Проект пассажирской летающей лодки с ядерной силовой установкой от журнала «Mechanix Illustrated»

Интересная винтажная статья из августовского выпуска 1955 года журнала «Mechanix Illustrated», которая, думаю, заинтересует коллег.

Атомные самолеты. Ближе, чем вы думаете

Предисловие редакции: В ближайшие пять – десять лет появятся летающие лодки, оснащенные ядерной силовой установкой и способные нести большую полезную нагрузку, – данный прогноз одного из авторов журнала «Mechanix Illustrated» Фрэнка Тинсли (Frank Tinsley) основывается на изучении современных тенденций в авиастроении и настоятельных потребностей общества.

Благодаря кудесникам от науки атомная отрасль развивается с фантастической скоростью. Всего за 15 коротких лет деление атомного ядра выросло из сверхсекретного уравнения, нашептанного на ухо президенту, до солидной отрасли промышленности объемом 14 миллиардов долларов. Стремительный этап монополии на атомную и водородную бомбы сменился более счастливой и менее взрывоопасной фазой развития ядерной энергетики. В конце прошлого 1954 года Конгресс принял закон об атомной энергии (Atomic Energy Act of 1954), указав, что забытый гуманитарный потенциал деления атомного ядра может быть использован

«в целях содействия миру во всем мире, обеспечения общего благосостояния и повышения уровня жизни».

Наряду с этим президент Эйзенхауэр дал старт программе использования атомной энергии в мирных целях, целью которой является стимулирование обмена знаниями и быстрое развитие всех видов международных проектов в области атомной энергетики.

Хотя для неосведомленной публики созидательное использование процесса деления атомного ядра может показаться новым делом, для ученых и инженеров это в значительной степени устаревшая информация. Уже несколько лет у нас в Соединенных Штатах и за рубежом работают опытные атомные электростанции. Военно-морская адаптация, использующая «медленный процесс деления», успешно развивается на подводной лодке «Наутилус», а на более новой подлодке «Сивулф» устанавливается версия с «быстрым процессом деления». В последнем типе, чтобы разделить ядерное топливо и высвободить его энергию, нейтроны перемещаются со скоростью более 10 000 миль (16 100 км) в секунду. Данное устройство обладает преимуществами в меньших размерах и большем обогащении топливной смеси и имеет небольшие потери нейтронов.

Нетрудно понять, почему перспективы атомной промышленности вызвали интерес энергетических компаний, крупных промышленных предприятий и производителей оборудования. Когда недавно Пентагон запросил заявку на заказ на стандартизированные компактные транспортабельные реакторы, то на данную заявку откликнулись 100 заинтересованных компаний, и Армия удовле­творена тем, что для серьезного рассмотрения остаются около тридцати компаний, которые имеют необходимые производственные мощности и ноу-хау. Данные компании хорошо знают о трудностях, связанных с атомной энергетикой. Сфера атомной энергетики и смежных с ней отраслей все еще очень запутана в волоките и военной тайне, и поэтому безопасность компании является важным пунктом. Обращение с «горячими» материалами потребует дорогостоящих мер предосторожности для защиты работников и удаления радиоактивных отходов. Страхование является еще одной серьезной головной болью: андеррайтеры до сих пор с большими сомнениями изучают проблемы здоровья сотрудников и страхового покрытия от несчастных случаев. Несмотря на все это, компании понимают, что мы сейчас находимся в атомной эре, и, нравится нам это или нет, их будущее связано с атомным бизнесом.

Успех подводной лодки «Наутилус» и планы военно-морского флота по созданию атомных авиа­носцев и других кораблей основных классов пробудили воображение у руководителей транспорт­ной отрасли. Эксплуатанты пароходов изучают идею использования ядерных силовых установок (ЯСУ) в пассажирских авиалайнерах и грузовых судах. Атомные локомотивы находятся на чертеж­ных досках, и идет серьезное обсуждение даже таких маловероятных концепций, как ЯСУ для грузовых и легковых автомобилей. В большинстве случаем проблема с массой не является слишком критичной. Однако в области авиации масса экранирующих ядерную силовую установку устройств имеет важное значение и является источником серьезных проблем для разработчиков. Для защиты операторов от смертельной радиации ранние типы реакторов были заключены в оболочку из твердого свинца или бетона. Это означает, что только слоноподобный самолет с ЯСУ мог бы подняться в воздух и что его летные характеристики были бы серьезно ухудшены.

Затем бесконечная, кропотливая работа исследователей внезапно расцвела. В течение прошлого года инженеры-исследователи разработали конструкции экранирующих устройств, масса которых уменьшена до приемлемых величин. Новые более легкие экраны отличаются от вчерашних монолитных типов тем, что представляют собой композицию из различных материалов, каждый из которых выбран в соответствии со своей эффективностью в экранировании отдельных видов радиоактивного излучения. Эти «прослойки» включают сравнительно тонкие четырехдюймовые слои свинца, водородосодержащие материалы и т.д. Их точный состав и конструкция является, разумеется, одной из наших самых ценных военных тайн, но по утверждениям успешное развитие экранирующих устройств более чем соответствует выданному техническому заданию; на сегодняшний день масса экранированной ЯСУ не превышает массы топливной нагрузки. Для поршневых самолетов запас топлива составляет около трети взлетной массы, тогда как для реактивных самолетов данный показатель возрастает до 45 процентов. Этот общепризнанный факт склоняет конструкторов самолетов с ЯСУ в пользу летающих лодок, нежели чем самолетов наземного базирования. Для этого есть несколько веских причин. Прежде всего, мы имеем дело с колесным шасси, которое приводит к ограничению экономической массы летательного аппарата. Корпус летающей лодки, хотя и конструктивно тяжелее фюзеляжа самолета наземного базирования, но все же намного легче, чем общая масса фюзеляжа и стоек шасси. Кроме того, самолет наземного базирования обычно заканчивает свое путешествие с почти пустыми топливными баками. Как следствие, его шасси спроектировано таким образом, чтобы при посадке выдержать ударные нагрузки самолета с массой на треть меньшей взлетной – этим достигается значительная экономия веса. С другой стороны, летательный аппарат с ЯСУ даже после продол­жительного полета израсходует всего лишь полфунта (230 г) или около того расщеп­ляю­ще­гося материала и совершит посадку с массой, почти не отличающейся от взлетной. Таким образом, масса шасси должна быть на треть больше, чем у самолета тех же размеров и массы, но оснащенного традиционной силовой установкой. Очевидно, что дополнительная нагрузка делает колесное шасси непрактичным.

Посадочная масса самолета будет равняться взлетной массе – это одна из причин, по которым летающая лодка с почти плоским поперечным сечением является лучшей конструкцией для самолетов с ядерными силовыми установками

Также существует проблема предельной длины взлетно-посадочной полосы. Мы просто не можем позволить себе бесконечно расширять наши взлетно-посадочные полосы и площади аэропортов. Было подсчитано, что возможности сухопутного аэродрома стоимостью сто миллионов долларов могут быть продублированы прибрежным гидроаэродромом, который помимо в пять раз меньшей стоимости обладает такими достоинствами, как отсутствие задержек рейсов вследствие плохой погоды и «пробок» при движении по взлетной полосе. Помимо того, что гидроаэродромы дешевле и намного безопаснее, они еще и более удобны. Большинство крупных городов, как у нас в Соединенных Штатах, так и за рубежом, имеют участки берега моря, реки или озера, которые уже оборудованы пирсами и другими соответствующими портовыми сооружениями. Вместо того чтобы «сбрасывать» пассажиров в отдаленных аэропортах и затем заставлять их тратить время и деньги на длительные поездки на автобусе или такси в город, летающая лодка может совершить посадку в городском порту и высадить пассажиров буквально в центре города.

Ранние летающие лодки полностью соответствовали своему названию – это были лодочные корпуса с прикрепленными к ним крыльями. До недавнего времени их громоздкая форма была результатом ряда конструктивных компромиссов, продиктованных их винтомоторными силовыми установками. Поскольку было необходимо держать подальше от воды хрупкие быстро­вращаю­щиеся лопасти винтов, то двигатели и крылья должны быть установлены достаточно высоко. Для выполнения полета необходимы были высокие узкие корпуса. Данная неустойчивая компоновка вынуждала вводить дополнительные средства обеспечения боковой устойчивости во время рулежки – пару длинных широко расставленных стоек, на оконечностях которых устанавливались подкрыльевые поплавки. Данные средства увеличивали лобовое сопротивление летающей лодки, и сумма всех этих «рукотворных встречных ветров» делала ее безопасным, но мучительно медленным самолетом.

Появление реактивного двигателя кардинально изменило ситуацию. Уплощенные струи реактивных газов, исторгающиеся из сопел реактивных двигателей, заменили уязвимые винты, и моторы могут быть установлены намного ближе к ватерлинии. В свою очередь это позволяет авиаконструкторам снизить общее поперечное сечение самолета, что приводит к увеличению прочности конструкции, более совершенной аэродинамике и значительно улучшенной мореходности гидросамолета. В смелом отрыве с прошлой практикой создания летающих лодок инженеры компании Convair использовали эти преимущества этой радикально новой концепции, основанной на одной из самых эффективных форм морской живности: глубоководном скате.

Результатом работы сотрудников компании Convair стал Sea Dart (XF2Y-1) – летающая лодка-истребитель, у которого широкие консоли ее треугольного крыла сливаются с широким V-образным корпусом, создавая машину прекрасных форм. Оснащенный двумя реактивными двигателями, этот самолет оказался таким же быстрым, как и любой истребитель наземного базирования. Sea Dart выполняет взлет и посадку с помощью выдвигающихся водных лыж, которые еще больше улучшают и без того выдающуюся мореходность. По сообщениям этот крошечный истребитель может сесть в море, которое затопит крупнейшую летающую лодку старого типа, и может выполнить взлет после разбега, длина которого в разы меньше длины разбега старых гидросамолетов.

Оснащенный реактивным двигателем истребитель Sea Dart рассматривается руководством компании Convair в качестве действующей масштабной модели крупных океанских грузопассажирских гидросамолетов недалекого будущего

Sea Dart – это гораздо больше, чем просто еще один новый истребитель. Фактически, инженеры Convair рассматривают его в качестве действующей масштабной модели крупных океанских грузопассажирских гидросамолетов недалекого будущего. В компании Convair делают ставку на то, что крупные летающие лодки будут необходимы в случае вспышки новой крупной войны. В настоящее время хорошо информированные военные источники склоняются к мнению, что массированное применение Советским Союзом подводных лодок сделает морские перевозки невозможными. Они утверждают, что потери наших кораблей и грузов станут настолько большими, что обанкротят страну за считанные месяцы.

По их словам, единственным практическим ответом являются огромные грузовые летающие лодки, способные совершить посадку на любую достаточно защищенную акваторию и разгружать войска и грузы непосредственно на побережье. Такой флот обеспечил бы высокую степень безопасности, большую оперативную гибкость и, растянув наши зарубежные базы в многомильные линейки складов снабжения, способен ценой небольших потерь защититься от ядерных ударов противника. Воздушное прикрытие этих гигантских транспортных гидросамолетов будет обеспечиваться истребителями типа Sea Dart, которые могут сопровождать армады грузовых летающих лодок во время их длительных перелетов и дозаправляться в полете от воздушных танкеров с ЯСУ.

Эти большие летающие лодки с неограниченным радиусом действия также могут быть применены и в качестве высокоскоростного гражданского авиатранспорта. По этим причинам автор журнала «Mechanix Illustrated» для своего проекта пассажирского самолета с ЯСУ выбрал летающую лодку. Широкий и глубокий корпус лодки с развитыми корневыми частями крыла предлагает бес­преце­дентно большой объем внутреннего пространства для размещения в нем удобных сидений, роскошных салонов и мест для передвижения. В представленной схеме проекта (люкс-комплек­тация) показано размещение 192 пассажиров в широких креслах, которые для обеспечения макси­маль­ной безопасности при посадке на воду повернуты в противоположную к направлению полета сторону. Если пассажиры устанут от постоянного сидения, то в их распоряжении будут широкие проходы для прогулок, салон, в котором можно отдохнуть и пообщаться, гриль-бар с пищей телесной и библиотека/читальный зал для написания писем или проведения конференций. Также пространство предусмотрено для туалетов, камбузов, складских помещений и комнат отдыха для тех членов экипажа, вахта которых завершилась или еще не наступила. В задних частях пассажирских салонов предусмотрено размещение аварийных выходов, которые при раскрытии образовывали бы платформы для спуска шлюпок на воду. Коридоры для выхода обрамлены помещениями для размещения спасательных средств, негабаритных резиновых плотов и т.д..

СХЕМА И ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ПРОЕКТА САМОЛЕТА С ЯСУ ОТ ЖУРНАЛА «MECHANIX ILLUSTRATED»:
1) мостик с рабочими местами членов экипажа; 2) места размещения экипажа; 3) библиотека; 4) комната для отдыха; 5) гриль-бар; 6) камбуз; 7) складские помещения; 8) уборные; 9) проходы; 10) пассажирские салоны; 11) многокамерное крыло; 12) аварийные выходы; 13) стабилизатор; 14) ядерный реактор/пункт управления; 15) шесть реактивных двигателей; 16) вспомогательный жидкостный ракетный двигатель.
СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЯСУ:
A) ядерный реактор; B) экранирование от радиоактивного излучения; C) теплоизоляционное пространство; D) экранирующий теплообменник; E) трубопроводы, по которым горячий воздух подается к двигателям; F) реактивные двигатели; G) пост управления.
ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ САМОЛЕТА:
А) убирающиеся водные лыжи, которые выдвигаются для выполнения взлета при волнении на море; Б) широкое V-образное днище корпуса лодки и «скатообразная» конфигурация сделают гидросамолет практически неопрокидываемым

Ядерная силовая установка размещена на осевой линии летающей лодки в крайнем заднем отсеке фюзеляжа. Данное расположение следует из новейших тенденций создания самолетов с ЯСУ, согласно которым ядерная тепловая энергия заменяет обычные топливные форсунки в камерах сгорания реактивных двигателей. Чтобы центр тяжести располагался достаточно низко, реактор расположен чуть выше киля и как можно дальше от мест размещения пассажиров. При работе расплавленный металл проходит через перегретый ядерный реактор и затем закачивается в теплообменник, установленный на верхней поверхности реактора. Два данных элемента образуют единое целое, которое для защиты людей от опасного излучения окружено общим экраном. Окружающий коллектор экран представляет собой коллектор, в котором нерадиоактивная вода поглощает тепло и передает его в камеры сгорания двигателя по имеющим двойные стенки трубам высокого давления.

Реактивные двигатели – шесть единиц – функционируют обычным образом: втягивают воздух, сжимают и выталкивают его в камеры сгорания. В камерах сгорания воздух за счет тепла от ЯСУ расширяется, вращает газотурбинные двигатели и реактивными струями выбрасывается через сопла. Затем вода – или другая теплопередающая среда – возвращается в теплообменник в непрерывной замкнутой системе циркуляции. Помимо реактивных двигателей в хвостовой части корпуса лодки может быть установлен жидкостный ракетный двигатель, который должен будет включаться в аварийных ситуациях или для ускорения.

Эти гигантские летающие лодки, способные к полету почти неограниченной продолжительности и способные взлететь или приземлиться в открытом море в самых суровых погодных условиях, смогут обеспечить пересекающим океаны путешественникам недостижимые сейчас скорость, комфорт и безопасность. Не менее эффективные на сухопутных маршрутах – прочная конструкция киля лучше выдерживают «посадку на живот», чем любой фюзеляж самолета наземного базирования – эти летающие лодки в конечном итоге возьмут на себя все перелеты на дальние дистанции. В ближайшие десять лет вы будете летать на подобных самолетах. Самолеты с ЯСУ ближе, чем вы думаете!

источник: Frank Tinsley «Are Closer Than You Think» // Mechanix Illustrated, august 1955, стр.70-75