Взгляд из США 1951 года на перспективы самолетов с ядерными силовыми установками

Винтажная статья из октябрьского выпуска 1951 года журнала «Popular Science», которая, думаю, заинтересует коллег.

Ученый делает предварительный обзор. Первый самолет с ядерным двигателем *

Приближается новая эра в авиации, поскольку официальные отчеты намекают, что использование ядерной энергии в авиации гораздо ближе, чем вы думаете.**

Автор: Джеральд Вендт
Автор книги «Атомная энергия и водородная бомба»

Содержание:

Первый летательный аппарат с ядерной силовой установкой, который в настоящий момент уже проектируется, будет крупным самолетом и, возможно, летающей лодкой. У него будут широкие, но тонкие консоли крыла, позволяющие сочетать подъемную силу с высокой скоростью. В консолях крыла не будет никаких топливных баков, и на плаву гидросамолет сможет находиться практически бесконечно. Самолет будет использовать энергию пара. Его силовая установка будет во многом напоминать силовую установку яхты с раскаленным докрасна котлом и газотурбинными двигателями, соединенными с воздушными винтами.

Такая силовая установка может быть изготовлена прямо сейчас. Уже сейчас нужен самолет с большой дальностью полета, который без дозаправки может долететь до другого конца Земли или проделать обратный путь. Приближается время, когда атомная энергия будет использоваться для существенного увеличения дальности полета самолетов. Тщательно составленный отчет Комиссии по атомной энергии США о прогрессе за первые шесть месяцев 1951 года содержит это краткое, но важное заявление:

«Разработка реакторов для приведения в движение военных самолетов также продвинулась вперед.»

крупная летающая лодка является лучшим выбором для первого самолета с ядерной силовой установкой из-за своих больших размеров и большой длины разбега, необходимых для подъема в воздух сильно экранированного реактора. Эта летающая лодка может быть похожей на самый большой в мире самолет – Hercules Говарда Хьюза с длиной 219 футов (66,8 м), на каждой 160-футовой (48,8 м) консоли которого установлены по четыре двигателя

Загрузка реактора в самолет

Однако первый самолёт с ядерной силовой установкой вряд ли будет дальним бомбардировщиком или транспортным самолетом. Вместо этого он будет летающей лабораторией для вооруженных сил. Вероятно, силовая установка будет настолько тяжелой, что израсходует всю массу — до 50 тонн, – сэкономленную за счет отказа от топлива. Таким образом, огромное преимущество ядерной энергии – увеличение полезной нагрузки, ставшее возможным благодаря почти невесомому ядерному топливу, – будет принесено в жертву. Тем не менее, самолет будет обладать неограниченной дальностью полета, что является большим шагом вперед.

В конце концов, возможно, через 20 лет, за этим самолетом последуют ядерные реактивные двигатели, ядерные прямоточные реактивные двигатели и даже ядерные ракетные двигатели. Будут разработаны ядерные реакторы, которые смогут передавать свою огромную энергию непосредственно в компрессоры, нагревая воздушные потоки до такой температуры пламени, что они будут иметь тягу реактивного двигателя. Но пока нет. Сейчас недостаточно известно ни о реакторах, работающих до белого каления, ни о способности воздуха мгновенно отводить это тепло со скоростью реактивной струи, ни о металлах, которые могут выдерживать как высокие температуры, так и интенсивное радиоактивное излучение.

Пока такие проблемы не решены, реактор, используемый в самолете, должен работать при относительно низких температурах. Он будет передавать свое тепло циркулирующему жидкому металлу, который, в свою очередь, будет передавать тепло теплообменному устройству. В реакторе рабочая жидкость – ртуть или вода – будет испаряться для приведения в действие турбины. Затем рабочая жидкость будет охлаждаться в конденсаторе и перекачиваться обратно в теплообменник. Все это приводит к значительному увеличению массы.

Сам реактор необязательно должен быть большим. Половина унции (14,17 г) расщепляющегося урана (такого, который расщепляется) или плутония может обеспечить столько же энергии, сколько все 17000 галлонов (64352 л) топлива – запас топлива B-47 Stratojet. Меньше фунта (454 г) будет израсходовано на 50-часовой перелет вокруг земного шара. Однако ни делящийся уран, ни плутоний в чистом виде использовать нельзя.

Основная часть ядерного топлива для первого установленного на самолете реактора, вероятно, будет состоять из обычного неделящегося урана. Для обеспечения цепной реакции он будет обогащен расщепляющимся ураном-235. Понадобятся также графитовые блоки или какой-нибудь другой «замедлитель», чтобы затормозить быстрые нейтроны и поддержать горение «огня», т.е. поддержать цепную реакцию. Выработку энергии можно контролировать с помощью кадмиевых стержней, которые вытаскивают из реактора, когда нужны мощность и скорость, и вставляются внутрь, чтобы поглотить нейтроны и «погасить огонь» для уменьшения скорости или выполнения посадки. Таким образом, один только реактор, вероятно, будет весить несколько сотен фунтов.

Необходимость защитить экипаж

Однако реактор вырабатывает только тепло. Для передачи тепла к турбинам потребуется больше оборудования и, соответственно, большая масса.

Из-за огромной активности нейтронов и гамма-излучения внутри реактора будет невозможно отводить тепло от реактора того типа, который используется в настоящее время, непосредственно в рабочее тело турбин. Рабочая жидкость, которая циркулирует по самолету к двигателям в консолях крыла, должна быть защищена от этой бомбардировки, иначе она станет радиоактивной и подвергнет опасности экипаж. Но можно использовать теплоноситель, вероятно, легкоплавкий сплав натрия и калия. Этот теплоноситель будет циркулировать по реактору, забирать тепло и доставлять его в теплообменник, где оно, в свою очередь, будет нагревать жидкость, используемую для работы турбин.

Экранирование увеличивает высоту

Реактор и теплообменник этого типа будут «горячими» как из-за радиоактивного излучения, так и из-за температуры, но они не смогут передавать радиоактивность рабочей жидкости. Тем не менее, они должны быть покрыты тяжелой и громоздкой защитой – возможно свинцовой – чтобы предотвратить проникновение радиоактивного излучения в самолет.

От теплообменника в экранированной секции паропроводы высокого давления могут подавать пар к шести или восьми турбинам – по одной на каждый пропеллер, – установленным в гондолах на консолях крыла.

Там энергия деления атомного ядра, наконец, будет доставлена и преобразована в движение. Никакого экранирования не потребуется, но потеря температуры и давления в длинных линиях будут недостатком.

Эти потери могут быть устранены только тогда, когда появится возможность снабдить каждую турбину собственным реактором, установленным рядом с ней внутри крыла.

Вывод реактора на режим прогрева требует времени

Существуют и другие проблемы. Расплавленный металл, используемый в качестве основной теплообменной жидкости, затвердел бы по мере охлаждения при остановке реактора. Первым шагом на пути к приведению самолета в действие стало бы расплавление металла с помощью дополнительного тепла, вероятно, от небольшой газовой турбины. Более того, металлу не будет позволено затвердевать по всей системе, но его придется сливать из реактора, теплообменника и трубопроводов. Фактически, всю систему пришлось бы очистить от жидкого металла, вероятно, горячим газообразным гелием (который не вступает в реакцию даже с расплавленным сплавом натрия и калия).

Система требует автоматического управления

Очевидно, что такая энергетическая система будет чувствительной и сложной в эксплуатации. Вручную управлять такой системой будет невозможно. Уровень энергии, вырабатываемой ядерным реактором, будет зависеть от положения кадмиевых регулирующих стержней. Эти кадмиевые стержни должны были быть точно отрегулированы для каждого этапа взлета, полета и посадки. Двигатели могут медленно реагировать на команды управления, поскольку изменение в излучении нейтронов сначала преобразуется в температуру в реакторе, а при такой мощной энергосистеме потребуется довольно много времени, чтобы преобразовать эту температуру в давление на турбинах.

Вероятно, будет использоваться автоматическое управление с помощью приборов, которые будут знать, что происходит внутри сильно экранированной энергетической системы. Сервомеханизмы могут быть подключены к электронным приборам, которые постоянно измеряют поток нейтронов внутри реактора.

Задержка в достижении полной мощности будет помехой при взлете, когда летательному аппарату больше всего требуется максимальная мощность, и как следствие для самолета потребуется длинная взлетно-посадочная полоса – возможно, достаточно длинная, чтобы свидетельствовать о необходимости выбрать летающую лодку в качестве первой экспериментальной модели. Ракетные ускорители могли бы помочь, но длина разбега все равно была бы слишком большой.

гипотетический рисунок первого самолета с ядерной силовой установкой: A) турбина; B) конденсатор; C) ядерный реактор; D) экранирование; E) регулирующие стержни; F) циркулирующий жидкий металл; G) плотное экранирование; H) магистраль возврата жидкости; I) паропровод к турбине; J) механизм управления; K) насос; L) теплообменник

Однако, как только большой самолет поднимется в воздух, его энергетическая установка должна действовать плавно и тихо на самых высоких скоростях, которые только могут развить пропеллеры. И самолет должен оставаться в воздухе в течение нескольких дней.

Первый полет возможен к 1960 году

Такой самолет может быть введен в эксплуатацию к 1960 году. С 1945 года подразделение NEPA (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft – Ядерная энергия для двигательной установки самолетов) корпорации Fairchild Engine and Airplane Corporation (Fairchild) работало над его созданием по контракту с ВВС США. В феврале прошлого года Комиссия по атомной энергии объявила, что корпорация Fairchild

«завершила свой контракт».

Предположительно, это означало, что была продемонстрирована возможность создания ядерного авиационного двигателя.

После этого компания General Electric заявила, что ее центр по разработке реактивных двигателей в Локленде, штат Огайо, приступил к реализации проекта Air Force-AEC по

«дальнейшей разработке ядерного двигателя для самолетов».

Военно-воздушные силы выделили для проекта дополнительное пространство на расположенном в Локленде на огромном заводе поршневых двигателей времен Второй мировой войны.

Этой осенью ВВС США заключили с компанией Consolidated Vultee Aircraft Corp., которая серийно выпускает гигантские бомбардировщики B-36, контракт на фактическую разработку самолёта с ядерной силовой установкой. Никаких других подробностей в заявлении не приводится. Эти официальные объявления могут означать лишь только то, что очень скоро такой самолет будет воплощен в металле.

Собственно говоря, этот новаторский самолет скоро устареет. Поскольку научно-исследовательские работы в области реакторов идут полным ходом и в Арко (Arco), штат Айдахо, и в Нользской лаборатории ядерной энергетики (Knolls Atomic Power Laboratory), Скенектади (Schenectady), штат Нью-Йорк, то вскоре появится возможность использовать «быстрый реактор» вместо реактора на медленных нейтронах. Этот новый реактор может иметь настолько меньшие размеры, что его можно будет установить в консолях крыла.

Прогноз в отношении ядерных реактивных двигателей 1980 года

Возможность отказа от теплообменника и закрытой системы циркуляции расплавленного металла зависит от многих неизвестных факторов. Но, безусловно, целью будет нагрев воздуха непосредственно в реакторе. В идеале горячий реактор просто заменит пламя в воздушном потоке турбореактивного двигателя, а его тепло обеспечит температуру и расширение, чтобы придать воздушному потоку реактивную тягу, необходимую для приведения в поступательное движение. Данный метод использования ядерной энергии в самолетах может появиться к 1980 году.

ядерный реактивный двигатель. В данном двигателе реактор заменяет камеру сгорания для нагрева воздуха от компрессора: A) экранирование; B) конденсатор; C) реактор; D) турбина

ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Реактор нагревает поток воздуха, сжатого поступательным движением самолета: A) экранирование; B) реактор

Когда это произойдет, масса ядерного двигателя будет лишь немного больше, чем масса современного двигателя. После этого, большая часть тоннажа, сэкономленного за счет отказа от бензобаков и бензина, может быть использована для полезной нагрузки. Удвоение или утроение полезной нагрузки снизит позволит сократить расходы на фунт воздушных перевозок до половины или одной трети нынешних эксплуатационных расходов. И наступит новая эра в истории авиации.

в будущем самолет с ядерной силовой установкой будет представлять собой самолет схемы «летающее крыло», в котором отдельный реактор будет соединен со своей турбиной. В его конструкции ожидается использование материалов, способных выдерживать высокие температуры и радиоактивное излучение: A) экранирование; B) насос; C) конденсатор; D) реактор; E) турбина; F) регулирующие стержни; G) механизм управления

источник: Gerald Wendt, Author of «Atomic Energy and the Hydrogen Bomb» «A Scientist Previews. The First Atomic Airplane» «Popular Science» October 1951, pages 98-102

перевод впервые опубликован – https://vk.com/@710541705-vzglyad-iz-ssha-1951-goda-na-perspektivy-samoletov-s-yasu