Pedesete godine prošlog stoljeća bile su razdoblje brzog razvoja nuklearne tehnologije. Supersile su izgradile svoj nuklearni arsenal, gradeći nuklearne elektrane, ledolomce, podmornice i ratne brodove uz nuklearne elektrane. Nove tehnologije su obećavale. Na primjer, nuklearna podmornica nije imala nikakvih ograničenja za domet krstarenja u potopljenom položaju, a "punjenje gorivom" elektrane moglo se obaviti svakih nekoliko godina. Naravno, nuklearni reaktori imali su i nedostatke, ali njihove inherentne prednosti više nego nadoknađuju sve troškove sigurnosti. Vremenom, veliki potencijal sistema nuklearne energije nije zanimao samo komandu mornarice, već i vojnu avijaciju. Avion sa reaktorom na brodu mogao bi imati mnogo bolje letne karakteristike od svojih benzinskih ili petrolej analoga. Prije svega, vojsku je privukao teoretski domet takvog bombardera, transportnog aviona ili protivpodmorničkog aviona.
Krajem 1940 -ih, bivši saveznici u ratu s Njemačkom i Japanom - SAD i SSSR - odjednom su postali ogorčeni neprijatelji. Geografske karakteristike međusobnog položaja obje zemlje zahtijevale su stvaranje strateških bombardera s interkontinentalnim dometom. Stara tehnologija već nije mogla osigurati isporuku atomske municije na drugi kontinent, što je zahtijevalo stvaranje novih aviona, razvoj raketne tehnologije itd. Već u četrdesetim godinama ideja o instaliranju nuklearnog reaktora na zrakoplovu sazrela je u glavama američkih inženjera. Proračuni tog vremena pokazali su da bi avion uporediv po težini, veličini i parametrima leta sa bombarderima B-29 mogao provesti najmanje pet hiljada sati u zraku pri jednom punjenju nuklearnim gorivom. Drugim riječima, čak i sa nesavršenim tehnologijama tog vremena, nuklearni reaktor na brodu sa samo jednim punjenjem goriva mogao bi zrakoplovu dati energiju tokom cijelog vijeka trajanja.
Druga prednost tadašnjih hipotetičkih atomikoleta bila je temperatura koju je reaktor dosegao. Uz pravilan dizajn nuklearne elektrane, bilo bi moguće poboljšati postojeće turbo -mlazne motore zagrijavanjem radne tvari uz pomoć reaktora. Tako je postalo moguće povećati energiju mlaznih plinova motora i njihovu temperaturu, što bi dovelo do značajnog povećanja potiska takvog motora. Kao rezultat svih teorijskih razmatranja i proračuna, avioni s nuklearnim motorima u nekim glavama pretvorili su se u univerzalno i nepobjedivo vozilo za isporuku atomskih bombi. Međutim, daljnji praktični rad ohladio je žar takvih "sanjara".
NEPA program
Davne 1946. godine, novoformirano Ministarstvo odbrane SAD -a otvorilo je projekt NEPA (Nuklearna energija za pogon aviona). Cilj ovog programa bio je proučavanje svih aspekata naprednih nuklearnih elektrana za avione. Fairchild je imenovan za glavnog izvođača NEPA programa. Upućeno joj je da prouči izglede za strateške bombardere i izviđačke avione velikih brzina opremljene nuklearnim elektranama, kao i da oblikuje izgled posljednjih. Zaposleni u Fairchild -u odlučili su započeti rad na programu s najhitnijim pitanjem: sigurnošću pilota i osoblja za održavanje. Za to je kapsula s nekoliko grama radija stavljena u teretni prostor bombardera koji se koristio kao leteća laboratorija. Umjesto dijela redovne posade, u eksperimentalnim letovima učestvovali su zaposlenici kompanije, "naoružani" Geigerovim šalterima. Uprkos relativno maloj količini radioaktivnog metala u teretnom prostoru, pozadinsko zračenje je premašilo dozvoljeni nivo u svim obimima nastanjivanja aviona. Kao rezultat ovih studija, zaposlenici Fairchild -a morali su pristupiti proračunima i saznati kakvu bi zaštitu reaktor trebao imati kako bi osigurao odgovarajuću sigurnost. Već su preliminarni proračuni jasno pokazali da avion B-29 jednostavno neće moći nositi takvu masu, a volumen postojećeg teretnog prostora neće dopustiti postavljanje reaktora bez demontaže nosača bombi. Drugim riječima, u slučaju B-29, morao bi se birati između dugog dometa leta (pa čak i tada, u vrlo dalekoj budućnosti) i barem neke vrste nosivosti.
Dalji rad na izradi idejnog projekta reaktora aviona naišao je na nove i nove probleme. Nakon neprihvatljivih parametara težine i veličine, pojavile su se poteškoće s kontrolom reaktora u letu, učinkovitom zaštitom posade i strukture, prijenosom snage iz reaktora na elise itd. Konačno, pokazalo se da čak i uz dovoljno ozbiljnu zaštitu, zračenje iz reaktora može negativno utjecati na skup snage aviona, pa čak i na podmazivanje motora, a da ne spominjemo elektroničku opremu i posadu. Prema rezultatima preliminarnih radova, program NEPA -e do 1948. godine, unatoč potrošenih deset milijuna dolara, imao je vrlo sumnjive rezultate. U ljeto 48. godine na Tehnološkom institutu u Massachusettsu održana je zatvorena konferencija na temu mogućnosti nuklearnih elektrana za avione. Nakon niza sporova i konzultacija, inženjeri i znanstvenici koji su sudjelovali na događaju došli su do zaključka da je u načelu moguće stvoriti atomsku letjelicu, ali su njegovi prvi letovi pripisani tek sredinom šezdesetih ili čak kasnije datum.
Na konferenciji na MIT -u najavljeno je stvaranje dva koncepta za napredne nuklearne motore, otvorene i zatvorene. "Otvoreni" nuklearni mlazni motor bio je neka vrsta konvencionalnog turbo -mlaznog motora, u kojem se ulazni zrak zagrijava pomoću vrućeg nuklearnog reaktora. Vrući zrak je izbačen kroz mlaznicu, istovremeno rotirajući turbinu. Potonji je pokrenuo radna kola kompresora. Odmah se raspravljalo o nedostacima takvog sistema. Zbog potrebe za kontaktom zraka s grijaćim dijelovima reaktora, nuklearna sigurnost cijelog sistema izazvala je posebne probleme. Osim toga, za prihvatljiv raspored aviona, reaktor takvog motora morao je biti vrlo, vrlo mali, što je uticalo na njegovu snagu i nivo zaštite.
Nuklearni mlazni motor zatvorenog tipa morao je raditi na sličan način, s tom razlikom što se zrak u motoru zagrijavao u dodiru sa samim reaktorom, ali u posebnom izmjenjivaču topline. U ovom slučaju, izravno iz reaktora, predloženo je zagrijavanje određene rashladne tekućine, a zrak je morao dobiti temperaturu pri dodiru s radijatorima primarnog kruga unutar motora. Turbina i kompresor ostali su na mjestu i radili su na potpuno isti način kao i na turbo-mlaznicama ili nuklearnim motorima otvorenog tipa. Motor zatvorenog kruga nije nametnuo posebna ograničenja u dimenzijama reaktora i omogućio je značajno smanjenje emisija u okoliš. S druge strane, poseban problem bio je odabir rashladnog sredstva za prijenos energije reaktora u zrak. Različite rashladne tekućine i tekućine nisu osigurale odgovarajuću učinkovitost, a metalne su zahtijevale predgrijavanje prije pokretanja motora.
Tijekom konferencije predloženo je nekoliko originalnih metoda za povećanje nivoa zaštite posade. Prije svega, oni su se ticali stvaranja nosivih elemenata odgovarajućeg dizajna, koji bi nezavisno štitili posadu od zračenja reaktora. Manje optimistični naučnici sugerirali su da ne riskiraju pilote, ili barem njihovu reproduktivnu funkciju. Stoga je došlo do prijedloga da se osigura najviši mogući nivo zaštite i da se regrutiraju posade od starijih pilota. Konačno, pojavile su se ideje o opremanju obećavajućeg atomskog zrakoplova sustavom daljinskog upravljanja kako ljudi tijekom leta uopće ne bi riskirali svoje zdravlje. Tijekom rasprave o posljednjoj opciji došla je ideja da se posada smjesti u mali jedrilica, koja je trebala biti vučena iza zrakoplova na atomski pogon na kablu dovoljne dužine.
ANP program
Konferencija na MIT-u, koja je poslužila kao neka vrsta brainstorming sesije, imala je pozitivan efekat na dalji tok programa za stvaranje aviona na atomski pogon. Sredinom 1949. američka vojska pokrenula je novi program pod nazivom ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Ovaj put, plan rada uključivao je pripreme za stvaranje punopravnog aviona s nuklearnom elektranom na brodu. Zbog drugih prioriteta, lista preduzeća uključenih u program je promijenjena. Tako su Lockheed i Convair bili angažirani kao programeri konstrukcije okvira obećavajućeg zrakoplova, a General Electric i Pratt & Whitney imali su zadatak nastaviti Fairchild rad na nuklearnom mlaznom motoru.
U ranim fazama ANP programa, kupac se više fokusirao na sigurnije zatvorene motore, ali je General Electric vodio "dopiranje" do vojnih i vladinih zvaničnika. Zaposleni u General Electricu tražili su jednostavnost i, kao rezultat, jeftinost otvorenog motora. Uspjeli su uvjeriti odgovorne, pa je kao rezultat toga smjer vožnje programa ANP podijeljen u dva nezavisna projekta: "otvoreni" motor razvijen od strane General Electric i motor zatvorenog kruga iz Pratt & Whitney. Ubrzo je General Electric uspio progurati svoj projekt i postići poseban prioritet za njega, a kao rezultat toga i dodatna sredstva.
Tijekom ANP programa, još jedna je dodana već postojećim opcijama nuklearnih motora. Ovaj put je predloženo da se napravi motor koji po svojoj strukturi podsjeća na nuklearnu elektranu: reaktor zagrijava vodu, a nastala para pokreće turbinu. Potonji prenosi snagu na propeler. Pokazalo se da je takav sustav, s manjom učinkovitošću u usporedbi s drugima, najjednostavniji i najprikladniji za najbržu proizvodnju. Ipak, ova verzija elektrane za avione na atomski pogon nije postala glavna. Nakon nekih usporedbi, klijent i izvođači ANP -a odlučili su nastaviti razvijati "otvorene" i "zatvorene" motore, ostavljajući parnu turbinu kao rezervnu.
Prvi uzorci
1951-52, ANP program približio se mogućnosti izgradnje prvog prototipa aviona. Bombarder Convair YB-60, koji se tada razvijao, uzet je kao osnova za to, što je bila duboka modernizacija B-36 sa zakrivljenim krilnim i turboreaktivnim motorima. Elektrana P-1 posebno je dizajnirana za YB-60. Zasnovana je na cilindričnoj jedinici sa reaktorom unutra. Nuklearna instalacija pružala je toplinsku snagu od oko 50 megavata. Četiri turboreaktivna motora GE XJ53 povezana su s reaktorom putem cjevovoda. Nakon kompresora motora, zrak je prošao kroz cijevi pored jezgre reaktora i zagrijavajući se tamo izbacio kroz mlaznicu. Proračuni su pokazali da sam zrak neće biti dovoljan za hlađenje reaktora, pa su u sistem uvedeni spremnici i cijevi za otopinu borove vode. Planirano je da se svi sistemi elektrana spojeni na reaktor montiraju u stražnji teretni prostor bombardera, što je dalje moguće od useljivih količina.
Prototip YB-60
Vrijedi napomenuti da je planirano i ostavljanje domaćih turboreaktivnih motora na avionu YB-60. Činjenica je da nuklearni motori s otvorenim krugom zagađuju okoliš i nitko to ne bi dopustio u neposrednoj blizini aerodroma ili naselja. Osim toga, nuklearna elektrana, zbog tehničkih karakteristika, imala je slab odziv prigušivača gasa. Stoga je njegova upotreba bila prikladna i prihvatljiva samo za duge letove krstarećom brzinom.
Druga mjera opreza, ali drugačije prirode, bila je stvaranje dvije dodatne leteće laboratorije. Prvi od njih, označen sa NB-36H i pravim imenom Crusader ("Crusader"), trebao je provjeriti sigurnost posade. Na serijski B-36 ugrađen je kokpit od 12 tona, sastavljen od debelih čeličnih ploča, olovnih ploča i stakla od 20 cm. Za dodatnu zaštitu, iza kabine je bio spremnik za vodu s borom. U repnom dijelu Crusadera, na istoj udaljenosti od kokpita kao i na YB-60, instaliran je eksperimentalni ASTR reaktor (Aircraft Shield Test Reactor) kapaciteta oko jedan megavat. Reaktor je hlađen vodom, koja je prenosila toplinu jezgre u izmjenjivače topline na vanjskoj površini trupa. ASTR reaktor nije obavljao nikakve praktične zadatke i radio je samo kao eksperimentalni izvor zračenja.
NB-36H (X-6)
Probni letovi laboratorije NB-36H izgledali su ovako: piloti su podigli avion sa prigušenim reaktorom u zrak, odletjeli do ispitnog područja iznad najbliže pustinje, gdje su obavljeni svi eksperimenti. Na kraju eksperimenata reaktor je isključen, a avion se vratio u bazu. Uz Crusader, s aerodroma Carswell poletio je još jedan bombarder B-36 s instrumentima i transportom sa padobrancima. U slučaju pada prototipa zrakoplova, marinci su trebali sletjeti pored olupine, kordoniti područje i sudjelovati u otklanjanju posljedica nesreće. Srećom, svih 47 letova sa ispravnim reaktorom prošlo je bez prisilnog spasavanja. Probni letovi su pokazali da avion s nuklearnim pogonom ne predstavlja ozbiljnu prijetnju okolišu, naravno, uz pravilan rad i bez incidenata.
Druga leteća laboratorija, označena kao X-6, također je trebala biti pretvorena iz bombardera B-36. Oni su namjeravali na ovaj avion postaviti kokpit, sličan jedinici "Crusader", i postaviti nuklearnu elektranu usred trupa. Potonji je dizajniran na bazi jedinice P-1 i opremljen novim motorima GE XJ39, stvorenim na bazi turboreaktiva J47. Svaki od četiri motora imao je potisak od 3100 kgf. Zanimljivo je da je nuklearna elektrana bila monoblok dizajniran za postavljanje na avion neposredno prije leta. Nakon slijetanja, planirano je ubacivanje X-6 u posebno opremljen hangar, uklanjanje reaktora s motorima i njihovo stavljanje u posebno skladište. U ovoj fazi rada stvorena je i posebna jedinica za čišćenje. Činjenica je da je nakon gašenja kompresora mlaznih motora reaktor prestao hladiti s dovoljnom efikasnošću, pa su bila potrebna dodatna sredstva za osiguranje sigurnog zatvaranja reaktora.
Provera pre leta
Prije početka letova aviona s punopravnom nuklearnom elektranom, američki inženjeri odlučili su provesti odgovarajuća istraživanja u laboratorijama na zemlji. Godine 1955. sklopljena je eksperimentalna instalacija HTRE-1 (pokusi s reaktorom prijenosa topline). Jedinica od pedeset tona sastavljena je na bazi željezničke platforme. Stoga bi se, prije početka eksperimenata, mogao oduzeti ljudima. Jedinica HTRE-1 koristila je kompaktni reaktor sa zaštićenim uranom koji koristi berilij i živu. Takođe, na platformu su postavljena dva motora JX39. Pokrenuli su se pomoću kerozina, a zatim su motori postigli radnu brzinu, nakon čega se, na naredbu s upravljačke ploče, zrak iz kompresora preusmjerio u radno područje reaktora. Tipičan eksperiment s HTRE-1 trajao je nekoliko sati, simulirajući dugi let bombardera. Do sredine 56. godine eksperimentalna jedinica dosegla je toplinski kapacitet od preko 20 megavata.
HTRE-1
Nakon toga je jedinica HTRE-1 redizajnirana u skladu s ažuriranim projektom, po kojoj je dobila ime HTRE-2. Novi reaktor i nova tehnička rješenja dali su snagu od 14 MW. Međutim, druga verzija eksperimentalne elektrane bila je prevelika za ugradnju u avione. Stoga je do 1957. godine započelo projektiranje sustava HTRE-3. Bio je to duboko moderniziran sistem P-1, prilagođen za rad s dva turboreaktivna motora. Kompaktni i lagani HTRE-3 sustav pružao je 35 megavata toplinske energije. U proljeće 1958. započela su ispitivanja treće verzije kompleksa za ispitivanje tla, koja su u potpunosti potvrdila sve proračune i, što je najvažnije, izglede za takvu elektranu.
Teško zatvoreno kolo
Dok je General Electric davao prednost motorima otvorenog kruga, Pratt & Whitney nije gubio vrijeme u razvoju vlastite verzije zatvorene nuklearne elektrane. U Pratt & Whitneyju su odmah počeli istraživati dvije varijante takvih sistema. Prvi je podrazumijevao najočigledniju strukturu i rad postrojenja: rashladna tekućina cirkulira u jezgri i prenosi toplinu u odgovarajući dio mlaznog motora. U drugom slučaju, predloženo je samljeti nuklearno gorivo i staviti ga direktno u rashladnu tekućinu. U takvom sistemu, gorivo bi cirkuliralo duž cijelog kruga rashladne tekućine, međutim, nuklearna se fisija dogodila samo u jezgri. To je trebalo postići uz pomoć pravilnog oblika glavne zapremine reaktora i cjevovoda. Kao rezultat istraživanja bilo je moguće utvrditi najefikasnije oblike i veličine takvog sistema cjevovoda za cirkulaciju rashladne tekućine s gorivom, što je osiguralo efikasan rad reaktora i pomoglo u osiguravanju dobrog nivoa zaštite od zračenja.
U isto vrijeme, sistem za cirkulaciju goriva pokazao se kao previše složen. Daljnji razvoj uglavnom je slijedio put "stacionarnih" gorivnih elemenata opranih metalnom rashladnom tekućinom. Kao potonji, razmatrani su različiti materijali, međutim, poteškoće s otpornošću cjevovoda na koroziju i cirkulacijom tekućeg metala nisu nam omogućile da se zadržimo na metalnoj rashladnoj tekućini. Kao rezultat toga, reaktor je morao biti projektiran tako da koristi jako pregrijanu vodu. Prema proračunima, voda je u reaktoru trebala doseći temperaturu od oko 810-820 °. Za održavanje u tekućem stanju bilo je potrebno stvoriti pritisak od oko 350 kg / cm2 u sistemu. Pokazalo se da je sistem vrlo složen, ali mnogo jednostavniji i prikladniji od reaktora sa metalnom rashladnom tekućinom. Do 1960. Pratt & Whitney su završili radove na izgradnji nuklearne elektrane za zrakoplove. Počele su pripreme za testiranje gotovog sistema, ali na kraju do tih ispitivanja nije došlo.
Tužan kraj
Programi NEPA i ANP pomogli su u stvaranju desetina novih tehnologija, kao i brojnih zanimljivih znanja. Međutim, njihov glavni cilj - stvaranje atomske letjelice - ni 1960. nije se mogao postići u sljedećih nekoliko godina. Godine 1961. na vlast je došao J. Kennedy, koji se odmah zainteresovao za napredak nuklearne tehnologije u vazduhoplovstvu. Budući da oni nisu ispoštovani, a troškovi programa dosegli potpuno opscene vrijednosti, sudbina ANP-a i svih aviona na atomski pogon pokazalo se velikim pitanjem. Više od decenije i po više od milijardu dolara potrošeno je na istraživanje, projektovanje i izgradnju različitih testnih jedinica. U isto vrijeme, izgradnja gotovog aviona s nuklearnom elektranom bila je još uvijek stvar daleke budućnosti. Naravno, dodatni izdaci novca i vremena mogli bi atomsku letjelicu dovesti u praktičnu upotrebu. Međutim, Kennedyjeva administracija odlučila je drugačije. Cijena ANP programa stalno je rasla, ali rezultata nije bilo. Osim toga, balističke rakete u potpunosti su dokazale svoj veliki potencijal. U prvoj polovini 61. novi predsjednik potpisao je dokument prema kojem je trebalo prekinuti sve radove na avionima na atomski pogon. Vrijedi napomenuti da je neposredno prije, 60. godine, Pentagon donio kontroverznu odluku, prema kojoj su svi radovi na elektranama otvorenog tipa obustavljeni, a sva su sredstva dodijeljena "zatvorenim" sistemima.
Unatoč određenim uspjesima na polju stvaranja nuklearnih elektrana za zrakoplovstvo, ANP program se smatra neuspješnim. Neko vrijeme, paralelno s ANP -om, razvijali su se nuklearni motori za perspektivne rakete. Međutim, ti projekti nisu dali očekivani rezultat. Vremenom su i oni zatvoreni, a rad u smjeru nuklearnih elektrana za avione i projektile potpuno je obustavljen. S vremena na vrijeme, razne privatne kompanije pokušale su na vlastitu inicijativu provesti takav razvoj događaja, ali nijedan od ovih projekata nije dobio podršku vlade. Američko vodstvo, izgubivši vjeru u izglede zrakoplova na atomski pogon, počelo je razvijati nuklearne elektrane za flotu i nuklearne elektrane.
