Термоядерный экранолётъ

В статье рассматриваются вопросы радиационной защиты экипажей летательных аппаратов. Также рассматривается проблема утечки темпорально-резонирующих протонов.

Предпосылки к созданию проекта

Первую действующую установку термоядерного синтеза построил Д.И. Менделеев в 1870 году. Это описано в статье Термояд для “Петра Великого”. Принцип действия был несложен. Как известно, главным препятствием термоядерного синтеза является кулоновский барьер. Для его преодоления нужна очень высокая температура. Но было найдено более удачное решение. Ионы водорода пропускались через темпоральный резонатор Чебышева и попадали в обычную воду. Где и происходило слияние ядер
p + p → ²D + e+ + νe + 0.42 Мэв
Такие установки стали применяться на крупных морских кораблях.
Тем временем в отделе аэродинамы был построен первый самолет. Это описано в статье
Модернизация самолета Можайского. Самолет имел паровой двигатель и прошел цикл летных испытаний к 1885 году. К тому времени Можайский вышел в отставку, но работы по конструированию самолетов продолжались.
Еще через 15 лет, то есть к началу 20-го века научились делать компактные водородные реакторы. Возникла идея установить такой реактор на самолете. Что дало бы огромную дальность полета.
Тогда уже знали о радиации, и понимали, что летающий термоядерный реактор — это очень опасно и дорого. Забегая вперед скажем, что именно из-за этих причин ядерные самолеты не получили широкого распространения. Эти проблемы были вполне предсказуемы, поэтому описываемый термоядерный экранолет строился исключительно как экспериментальная машина.

Термоядерный экранолет
Машина представляла собой двухбалочный полутораплан с обратным V-образным хвостовым оперением.
Каркас корпуса и крыльев — преимущественно деревянный, обшивка — шпон, полотно, жесть. Хвостовое оперение — цельнометаллическое.
Размах крыльев — 24 м.
Мощность двигателя — до 270 лс.
Взлетный вес — до 4000 кг.
Скорость — 100…120 км/ч.
Экипаж — два человека, управление сдвоенное.

Расчет радиационных полей

Этот раздел необходим для раскрытия темы. Но так как он перегружен цифрами и расчетами, то желающие могут сразу перейти к выводам в конце раздела.

Исходные данные
Мощность реактора тепловая — 1 МВт
Дистанция до второго пилота — 12 м.
Масса пилота — 50 кг.

Отсюда можно рассчитать —
Мощность гамма-излучения. В современных атомных реакторах на долю гамма излучения приходится не более 10% всей энергии. Примем, что мощность излучения реактора экранолета составляет 100 кВт.
Мощность излучения, приходящаяся на проекцию фигуры пилота рассчитывается чисто геометрически. И составляет 27 Вт.
Мощность поглощенной дозы составляет 0,75х27 = 20 Вт
Удельная мощность составляет 20/50 = 0,4 Грей в секунду, что примерно равно 40 рентген в секунду. Или 144 килорентген в час.

Смертельная доза считается 100 рентген, эту дозу пилот получит в течении 2,5 секунд работы реактора. Если не будет установлена защита.

Рассчитаем мощность облучения с учетом защиты. Тут следует учесть, что эффективность защиты очень сильно зависит от спектра излучения. Чем мягче спектр, чем легче требуется защита. Например — вот реальные данные для свинца.

Этот график объясняет почему люди, работающие с серьезной радиацией очень удивляются, когда на флюрографии им дают тонюсенький свинцовый фартук. Они то привыкли к другой защите. Но там и радиация другая. А на флюрографии спектр мягкий.

Какой же спектр у термоядерной реакции? Мы знаем, что полная энергия реакции 0,47 МЭв. Значит гамма квантам большей энергии просто неоткуда взяться. Будем считать, что энергия равна 0,47 МЭв.
Тогда слои половинного ослабления для разных материалов будут такие —
Свинец — 4 мм
Сталь — 11 мм
Вода — 80 мм
Воздух — 62 м.

Рассмотрим конструкцию силовой установки.

Как видим, элементы биологической защиты (свинец, бак с водой) а также паровой конденсатор установлены так, чтобы загораживать кабину пилотов от реактора.

*Обратите внимание, что масса собственно защиты составляет всего 57 кг, что вполне позволяет разместить ее в силовой установке самолета. Масса конденсатора намного больше, но конденсатор в любом случае необходим для парового самолета, а функция биозащиты для него побочная. Хотя и вовсе нелишняя.

Итак, данная биологическая защита обеспечивает ослабление мощности излучения в ДЕСЯТЬ МИЛЛИОНОВ раз.
Второй пилот получает мощность дозы 14 мР/ч.
В соответствии с требованиями норм радиационной безопасности НРБ-76/87 для второго пилота допускается годовой налет в 357 часов.

Первый (передний) пилот получает еще меньше — 3 мР/ч, так как сидит на метр дальше от реактора, а главное, потому что его заслоняет второй пилот.

Ура! Нам удалось защитить экипаж самолета от смертельной радиации.

Но сколько получат техники на аэродроме? Ведь мы защитили только кабину пилотов, а все остальные направления оставлены без защиты. Там, правда, есть корпус реактора, но этим можно пренебречь.

Техники не должны приближаться к работающему реактору ближе, чем на несколько сотен метров. При таких дистанциях уже надо учитывать поглощение в воздухе.
См таблицу.

Из таблицы видно, что безопасное расстояние для аэродромного персонала — 500 м от реактора. А лучше — километр.

Выше говорилось, что хвостовое оперение выполнено цельнометаллическим. Из жести на стальном каркасе. Как бы ни не хотелось перегружать хвостовую часть экранолета, где и так стоит двигатель массой 700 кг, но пришлось на это пойти.
Потому что мощность дозы в области хвостового оперения составляет 20 МР/ч. (двадцать мегарентген в час). Дерево редко применяется в ядерной технике, поэтому данных для радиационной стойкости дерева в справочниках нет. Но вот бумага теряет прочность при дозе 40 млн рентген. Очевидно, то же будет и с деревом и с холстом — развалится через пару часов полета.
Можно, конечно, поставить круговую биозащиту. Но весить она будет под тонну. Для маленького самолета нереально. Жестяное оперение будет намного легче.

Выводы.

Реактор создает очень мощное гамма-излучение.
Разумная биозащита позволяет полностью защитить пилотскую кабину.
В остальных направлениях излучение реактора остается опасным на дистанциях менее 500 м.

Проблема утечки протонов

Гамма-кванты — не единственный вид излучения, испускаемый термоядерным реактором.
Дело в том, что авиационный реактор вынужденно получился очень коротким, и на такой длине не все темпорально-резонирующие протоны успевают прореагировать с питательной водой. И те, которые не прореагировали, пролетают сквозь крышку реактора и образуют так называемый конус утечки. На картинках конус утечки окрашен в зеленый цвет. Конус утечки можно увидеть благодаря слабому зеленому свечению, по природе сходному с низким полярным сиянием. Можно сказать, что в выхлопную трубу вылетает несгоревшее термоядерное топливо. И догорает уже в воздухе. Экипажу это повредить не может, так как выхлоп направлен строго в противоположную сторону от пилотской кабины. Ось реактора специально имеет угол возвышения 10º от горизонтали чтобы на взлете конус утечки не касался поверхности озера.
Длина шлейфа зависит от метеоусловий, прежде всего, от влажности воздуха.
Если воздух влажный, то протоны чаще сталкиваются с атомами водорода, и шлейф получается яркий, но короткий. Порядка 100 м. Если воздух сухой, то шлейф бледный и длинный, до 1 км.
То, что в атмосфере происходит остаточная термоядерная реакция, вряд ли сильно обрадует защитников окружающей среды. Но хуже всего то, что если в конус утечки попадет человек, то термоядерная реакция начнется прямо в его теле. Мощность реакции будет невелика, но надо еще учесть коэффициент качества. Этот коэффициент показывает насколько больше вреда приносит излучение при той же мощности. Для гамма-излучения это единица. Для нейтронов – 10. Для альфа частиц – 20. Для термоядерного синтеза – все 50 если не больше. Человек даже не успеет понять отчего умер. Этот эффект называется “смерть под лучом”, и это очень неприятно. Не зря светящийся шлейф, образующийся за хвостом экранолета прозвали «Зеленая смерть». Это название появилось после первого пробного запуска двигателя, когда на берегу нашли жареную ворону, неосмотрительно залетевшую в конус утечки.

Понятно, что даже просто взлет экранолета с поверхности озера становится нетривиальной задачей и требует исключительных мер безопасности.

И в качестве мелких неприятностей надо упомянуть, что в ночное время светящийся конус утечки демаскирует экранолет, что плохо для военного разведчика. Ну и то, что крышку реактора желательно менять на новую через каждые сто часов работы. Радиационное охрупчивание.

На корабельных термоядерных установках таких проблем не было, поскольку факел реакции полностью находится внутри реакторного объема и утечки практически нет. Плюс круговая свинцовая оболочка и дополнительная железо-водная защита.

На авиационном реакторе такую защиту поставить нельзя.

Но не все так печально. Через несколько лет частоту темпорального резонатора удалось поднять с 1 до 100 ТГц, в результате сечение взаимодействия возросло и было обеспечено полное “сгорание” топлива. Проблема утечки была решена

Эксплуатация

Всего было построено два экземпляра экранолета.
Первый экземпляр имел обычный паровой котел, работающий на керосине. Мощность паровой машины составляла 200 лс, скорость полета — до 100 км/ч. Эта машина предназначалась для отработки «авиационной» части проекта. Взлет, посадка, режим экраноплана, установившаяся циркуляция, курсовая устойчивость, продольная устойчивость итд. Испытания проходили на полигоне на озере Копанском и прошли успешно. Полный запас топлива в 400 л обеспечивал продолжительность полета в 4 часа. В целом машина получилась удачной и впоследствии была передана в отряд морской авиации в качестве разведчика. Также можно было использовать экранолет для проведения поисково-спасательных операций. Рассматривался вопрос об выпуске небольшой серии паровых экранолетов. Но от этого отказались, так как появились более дешевые и совершенные бензиновые машины.
Второй экземпляр имел термоядерную силовую установку. Его испытания также были успешными. Был получен очень ценный опыт, так что свою задачу экспериментальной машины термоядерный экранолет выполнил.
Но вопрос о его дальнейшем использовании остался неясным. С известными эксплуатационными ограничениями его можно было бы использовать в качестве сверхдальнего разведчика.
Для демонстрации возможностей термояда был запланирован беспосадочный трансатлантический перелет до Бразилии. Так как от Копанского до Рио-де-Жанейро лететь пять суток, то необходимо было убедиться в том, что машина и экипаж выдержат такой перелет. Для этого было выполнено несколько продолжительных полетов над Балтийским морем. В ходе этих полетов неожиданно обнаружилось, что по возвращении бортовые часы экранолета расходятся с береговыми часами. При том, что и те и другие часы идут точно.
Было сделано предположение, что термоядерная установка может замедлять или ускорять течение времени. Это, конечно, не является непреодолимым препятствием при полете через океан. В конце концов, можно воспользоваться широтной навигацией. Бразилия большая – не промахнешься.
Но эффект требовалось исследовать более подробно. В ходе исследований выяснилось, что причиной ухода времени была та самая утечка протонов. Эта утечка создавала мизерную реактивную тягу, менее одного миллиграмма. Но вектор тяги не был строго ортогонален оси времени. Мог быть немного развернут в прошлое или будущее. Поэтому машина во время полета потихоньку дрейфовала соответственно в будущее или прошлое.
Можно было устранить или радикально уменьшить утечку. Можно было попытаться довернуть вектор тяги чтобы уменьшить темпоральный дрейф. Но при неправильной юстировке можно было бы наоборот, значительно увеличить дрейф, тогда за час полета набегала бы невязка не в несколько минут, а в несколько лет или столетий.
И пока господа ученые думали над тем, как бы победить эффект сползания во времени, об этом эффекте узнал Отдел по борьбе с попаданцами. И наложил лапу на весь проект. Оказывается, именно этот отдел курирует абсолютно все программы, связанные с перемещением во времени.
О дальнейших работах над летательным аппаратом, способным перемещаться во времени ничего не могу рассказать потому что не знаю. Но даже если бы знал, то не имел бы права рассказывать — все эти работы засекречены до сих пор.