Атомная авиация: в будущее из прошлого.

Источник: газета «Военно-промышленный курьер»
Автор: Константин Чуприн
Опубликовано: 26.10.2010, 11:43

Атомная авиация: в будущее из прошлого.
Опыт, накопленный в 50-70-е годы ХХ века, еще пригодится в XXI столетии.

Наверное, может показаться странным, что атомная энергетика, прочно укоренившаяся на земле, в гидросфере и даже в космосе, не прижилась в воздухе. Это тот случай, когда кажущиеся соображения безопасности (хотя и не только они) перевесили очевидные технико-эксплуатационные выгоды от внедрения ядерных силовых установок (ЯСУ) в авиации.
Между тем вероятность тяжелых последствий инцидентов с такими летательными аппаратами при условии их совершенства вряд ли может рассматриваться как более высокая в сравнении с космическими системами, использующими ядерные энергетические установки (ЯЭУ). И объективности ради стоит напомнить: произошедшая в 1978 году авария оснащенного ЯЭУ БЭС-5 "Бук" советского искусственного спутника Земли "Космос-954" типа УС-А с падением его фрагментов на территорию Канады отнюдь не привела к свертыванию системы морской космической разведки и целеуказания (МКРЦ) "Легенда", элементом которой являлись аппараты УС-А (17Ф16-К).
С другой стороны, условия работы авиационной ЯСУ, предназначенной для создания тяги путем генерации в ядерном реакторе тепла, подводимого в газотурбинном двигателе к воздуху, совершенно иные, нежели спутниковых ЯЭУ, являющихся термоэлектрическими генераторами. Сегодня предложены две принципиальные схемы авиационной ЯСУ - открытого и закрытого типа. Схема открытого типа предусматривает нагрев сжатого компрессором воздуха непосредственно в реакторных каналах с последующим его истечением через реактивное сопло, а закрытого - нагрев воздуха с помощью теплообменника, в замкнутом контуре которого циркулирует теплоноситель. Закрытая схема может быть одно- или двухконтурной, причем с точки зрения обеспечения эксплуатационной безопасности наиболее предпочтительным выглядит второй вариант, поскольку реакторный блок с первым контуром можно разместить в защитной противоударной оболочке, герметичность которой предупреждает катастрофические последствия при авариях самолета.
В авиационных ЯСУ закрытого типа могут применяться водо-водяные реакторы и реакторы на быстрых нейтронах. При реализации двухконтурной схемы с "быстрым" реактором в первом контуре ЯСУ в качестве теплоносителя использовались бы как жидкие щелочные металлы (натрий, литий), так и инертный газ (гелий), а во втором - щелочные металлы (жидкий натрий, эвтектический расплав натрия и калия).

В воздухе - реактор.

Идею задействовать ядерную энергию в авиации выдвинул в 1942 году один из руководителей Манхэттенского проекта Энрико Ферми. Она заинтересовала командование военно-воздушных сил США, и в 1946 году американцы приступили к осуществлению проекта NEPA (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft - "Ядерная энергия для авиационной силовой установки"), призванного определить возможности создания бомбардировщика и разведчика с неограниченной дальностью полета.
В первую очередь предстояло провести исследования, связанные с противорадиационной защитой экипажа и наземной обслуги, и дать вероятностно-ситуационную оценку возможных аварий. С целью форсирования работ проект NEPA в 1951 году был расширен ВВС США до целевой программы ANP (Aircraft Nuclear Propulsion - "Авиационная ядерная силовая установка"). В ее рамках фирмой "Дженерал электрик" разрабатывалась открытая, а фирмой "Пратт-Уитни" - закрытая схема ЯСУ.
Для испытаний будущего авиационного ядерного реактора (исключительно в режиме физических пусков) и биологической защиты предназначался cерийный тяжелый стратегический бомбардировщик фирмы "Конвэр" B-36H Peacemaker ("Миротворец") с шестью поршневыми и четырьмя турбореактивными двигателями. Он не представлял собой атомный самолет, а являлся всего лишь летающей лабораторией, где предстояло опробовать реактор, однако получил обозначение NB-36H - Nuclear Bomber ("Атомный бомбардировщик"). Кабину экипажа превратили в капсулу из свинца и резины с дополнительным экраном из стали и свинца. Для защиты от нейтронной радиации в фюзеляж вставили специальные наполненные водой панели.
Прототип авиационного реактора ARE (Aircraft Reactor Experiment), созданный в 1954 году Окриджской национальной лабораторией, стал первым в мире гомогенным ядерным реактором мощностью 2,5 МВт на топливе из расплава солей - фторида натрия и тетрафторидов циркония и урана.
Достоинство такого типа реакторов заключается в принципиальной невозможности аварии с разрушением активной зоны, а сама топливная солевая смесь в случае реализации авиационной ЯСУ закрытого типа выполняла бы роль теплоносителя первого контура. При использовании в качестве теплоносителя солевого расплава более высокая в сравнении, например, с жидким натрием теплоемкость солевого расплава позволяет применять циркуляционные насосы небольших размеров и выигрывать на снижении металлоемкости конструкции реакторной установки в целом, а низкая теплопроводность должна была обеспечивать устойчивость атомного авиадвигателя к внезапным скачкам температуры в первом контуре.
На основе реактора ARE американцы разработали экспериментальную авиационную ЯСУ HTRE (Heat Transfer Reactor Experiment - "Эксперимент по отбору тепла от реактора"). Не мудрствуя лукаво, в "Дженерал Дайнэмикс" сконструировали авиационный ядерный двигатель Х-39 на основе серийного турбореактивного двигателя J47 для стратегических бомбардировщиков В-36 и В-47 "Стратоджет" - вместо камеры сгорания в нем разместили активную зону реактора.
Фирма "Конвэр" намеревалась снабдить Х-39 самолет X-6 - возможно, его прототипом послужил бы сверхзвуковой стратегический бомбардировщик B-58 "Хастлер" ("Шустрила"), совершивший первый полет в 1956 году. Кроме того, рассматривался и атомный вариант опытного дозвукового бомбардировщика этой же фирмы YB-60. Однако американцы отказались от авиационной ЯСУ открытой схемы, посчитав: эрозия стенок воздушных каналов активной зоны реактора Х-39 приведет к тому, что самолеты будут оставлять за собой радиоактивный след, загрязняя окружающую среду.
Надежду на успех сулила более радиационно безопасная ЯСУ закрытого типа фирмы "Пратт-Уитни", к созданию которой подключилась и "Дженерал Дайнэмикс". Под эти двигатели фирма "Конвэр" начала конструирование экспериментальных самолетов NX-2. Прорабатывались как турбореактивные, так и турбовинтовые варианты атомных бомбардировщиков с ЯСУ такого типа.
Однако принятие на вооружение в 1959 году межконтинентальных баллистических ракет "Атлас", способных поражать цели на территории СССР с континентальной части США, нивелировало программу ANP, тем более что серийные образцы атомных самолетов вряд ли появились бы раньше 1970 года. В результате в марте 1961-го все работы в этой области в США прекращены по личному решению президента Джона Кеннеди и настоящий атомный самолет так и не построили.
Летный же образец авиационного реактора ASTR (Aircraft Shield Test Reactor - реактор для испытания системы защиты самолета), размещенный в бомбовом отсеке летающей лаборатории NB-36H, представлял собой никак не связанный с двигателями реактор на быстрых нейтронах мощностью 1 МВт, работавший на двуокиси урана и охлаждавшийся потоком воздуха, отбираемого через специальные воздухозаборники. С сентября 1955 по март 1957 года NB-36H совершил 47 полетов с ASTR над безлюдными районами штатов Нью-Мексико и Техас, после чего машину уже никогда не поднимали в небо.
Следует отметить, что ВВС США занимались и проблемой ядерного двигателя для крылатых ракет или, как было принято говорить до 60-х годов, самолетов-снарядов. В рамках проекта "Плутон" Ливерморская лаборатория создала два образца ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя "Тори", который планировалось установить на сверхзвуковую крылатую ракету SLAM. Принцип "атомного подогрева" воздуха пропуском через активную зону реактора здесь был тот же, что и в ядерных газотурбинных двигателях открытого типа, с одной лишь разницей: в прямоточном двигателе отсутствуют компрессор и турбина. "Тори", успешно испытанные на земле в 1961-1964 годах, - первые и пока единственные реально действовавшие авиационные (точнее, ракетно-авиационные) ЯСУ. Но и этот проект закрыли как бесперспективный на фоне успехов в создании баллистических ракет.

Догнать и перегнать!

Разумеется, идея использовать ядерную энергию в авиации независимо от американцев развивалась и в СССР. Собственно, на Западе не без оснований подозревали, что такие работы ведутся в Советском Союзе, но с первым обнародованием факта о них попали впросак. 1 декабря 1958 года журнал "Авиэйшн Уик" сообщил: СССР создает стратегический бомбардировщик с ядерными двигателями, что вызвало немалый ажиотаж в Америке и даже способствовало поддержанию уже начавшего понемногу угасать интереса к программе ANP. Однако на сопровождавших статью рисунках редакционный художник довольно точно изобразил действительно разрабатывавшийся в то время вполне "футуристического" вида самолет М-50 опытно-конструкторского бюро В. М. Мясищева, имевший обычные турбореактивные двигатели. Неизвестно, кстати, последовала ли за этой публикацией "разборка" в КГБ СССР: работы по М-50 проходили в обстановке строжайшей секретности, первый полет бомбардировщик совершил позже упоминания в западной печати, в октябре 1959 года, а широкой публике машину представили только в июле 1961-го на воздушном параде в Тушине.
Что касается прессы советской, то впервые об атомном самолете рассказал в самых общих чертах журнал "Техника - молодежи" еще в № 8 за 1955 год: "Атомная энергия все шире применяется в промышленности, энергетике, сельском хозяйстве и медицине. Но недалеко то время, когда ее применят и в авиации. С аэродромов легко поднимутся в воздух гигантские машины. Атомные самолеты смогут летать практически как угодно долго, месяцами не опускаясь на землю, совершая десятки беспосадочных кругосветных полетов со сверхзвуковой скоростью". Журнал, намекнув на военное предназначение машины (гражданским самолетам нет никакой нужды "как угодно долго" находиться в небе), тем не менее представил гипотетическую схему грузопассажирского авиалайнера с ЯСУ открытого типа.

Впрочем, мясищевский коллектив, и не он один, действительно занимался самолетами с ядерными силовыми установками. Хотя советские физики изучали возможность их создания еще с конца 40-х годов, практические работы по этому направлению в Советском Союзе стартовали гораздо позже, чем в США, и начало им положило постановление Совета министров СССР № 1561-868 от 12 августа 1955 года. Согласно ему перед ОКБ-23 В. М. Мясищева и ОКБ-156 А. Н. Туполева, а также авиадвигательными ОКБ-165 А. М. Люльки и ОКБ-276 Н. Д. Кузнецова была поставлена задача разработки атомных стратегических бомбардировщиков.
Конструирование авиационного ядерного реактора осуществлялось под руководством академиков И. В. Курчатова и А. П. Александрова. Цель преследовалась та же, что и американцами: получить машину, которая, взлетев с территории страны, сможет наносить удары по объектам в любой точке планеты (прежде всего, конечно, в США).
Особенностью советской атомной авиационной программы было то, что она продолжалась и тогда, когда в Соединенных Штатах об этой теме уже накрепко забыли.
При создании ЯСУ тщательно проанализировали принципиальные схемы открытого и закрытого типа. Так, под схему открытого типа, получившую шифр "Б", ОКБ Люльки разработало атомно-турбореактивные двигатели двух типов - осевого, с прохождением вала турбокомпрессора через кольцевой реактор, и "коромысла" - с валом вне реактора, расположенного в изогнутой проточной части. В свою очередь в ОКБ Кузнецова трудились над двигателями по закрытой схеме "А".
ОКБ Мясищева сразу принялось за решение наиболее, видимо, сложной задачи - сконструировать атомные сверхскоростные тяжелые бомбардировщики. Даже сегодня, глядя на схемы будущих машин, выполненные в конце 50-х годов, можно определенно увидеть черты технической эстетики ХХI века! Это проекты самолетов "60", "60М" (атомный гидросамолет), "62" под люльковские двигатели схемы "Б", а также "30" - уже под двигатели Кузнецова. Впечатляют ожидавшиеся характеристики бомбардировщика "30": максимальная скорость - 3600 км/ч, крейсерская - 3000 км/ч.
Однако до рабочего проектирования мясищевских атомных самолетов дело так и не дошло в связи с ликвидацией ОКБ-23 в самостоятельном качестве и вводом его в состав ракетно-космического ОКБ-52 В. Н. Челомея.
Коллективу Туполева на первом этапе участия в программе предстояло создать аналогичную по назначению американскому NB-36H летающую лабораторию с реактором на борту. Получившая обозначение Ту-95ЛАЛ, она была построена на базе серийного турбовинтового тяжелого стратегического бомбардировщика Ту-95М. Наш реактор, как и американский, не сопрягался с двигателями самолета-носителя. Принципиальное отличие советского самолетного реактора от американского - он был водо-водяной, причем гораздо меньшей мощности (100 кВт).
Отечественный реактор охлаждался водой первого контура, которая в свою очередь отдавала тепло воде второго контура, охлаждавшегося потоком воздуха, набегавшего через воздухозаборник. Так отрабатывалась принципиальная схема атомно-турбовинтового двигателя НК-14А Кузнецова.
Летающая атомная лаборатория Ту-95ЛАЛ в 1961-1962 годах 36 раз поднимала в воздух реактор как в работающем, так и в "холодном" состоянии с целью исследования эффективности системы биологической защиты и влияния излучения на системы самолета. По результатам испытаний председатель Государственного комитета по авиационной технике П. В. Дементьев, однако, отметил в своей записке для руководства страны в феврале 1962 года: "В настоящее время нет необходимых условий для строительства самолетов и ракет с атомными двигателями (крылатая ракета "375" с ЯСУ разрабатывалась в ОКБ-301 С. А. Лавочкина. - К. Ч.), так как проведенные научно-исследовательские работы являются недостаточными для разработки опытных образцов боевой техники, эти работы должны быть продолжены".
В развитие имеющегося у ОКБ-156 проектного задела ОКБ Туполева разработало на основе бомбардировщика Ту-95 проект экспериментального самолета Ту-119 с атомно-турбовинтовыми двигателями НК-14А. Поскольку задача создания сверхдальнего бомбардировщика с появлением у СССР межконтинентальных баллистических ракет и баллистических ракет морского базирования (на подводных лодках) потеряла свою критическую актуальность, туполевцы рассматривали Ту-119 как переходную модель на пути к созданию атомного противолодочного самолета на основе дальнемагистрального пассажирского авиалайнера Ту-114, который тоже "вырос" из Ту-95. Эта цель вполне соответствовала озабоченности советского руководства развертыванием американцами в 60-е годы подводной ракетно-ядерной системы с МБР "Поларис", а затем и "Посейдон".
Однако проект такого самолета реализован не был. Остались на проектной стадии и замыслы создания семейства туполевских сверхзвуковых бомбардировщиков с ЯСУ под условным наименованием Ту-120, которые, как и атомный воздушный охотник за субмаринами, намечалось испытать в 70-е годы...
Тем не менее идея дать авиации ВМФ противолодочный самолет с неограниченной дальностью полета для борьбы с атомными субмаринами НАТО в любом районе Мирового океана в Кремле пришлась по вкусу. Причем эта машина должна была нести как можно больший боекомплект противолодочного оружия - ракет, торпед, глубинных бомб (в том числе ядерных) и радиогидроакустических буев. Вот почему выбор пал на тяжелый военный транспортник Ан-22 "Антей" грузоподъемностью 60 тонн - самый большой в мире турбовинтовой широкофюзеляжный авиалайнер. Будущий самолет Ан-22ПЛО планировалось оснастить четырьмя атомно-турбовинтовыми двигателями НК-14А вместо штатных НК-12МА.
Программа создания такой не виданной ни в одном флоте крылатой машины получила кодовое название "Аист", а реактор для НК-14А разработали под руководством академика А. П. Александрова. В 1972 году начались испытания реактора на борту летающей лаборатории Ан-22 (всего 23 полета), причем был сделан вывод о его безопасности в режиме штатной эксплуатации. А на случай тяжелого авиапроисшествия предусматривалось отделение от падающего самолета блока реактора и первого контура с мягким приземлением на парашюте.
В целом авиационный реактор "Аист" стал самым совершенным достижением атомной науки и техники в своей сфере применения.
Если учесть, что на базе самолета Ан-22 предполагалось создать еще и межконтинентальный стратегический авиационно-ракетный комплекс Ан-22Р с подлодочной баллистической ракетой Р-27, то понятно, какой могучий потенциал такой носитель мог бы получить в случае перевода его на "атомную тягу" с двигателями НК-14А! И хотя до осуществления и проекта Ан-22ПЛО, и проекта Ан-22Р дело опять-таки не дошло, надо констатировать, что наша страна все-таки обогнала США в области создания авиационной ЯСУ.
Стоит ли сомневаться, что этот опыт, несмотря на его экзотичность, еще способен пригодиться, но уже на более высоком качественном уровне реализации.
Развитие беспилотных сверхдальних разведывательно-ударных авиационных систем вполне может пойти и по пути применения на них ЯСУ - такие предположения уже делаются за рубежом.
Появились и прогнозы ученых о том, что к концу нынешнего века миллионы пассажиров, вероятно, будут перевозиться именно атомными пассажирскими самолетами. Кроме очевидных экономических выгод, связанных с замещением авиакеросина ядерным топливом, речь идет и о резком снижении вклада авиации, которая с переходом на ЯСУ перестанет "обогащать" атмосферу углекислым газом, в глобальный парниковый эффект.
На взгляд автора, авиационные ЯСУ прекрасно вписались бы и в коммерческие авиационно-транспортные комплексы будущего на базе сверхтяжелых грузовых самолетов: например того же гигантского "воздушного парома" М-90 грузоподъемностью 400 тонн, предложенного конструкторами экспериментального машиностроительного завода имени В. М. Мясищева.
Конечно, есть проблемы в части изменения общественного мнения в пользу атомной гражданской авиации. Предстоит решить и серьезные вопросы, связанные с обеспечением ее ядерной и антитеррористической безопасности (кстати, эксперты упоминают отечественное решение с парашютным "отстрелом" реактора в случае чрезвычайной ситуации). Но дорогу, проторенную более полувека назад, осилит идущий.

http://www.aviaport.ru/digest/2010/10/26/204607.html

А я давно предлагал в Ту-95 врезать 2 ядерных реактора, заменить движки на электрические и увешать его лазерами. Imperial-class Star Destroyer в чистом виде! :D