РВСН и прочие СЯС, а также ТЯО

Это не первый случай, когда правительство начинает разработку стратегических вооружений с ядерной силовой установкой (ЯСУ). Несколько десятилетий тому назад США уже пытались создать ядерный двигатель — сначала для прототипа бомбардировщика, а затем и для гиперзвуковой крылатой ракеты. США даже рассматривали космические ракеты на атомной тяге — но об этой безумной истории с проектом «Орион» (Project Orion) мы поговорим в следующий раз. От всех этих программ в итоге отказались, сочтя их неосуществимыми.

Да, и еще одна маленькая незадача: радиоактивные выхлопы из сопла.

Поэтому когда Путин объявил об успешных испытаниях, мы задумались о прошлых экспериментах с ядерной тягой. Неужели правда возможно создать маленький ядерный реактор достаточной мощности, чтобы приводить в движение крылатую ракету? Рассчитывая мощность, мы сломали себе все головы и калькуляторы и решили посоветоваться со специалистами по ядерной физике.

Прямо скажем, не все уверены, что Россия взаправду далеко продвинулась в создании крылатых ракет с ЯСУ. Однако доказательств, что они в самом деле пытаются, — хоть отбавляй. Пожелавший остаться анонимным источник в Министерстве Обороны недавно заявил «Фокс Ньюз» (Fox News), что Россия уже провела ракетные испытания в Арктике. Другие источники говорят, что двигатели все еще находятся на стадии разработки, и что до атомных установок дело пока еще не дошло.

Полет на атомной тяге теоретически вполне возможен, но эта мысль плоха по нескольким причинам. Чтобы понять, насколько это реально (и ужасно!), давайте пройдемся по истории этой вполне осуществимой, но совершенно чокнутой идеи.

Во всем винить Энрико Ферми

История летающих атомных реакторов началась в 1942 году.

«Использование атомной энергии для летательных аппаратов и ракет обсуждалось Энрико Ферми (Enrico Fermi) и его сотрудниками по Манхэттенскому проекту (Manhattan Project) с тех самых пор, когда был построен первый атомный реактор в 1942 году», — пишут физики Роберт Бассард (Robert Bussard) и Р.Д. Делауэр (R.D. DeLauer) в книге «Ядерные двигатели для самолетов и ракет». Перебравшись в Лос-Аламосскую лабораторию, Ферми сотоварищи размышляли над другими способами использования ядерной энергии, помимо бомб — в результате чего на свет появился единственный в своем роде грузопассажирский атомоход «Саванна» (NS Savannah).

Пока не были открыты отрицательные последствия радиации, ядерные авиационные силовые установки считались перспективной идеей, потому что ничто не сравниться с мощностью ядерной реакции. В большинстве случаев, ядерная энергия просто заменяла собой использовавшийся раньше источник тепловой энергии. Так, например, было в случае с электростанциями и судовыми реакторами, где ранее сжигали уголь или другое горючее — в те годы на флоте еще была присказка «горячий камушек движет кораблик». Теоретически, этот же принцип применим и к самолетам, однако необходимое для полета отношение веса к тяге требует, чтобы реактор был легче и компактнее.

В 1946 году идея Ферми о самолете на атомной тяге развилась в полноценную программу атомолетов (NEPA Project), которую финансировали военные. Анализ осуществимости, заказанный армией и ВВС у компании «Фэйрчайлд» (Fairchild) стоил 10 миллионов долларов — и это было крайне выгодное приобретение даже с учетом инфляции.

Группа ученых Массачусетского технологического института (MIT), приглашенная Комиссией по атомной энергии (AEC, предтеча соответствующего министерства), заключила, что атомный авиадвигатель построить можно, но займет это «по меньшей мере 15 лет», да к тому же будет стоить один миллиард долларов. Правда, прибавили ученые, если правительство считает расходы оправданными, следует немедленно вложиться, чтобы начать разработку как можно скорее.

В 1951 году, программу атомолетов NEPA слили с аналогичной под эгидой Комиссии по атомной энергии, дабы сконцентрировать усилия на том, что ученые Массачусетского технологического института сочли наиболее реалистической перспективой: атомный турбореактивный двигатель для пилотируемого самолета.

Таким образом, проект Ферми стал лишь прелюдией к колоссальным тратам военного бюджета, последовавшему в течение трех десятилетий. В общей сложности на различные инициативы ВВС США и Комиссии по атомной энергии ушло более одного миллиарда долларов. Но ни единого атомолета построено не было.

В обычных реактивных двигателях топливо сжигается для нагревания горячего сжатого воздуха, который впоследствии выбрасывается через сопло для создания тяги. При выходе горячий газ сгорания вращает турбины, которые генерируют механическую энергию для сжатия входящего воздуха, увеличивая тягу.

Гигантский турбовентиляторный двигатель GE90, созданный компанией «Дженерал Электрик» (General Electric, GE) для Боинга 777 (Boeing 777) имеет максимальную мощность 117 МВт и тягу в 127 900 фунтов (примерно 568 кН). Большинство же ныне используемых реактивных двигателей имеют гораздо меньшую мощность. Разработанный «Прэтт и Уитни» (Pratt & Whitney) двигатель JT3D для бомбардировщиков Б-52 (B-52) имеет тягу в 17 тысяч фунтов (76 кН), поэтому всего их требуется восемь штук. В далеком 1951 же последним писком считался двигатель J47-GE для бомбардировщика B-47, мощностью в 7,2 МВт и тягой в 5 200 фунтов (23кН). И топлива он при этом съедал немало.

В реактивном же двигателе на атомной тяге баллоны для горения, используемые для сжигания реактивного топлива, заменяются теплом из ядерного реактора — их может быть несколько сопряженных с каждым турбинным двигателем, а может быть один крупный централизованный, питающий несколько турбин одновременно. Малые реакторы могут использоваться для создания двигателей с большей тягой и устранения потребности в топливе.

Увлечение стратегическим авиационным командованием атомными двигателями в 1950 году сомнения не вызывает: температура в ядерном реакторе гораздо выше, чем при сжигании реактивного топлива, поэтому на их основе потенциально возможно создание сверхмощных летательных аппаратов, способных выполнять сверхзвуковой или даже гиперзвуковой полет. С такими скоростями у СССР попросту не оставалось ни малейшей возможности их перехватить.

В программе создания атомолета участвовали две группы: 1) «Дженерал Электрик» и «Конвэр» (Convair), 2) «Прэтт и Уитни» и «Локхид» (Lockheed). «Дженерал Электрик» и «Прэтт и Уитни» занимались собственно двигателями, а «Конвэр» и «Локхид» разрабатывали авиакорпуса для будущих двигателей. Кроме того, в разработке участвовала Окриджская национальная лаборатория (Oak Ridge National Laboratory) и группа при Национальном консультативном совете по аэронавтике (NACA, предшественник НАСА (NASA)). На базе последней впоследствии вырастет Льюисская лаборатория полетов (Lewis Flight Propulsion Laboratory), сейчас известная как Исследовательский центр Гленна (Glenn Research Center).

Разумеется, первостепенной задачей было доказать, что бортовые ядерные реакторы в принципе безопасны. Для этого в 1951 году ВВС начали полеты на специально созданной модификации Б-36 «Миротворец» (B-36 Peacemaker), оборудованной испытательным реактором, разработанным в Окридже. За ближайшие годы самолет, получивший название НБ-36 «Крестоносец» (NB-36H «The Crusader») совершил 47 вылетов, убедив разработчиков в безопасности полетов с атомным реактором на борту.

Советы на тот момент слегка отставали от США в гонке атомных двигателей. Хотя отец советской атомной бомбы Игорь Курчатов предлагал изучить возможности атомной тяги еще в конце 1940-х, полноценный проект был запущен лишь в августе 1955-го. Советский аналог американского атомолета, Ту-95 с бортовым реактором, провел свой первый полет в 1961-м. В итоге Летающая атомная лаборатория произвела 34 вылета, большей частью с заглушенным реактором.

Прямой путь

По мере успеха «летающего реактора», программа атомолета развернулась на полную мощность в 1952-м. Несмотря на то, что ВВС сделали ставку на «Дженерал Электрик», «Прэтт и Уитни» также получили финансирование «на всякий пожарный», если первая попытка не удастся. В результате, компании пошли принципиально разными путями.

«Дженерал Электрик» выбрали самый прямой. Это открытая система, в которой тепло реактора выходит непосредственно в проходящий через него воздух. Технически эта конструкция проще, и инженеры «Дженерал Электрик» (наряду с ВВС) сочли, что это быстрейший путь к победе. Однако при открытой системе воздух, прошедший через двигатель, попросту выбрасывается с другого конца, наполненный радиоактивными частицами. (Впоследствии Советы пойдут по этому же пути).

Проект «Дженерал Электрик», имевший целью создание гибридного атомно-реактивного самолета, быстро получил «зеленый свет», однако был приостановлен ВВС в 1954 году. Теперь основной упор был сделан на создание чисто атомного бомбардировщика, получившего наименование WS-125A. В конечном счете «Дженерал Электрик» переключила свои усилия с так и не получившего ход проекта P-1 на серию наземных демонстрационных моделей, созданных под крылом Комиссии по атомной энергии в Национальной лаборатории Айдахо (Idaho National Laboratory).

Первые два эксперимента, получившие название HTRE-1 and HTRE-2, комиссия сочла успешными. Первый из прототипов был запущен в январе 1956 года. В нем использовался переоборудованный реактивный двигатель GE J47 с реактором номинальной мощностью в 20,2 МВт. В действительности же мощность тепловой энергии реактора не превышала 15 МВт. При полной мощности воздух на выходе из реактора нагревался до 723 градусов по Цельсию. Изначально применялось водяное охлаждение.

И все же мощность потока воздуха в двигателе HTRE-1 составила лишь половину от обычного, неатомного J47. К тому же для запуска турбин до перехода на ядерную энергию все еще требовалось реактивное топливо.

Усовершенствованный вариант получил название HTRE-2. Для него было протестировано множество новых компонентов в попытке усилить воздушный поток. Согласно отчету НАСА, испытания HTRE-2 «подтвердили, что скорость высвобождения фрагментов деления в атомном двигателе находится в допустимых пределах».

Перспективы у HTRE-3, который по габаритам вписывался в обычный авиадвигатель, были хорошие. HTRE-3 имел на 100% воздушное охлаждение, причем реактор имел твердый замедлитель нейтронов, изготовленный из гидрированного циркония для улучшения соотношения мощности к массе. Реактор был горизонтальным и приводил в действие два турбореактивных двигателя.
Однако в октябре 1956 года на HTRE-3 произошел резкий скачок мощности, приведший к частичному расплавлению и повреждению всех топливных стержней. Авария произошла при работе на малой мощности для проверки элементов охлаждения. На момент аварии охлаждение поступало лишь от пары электрических вентиляторов. Причиной сочли неверную работу датчиков, а не ошибки в конструкции. Мол, датчики дали некорректное считывание мощности, в результате чего контрольные стержни были извлечены слишком поздно. В любом случае, этот несчастный случай поумерил пыл ВВС — мало кому захочется иметь дело с расплавлением реактора во время полета.

Тем не менее после некоторых доработок испытания HTRE-3 продолжились. В 1959 году двигатель впервые был запущен на одном ядерном топливе. Однако мощность, на которую рассчитывали ВВС, достигнута так и не была, как следует из отчета «РЭНД» перед Министерством обороны за 1965 год. Максимальная температура, достигнутая HTRE-3, была всего на 93 градуса выше, чем в HTRE-1.

Тем временем, ВВС передумали насчет бомбардировщика и перебросили усилия на «летающую платформу для запуска ракет», получившую наименование CAMAL. Технические наработки, полученные в ходе работы над HTRE-3, вероятно, могли быть использованы для впоследствии отмененного бомбардировщика Х-6 (основанного на также отмененном B-36). Однако противовоздушная оборота Советов крепла, и ВВС снова решили переключиться на создание атомного бомбардировщика.

Проект атомолета устроил новый конкурс, который выиграл «Конвэр» со своим NX 2, разработанным специально в расчете на ядерные силовые установки. Для получения необходимой производительности, ВВС побудили «Дженерал Электрик» к использованию керамических компонентов для поддержки более высокой температуры двигателя. К 1960 году «Дженерал Электрик» перешла к следующему шагу: XNJ140E-1.

Согласно документам «Дженерал Электрик», двигатель XNJ140E-1 был разработан для поддержания крейсерской скорости 0,8 Мах на высоте около более девяти тысяч километров, с ресурсом двигателя в тысячу часов. Рабочая мощность предполагалась в 50 МВт, но могла быть повышена до 112 МВт в аварийной ситуации, хотя это бы значительно сократило срок службы реактора. При максимальной мощности, необходимой для взлета, тяга составила бы 50 900 фунтов — по сравнению с двигателями от Боинга 777, это, конечно, ничто, но для 1960-х это был прорыв.

Однако похвастать плодами десятилетних разработок «Дженерал Электрик» так и не пришлось. В 1961 году, когда все было практически готово к показу, президент Джон Кеннеди (John F. Kennedy) прикрыл программу атомолета. Уходящая администрация Эйзенхауэра (Dwight Eisenhower) собиралась программу заморозить, но советники Кеннеди рассудили, что практического толка от атомолета все равно будет немного. Было решено, что задачи эти лучше будет возложить на межконтинентальные ракеты и баллистические ракеты подводного базирования. Оставались еще стратегические бомбардировщики, но и они уже не играли в американской системе сдерживания столь же важной роли, как в 1950-е.

Непрямой путь

Пока «Дженерал Электрик» разрабатывала самолет, которому так и не было суждено полететь, инженеры «Прэтт и Уитни» в Окриджской лаборатории искали альтернативный путь к созданию ядерной авиаустановки (притом при гораздо меньшем финансировании). Работы велись как в Окридже, так и в Коннектикутской атомной лаборатории в Миддлтауне (CANEL). В то время как «Дженерал Электрик» создавали двигатели прямого цикла, здесь пошли «окольным» путем. Вместо того чтобы позволить воздуху проходить непосредственно через реактор, их подход подразумевал реактор с охлаждением под высоким давлением, чья тепловая энергия пропускалась через охлаждающей жидкости и выводилась в воздух.

Непрямой цикл казался привлекательным, потому что при нем исключался выхлоп потенциально опасных радиоактивных частиц. Тем не менее, на пути имелись существенные технические трудности, а именно: как повысить уровень эффективности и соотношение мощности к весу для достижения хоть каких-нибудь летных характеристик.

Реактор PWAR-1 работал на расплавах солей. Фторид натрия, тетрафторид циркония и соли тетрафторида урана смешивались и пропускались через реакционную камеру, действуя одновременно и как топливо, и как хладагент; в качестве вторичного хладагента использовался натрий. В Коннектикутской лаборатории также экспериментировали с системами на других хладагентах, включая сверхкритическую воду (когда пар поддерживается при чрезвычайно высокой температуре, позволяя ему оставаться жидкостью), а также натрий и литий.

Реактор на сверхкритической воде PWAC-109 был построен при поддержке Мемориального института Баттеля (Battelle Memorial Institute) и начал испытания в 1954 году. Как отмечалось инженерами Аргоннской национальной лаборатории (Argonne National Laboratory), он не был полноценным турбореактивным двигателем, но имел канальные нагнетатели. Конструкция PWAC-109 использовала ядерный реактор мощностью 410 мегаватт, охлаждаемый водой под давлением до пяти тысяч фунтов на квадратный дюйм и поддерживающий водную жидкость при температурах в диапазоне около 815 градусов. Под сверхдавлением жидкость проходила через турбину, которая приводила в действие воздушные компрессоры для канальных нагнетателей, а затем нагревала воздух, когда он проходил через конденсаторные катушки. Это снизило температуру воды до возврата в реактор до всего лишь 230 градусов. Нагретый же сжатый воздух выходил через сопло.

Эти температуры — лишь малая часть тех, которые достигаются в типичном двигателе гражданского назначения в наши дни. Камера сгорания обычного турбореактивного двигателя может достигать температуры две тысячи градусов. Тем не менее, конструкция PWAC-109 компенсировала этот недостаток более высокой интенсивностью турбины, питающей компрессор.

Также в 1954 году в Окридже был запущен ARE, первый реактор на расплавах солей. Этот успех подстегнул «Прэтт и Уитни» к разработке PWAR-1, который был собран в Окридже и подвергнут испытаниям с нулевой мощностью в начале 1957 года.

Однако при работе реактивного двигателя P&W J58 с реактором с литиевым охлаждением тяга была достигнута гораздо меньшая, чем требовалось ВВС. Согласно отчету Окриджской лаборатории от января 1960 года, максимальная тяга, создаваемая в паре с PWAR-1 составила бы 11 500 фунтов, причем на малых высотах. На высоте шесть тысяч метров тяга бы и вовсе упала бы до 7 500 фунтов.

ВВС предпочли путь «Дженерал Электрик», а «Прэтт и Уитни» перекомандировали на выполнение других задач — среди которых оказалась разработка вспомогательных ядерных энергетических установок SNAP-50 для использования в космосе. Не сохранилось никаких свидетельств о том, был ли этот проект завершен. Все же прочие попытки строительства атомного реактора для самолетов пресеклись росчерком президента Кеннеди вскоре после вступления в должность.

Путь судного дня

...