał konwencjonalne silniki turboodrzutowe. Nawiasem mówiąc, nie wiadomo, czy po tej publikacji nastąpił „rozgrywka” w KGB ZSRR: prace nad M-50 odbywały się w atmosferze najściślejszej tajemnicy, bombowiec wykonał swój pierwszy lot później niż wzmianka w prasie zachodniej w październiku 1959 r., a samochód został zaprezentowany szerokiej publiczności dopiero w lipcu 1961 r. na paradzie lotniczej w Tuszynie.
Jeśli chodzi o prasę sowiecką, po raz pierwszy o samolocie atomowym opowiedział w sposób najbardziej ogólny magazyn „Technics - Youth” w nr 8 za 1955 r.: „Energia atomowa jest coraz częściej wykorzystywana w przemyśle, energetyce, rolnictwie i Medycyna. Ale nie jest odległy czas, kiedy zostanie on wykorzystany w lotnictwie. Z lotnisk olbrzymie maszyny z łatwością wzbiją się w powietrze. Samoloty nuklearne będą mogły latać prawie tak długo, jak chcesz, bez zapadania się na ziemię przez wiele miesięcy, wykonując dziesiątki nieprzerwanych lotów dookoła świata z prędkością ponaddźwiękową. Magazyn, sugerując wojskowe przeznaczenie pojazdu (samolot cywilny nie musi być na niebie „tak długo, jak chcesz”), przedstawił jednak hipotetyczny schemat samolotu pasażerskiego ładunkowego z otwartą elektrownią jądrową.
Jednak kolektyw Myasishchevsky, i nie sam, rzeczywiście zajmował się samolotami z elektrowniami jądrowymi. Choć sowieccy fizycy badali możliwość ich powstania od końca lat 40., praktyczne prace w tym kierunku w Związku Radzieckim rozpoczęły się znacznie później niż w USA, a początek dał dekret Rady Ministrów ZSRR nr 1561-868 z 12 sierpnia 1955 r. Według niego OKB-23 WM Myasishchev i OKB-156 A. N. Tupolew, a także silnik lotniczy OKB-165 A. M. Lyulka i OKB-276 N. D. Kuzniecow mieli za zadanie opracować strategiczne bombowce atomowe.
Samolotowy reaktor jądrowy został zaprojektowany pod nadzorem akademików I. V. Kurchatova i A. P. Aleksandrowa. Cel był taki sam, jak w przypadku Amerykanów: zdobyć samochód, który po wystartowaniu z terytorium kraju byłby w stanie uderzać w cele w dowolnym miejscu na świecie (przede wszystkim oczywiście w USA).
Cechą radzieckiego programu lotnictwa atomowego było to, że kontynuowano go nawet wtedy, gdy temat został już zapomniany w Stanach Zjednoczonych.
Podczas tworzenia systemu sterowania jądrowego dokładnie przeanalizowano schematy obwodów otwartych i zamkniętych. Tak więc, w ramach schematu typu otwartego, który otrzymał kod „B”, Biuro Projektowe Lyulka opracowało dwa typy silników z turbodoładowaniem atomowym - osiowe, z przejściem wału turbosprężarki przez reaktor pierścieniowy i „wahaczami” - z wałem na zewnątrz reaktora, umieszczonym w zakrzywionej ścieżce przepływu. Z kolei Biuro Projektowe Kuzniecowa pracowało nad silnikami według zamkniętego schematu „A”.
Biuro projektowe Miasiszczewa natychmiast przystąpiło do rozwiązania najbardziej, jak się wydaje, najtrudniejszego zadania - zaprojektowania superszybkich ciężkich bombowców atomowych. Nawet dzisiaj, patrząc na schematy przyszłych samochodów wykonanych pod koniec lat 50., z pewnością można dostrzec cechy estetyki technicznej XXI wieku! Są to projekty samolotów „60”, „60M” (wodnosamolot jądrowy), „62” dla silników Łułkowskich schematu „B”, a także „30” - już pod silnikami Kuzniecowa. Oczekiwane cechy bombowca „30” są imponujące: prędkość maksymalna – 3600 km/h, prędkość przelotowa – 3000 km/h.
Jednak sprawa nie doszła do szczegółowego projektu samolotu jądrowego Miasiszczewa ze względu na likwidację OKB-23 jako samodzielnego i wprowadzenie go do rakiety i kosmosu OKB-52 VN Chelomey.
W pierwszym etapie udziału w programie zespół Tupolewa miał stworzyć latające laboratorium na wzór amerykańskiego NB-36H z reaktorem na pokładzie. Otrzymał oznaczenie Tu-95LAL, został zbudowany na bazie seryjnego ciężkiego bombowca strategicznego turbośmigłowego Tu-95M. Nasz reaktor, podobnie jak amerykański, nie współpracował z silnikami lotniskowca. Zasadnicza różnica między radzieckim reaktorem lotniczym a amerykańskim polegała na tym, że był chłodzony wodą o znacznie mniejszej mocy (100 kW).
Reaktor domowy był chłodzony wodą obiegu pierwotnego, która z kolei oddawała ciepło wodzie obiegu wtórnego, która była chłodzona strumieniem powietrza przepływającego przez wlot powietrza. Tak powstał schemat ideowy silnika turbośmigłowego NK-14A Kuzniecow.
Latające laboratorium jądrowe Tu-95LAL w latach 1961-1962 wzniosło w powietrze reaktor 36 razy zarówno w stanie roboczym jak i „zimnym” w celu zbadania skuteczności systemu ochrony biologicznej i wpływu promieniowania na systemy samolotu. Zgodnie z wynikami testów przewodniczący Państwowego Komitetu Techniki Lotniczej P. V. Dementyev zauważył jednak w swojej notatce do kierownictwa kraju w lutym 1962 r.: Z YSU został opracowany w OKB-301 SA Ławoczkin. - K. Ch.), ponieważ prowadzone prace badawcze są niewystarczające do opracowania prototypów sprzętu wojskowego, prace te muszą być kontynuowane.”
Rozwijając rezerwy projektowe OKB-156, Biuro Projektowe Tupolewa opracowało na podstawie bombowca Tu-95 projekt eksperymentalnego samolotu Tu-119 z atomowymi silnikami turbośmigłowymi NK-14A. Ponieważ zadanie stworzenia bombowca ultradalekiego zasięgu z pojawieniem się w ZSRR międzykontynentalnych pocisków balistycznych i morskich pocisków balistycznych (na okrętach podwodnych) straciło na znaczeniu, tupolewowie uważali Tu-119 za model przejściowy sposób na stworzenie nuklearnego samolotu przeciw okrętom podwodnym opartego na samolocie pasażerskim dalekiego zasięgu Tu-114, który również „wyrósł” z Tu-95. Cel ten był dość zgodny z obawami sowieckiego kierownictwa dotyczącymi rozmieszczenia przez Amerykanów w latach 60. podwodnego systemu rakiet jądrowych z rakietami Polaris ICBM, a następnie Posejdonem.
Jednak projekt takiego samolotu nie został zrealizowany. Pozostały na etapie projektowania i planów stworzenia rodziny bombowców naddźwiękowych Tupolew z YSU pod kryptonimem Tu-120, które podobnie jak łowca powietrza atomowego dla okrętów podwodnych planowano przetestować w latach 70. …
Mimo to Kremlowi spodobał się pomysł przekazania lotnictwu morskiemu samolotu przeciw okrętom podwodnym o nieograniczonym zasięgu lotu do zwalczania atomowych okrętów podwodnych NATO w dowolnym regionie oceanów. Co więcej, maszyna ta miała przenosić jak najwięcej amunicji do broni przeciw okrętom podwodnym - pociski, torpedy, ładunki głębinowe (w tym nuklearne) i boje sonarowe. Dlatego wybór padł na ciężki wojskowy samolot transportowy An-22 „Antey” o nośności 60 ton - największy na świecie szerokokadłubowy samolot turbośmigłowy. Przyszły samolot An-22PLO miał być wyposażony w cztery atomowe silniki turbośmigłowe NK-14A zamiast standardowego NK-12MA.
Program stworzenia takiej niewidocznej w jakiejkolwiek innej flocie skrzydlatej maszyny otrzymał kryptonim „Aist”, a reaktor dla NK-14A został opracowany pod kierownictwem akademika A. P. Aleksandrowa. W 1972 roku rozpoczęły się testy reaktora na pokładzie latającego laboratorium An-22 (łącznie 23 loty) i wyciągnięto wniosek o jego bezpieczeństwie w normalnej eksploatacji. A w przypadku poważnego wypadku przewidziano oddzielenie bloku reaktora i obwodu pierwotnego od spadającego samolotu miękkim lądowaniem spadochronem.
Ogólnie rzecz biorąc, reaktor lotniczy „Aist” stał się najdoskonalszym osiągnięciem nauki i technologii jądrowej w swojej dziedzinie zastosowań.
Biorąc pod uwagę, że na bazie samolotu An-22 planowano również stworzenie międzykontynentalnego strategicznego systemu rakietowego lotnictwa An-22R z podwodnym pociskiem balistycznym R-27, jasne jest, jaki potężny potencjał mógłby uzyskać taki nośnik, gdyby był przeniesione do „ciągu atomowego” »Z silnikami NK-14A! I choć nie doszło do realizacji zarówno projektu An-22PLO, jak i projektu An-22R, to trzeba stwierdzić, że nasz kraj mimo wszystko wyprzedził Stany Zjednoczone w zakresie budowy lotniczej elektrowni jądrowej.
Nie ma wątpliwości, że to doświadczenie, mimo swojej egzotyki, nadal może się przydać, ale na wyższym poziomie realizacji.
Rozwój bezzałogowych systemów samolotów ultradalekiego rozpoznania i uderzeń może podążać ścieżką zastosowania na nich systemów jądrowych - takie założenia są już przyjmowane za granicą.
Naukowcy przewidzieli również, że pod koniec tego stulecia samoloty pasażerskie z napędem jądrowym prawdopodobnie będą przewożone przez miliony pasażerów. Oprócz oczywistych korzyści ekonomicznych związanych z zastąpieniem nafty lotniczej paliwem jądrowym, mówimy o gwałtownym spadku wkładu lotnictwa, które wraz z przejściem na systemy energetyki jądrowej przestanie „wzbogacać” atmosferę dwutlenkiem węgla, na globalny efekt cieplarniany.
W opinii autora lotnicze systemy jądrowe idealnie pasowałyby do komercyjnych kompleksów lotniczo-transportowych przyszłości opartych na superciężkich samolotach towarowych: na przykład ten sam gigantyczny „prom lotniczy” M-90 o nośności 400 ton, zaproponowany przez projektantów eksperymentalnego zakładu budowy maszyn im. WM Miasiszczewa.
Oczywiście są problemy ze zmianą opinii publicznej na korzyść cywilnego lotnictwa jądrowego. Poważne kwestie związane z zapewnieniem jego bezpieczeństwa nuklearnego i antyterrorystycznego również będą musiały zostać rozwiązane (nawiasem mówiąc, eksperci wspominają o krajowym rozwiązaniu ze spadochronowym „strzelaniem” reaktora w sytuacji awaryjnej). Ale droga pokonana ponad pół wieku temu zostanie opanowana przez piechura.
