Lata pięćdziesiąte ubiegłego wieku to okres szybkiego rozwoju techniki jądrowej. Supermocarstwa zbudowały swoje arsenały jądrowe, budując elektrownie jądrowe, lodołamacze, łodzie podwodne i okręty wojenne, a po drodze elektrownie jądrowe. Nowe technologie były bardzo obiecujące. Np. atomowa łódź podwodna nie miała żadnych ograniczeń zasięgu w pozycji zanurzonej, a „tankowanie” elektrowni mogło odbywać się co kilka lat. Oczywiście reaktory jądrowe miały również wady, ale ich nieodłączne zalety z nawiązką rekompensują wszystkie koszty bezpieczeństwa. Z biegiem czasu wysoki potencjał systemów energetyki jądrowej zainteresował nie tylko dowództwo marynarki wojennej, ale także lotnictwo wojskowe. Samolot z reaktorem na pokładzie może mieć znacznie lepsze parametry lotu niż jego odpowiedniki na benzynę lub naftę. Przede wszystkim wojsko przyciągnął teoretyczny zasięg lotu takiego bombowca, samolotu transportowego czy samolotu do zwalczania okrętów podwodnych.
Pod koniec lat 40. dawni sojusznicy w wojnie z Niemcami i Japonią – USA i ZSRR – nagle stali się zaciekłymi wrogami. Geograficzne cechy wzajemnego położenia obu krajów wymagały stworzenia bombowców strategicznych o zasięgu międzykontynentalnym. Stara technologia nie była już w stanie zapewnić dostaw amunicji atomowej na inny kontynent, co wymagało stworzenia nowych samolotów, rozwoju technologii rakietowej itp. Już w latach czterdziestych dojrzał w głowach amerykańskich inżynierów pomysł zainstalowania reaktora jądrowego na samolocie. Obliczenia z tamtego okresu wykazały, że samolot porównywalny wagą, rozmiarami i parametrami lotu z bombowcem B-29 mógł spędzić w powietrzu co najmniej pięć tysięcy godzin przy jednym tankowaniu paliwa jądrowego. Innymi słowy, nawet przy niedoskonałych technologiach tamtych czasów, reaktor jądrowy na pokładzie z tylko jednym tankowaniem mógłby zapewnić samolotowi energię przez cały okres jego eksploatacji.
Drugą zaletą hipotetycznych atomolet z tamtych czasów były temperatury osiągane przez reaktor. Przy prawidłowym zaprojektowaniu elektrowni jądrowej możliwe byłoby ulepszenie istniejących silników turboodrzutowych poprzez podgrzewanie substancji roboczej za pomocą reaktora. W ten sposób stało się możliwe zwiększenie energii gazów odrzutowych silnika i ich temperatury, co doprowadziłoby do znacznego wzrostu ciągu takiego silnika. W wyniku wszelkich rozważań teoretycznych i obliczeń samoloty z silnikami jądrowymi w niektórych głowach zamieniły się w uniwersalny i niezwyciężony transporter bomb atomowych. Jednak dalsze prace praktyczne ostudziły zapał takich „marzycieli”.
Program NEPA
W 1946 r. nowo utworzony Departament Obrony Stanów Zjednoczonych otworzył projekt NEPA (energia jądrowa dla napędu samolotów). Celem tego programu było zbadanie wszystkich aspektów zaawansowanych elektrowni jądrowych do samolotów. Fairchild został wyznaczony na głównego wykonawcę programu NEPA. Polecono jej zbadać perspektywy bombowców strategicznych i szybkich samolotów rozpoznawczych wyposażonych w elektrownie jądrowe, a także kształtować wygląd tych ostatnich. Pracownicy Fairchild postanowili rozpocząć prace nad programem od najpilniejszej kwestii: bezpieczeństwa pilotów i personelu obsługi. W tym celu w przedziale ładunkowym bombowca używanego jako latające laboratorium umieszczono kapsułkę z kilkoma gramami radu. Zamiast części regularnej załogi, w eksperymentalnych lotach brali udział pracownicy firmy „uzbrojeni” w liczniki Geigera. Pomimo stosunkowo niewielkiej ilości radioaktywnego metalu w przedziale ładunkowym, promieniowanie tła przekraczało dopuszczalny poziom we wszystkich mieszkalnych objętościach samolotu. W wyniku tych badań pracownicy Fairchild musieli przystąpić do obliczeń i dowiedzieć się, jakiej ochrony będzie potrzebował reaktor, aby zapewnić odpowiednie bezpieczeństwo. Już wstępne obliczenia wyraźnie wykazały, że samoloty B-29 po prostu nie będą w stanie unieść takiej masy, a objętość istniejącego przedziału ładunkowego nie pozwoli na umieszczenie reaktora bez demontażu stojaków bombowych. Innymi słowy, w przypadku B-29 należałoby wybrać między dużym zasięgiem lotu (a nawet wtedy, w bardzo odległej przyszłości) a przynajmniej jakimś rodzajem ładowności.
Dalsze prace nad stworzeniem wstępnego projektu reaktora lotniczego napotykały coraz to nowe problemy. W związku z niedopuszczalnymi parametrami masy i rozmiarów pojawiły się trudności ze sterowaniem reaktorem w locie, skuteczną ochroną załogi i konstrukcji, przeniesieniem mocy z reaktora na śmigła i tak dalej. Ostatecznie okazało się, że nawet przy wystarczająco poważnej ochronie promieniowanie z reaktora może negatywnie wpłynąć na zespół napędowy samolotu, a nawet smarowanie silników, nie mówiąc już o sprzęcie elektronicznym i załodze. Według wyników wstępnych prac program NEPA do 1948 r., mimo wydanych dziesięciu milionów dolarów, miał bardzo wątpliwe wyniki. Latem 48 roku w Massachusetts Institute of Technology odbyła się zamknięta konferencja na temat perspektyw elektrowni jądrowych dla samolotów. Po wielu sporach i konsultacjach inżynierowie i naukowcy biorący udział w wydarzeniu doszli do wniosku, że w zasadzie możliwe jest stworzenie samolotu atomowego, ale jego pierwsze loty przypisywano dopiero połowie lat sześćdziesiątych, a nawet jeszcze później. Data.
Na konferencji w MIT ogłoszono stworzenie dwóch koncepcji zaawansowanych silników jądrowych, otwartej i zamkniętej. „Otwarty” jądrowy silnik odrzutowy był rodzajem konwencjonalnego silnika turboodrzutowego, w którym wchodzące powietrze jest ogrzewane za pomocą gorącego reaktora jądrowego. Gorące powietrze zostało wyrzucone przez dyszę, jednocześnie obracając turbinę. Ten ostatni wprawił w ruch wirniki sprężarki. Wady takiego systemu zostały natychmiast omówione. Ze względu na konieczność kontaktu powietrza z częściami grzewczymi reaktora bezpieczeństwo jądrowe całego systemu powodowało szczególne problemy. Ponadto, aby uzyskać akceptowalny układ samolotu, reaktor takiego silnika musiał być bardzo, bardzo mały, co wpływało na jego moc i poziom ochrony.
Atomowy silnik odrzutowy typu zamkniętego musiał działać w podobny sposób, z tą różnicą, że powietrze wewnątrz silnika nagrzewało się w kontakcie z samym reaktorem, ale w specjalnym wymienniku ciepła. Bezpośrednio z reaktora proponowano w tym przypadku podgrzewanie pewnego płynu chłodzącego, a powietrze musiało nabierać temperatury w kontakcie z grzejnikami obwodu pierwotnego wewnątrz silnika. Turbina i sprężarka pozostały na swoim miejscu i działały dokładnie tak samo, jak w silnikach turboodrzutowych lub otwartych silnikach jądrowych. Silnik o obiegu zamkniętym nie nakładał żadnych specjalnych ograniczeń na gabaryty reaktora i umożliwiał znaczne ograniczenie emisji do środowiska. Z drugiej strony szczególnym problemem był dobór chłodziwa do przenoszenia energii reaktora do powietrza. Różne płyny chłodzące nie zapewniały odpowiedniej wydajności, a metalowe wymagały podgrzania przed uruchomieniem silnika.
Podczas konferencji zaproponowano kilka autorskich metod zwiększania poziomu ochrony załogi. Przede wszystkim dotyczyły stworzenia elementów nośnych o odpowiedniej konstrukcji, które samodzielnie osłoniłyby załogę przed promieniowaniem reaktora. Mniej optymistyczni naukowcy sugerowali, aby nie ryzykować pilotów, a przynajmniej ich funkcji reprodukcyjnej. Dlatego pojawiła się propozycja zapewnienia najwyższego możliwego poziomu ochrony i rekrutacji załóg spośród starszych pilotów. Wreszcie pojawiły się pomysły na wyposażenie obiecującego samolotu atomowego w system zdalnego sterowania, aby ludzie podczas lotu w ogóle nie narażali swojego zdrowia. Podczas dyskusji nad ostatnią opcją zrodził się pomysł umieszczenia załogi w małym szybowcu, który miał być holowany za samolotem z napędem atomowym na odpowiedniej długości kablu.
Program ANP
Konferencja w MIT, będąca swego rodzaju burzą mózgów, wpłynęła pozytywnie na dalszy przebieg programu tworzenia samolotów o napędzie atomowym. W połowie 1949 r. armia amerykańska uruchomiła nowy program o nazwie ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Tym razem plan pracy obejmował przygotowania do stworzenia pełnoprawnego samolotu z elektrownią jądrową na pokładzie. Ze względu na inne priorytety zmieniono listę przedsiębiorstw uczestniczących w programie. Tak więc Lockheed i Convair zostali zatrudnieni jako twórcy płatowca obiecującego samolotu, a General Electric i Pratt & Whitney otrzymali zadanie kontynuowania prac Fairchilda nad atomowym silnikiem odrzutowym.
We wczesnych etapach programu ANP klient koncentrował się bardziej na bezpieczniejszym silniku z obudową, ale General Electric przeprowadził „pomoc” do urzędników wojskowych i rządowych. Pracownicy General Electric naciskali na prostotę, a co za tym idzie taniość otwartego silnika. Udało im się przekonać osoby odpowiedzialne i w rezultacie kierunek napędzania programu ANP został podzielony na dwa niezależne projekty: silnik „otwarty” opracowany przez General Electric i silnik obiegu zamkniętego od Pratt & Whitney. Wkrótce General Electric był w stanie przeforsować swój projekt i osiągnąć dla niego szczególny priorytet, a co za tym idzie, dodatkowe finansowanie.
W trakcie programu ANP do istniejących już opcji silników jądrowych dodano kolejny. Tym razem zaproponowano wykonanie silnika przypominającego budową elektrownię atomową: reaktor podgrzewa wodę, a powstała para napędza turbinę. Ten ostatni przenosi moc na śmigło. Taki system, mając niższą wydajność w porównaniu z innymi, okazał się najprostszy i najwygodniejszy do najszybszej produkcji. Niemniej jednak ta wersja elektrowni dla samolotów z napędem atomowym nie stała się główną. Po kilku porównaniach klient i kontrahenci ANP postanowili kontynuować rozwój silników „otwartych” i „zamkniętych”, pozostawiając turbinę parową jako rezerwę.
Pierwsze próbki
W latach 1951-52 program ANP zbliżył się do możliwości zbudowania pierwszego prototypowego samolotu. Jako podstawę przyjęto bombowiec Convair YB-60, który był wówczas opracowywany, co stanowiło głęboką modernizację B-36 ze skośnym skrzydłem i silnikami turboodrzutowymi. Elektrownia P-1 została specjalnie zaprojektowana dla YB-60. Opierał się na cylindrycznej jednostce z reaktorem wewnątrz. Instalacja jądrowa zapewniała moc cieplną około 50 megawatów. Cztery silniki turboodrzutowe GE XJ53 zostały połączone z reaktorem za pomocą systemu rurociągów. Za sprężarką silnika powietrze przechodziło rurami obok rdzenia reaktora i tam się nagrzewając było wyrzucane przez dyszę. Obliczenia wykazały, że samo powietrze nie wystarczy do schłodzenia reaktora, dlatego do układu wprowadzono zbiorniki i rury do roztworu wodnego boru. Wszystkie systemy elektrowni połączone z reaktorem planowano zamontować w tylnym przedziale ładunkowym bombowca, jak najdalej od pomieszczeń mieszkalnych.
Prototyp YB-60
Warto zauważyć, że planowano również pozostawienie rodzimych silników turboodrzutowych na samolocie YB-60. Faktem jest, że otwarte silniki jądrowe zanieczyszczają środowisko i nikt nie pozwoliłby na to w bezpośrednim sąsiedztwie lotnisk lub osiedli. Ponadto elektrownia jądrowa, ze względu na cechy techniczne, miała słabą reakcję przepustnicy. Dlatego jego użycie było wygodne i akceptowalne tylko w przypadku długich lotów z prędkością przelotową.
Kolejnym środkiem zapobiegawczym, ale o innym charakterze, było utworzenie dwóch dodatkowych laboratoriów latających. Pierwszy z nich, oznaczony NB-36H i nazwą własną Crusader („Crusader”), miał na celu sprawdzenie bezpieczeństwa załogi. Na seryjnym B-36 zainstalowano dwunastotonowy kokpit złożony z grubych stalowych płyt, ołowianych paneli i 20-centymetrowego szkła. Dla dodatkowej ochrony za kabiną znajdował się zbiornik na wodę z borem. W części ogonowej Crusadera, w tej samej odległości od kokpitu, co w YB-60, zainstalowano eksperymentalny reaktor ASTR (Aircraft Shield Test Reactor) o mocy około jednego megawata. Reaktor był chłodzony wodą, która przenosiła ciepło rdzenia do wymienników ciepła na zewnętrznej powierzchni kadłuba. Reaktor ASTR nie wykonał żadnego praktycznego zadania i działał jedynie jako eksperymentalne źródło promieniowania.
NB-36H (X-6)
Loty testowe laboratorium NB-36H wyglądały tak: piloci podnieśli samolot z tłumionym reaktorem w powietrze, polecieli do obszaru testowego nad najbliższą pustynią, gdzie przeprowadzono wszystkie eksperymenty. Pod koniec eksperymentów reaktor został wyłączony, a samolot wrócił do bazy. Wraz z Crusaderem z lotniska Carswell wystartował kolejny bombowiec B-36 z oprzyrządowaniem i transportem ze spadochroniarzami Marines. W przypadku katastrofy prototypowego samolotu, marines mieli wylądować obok wraku, odgrodzić teren i wziąć udział w likwidacji skutków wypadku. Na szczęście wszystkie 47 lotów z działającym reaktorem odbyło się bez przymusowego lądowania ratunkowego. Loty próbne wykazały, że samolot z napędem jądrowym nie stanowi poważnego zagrożenia dla środowiska, oczywiście przy prawidłowej eksploatacji i braku wypadków.
Drugie laboratorium latające, oznaczone X-6, również miało zostać przebudowane z bombowca B-36. Zamierzali zainstalować kokpit na tym samolocie, podobny do jednostki „Crusader”, i zamontować elektrownię atomową w środku kadłuba. Ten ostatni został zaprojektowany na bazie jednostki P-1 i wyposażony w nowe silniki GE XJ39, stworzone na bazie turboodrzutowców J47. Każdy z czterech silników miał ciąg 3100 kgf. Co ciekawe, elektrownia atomowa była monoblokiem przeznaczonym do zamontowania na samolocie tuż przed lotem. Po wylądowaniu planowano wjechać X-6 do specjalnie wyposażonego hangaru, usunąć reaktor z silnikami i umieścić je w specjalnym magazynie. Na tym etapie prac powstała również specjalna jednostka czystka. Faktem jest, że po wyłączeniu sprężarek silników odrzutowych reaktor przestał być chłodzony z wystarczającą wydajnością i wymagane były dodatkowe środki zapewniające bezpieczne wyłączenie reaktora.
Kontrola przed lotem
Przed rozpoczęciem lotów samolotów z pełnoprawną elektrownią jądrową amerykańscy inżynierowie postanowili przeprowadzić odpowiednie badania w laboratoriach naziemnych. W 1955 roku zmontowano eksperymentalną instalację HTRE-1 (Heat Transfer Reactor Experiments). Pięćdziesięciotonowa jednostka została zmontowana na podstawie platformy kolejowej. W ten sposób przed rozpoczęciem eksperymentów można go było odbierać ludziom. Jednostka HTRE-1 wykorzystywała ekranowany kompaktowy reaktor uranowy wykorzystujący beryl i rtęć. Na platformie umieszczono również dwa silniki JX39. Rozpoczęto je na naftę, po czym silniki osiągnęły prędkość roboczą, po czym na polecenie z panelu sterowania powietrze ze sprężarki zostało przekierowane do obszaru roboczego reaktora. Typowy eksperyment z HTRE-1 trwał kilka godzin, symulując długi lot bombowca. W połowie 56 roku eksperymentalna jednostka osiągnęła moc cieplną ponad 20 megawatów.
HTRE-1
Następnie jednostka HTRE-1 została przeprojektowana zgodnie ze zaktualizowanym projektem, po czym otrzymała nazwę HTRE-2. Nowy reaktor i nowe rozwiązania techniczne zapewniły moc 14 MW. Jednak druga wersja eksperymentalnej elektrowni była zbyt duża do zainstalowania na samolotach. Dlatego do 1957 r. rozpoczęto projektowanie systemu HTRE-3. Był to głęboko zmodernizowany system P-1, przystosowany do pracy z dwoma silnikami turboodrzutowymi. Kompaktowy i lekki system HTRE-3 zapewniał 35 megawatów energii cieplnej. Wiosną 1958 roku rozpoczęły się testy trzeciej wersji kompleksu do prób naziemnych, które w pełni potwierdziły wszystkie obliczenia i, co najważniejsze, perspektywy takiej elektrowni.
Trudny obwód zamknięty
Podczas gdy General Electric priorytetowo traktował silniki z otwartym obiegiem, Pratt & Whitney nie tracił czasu na opracowanie własnej wersji zamkniętej elektrowni jądrowej. W Pratt & Whitney natychmiast rozpoczęto badanie dwóch wariantów takich systemów. Pierwsza sugerowała najbardziej oczywistą strukturę i działanie obiektu: chłodziwo krąży w rdzeniu i przenosi ciepło do odpowiedniej części silnika odrzutowego. W drugim przypadku zaproponowano zmielenie paliwa jądrowego i umieszczenie go bezpośrednio w chłodziwie. W takim układzie paliwo krążyłoby w całym obwodzie chłodziwa, jednak rozszczepienie jądrowe zachodziłoby tylko w rdzeniu. Miało to osiągnąć za pomocą prawidłowego kształtu głównej objętości reaktora i rurociągów. W wyniku przeprowadzonych badań udało się określić najbardziej efektywne kształty i rozmiary takiego układu rurociągów do obiegu chłodziwa z paliwem, co zapewniło wydajną pracę reaktora i pomogło zapewnić dobry poziom ochrony przed promieniowaniem.
Jednocześnie system cyrkulacji paliwa okazał się zbyt skomplikowany. Dalszy rozwój podążał głównie ścieżką „stacjonarnych” elementów paliwowych mytych metalowym płynem chłodzącym. Jako te ostatnie rozważano różne materiały, jednak trudności z odpornością na korozję rurociągów i zapewnienie cyrkulacji ciekłego metalu nie pozwoliły nam zamieszkać na chłodziwie metalu. W rezultacie reaktor musiał być zaprojektowany tak, aby wykorzystywał silnie przegrzaną wodę. Według obliczeń woda w reaktorze powinna osiągnąć temperaturę około 810-820°. Aby utrzymać go w stanie płynnym, konieczne było wytworzenie w układzie ciśnienia około 350 kg/cm2. System okazał się bardzo złożony, ale znacznie prostszy i bardziej odpowiedni niż reaktor z metalowym chłodziwem. Do 1960 roku firma Pratt & Whitney zakończyła prace nad elektrownią jądrową dla samolotów. Rozpoczęły się przygotowania do testowania gotowego systemu, ale ostatecznie testy te nie miały miejsca.
Smutny koniec
Programy NEPA i ANP pomogły stworzyć dziesiątki nowych technologii, a także szereg ciekawych know-how. Jednak ich główny cel - stworzenie samolotu atomowego - nawet w 1960 roku nie mógł zostać osiągnięty w ciągu najbliższych kilku lat. W 1961 roku do władzy doszedł J. Kennedy, który natychmiast zainteresował się postępami w technologii jądrowej dla lotnictwa. Ponieważ ich nie zaobserwowano, a koszty programów osiągnęły zupełnie nieprzyzwoite wartości, los ANP i wszystkich samolotów z napędem atomowym okazał się wielkim pytaniem. Ponad półtorej dekady ponad miliard dolarów wydano na badania, projektowanie i budowę różnych jednostek testowych. Jednocześnie budowa gotowego samolotu z elektrownią atomową była jeszcze kwestią odległej przyszłości. Oczywiście dodatkowe nakłady pieniędzy i czasu mogłyby doprowadzić do praktycznego wykorzystania samolotu atomowego. Jednak administracja Kennedy'ego zdecydowała inaczej. Koszt programu ANP stale rósł, ale nie było rezultatu. Ponadto pociski balistyczne w pełni udowodniły swój wysoki potencjał. W pierwszej połowie 61. roku nowy prezydent podpisał dokument, zgodnie z którym wszelkie prace nad samolotami z napędem atomowym powinny zostać wstrzymane. Warto zauważyć, że niedługo wcześniej, w 60. roku, Pentagon podjął kontrowersyjną decyzję, zgodnie z którą wszelkie prace nad elektrowniami typu otwartego zostały wstrzymane, a całość środków przeznaczono na systemy „zamknięte”.
Mimo pewnych sukcesów w dziedzinie tworzenia elektrowni jądrowych dla lotnictwa, program ANP uznano za nieudany. Przez pewien czas, równolegle z ANP, opracowywano silniki jądrowe do obiecujących pocisków. Jednak projekty te nie przyniosły oczekiwanego rezultatu. Z czasem zostały one również zamknięte, a prace w kierunku elektrowni jądrowych dla samolotów i pocisków całkowicie ustały. Od czasu do czasu różne prywatne firmy próbowały przeprowadzić takie przedsięwzięcia z własnej inicjatywy, ale żaden z tych projektów nie otrzymał wsparcia rządowego. Amerykańskie kierownictwo, tracąc wiarę w perspektywy samolotów z napędem atomowym, zaczęło opracowywać elektrownie jądrowe dla floty i elektrowni jądrowych.
