Сияющие небеса… или как Америка перестала беспокоиться по поводу атомной энергетики и полюбила Boeing B-52
Эксперт в области силовых установок Джейкоб Уитфилд (Jakob Whitfield) подробно рассказывает историю американских проблемных послевоенных попыток использования атомной энергии в авиационных силовых установках и об испытаниях уникального бомбардировщика с ядерным реактором Convair B-36.
В 1945 году сразу же после того как радиоактивный гриб рассеялся над Хиросимой, ученые и инженеры начали изыскивать новые пути возможного применения атомной энергии. Ядерное топливо содержало в себе столько энергии, что казалось идеальным источником питания для самолета. Возможно ли построить бомбардировщик, который будет в состоянии находиться в боевом патрулировании дни, недели, месяцы и который все это время будет для противников сдерживающим фактором?
В мае 1946 года ВВС Армии США (United States Army Air Forces — USAAF) инициировали проект применения ядерной энергии в качестве топлива авиацинных силовых установок (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft — NEPA). Были проведены первичные исследования, в ходе которых было определено, что существуют три основных препятствия для создания пилотируемого ядерного самолета:
- □ необходимо разработки материалов, способных выдерживать интенсивное излучение реактора;
- □ противорадиационная защита, которая потребуется для обеспечения безопасности экипажа, может оказаться слишком тяжелой для практической осуществимости конструкции самолета;
- □ в повседневной эксплуатации и в случае аварий цена ущерба населению может оказаться неприемлимо высокой.
Сформированная в 1946 году Комиссия по атомной энергии (Atomic Energy Commission — AEC) в 1948 году провела аналогичное исследование. В своем докладе AEC пришла к тем же выводам, что и доклад проекта NEPA: полеты самолетов с ядерной силовой установкой возможны, но это будет технически сложно, а сама разработка потребует много времени и средств — по предварительным оценкам временные и финансовые затраты составили бы 15 лет и более одного миллиарда долларов. Тем не менее, в докладе AEC ядерные силовые установки самолетов рассматривались как более технически реализуемые, нежели ядерные ПВРД или ядерные ракетно-космические двигатели. Воодушевленная этими рекомендациями AEC создала собственную программу.
Самолет с ядерной силовой установкой
В 1950 году ВВС США (в 1947 году ВВС Армии США стали отдельным видом войск) и AEC решили отменить свои собственные проекты и начать совместную программу под названием «Самолет с ядерной энергетической установкой» (Aircraft Nuclear Propulsion — ANP). Ее задачами были разработка материалов для ядерного реактора, защиты реактора, силовых установок и конструкции воздушного судна до того момента, когда самолет с ядерной силовой установкой может быть построен. Как в то время заявил один шутник:
«он будет приземляться раз в несколько лет лишь для замены экипажа!»
В следующем году было решено, что эта программа будет расширена за счет включения летных испытаний самолета. Контракты были выданы компаниям General Electric (GE), которая должна была исследовать принцип работы ядерных реактивных двигателей с прямым воздушным циклом (direct-air cycle), и Pratt & Whitney, задачей которой были исследования принципа работы ядерных реактивных двигателей с конструктивно более сложным косвенным воздушным циклом (indirect-air cycle). Также были выданы контракты компаниям Convair и Lockheed, задачей которых стала разработка планера будущего самолета. Компания Convair планировала модифицировать два своих массивных межконтинентальных бомбардировщика B-36 в самолеты с ядерной силовой установкой X-6. Другой B-36H должен был быть модифицирован в вариант NB-36H Crusader: самолет с обычной силовой установкой, но способный нести в бомбовом отсеке ядерный реактор мощностью 1 МВт. Этот реактор, получивший название «авиационный реактор для испытаний биологической защиты» (Aircraft Shield Test Reactor — ASTR) был предназначен для тестерования экранирования и радиационной безопасности.
Из множества задач, стоявших перед инженерами, самыми сложными были проектирование реактора и его защиты. Обычные «медленные» реакторы проектировались относительно легко, но в их конструкцию были включены громоздкие материалы для «сдерживания» и замедления нейтронов с целью создания устойчивой цепной реакции. Все это означало, что защита реактора должна была весить около 200 тонн — слишком много для возможности выполнять полеты. «Быстрые» реакторы использовали высокоскоростные нейтроны и весили значительно меньше — примерно 50 тонн. Однако температура внутри них была очень высокой и достигала 1000°C. Температура была настолько высокой, что были необходимы новые материалы, иначе реактор просто бы расплавился. В этом отношении косвенный воздушный цикл имел преимущество в виде более эффективной передачи тепла, позволявшей применить менее мощный реактор, хотя дополнительный вес теплообменника и трубопроводов для охлаждающей жидкости несколько нивелировал выигрыш в массе.
Учитывая весовые ограничения, налагаемые на реактор, не было никаких возможностей разместить реактор в защитной оболочке и предотвратить ее разгерметизацию в случае аварии. В ВВС США при шли к выводу, что радиоактивные осадки могут носить относительно локальный характер и что радиоактивность будет сконцентрирована в самом реакторе и в топливных стержнях, которые могут оказаться снаружи. При этом из виду упускалась возможность «свертывание”, эффект которого был обнаружен в 1950 году. Поскольку реактор был очень тяжелым, то во время аварии он почти наверняка отделился бы от конструкции самолета и покатился бы по поверхности. В данном случае тяжелая экранировка могла сжать ядро до критического состояния, приведя в лучшем случае к расплавлению ядерных топливных элементов реактора, а в худшем к ядерному взрыву малой мощности.
Изготовление защиты
Экранировака, установленная на самолете NB-36H, относилась к разделенно-теневому типу (divided-shadow type). Вместо размещения экранирования вокруг всего реактора, она была разделена между реактором и отсеком экипажа. Реактор был размещен в задней части фюзеляжа, тогда как в носу самолета находился отсек экипажа, защищенный одиннадцатитонным свинцовым экраном. Где это было возможно, оборудование (способное выдерживать более высокий уровень радиации, нежели экипаж) было размещено за пределами экранировки, уменьшая, тем самым, его размеры и вес и частично беря на себя функции защиты.
Основная часть экранирования размещалась между отсеком экипажа и реактором. Хотя экипаж находился в тени излучения активной зоны реактора, воздействие от конструкции самолета и воздуха означали, что обитаемому отсеку по-прежнему была необходима некоторая защита. Выбор расположения обитаемой зоны был сделан исходя из компромисса между требованиями к защите и весу. Перенос расположения подальше от реактора и тем самым снизить требования к его защите и одновременно увеличивал вес конструкции и с определенного момента уже не было никакой пользы от дальнейшего перемещения вперед.
В ходе работ одним из обсуждавшихся вопросов были безопасные уровни радиации, поскольку одним из самых простых способов увеличения значений характеристик было уменьшение уровня защиты. Были сделаны некоторые странные заявления о повышении допустимой дозы облучения и выборе членов экипажей из числа отцов семейств и из не желающих иметь большое количество детей. Также предлагалось проводить большую часть подготовки на тренажерах, а время полета ограничить двумя часами и одним боевым вылетом! Учитывая, что одним из достоинств самолетов с ядерной силовой установкой должна была стать большая продолжительность полета — с соответствующим длительным радиационным воздействием — вызывает удивление, насколько мало внимание было уделено этому вопросу. С другой стороны экспериментальная проверка допустимой дозы облучения по этическим соображениям не могла быть выполнена на людях. В ВВС США для испытаний других человеческих факторов построили симулятор отсека экипажа, в котором должны были быть оценены физические и психологические аспекты пятидневной миссии, в том числе количество потребляемых калорий (в оценке использовалось чисто американское меню с такими блюдами как курица с соусом и персиковый пирог) и количество выполненных опорожнений кишечника.
В 1953 году новая администрация Эйзенхауэра хотели уменьшить военный бюджет США, и ANP стала ее первоначальной целью. Министр обороны Чарльз Э. Уилсон (Charles E. Wilson), который под давлением бюджетных сокращений был вынужден закрыть проект, не оставил комментаторам никаких сомнений относительно того, что он при этом чувствовал, охарактеризовав NB-36H как
«цаплю (shitepoke) … большую птицу, которая летает над болотами, не имея ни сильного тела, ни скорости».
«но это может полететь»,
— усмехнувшись, сказал он.
Планируемый X-6 ни в коей мере не был эффективным боевым самолетом, и работы по ниму были отменены. Работы по NB-36H продвинулись достаточно далеко и самолет с 1955 по 1957 год выполнил 47 испытательных полетов, после чего он, в конце концов, был отправлен на разделку. Каждый полет NB-36H проходил в сопровождении Boeing B-50 и Douglas C-47 с десантниками и оснащенными парашютами медиками. В случае аварии они должны были десантироваться, обезопасить место крушения и по возможности оказать помощь. Знание этого, вероятно, было слабым утешением экипажу NB-36H, когда они летели вместе и вглядывались в них через толстые — футом толщиной — илюминаторы.
Белый слон?
Несмотря на отмену, проект ANP продолжался, но финансирование со стороны ВВС США было крайне скромным. Работы, в которые AEC также внесла свой вклад, были сосредоточены на разработке двигателя и реактора. В 1954 году ВВС США снова попытались получить бомбардировщик, выпустив спецификацию на дозвуковой самолет со возможностью сверхзвукового «броска”. В 1956 году программа была отменена.
К этому времени компания GE занималась опытным ядерным реактором для исследования проблем теплообмена и критических тепловых потоков №1 (Heat Transfer Reactor Experiment No 1 — HTRE-1). HTRE-1 состоял из реактора с воздушным охлаждением, защиты, двух двигателей X-39 (представляли собой развитие проверенноых реактивных двигателей GE J47) и связанных с ними воздуховодов, элементов управления и измерительной аппаратуры. Активная зона реактора была разработана таким образом, чтобы была возможность замены на созданную позднее более высокопроизводительную версию. Экранировка HTRE-1 была слишком тяжелой для полетов, но в 1957 году были испытаны более легкие и обладавшие более высокими характеристиками HTRE-2 и 32-мегаваттный HTRE-3. Последний был достаточно легким и вырабатывал достаточно тяги для приведения самолета в движение (в теории самолет мог пролететь 30000 миль [48280 км] на скорости 460 миль/ч [740 км/ч]). Хотя дальность была впечатляющей, скорость не вызывала восторженных эмоций; также проблем создавал выход радиации из конструкции с прямым воздушным циклом. Так в 1958 году во время мгновенной перегрузки реактора HTRE-3 посследний выпустил столько радиоактивных материалов, достаточных для заражения 1500 акров (6 км²).
Американское правительство, вероятно, отменило бы программу ANP, но в октябре 1957 года Советский Союз запустил в космос первый исскуственный спутник Земли. Поскольку Конгресс и Сенат хватался за соломинку в виде самолетов с ядерной силовой установкой, как единственных способных вести с русскими холодную войну. Было принято решение запустить проект «Fly Early», задачей которого создание самолета с ядерной силовой установкой всего за три года. Однако в 1959 году концепция «Fly Early» не имела развития, поскольку ВВС США был предложен более полезный в военном плане самолет — система вооружения CAMAL (Continuously Airborne Missile-Launcher And Low-level). Идея заключалась в том, что самолет с ядерной силовой установкой мог в течение длительного времени патрулировать рядом с воздушным пространством противника. В случае нападения самолет должен был запускать ракеты, находясь вне зоны досягаемости средств ПВО противника, а затем на бреющем полете выполнять атаки на хорошо защищённые цели. Однако с появлением систем дозаправки в воздухе поступивший недавно на вооружение бомбардировщик с силовой установкой обычного типа Boeing B-52 Stratofortress оказался способным поразить любую цель на территории Советского Союза. На средства, затраченные на программу ANR, пентагон мог закупить около 1200 бомбардировщиков B-52. Одновременно с этим американские межконтинентальные ракеты первого поколения, наконец, преодолели свои детские болезни и начинали поступать на вооружение. Начальник управления НИОКР д-р Герберт Йорк (Dr Herbert York) отменил программу CAMAL, настаивая, что программа ANR должна сосредоточиться на фундаментальных исследованиях, которые по-прежнему необходимы, особенно в области материалов для ядерного реактора. По его мнению, предлагаемые проекты будут отвлекать средства от столь необходимых фундаментальных исследований и неизбежно закончатся провалом.
Эта недоброжелательность к 1958 году получила хорошую поддержку объединенного комитета конгресса по атомной энергетике, у которой уже было мало терпения. Как заявили в объединенном комитете:
«Мы обнаружили почти невероятную ситуацию. Программа [так в оригинале] до сих пор не имеет твердого набора целей. Не принято ни одного решения относительно фактического ядерного полета и нет контрольных сроков относительно этого полета».
Окончательный крах
После прошедших в ноябре президентских выборов Эйзенхауэр решил передать решение будущего программы приступающей к работе демократической администрации. Его разочарование в связи с продолжающейся поддержкой конгресса и военных этого белого слона способствовали его последнему президентскому выступлению, состоявшемуся в январе 1961 года и названному «военно-промышленный комплекс”. 26 марта 1961 года президент Джон Ф. Кеннеди, наконец, махнул рукой на ANP, которая так и не приблизилась к созданию работоспособного самолета. В окончательном отчете по проекту было сказано, что на пути к созданию самолета с ядерной силовой установкой оставались три препятствия: это были материалы для ядерного реактора, экранирование реактора и экипажа и меры обеспечения общественной безопасности — все то, о чем говорилось в 1946 году.
Если оглянуться назад, то удивление вызывает факт продолжительности существовавния данной программы. Она была разорительно дорогой и никогда даже близко не была к иготовлению самолета для проведения испытаний. Остается открытым вопрос: возможно ли было когда-нибуть создать работоспособный самолет. В 1954 году руководитель проекта заявил
«пилотируемый ядерной самолет представляет собой самую сложную инженерную задачу этого столетия».
Проблемы его создания так и не были решены. Во многих случаях только лоббирование со стороны промышленных, военных и политических сторонников спасало программу.
Всегда реагируя на последние идеи или «красную угрозу», старт-стопный характер программы ANP означало, что фундаментальных исследований было выполнено мало, хотя в действительности программа имела успех в создании высокотемпературных материалов для ядерных реакторов. В результате программа, на которую было потрачено 15 лет работ и $1 млрд., имела на удивление мало серьезных результатов. Даже самые пылкие сторонники были вынуждены признать недостатки проекта. Конгрессмен от Иллинойса Мел Прайс (Mel Price) — ярый и откровенным сторонником концепции самолета с ядерной силовой установкой — после закрытия программы был вынужден был признать свое разочарование в ANP:
«Документы [ANP] наполнены рассказами о разделении полномочий, колебаний финансирования, удержание фондов, техническими пересмотрами, изменением целей, передачей персонала — и этот список можно продолжать — это история убийства хорошего проекта нерешительностью и головотяпством».
тяжелый бомбардировщик Convair NB-36H 51-5712 был переделан в ядерный испытательный самолет (Nuclear Test Aircraft — NTA). Свой первый полет в новом качестве машины выполнила 20 июля 1955 года, поднявшись в небо с авиабазы Карлвелл (Carswell), штат Техас, под управлением летчика-испытателя Берила Эриксона (Beryl Erickson). Установленный в самолете сравнительно небольшой реактор был использован только для проверки эффективности защиты от радиации и не являлся частью самолетной силовой установки. NB-36H поднимается в небо с люком кабины экипажа, находящимся в поднятом и запертом положении
ASTR и отсек экипажа размещены на испытательном стенде перед установкой на NB-36H. Обратите внимание на серьезные меры безопасности в левом нижнем углу
модель ASTR для NB-36H. Устройство, устанавливавшееся в обширном заднем бомбоотсекемассивного бомбардировщика, было изготовлено компанией Convair и весило примерно 35000 фунтов (15900 кг). ASTR удалялся в бомбоотсека после каждого испытательного полета для дальнейших наземных испытаний и проверок
полностью герметичная освинцованная кабина экипажа NB-36H весила около 11 тонн. Обратите внимание на установленные на бортах капсулы панели с присоединительными патрубками электрических, гижравлических систем и системы управления самолетом
уникальная роль NB-36H требовала уникальной спомогательной наземной техники — гусеничная машина слева была сильно экранированным краном для удаления аварийного реактора, справа был буксировщик, который также был хорошо защищен
пара редких фотографий внутренностей обитаемой капсулы NB-36H; слева кабина пилотов, справа рабочее место борт-инженера. Капсула была так надежно изолированы, что экипаж сообщал, что во время взлета работа шести поршневых двигателей R-4360 и четырех реактивных J47 была едва слышна
ядерный полет, шаг первый: NB-36H
NB-36H с характерным знаком радиационной опасности на киле во время одного из своих 47 испытательных полетов, выполненных во время своей успешной программы испытаний. Первый из них с полностью функционирующим ASTR был сделан 17 сентября 1955 года, а последний был совершен в марте 1957 года
ядерный полет, шаг второй: X-6
компания Convair построила большую модель предложеного X-6 для демонстрации различных аспектов наземного обслуживания, коорое может потребоваться самолету. На этом виде спереди показаны четыре турбореактивных двигателя J53, которые составляют силовую установку P-1; реактор получил обозначение R-1. Обратите внимание на уплощение фюзеляжа в районе силовой установки/реакторного отсека
на данном снимке специально разработанный манипуляционный робот. Предполагалось, что все виды связанных с X-6 наземных работ будут выполняться дистанционно, поскольку потенциальная радиационная опасность была признана весьма существенной. предложение использовать реактивный бомбардировщик Convair YB-60 было рассмотрено, но отклонено
снимок модели X-6 с другого ракурса — со стороны задней части фюзеляжа. Обратите внимание на расположенные в шахматном порядке четыре реактивных двигателя J53, из которых два внутренних выступают вперед относительно двух внешних двигателей. X-6 также требовал специальной выемки для установки и удаления 14-тонной ядерной силовой установки P-1
первая в мире атомная подводная лодка «Наутилусе» на фоне Манхеттена. «Наутилус» был спущенна воду 21 января 1954 года и установил множество рекордов среди подводных лодок
отец американского атомного флота адмирал Хайман Джордж Риковер
Приложение 1
Прямой или косвенный воздушные циклы?
Принципы, лежащие в основе ядерных реактивных двигателей, довольно просты. Вместо повышения температуры рабочей жидкости при сжигании топлива использовалось тепловая энергия, вырабатываемая ядерным реактором. Есть два способа нагрева воздуха:
□ открытый или прямой воздушный цикл, в котором воздух из компрессора направляется через активную зону реактора, охлаждает его и затем передается к турбине. Это принцип имеет преимущество простоты, хотя есть потери давления в активной зоне реактора и имеется неудачный побочный эффект попадания радиоактивных частиц в выхлопные газы двигателя;
□ закрытый или косвенный воздушный цикл, в котором реактор не охлаждается потоком воздуха от двигателя, а отдельным теплоносителем с высокими характеристиками теплопередачи. Затем поток воздуха от двигателя нагревается в теплообменнике контура охлаждения реактора. Во многих отношениях это более элегантное решение, чем прямой воздушный цикл и вследствие лучшей теплопередачи он более эффективен. Двигатели могут быть расположены дальше от ядра, а радиоактивные частицы не попадают в атмосферу. С другой стороны тприменение охлаждающей жидкости и трубопроводов для него делало систему с косвенным воздушным циклом более сложной, нежели с прямым.
Приложение 2
Конкуренты: ядерный флот
Наверное наиболее сильным разочарованием для команды ANP было наблюдать за созданием американского «ядерного флота». В январе 1954 года под жеским надзором и базжалостным руководством капитана (капитана 1-го ранга, позднее четырёхзвёздный адмирал флота США) Хаймана Джорджа Риковера (Hyman George Rickover) была спущена на воду первая американская атомная подводная лодка «Наутилус» (USS Nautilus).
По сравнению с ANP у Риковека были технические и организационные преимущества, он был мастером подковерной бюрократической борьбы и имел намного более жесткий контроль над своей группой специалистов. Технически экранирование плавающего объекта являются значительно более простой задачей, нежели летающего. На «Наутилусе» стоял «медленный» водо-водяной энергетический реактор, который был безопасным и надежным. Авиационный реактор должен был быть в пять раз мощнее и двадцать раз меньше.
источник: JAKOB WHITFIELD «radiant skies» THE AVIATION HISTORIAN Issue No 4
