Ядерный реактивный двигатель: Ядерный ракетный двигатель строят для полетов на Марс. Чем он опасен?

Ядерные ракетные двигатели и ядерные ракетные электродвигательные установки / Хабр

Часто в общеобразовательных публикациях о космонавтике не различают разницу между ядерным ракетным двигателем (ЯРД) и ядерной ракетной электродвигательной установкой (ЯЭДУ). Однако под этими аббревиатурами скрывается не только разница в принципах преобразования ядерной энергии в силу тяги ракеты, но и весьма драматичная история развития космонавтики.

Драматизм истории состоит в том, что если бы остановленные главным образом по экономическим причинам исследования ЯДУ и ЯЭДУ как в СССР, так и в США продолжились, то полёты человека на марс давно бы уже стали обыденным делом.

Всё начиналось с атмосферных летательных аппаратов с прямоточным ядерным двигателем

Конструкторы в США и СССР рассматривали «дышащие» ядерные установки, способные втягивать забортный воздух и разогревать его до колоссальных температур. Вероятно, этот принцип образования тяги был заимствован от прямоточных воздушно-реактивных двигателей, только вместо ракетного топлива использовалась энергия деления атомных ядер диоксида урана 235.

В США такой двигатель разрабатывался в рамках проекта Pluto[1]. Американцы сумели создать два прототипа нового двигателя — Tory-IIA и Tory-IIC, на которых даже производились включения реакторов. Мощность установки должна была составить 600 мегаватт.

Двигатели, разработанные в рамках проекта Pluto, планировалось устанавливать на крылатые ракеты, которые в 1950-х годах создавались под обозначением SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, сверхзвуковая маловысотная ракета).

В США планировали построить ракету длинной 26,8 метра, диаметром три метра, и массой в 28 тонн. В корпусе ракеты должен был располагаться ядерный боезаряд, а также ядерная двигательная установка, имеющая длину 1,6 метра и диаметр 1,5 метра. На фоне других размеров установка выглядела весьма компактной, что и объясняет её прямоточный принцип работы.

Разработчики полагали, что, благодаря ядерному двигателю, дальность полета ракеты SLAM составит, по меньшей мере, 182 тысячи километров.

В 1964 году министерство обороны США проект закрыло. Официальной причиной послужило то, что в полете крылатая ракета с ядерным двигателем слишком сильно загрязняет все вокруг. Но на самом деле причина состояла в значительных затратах на обслуживание таких ракет, тем более к тому времени бурно развивалось ракетостроение на основе жидкостных реактивных ракетных двигателей, обслуживание которых было значительно дешевле.

СССР оставалась верной идеи создания ЯРД прямоточной конструкции значительно дольше, чем США, закрыв проект только в 1985 году [2]. Но и результаты получились значительно весомее. Так, первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель был разработан в конструкторском бюро «Химавтоматика», Воронеж. Это РД-0410 (Индекс ГРАУ — 11Б91, известен также как «Ирбит» и «ИР-100»).

В РД-0410 был применён гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражатели нейтронов — из бериллия, ядерное топливо — материал на основе карбидов урана и вольфрама, с обогащением по изотопу 235 около 80 %.

Конструкция включала в себя 37 тепловыделяющих сборок, покрытых теплоизоляцией, отделявшей их от замедлителя. Проектом предусматривалось, что поток водорода вначале проходил через отражатель и замедлитель, поддерживая их температуру на уровне комнатной, а затем поступал в активную зону, где охлаждал тепловыделяющие сборки, нагреваясь при этом до 3100 К. На стенде отражатель и замедлитель охлаждались отдельным потоком водорода.

Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы. Однако, вне реакторные узлы были отработаны полностью.

Технические характеристики РД 0410

Тяга в пустоте: 3,59 тс (35,2 кН)

Тепловая мощность реактора: 196 МВт

Удельный импульс тяги в пустоте: 910 кгс·с/кг (8927 м/с)

Число включений: 10

Ресурс работы: 1 час

Компоненты топлива: рабочее тело — жидкий водород, вспомогательное вещество — гептан

Масса с радиационной защитой: 2 тонны

Габариты двигателя: высота 3,5 м, диаметр 1,6 м.

Относительно небольшие габаритные размеры и вес, высокая температура ядерного топлива (3100 K) при эффективной системе охлаждения потоком водорода свидетельствует от том, что РД0410 является почти идеальным прототипом ЯРД для современных крылатых ракет. А, учитывая современные технологии получения самоостанавливающегося ядерного топлива, увеличение ресурса с часа до нескольких часов является вполне реальной задачей.

Конструкции ядерных ракетных двигателей

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак)[3].

Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

• твердофазный;
• жидкофазный;
• газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке. С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).

Интересным вариантом также является импульсный ЯРД — в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.

Основными преимуществами ЯРД являются:

• высокий удельный импульс;
• значительный энергозапас;
• компактность двигательной установки;
• возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Основным недостатком является высокая радиационная опасность двигательной установки:

• потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
• вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
• истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Ядерная энергодвигательная установка

Учитывая, что какую-либо достоверную информацию о ЯЭДУ по публикациям, в том числе и из научных статей, получить невозможно, принцип работы таких установок лучше всего рассматривать на примерах открытых патентных материалов, хотя и содержащих ноу-хау.

Так, например, выдающимся российским учёным Коротеевым Анатолием Сазоновичем, автором изобретения по патенту [4], приведено техническое решение по составу оборудования для современной ЯРДУ. Далее привожу часть указанного патентного документа дословно и без комментариев.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже. ЯЭДУ, функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, содержит электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) (на схеме для примера представлено два электроракетных двигателя 1 и 2 с соответствующими системами подачи 3 и 4), реакторную установку 5, турбину 6, компрессор 7, генератор 8, теплообменник-рекуператор 9, вихревую трубку Ранка-Хильша 10, холодильник-излучатель 11. При этом турбина 6, компрессор 7 и генератор 8 объединены в единый агрегат — турбогенератор-компрессор. ЯЭДУ оснащена трубопроводами 12 рабочего тела и электрическими линиями 13, соединяющими генератор 8 и ЭРДУ. Теплообменник-рекуператор 9 имеет так называемые высокотемпературный 14 и низкотемпературный 15 входы рабочего тела, а также высокотемпературный 16 и низкотемпературный 17 выходы рабочего тела.

Выход реакторной установки 5 соединен со входом турбины 6, выход турбины 6 соединен с высокотемпературным входом 14 теплообменника-рекуператора 9. Низкотемпературный выход 15 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в вихревую трубку Ранка-Хильша 10. Вихревая трубка Ранка-Хильша 10 имеет два выхода, один из которых (по «горячему» рабочему телу) соединен с холодильником-излучателем 11, а другой (по «холодному» рабочему телу) соединен со входом компрессора 7. Выход холодильника-излучателя 11 также соединен со входом в компрессор 7. Выход компрессора 7 соединен с низкотемпературным 15 входом в теплообменник-рекуператор 9. Высокотемпературный выход 16 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в реакторную установку 5. Таким образом, основные элементы ЯЭДУ связаны между собой единым контуром рабочего тела.

ЯЭДУ работает следующим образом. Нагретое в реакторной установке 5 рабочее тело направляется на турбину 6, которая обеспечивает работу компрессора 7 и генератора 8 турбогенератора-компрессора. Генератор 8 производит генерацию электрической энергии, которая по электрическим линиям 13 направляется к электроракетным двигателям 1 и 2 и их системам подачи 3 и 4, обеспечивая их работу. После выхода из турбины 6 рабочее тело направляется через высокотемпературный вход 14 в теплообменник-рекуператор 9, где осуществляется частичное охлаждение рабочего тела.

Затем, из низкотемпературного выхода 17 теплообменника-рекуператора 9 рабочее тело направляется в вихревую трубку Ранка-Хильша 10, внутри которой происходит разделение потока рабочего тела на «горячую» и «холодную» составляющие. «Горячая» часть рабочего тела далее следует в холодильник-излучатель 11, где происходит эффективное охлаждение этой части рабочего тела. «Холодная» часть рабочего тела следует на вход в компрессор 7, туда же следует после охлаждения часть рабочего тела, выходящая из холодильника-излучателя 11.

Компрессор 7 производит подачу охлажденного рабочего тела в теплообменник-рекуператор 9 через низкотемпературный вход 15. Это охлажденное рабочее тело в теплообменнике-рекуператоре 9 обеспечивает частичное охлаждение встречного потока рабочего тела, поступающего в теплообменник-рекуператор 9 из турбины 6 через высокотемпературный вход 14. Далее, частично подогретое рабочее тело (за счет теплообмена с встречным потоком рабочего тела из турбины 6) из теплообменника-рекуператора 9 через высокотемпературный выход 16 вновь поступает к реакторной установке 5, цикл вновь повторяется.

Таким образом, находящееся в замкнутом контуре единое рабочее тело обеспечивает непрерывную работу ЯЭДУ, причем использование в составе ЯЭДУ вихревой трубки Ранка-Хильша в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик ЯЭДУ, повышает надежность ее работы, упрощает ее конструктивную схему и дает возможность повысить эффективность ЯЭДУ в целом.

Ссылки:

1.Ракета, о которой никто не знал.

2.РД-0410.

3.Ядерные ракетные двигатели.

4. RU 2522971

В России успешно испытали ключевой элемент космического ядерного двигателя

https://ria.ru/20181029/1531649544.html

В России успешно испытали ключевой элемент космического ядерного двигателя

В России успешно испытали ключевой элемент космического ядерного двигателя — РИА Новости, 03. 03.2020

В России успешно испытали ключевой элемент космического ядерного двигателя

Система охлаждения создаваемой в России космической ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса оказалась соответствующей техзаданию.

2018-10-29T03:05

2018-10-29T03:05

2020-03-03T12:56

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/148473/70/1484737099_0:2:1000:565_1920x0_80_0_0_6fc9c935f5bce25c68d525c15e6d35e5.jpg

россия

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2018

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria. ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/148473/70/1484737099_200:0:1000:600_1920x0_80_0_0_ee83bc6beabe7ea610621759dd582cbd.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

роскосмос, россия

Наука, Роскосмос, Россия

МОСКВА, 29 окт — РИА Новости. В России завершились наземные испытания системы охлаждения космической ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса, сообщается на сайте госзакупок.

«Работы выполнены в полном объеме. Результаты соответствуют требованиям технического задания», — говорится в акте приемки работ.

Отмечается, что система охлаждения — один из самых важных элементов ЯЭДУ.

18 января 2016, 05:28

СМИ: РФ получит космический аппарат с ядерным двигателем к 2025 годуВ рамках проекта уже создана уникальная конструкция тепловыделяющего элемента, которая обеспечивает работоспособность в условиях высоких температур, больших градиентов температур, высокодозного облучения.

Как следует из материалов, испытания указали закономерности работы элементов и узлов систем отвода тепла в условиях, максимально приближенных к космическому пространству.

Кроме того, «изготовлены и испытаны экспериментальные образцы генератора капель и элементов заборного устройства, <…> выполнена программа экспериментальных исследований модели капельного холодильника-излучателя».

Заказчик работ — госкорпорация «Роскосмос», головной исполнитель — Государственный научный центр «Исследовательский центр имени Келдыша».

Ключевая проблема

Ядерные энергодвигательные установки, способные обеспечить полеты в космосе на дальние расстояния, сильно нагреваются, поэтому им требуется эффективная система охлаждения. При этом тепло от них нужно отводить во внешнее космическое пространство — и только в виде излучения.

28 октября 2018, 23:58

Рогозин рассказал о новой сверхтяжелой ракете

Традиционным способом решения этой задачи стали выносимые во внешнюю часть корабля панельные радиаторы, по трубам которых циркулирует жидкость-теплоноситель, «сбрасывающая» лишнее тепло в космос. Но такие радиаторы, как правило, имеют большой вес и размеры. Кроме того, они никак не защищены от попадания метеоритов.

Российские специалисты разработали новое решение в виде так называемого капельного холодильника-излучателя. Это установка, похожая на душ, в которой жидкость не циркулирует в трубах, а распыляется в виде капель прямо в открытое космическое пространство, там отдает тепло, а затем улавливается заборным устройством и проходит цикл заново.

Благодаря этому жидкость охлаждается гораздо быстрее (из-за большей площади поверхности капель), а конструкция становится значительно легче, вдобавок повышается ее живучесть: метеорит, пролетевший через жидкость, никак не повредит систему охлаждения.

Уникальный проект

10 августа 2018, 13:55

Центр Хруничева примет участие в разработке сверхтяжелой ракеты

Не имеющий аналогов в мире проект создания транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса разрабатывается с 2010 года.

Цель — обеспечить лидирующие позиции России в проектировании высокоэффективных энергетических комплексов космического назначения, качественно повышающих их функциональные возможности.

Технические решения, заложенные в концепции модуля, позволят решать много задач, включая программы исследования Луны, исследовательские миссии к дальним планетам и создание на них автоматических баз.

28 июля 2017, 09:57Инфографика

Возьмут ли меня в космонавты?Пройдите тест на Ria.ru и узнайте, каковы ваши шансы стать космонавтом.

Может ли это быть первым авиалайнером с ядерной установкой?

Загрузка

HyperDrive | Самолет

Может быть, это первый авиалайнер с ядерной установкой?

(Изображение предоставлено Оскаром Виналсом)

Стивен Даулинг, 14 июля 2016 г.

Сверхзвуковой авиалайнер, который летит со скоростью, в три раза превышающей скорость звука, и работает на ядерном синтезе. Стивен Даулинг исследует проблемы, связанные с запуском авиалайнеров на атомной энергии.

I

Он может унести вас из лондонского аэропорта Хитроу и через три часа поднять на воздушный мост в нью-йоркском аэропорту имени Джона Ф. Кеннеди. Он доставит вас с немалым комфортом — роскошным, если вы в первом классе — на скоростях, приближающихся к 2300 миль в час (3680 км/ч), когда Атлантический океан мчится под вашими ногами.

Flash Falcon, похожий на космический корабль из франшизы видеоигр Halo, представляет собой футуристическую затычку, чтобы заполнить дыру, образовавшуюся после вывода из эксплуатации сверхзвукового Concorde в 2003 году. Однако прототипы еще не построены — дизайн пока живет только в воображение испанского дизайнера Оскара Винальса, который также спроектировал гигантский авиалайнер в форме кита, представленный BBC Future еще в 2014 году.

Flash Falcon, согласно концепции Vinals, будет перевозить 250 пассажиров со скоростью 3 Маха, его планер будет более чем на 130 футов (39 метров) длиннее, чем у Concorde, и с вдвое большим размахом крыльев. Его двигатели даже смогут наклоняться на угол до 20 градусов, чтобы самолет мог взлетать и приземляться, как вертолет.

В основе Flash Falcon лежит нечто еще более революционное; Самолет Vinals предназначен для полетов на ядерной энергии, а термоядерный реактор перекачивает энергию в его шесть электрических двигателей.

«Я думаю, что ядерный синтез может стать в будущем лучшим источником для получения большого количества электроэнергии», — говорит Виналс BBC Future. «В то же время это «зелено», не создавая опасных отходов.

Флэш-сокол сможет взлетать и приземляться, как вертолет, благодаря своим подвижным двигателям. (Источник: Оскар Виналс) над ним работает множество проектов, таких как Токамак, Итер и Стелларатор. Я очень оптимистичен, что в ближайшие пять-семь лет у нас будет первый стабильный и продуктивный термоядерный реактор», — говорит Винальс.

Несмотря на то, что долгожданный ключ к дешевой и обильной энергии появляется так быстро, концепция Винальса возрождает мечту, которая занимала авиаконструкторов с 1950-х годов, — как встроить ядерный реактор в самолет.

ВВС США рассмотрели возможность переоборудования бомбардировщиков B-36 с ядерной силовой установкой. (Фото: Getty Images) в 1950-х годах были введены в эксплуатацию первые реакторы, достаточно маленькие, чтобы их можно было использовать на судне. Всего за несколько лет они уменьшились настолько, что их можно было использовать для питания подводной лодки.

1950-е годы были одним из золотых веков авиастроения, с гигантскими скачками технологий, подпитывавшими как рынок авиаперевозок, возникающий в послевоенном мире, так и холодную войну. По мере роста напряженности в отношениях между США и Советским Союзом США искали способ как можно дольше удерживать свои дальние ядерные бомбардировщики в воздухе, делая их гораздо менее уязвимыми для нападения на их аэродромы.

Ядерные реакторы теоретически могут оставаться в воздухе месяцами — если у вас есть достаточно большой самолет, чтобы иметь экипаж, который может летать и спать посменно.

Но, как говорит Саймон Уикс из Института аэрокосмических технологий, есть несколько серьезных проблем, связанных с установкой ядерного реактора на самолет. Вам понадобится не только «система с замкнутым контуром» — реактор, который повторно использует отработанное топливо, — но также потребуется большое количество мощной защиты. «При делении ядер образуется много нейтронов, и они могут быть очень вредными», — говорит Уикс.

Одноместный NB-36H совершил десятки вылетов, но реактор ни разу не использовался для питания самолета в полете (Фото: Министерство обороны США)

Единственным атомным самолетом, летавшим на Западе, был сильно модифицированный бомбардировщик Convair B-36 в начале 1950-х годов. И без того гигантский самолет был дополнительно утяжелен 11-тонной защитой для защиты от радиации. Хотя NB-36H летал 47 раз, бортовой реактор был испытан только в воздухе и фактически никогда не использовался для питания самолета.

Потенциально катастрофические последствия крушения самолета с ядерным двигателем остановили дальнейшее развитие. И хотя военные экипажи могли выполнять приказы и управлять самолетом с ядерным двигателем, идея о том, что пассажиры добровольно ступят на борт самолета с ядерным реактором всего в нескольких метрах от них, кажется маловероятной. Атомный авиалайнер остался в памяти художников о том, как могут выглядеть воздушные путешествия через 50 или 100 лет.

Однако не расщепление ядер будет основой концепции Винальса. «Люди часто слышат слова «ядерная энергетика» и думают, что это опасно, но в случае ядерного синтеза это не так». Вместо создания цепной реакции, такой как ядерное деление, термоядерный синтез — слияние двух или более атомов в более крупный — создает больше энергии, но не создает загрязняющих отходов.

Энергия, необходимая для питания такого большого самолета, будет огромной (Фото: Оскар Виналс)

Винальса не смущает тот факт, что ядерный синтез остается недостижимым с технологической точки зрения. Такие концепции, как Flash Falcon, не должны быть отягощены ограничениями технологий, которые у нас есть сегодня; часть их роли состоит в том, чтобы представить, как может выглядеть дизайн с использованием технологий, которые мы еще не освоили.

Однако до Fusion еще далеко. «Ядерный синтез всегда будет через 50 лет», — говорит Уикс.

Реакторы все еще находятся на экспериментальной стадии; например, проект Итер, строящийся в настоящее время во Франции, все еще находится в стадии реализации через 10 лет.

Даже если такие реакторы окажутся практичными и смогут генерировать обещанную дешевую чистую энергию, это только начало головоломки.

«Задача состоит в том, чтобы сделать его очень маленьким и очень легким, — говорит Уикс.

«В период с 1940-х по 1980-е годы мы наблюдали значительное развитие технологии ядерного деления, и это было относительно быстро. Мы работаем над термоядерным синтезом с 1950-х годов, и мы еще не построили практически работающий реактор. До этого еще 20 или 30 лет».

Американский бомбардировщик XB-70 был еще одним американским бомбардировщиком, который рассматривался для ядерных экспериментов. (Фото: Getty Images) По словам Уикса, это гораздо более сложная задача, чем создание авиалайнера, который мог бы летать со скоростью, в три раза превышающей скорость звука.

У любого альтернативного топлива есть большие проблемы: керосин, топливо, используемое в реактивных двигателях, является невероятно универсальным топливом. «Это невероятно хорошая среда для создания энергии. Он энергоемкий, с ним легко обращаться, и он хорошо работает во всем диапазоне температур», — говорит Уикс.

«И его можно использовать не только для топлива, но и для других целей. Его можно использовать как охлаждающую жидкость, как смазку и даже как гидравлическую жидкость». Изменение климата может быть насущной причиной поиска альтернативного топлива для самолетов, но невероятное количество энергии необходимо для полета самолета на таких высоких скоростях. Тип батарей, используемых в самолетах, таких как Solar Impulse, может генерировать только 1/20 часть энергии из эквивалентного веса керосина.

Может пройти много-много десятилетий, прежде чем полетит самолет, подобный Flash Falcon (Фото: Оскар Виналс)

Возможно, в следующем столетии будет слишком сложно создать самолет, работающий на ядерном синтезе. Гораздо более вероятно, говорит Уикс, что это будут формы гибридной власти; например, пропеллер, который помогает генерировать энергию, которая хранится на борту и используется для взлета самолета.

Flash Falcon слишком амбициозен, чтобы летать с современными технологиями. Но история авиации усеяна достижениями, которые когда-то считались невозможными. Возможно, однажды к ним присоединится ядерный синтез.

Другие изображения Flash Falcon, сделанные Оскаром Виньялесом, можно увидеть здесь.

Join 600,000+ Future fans by liking us on Facebook , or follow us on Twitter , Google+ , LinkedIn and Инстаграм .

Если вам понравилась эта история,  подпишитесь на еженедельную рассылку новостей bbc.com под названием «Если вы прочитаете только 6 вещей на этой неделе ». Подборка историй из BBC Future, Earth, Culture, Capital, Travel и Autos, доставляемая на ваш почтовый ящик каждую пятницу.

Шаг слишком далеко – от воздушных шаров к дронам

Автор Dr Peter Layton[1]

У птиц и самолетов есть фундаментальная проблема: их радиус действия и выносливость ограничены. Чтобы оставаться в воздухе, требуется затрата энергии. В конце концов, птицы должны приземлиться и отдохнуть, а самолеты — заправиться. Изобретение атомной энергии в 1940-е годы, казалось, предлагали способ разрубить этот гордиев узел. Казалось, что самолет с ядерным двигателем может обеспечить значительно большую дальность полета и выносливость по сравнению с самолетами, работающими на химическом топливе.

Такие амбиции усиливались по мере обострения холодной войны между США и СССР. Холодная война высвободила огромные средства для военных целей, но в то же время обеспечила оперативное обоснование: потребность в бомбардировщиках очень большой дальности, способных поражать военно-промышленные комплексы в глубине Советского Союза. Щедрое финансирование, доступное в настоящее время, означало, что можно было рассмотреть, построить, опробовать и, в случае успеха, запустить в массовое производство множество новых высокотехнологичных возможностей. Очевидным кандидатом на исследования и исследования казались самолеты с ядерными двигателями.

Первоначальные идеи об использовании ядерной энергии для двигателей самолетов появились примерно в 1944 году. Они привели к небольшой исследовательской программе «Ядерная энергия для движения самолетов», начавшейся в середине 1946 года. В ходе этого исследования, проведенного Fairchild, были изучены реакторные технологии и системы передачи двигателей. Эти исследования оказались обнадеживающими, и поэтому в 1951 году, с углублением холодной войны, ВВС США (ВВС США) предложили начать активную разработку ядерных двигателей для пилотируемых самолетов. Контракты были заключены на три основных элемента: два прототипа испытательного самолета Х-6, ядерную двигательную установку (реактор и турбореактивные двигатели) и летно-испытательный самолет с реактором НБ-36Н.

Вид с воздуха на экспериментальный самолет Convair NB-36H Peacemaker и самолет-истребитель Boeing B-50 Superfortress во время исследований и разработок, проводимых на заводе Convair в Форт-Уэрте, штат Техас. Этот самолет назывался Nuclear Test Aircraft (NTA) и был переименован в XB-36H, затем в NB-36H. В период с июля 1955 года по март 1957 года NTA совершила 47 испытательных полетов и 215 часов полета (89 из которых работал реактор) над Нью-Мексико и Техасом. (Источник: Викимедиа)

Convair получила контракт на X-6. Предполагалось, что самолет будет сопоставим по размеру с бомбардировщиком B-36 Peacemaker компании: длина 50 м, размах крыла 70 м и масса пустого около 100 тонн. Планировалось, что на Х-6 будет 12 ТРД; восемь на обычном топливе использовались для взлета и посадки, а четыре на ядерных двигателях использовались во время летных испытаний. Это была амбициозная, но дорогая программа испытаний, которая была отменена новой администрацией Эйзенхауэра в 1953 году по бюджетным соображениям. Однако два других элемента сохранились.[2]

Дженерал Электрик получила контракт на поставку силовых установок, последовательно разрабатывая в течение 1955-1961 годов три атомные электростанции прямого цикла в рамках программы испытаний наземного реактора с теплопередачей (HTRE). Окончательная силовая установка HTRE-3 включала твердый замедлитель, в котором вместо воды использовался легкий гибридный (sic) цирконий, горизонтальный реактор для соответствия требованиям авиалайнера и производила достаточно тепла для одновременного питания двух турбореактивных двигателей X-39-5 (модифицированный J-47). . У HTRE-3 было несколько новшеств, включая демонстрацию запуска полностью ядерного турбореактивного двигателя, наличие основного экрана, способного выдерживать уровни излучения, ожидаемые в полете, и его конструкция для напряжений в полете, давления воздуха, температур и перегрузок.

Третьим элементом было летное испытание реактора. В середине 1952 года Convair получила контракт на модификацию двух самолетов B-36: один для наземных испытаний, другой для летных испытаний и получил обозначение NB-36H. Основные модификации включали, во-первых, замену боевого отделения и кабины авионики на 11-тонную носовую часть, облицованную свинцом и резиной для защиты от излучения реактора, и, во-вторых, изменение заднего внутреннего бомбоотсека для установки 16-тонного реактора. . Менее заметными были прозрачные стекла кабины толщиной около 30 см и девять заполненных водой защитных баков в фюзеляже для поглощения любого выходящего излучения.

Тем временем ВВС США ужесточили свои требования. В марте 1955 года было выпущено Общее эксплуатационное требование (GOR) № 81, касающееся системы ядерного оружия WS-125A. Ожидания включали дальность около 10 000 морских миль, рабочую высоту 60 000–75 000 футов и срок службы, возможно, более недели в воздухе. WS-125A должен был иметь крейсерскую скорость не менее 0,9 Маха, желательно предлагать сверхзвуковой рывок в районе цели и поступить на вооружение оперативных частей в 1963 году. Реализация таких высоких амбиций оказалась проблематичной.

В июле 1955 года NB-36H начал летные испытания, и в сентябре впервые в полете реактор стал критическим. Реактор не приводил в действие самолет, вместо того, чтобы проверять возможность безопасной и устойчивой ядерной реакции на движущейся платформе. Для каждого полета NB-36 реактор мощностью в один мегаватт лебедкой поднимался в бомбоотсек в специальной яме на заводе Convair в Форт-Уэрте, а затем снова удалялся после приземления. В полете самолет сопровождал радиационный контроль В-50 (немного модернизированный В-29).) и транспортный самолет C-119 с десантниками, которых можно сбросить, чтобы обезопасить любое место крушения и ограничить воздействие радиации на прохожих. Всего NB-36H совершил 47 полетов, прекратив полеты в марте 1957 г.

Результаты испытаний ядерной силовой установки и NB-36H были неоднозначными. HTRE-3 доказал возможность использования турбореактивного двигателя с ядерной мощностью и возможность создания летающей силовой установки, хотя технические проблемы оставались. Основная проблема заключалась в том, что было трудно построить ядерный реактор, достаточно маленький, чтобы поместиться в самолет, но который производил бы требуемую для эксплуатации значительную выходную мощность. Казалось, что использование современных технологий означает, что самолеты с ядерными двигателями будут относительно медленными. Какое-то время исследовались концепции «ядерного полета, химического рывка»; дополнительное авиационное топливо позволит совершить сверхзвуковой рывок в районе цели. ]

Кроме того, программа полета NB-36H высветила опасности, связанные с эксплуатацией таких самолетов с ядерными двигателями. В то время как хорошо защищенный самолет обычно не представляет радиационной опасности для летного или наземного экипажа, были опасения, что аварии и аварии могут привести к выбросу продуктов деления из реакторов, а также по поводу дозы от длительного воздействия на человека радиоактивности утечки. При этом испытательные полеты в основном служили для привлечения внимания к реальным трудностям, которые возникнут при работе с ядерным топливом в условиях эксплуатации[11]. 9Соответственно, 0003

WS-125A был отменен в начале 1957 года. Однако в начале 1960-х время от времени возобновлялся интерес к самолетам с ядерными двигателями. Концепция ракетной пусковой установки непрерывного действия (CAMAL) предусматривала создание ударного самолета с ядерной силовой установкой, способного оставаться в воздухе в состоянии боевой готовности в течение 2-5 дней. Это привело к созданию Dromedary, турбовинтового двигателя, способного находиться в воздухе в течение 70-100 часов и способного находиться за пределами вражеской территории и запускать баллистическую ракету Skybolt с радиусом действия 600-1000 морских миль. [12] Эти идеи означали, что исследования ядерных двигателей самолетов продолжались, хотя и довольно бессистемно. Это окончательно закончилось в 1961, когда новая администрация Кеннеди перераспределила финансирование.

ВМС США также время от времени проявляли интерес к турбовинтовым летающим лодкам с ядерной силовой установкой. В апреле 1955 года в рамках оперативного требования CA-01503 требовался гидросамолет с ядерной силовой установкой, способный развивать высокие дозвуковые скорости, в первую очередь для атаки портов и военных кораблей с использованием обычного и ядерного оружия с второстепенными функциями минирования и разведки. USN хотел, чтобы прототип был доступен для оценки не позднее 1961. К середине 1956 г. военно-морской флот решил, что использование силовой установки исключительно ВМС США неоправданно и что самолеты ВМФ будут использовать силовую установку ВВС США WS-125A. Таким образом, отмена WS-125A также положила конец планам USN. На каком-то этапе казалось, что Великобритания может продать ВМС США три законсервированных летающих лодки класса «Принцесса» для испытаний ядерной энергии, но финансирование колебалось и в конечном итоге так и не поступило.

Дальше СССР тоже был занят. В конце 1950-х Туполев спроектировал, но не построил два атомных бомбардировщика: дозвуковой Ту-119.и сверхзвуковой Ту-120. Советское руководство считало, что прогнозируемая полезная нагрузка и скорость неадекватны связанным с этим затратам. Тем не менее, Туполеву было разрешено продолжить исследования ядерных самолетов. Соответственно, турбовинтовой бомбардировщик Ту-95 был модифицирован на ядерном комплексе недалеко от Семипалатинска в Казахстане, чтобы позволить летать с ядерным реактором, и стал Ту-95ЛАЛ ( Летающая атомная лаборатория — летающая атомная лаборатория) [16]. По аналогии с НБ-36Н за 19 лет было выполнено около 34 полетов Ту-95ЛАЛ.61 с реактором на борту, но без двигательной установки. Испытания также показали, что самолет с ядерной установкой нецелесообразен с технологиями того времени. Прирост производительности за счет отсутствия химического топлива был поглощен тяжелым реактором и щитами, поэтому интерес Советского Союза к самолетам с ядерными двигателями снизился.

Испытательный самолет Ту-95ЛАЛ. Выпуклость в фюзеляже позади крыла закрывает реактор. (Источник: Wikimedia)

В итоге победило лучшее технологическое решение. И для США, и для СССР МБР, оснащенные легкими термоядерными боеголовками, представляли гораздо лучший ответ на проблему дальнего ядерного удара с высокой живучестью. Значительные усилия и средства, затраченные на исследование пилотируемых самолетов с ядерными двигателями, дали много технической информации и инженерных знаний, но в конечном итоге мало что еще. Это произошло не из-за отсутствия интереса к оборонной аэрокосмической промышленности. В то время Келли Джонсон из Skunk Works компании Lockheed писала:

После полувека стремления заставить самолеты перевозить разумные грузы все дальше и дальше, появление [атомной] силовой установки, которая решит проблему дальности полета, имеет первостепенное значение […] эту уникальную особенность следует приветствовать с энтузиазмом . [18]

Доктор Питер Лейтон является приглашенным научным сотрудником Азиатского института Гриффита Университета Гриффита. Его докторская степень связана с большой стратегией, и он преподавал эту тему в Национальном университете обороны США. Он автор книги Большая стратегия .

Изображение заголовка: NB-36H оставляет инверсионные следы в полете. (Источник: Wikimedia)

[1] Этот пост частично основан на главе автора в книге Майкла Спенсера (ред.), Nuclear Engine Air Power (Canberra: Air Power Development Centre, 2019). В этой книге обсуждаются современные ядерные силовые установки для самолетов и ракет.

[2]. Джей Миллер, X-Planes: от X-1 до X-31 (Арлингтон: Aerofax, 1988), стр. 69-73.

[3]. ФК Linn, Реактор с теплопередачей Эксперимент № 3: Подробный технический отчет, General Electric Aircraft Aircraft Nuclear Propulsion Program (Цинциннати: General Electric Company, 1962), стр. 15-18.

[4]. Рауль Колон, Полеты на ядерном топливе: усилия США по созданию атомного бомбардировщика .

[5]. Тео Фаррелл, «Потери при приобретении оружия: как американцы все делают неправильно», Contemporary Security Policy , 16:2 (1995), с. 194; «Мысли о WS-110A», , рейс , 10 января 1958 г., с. 44.

[6]. Генеральный контролер Соединенных Штатов, Обзор программы ядерных двигателей пилотируемых самолетов Комиссии по атомной энергии и Министерства обороны , B-146749, 28 февраля 1963 г., с. 133

[7]. Двоеточие, Полет на ядерном .

[8]. Миллер, X-Planes. , с. 210.

[9]. Там же. , с. 73.

[10]. Брайан Д. Бикович, The Decay of the Atomic Powered Aircraft Program , 12 ноября 1992 г.

[11]. Брюс Астридж, «Движение», в Филипе Джарретте (редактор), Быстрее, дальше, выше: передовые авиационные технологии с 194 (Лондон: Патнэм, 2002), с. 134.

[12]. Питер Дж. Роман, «Стратегические бомбардировщики над ракетным горизонтом, 1957–1963», Journal of Strategic Studies , 18:1 (1995), стр.