Gli anni Cinquanta del secolo scorso furono un periodo di rapido sviluppo della tecnologia nucleare. Le superpotenze hanno costruito i loro arsenali nucleari, costruendo centrali nucleari, rompighiaccio, sottomarini e navi da guerra con centrali nucleari lungo la strada. Le nuove tecnologie avevano grandi promesse. Ad esempio, il sottomarino nucleare non aveva alcuna restrizione sul raggio di crociera in posizione sommersa e il "rifornimento di carburante" della centrale elettrica poteva essere effettuato ogni pochi anni. Naturalmente, anche i reattori nucleari avevano degli svantaggi, ma i loro vantaggi intrinseci hanno più che compensato tutti i costi della sicurezza. Nel tempo, l'alto potenziale dei sistemi nucleari ha interessato non solo il comando delle marine militari, ma anche l'aviazione militare. Un aereo con un reattore a bordo potrebbe avere caratteristiche di volo molto migliori rispetto alle sue controparti a benzina o cherosene. Prima di tutto, i militari sono stati attratti dalla portata di volo teorica di un tale bombardiere, aereo da trasporto o aereo antisommergibile.
Alla fine degli anni '40, gli ex alleati nella guerra con la Germania e il Giappone - Stati Uniti e URSS - divennero improvvisamente acerrimi nemici. Le caratteristiche geografiche della posizione reciproca di entrambi i paesi richiedevano la creazione di bombardieri strategici con un raggio intercontinentale. La vecchia tecnologia non era già in grado di garantire la consegna di munizioni atomiche in un altro continente, il che richiedeva la creazione di nuovi aerei, lo sviluppo della tecnologia missilistica, ecc. Già negli anni Quaranta l'idea di installare un reattore nucleare su un aereo era matura nelle menti degli ingegneri americani. I calcoli di quel tempo mostravano che un aereo paragonabile per peso, dimensioni e parametri di volo a un bombardiere B-29 poteva trascorrere almeno cinquemila ore in aria con un rifornimento di combustibile nucleare. In altre parole, anche con le tecnologie imperfette dell'epoca, un reattore nucleare a bordo con un solo rifornimento poteva fornire energia a un aereo per tutta la sua vita utile.
Il secondo vantaggio delle ipotetiche atomicolette dell'epoca erano le temperature raggiunte dal reattore. Con la corretta progettazione di una centrale nucleare, sarebbe possibile migliorare i motori a turbogetto esistenti riscaldando la sostanza di lavoro con l'aiuto di un reattore. Pertanto, è diventato possibile aumentare l'energia dei gas a getto del motore e la loro temperatura, il che porterebbe ad un aumento significativo della spinta di tale motore. Come risultato di tutte le considerazioni e i calcoli teorici, gli aerei con motori nucleari in alcune teste si sono trasformati in un veicolo di consegna universale e invincibile per le bombe atomiche. Tuttavia, ulteriori lavori pratici hanno raffreddato l'ardore di tali "sognatori".
Programma NEPA
Nel 1946, il nuovo Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti aprì il progetto NEPA (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft). L'obiettivo di questo programma era studiare tutti gli aspetti delle centrali nucleari avanzate per gli aerei. Fairchild è stata nominata capofila del programma NEPA. È stata incaricata di studiare le prospettive per i bombardieri strategici e gli aerei da ricognizione ad alta velocità dotati di centrali nucleari, nonché per modellare l'aspetto di quest'ultimo. I dipendenti di Fairchild hanno deciso di iniziare a lavorare al programma con la questione più urgente: la sicurezza dei piloti e del personale di manutenzione. Per questo, una capsula con diversi grammi di radio è stata collocata nel vano di carico del bombardiere adibito a laboratorio volante. Ai voli sperimentali hanno preso parte, invece che parte dell'equipaggio regolare, i dipendenti della compagnia, “armati” di contatori Geiger. Nonostante la quantità relativamente piccola di metallo radioattivo nel vano di carico, la radiazione di fondo ha superato il livello consentito in tutti i volumi abitabili dell'aeromobile. Come risultato di questi studi, i dipendenti di Fairchild hanno dovuto dedicarsi ai calcoli e scoprire di quale protezione avrebbe avuto bisogno il reattore per garantire un'adeguata sicurezza. Già calcoli preliminari hanno chiaramente dimostrato che l'aereo B-29 semplicemente non sarà in grado di trasportare una tale massa e il volume del vano di carico esistente non consentirà di posizionare il reattore senza smantellare le rastrelliere delle bombe. In altre parole, nel caso del B-29, si dovrebbe scegliere tra un lungo raggio di volo (e anche allora, in un futuro molto lontano) e almeno un qualche tipo di carico utile.
L'ulteriore lavoro sulla creazione di un progetto preliminare di un reattore aereo ha incontrato problemi nuovi e nuovi. A seguito degli inaccettabili parametri di peso e dimensioni, sono emerse difficoltà con il controllo del reattore in volo, un'efficace protezione dell'equipaggio e della struttura, il trasferimento di potenza dal reattore alle eliche e così via. Infine, si è scoperto che anche con una protezione sufficientemente seria, le radiazioni del reattore possono influire negativamente sulla potenza dell'aeromobile e persino sulla lubrificazione dei motori, per non parlare delle apparecchiature elettroniche e dell'equipaggio. Secondo i risultati del lavoro preliminare, il programma NEPA nel 1948, nonostante i dieci milioni di dollari spesi, ebbe risultati molto dubbi. Nell'estate del 48 si è tenuta una conferenza a porte chiuse presso il Massachusetts Institute of Technology sul tema delle prospettive delle centrali nucleari per gli aerei. Dopo una serie di controversie e consultazioni, gli ingegneri e gli scienziati partecipanti all'evento sono giunti alla conclusione che era in linea di principio possibile creare un aereo atomico, ma i suoi primi voli sono stati attribuiti solo alla metà degli anni Sessanta o addirittura ad un Data.
Alla conferenza al MIT, è stata annunciata la creazione di due concetti per motori nucleari avanzati, aperti e chiusi. Il motore a reazione nucleare "aperto" era una sorta di motore a turbogetto convenzionale, in cui l'aria in ingresso viene riscaldata utilizzando un reattore nucleare caldo. L'aria calda veniva espulsa attraverso l'ugello, facendo ruotare contemporaneamente la turbina. Quest'ultimo mette in moto le giranti del compressore. Gli svantaggi di un tale sistema sono stati immediatamente discussi. A causa della necessità di contatto dell'aria con le parti riscaldanti del reattore, la sicurezza nucleare dell'intero sistema ha causato problemi speciali. Inoltre, per un layout accettabile dell'aeromobile, il reattore di un tale motore doveva essere molto, molto piccolo, il che influiva sulla sua potenza e sul livello di protezione.
Un motore a reazione nucleare di tipo chiuso doveva funzionare in modo simile, con la differenza che l'aria all'interno del motore si sarebbe riscaldata a contatto con il reattore stesso, ma in uno speciale scambiatore di calore. Direttamente dal reattore, in questo caso, si proponeva di riscaldare un certo liquido di raffreddamento, e l'aria doveva prendere temperatura al contatto con i radiatori del circuito primario all'interno del motore. La turbina e il compressore sono rimasti al loro posto e hanno funzionato esattamente allo stesso modo dei turboreattori o dei motori nucleari di tipo aperto. Il motore a circuito chiuso non imponeva particolari vincoli alle dimensioni del reattore e permetteva di ridurre sensibilmente le emissioni nell'ambiente. D'altra parte, un problema speciale era la scelta di un refrigerante per trasferire l'energia del reattore all'aria. Vari liquidi di raffreddamento non fornivano la corretta efficienza e quelli metallici richiedevano il preriscaldamento prima di avviare il motore.
Durante la conferenza sono stati proposti diversi metodi originali per aumentare il livello di protezione dell'equipaggio. Prima di tutto, riguardavano la creazione di elementi portanti di un design appropriato, che proteggessero in modo indipendente l'equipaggio dalle radiazioni del reattore. Scienziati meno ottimisti hanno suggerito di non mettere a rischio i piloti, o almeno la loro funzione riproduttiva. Pertanto, è stata proposta la fornitura del più alto livello di protezione possibile e di reclutare equipaggi da piloti anziani. Alla fine, sono apparse idee sull'equipaggiamento di un promettente aereo atomico con un sistema di controllo remoto in modo che le persone durante il volo non rischierebbero affatto la loro salute. Durante la discussione sull'ultima opzione, è nata l'idea di posizionare l'equipaggio in un piccolo aliante, che avrebbe dovuto essere trainato dietro l'aereo a propulsione atomica su un cavo di lunghezza sufficiente.
Programma ANP
La conferenza al MIT, dopo essere stata una sorta di sessione di brainstorming, ha avuto un effetto positivo sull'ulteriore corso del programma per la creazione di velivoli a propulsione atomica. A metà del 1949, le forze armate statunitensi lanciarono un nuovo programma chiamato ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Questa volta, il piano di lavoro prevedeva i preparativi per la creazione di un aereo a tutti gli effetti con a bordo una centrale nucleare. A causa di altre priorità, l'elenco delle imprese coinvolte nel programma è stato modificato. Pertanto, Lockheed e Convair furono assunti come sviluppatori della cellula di un aereo promettente e General Electric e Pratt & Whitney furono incaricati di continuare il lavoro di Fairchild sul motore a reazione nucleare.
Nelle prime fasi del programma ANP, il cliente si è concentrato maggiormente su un motore chiuso più sicuro, ma la General Electric ha condotto una "sensibilizzazione" ai funzionari militari e governativi. I dipendenti della General Electric premevano per la semplicità e, di conseguenza, l'economicità di un motore aperto. Sono riusciti a convincere i responsabili e, di conseguenza, la direzione del programma ANP è stata divisa in due progetti indipendenti: un motore "aperto" sviluppato da General Electric e un motore a circuito chiuso di Pratt & Whitney. Ben presto, General Electric è stata in grado di portare avanti il proprio progetto e ottenere una priorità speciale per esso e, di conseguenza, finanziamenti aggiuntivi.
Nel corso del programma ANP, un altro è stato aggiunto alle opzioni del motore nucleare già esistenti. Questa volta è stato proposto di realizzare un motore che assomigli a una centrale nucleare nella sua struttura: il reattore riscalda l'acqua e il vapore risultante aziona la turbina. Quest'ultimo trasferisce potenza all'elica. Un tale sistema, con un'efficienza inferiore rispetto ad altri, si è rivelato il più semplice e conveniente per la produzione più veloce. Tuttavia, questa versione della centrale elettrica per aerei a propulsione atomica non è diventata la principale. Dopo alcuni confronti, il cliente e gli appaltatori dell'ANP hanno deciso di continuare a sviluppare motori "aperti" e "chiusi", lasciando come ripiego la turbina a vapore.
Primi campioni
Nel 1951-52, il programma ANP si avvicinò alla possibilità di costruire il primo prototipo di aereo. Il bombardiere Convair YB-60, che era in fase di sviluppo in quel momento, fu preso come base, che fu una profonda modernizzazione del B-36 con un'ala a freccia e motori a turbogetto. La centrale elettrica P-1 è stata progettata appositamente per l'YB-60. Era basato su un'unità cilindrica con un reattore all'interno. L'impianto nucleare forniva una potenza termica di circa 50 megawatt. Quattro motori turbogetto GE XJ53 sono stati collegati al reattore attraverso un sistema di tubazioni. Dopo il compressore del motore, l'aria passava attraverso i tubi oltre il nocciolo del reattore e, riscaldandosi lì, veniva espulsa attraverso l'ugello. I calcoli hanno mostrato che l'aria da sola non sarà sufficiente per raffreddare il reattore, quindi nel sistema sono stati introdotti serbatoi e tubi per la soluzione di acqua di boro. Tutti i sistemi della centrale elettrica collegati al reattore sono stati progettati per essere montati nel vano di carico posteriore del bombardiere, il più lontano possibile dai volumi abitabili.
YB-60 prototipo
Vale la pena notare che è stato anche pianificato di lasciare i motori turbogetto nativi sull'aereo YB-60. Il fatto è che i motori nucleari a circuito aperto inquinano l'ambiente e nessuno permetterebbe che ciò avvenga nelle immediate vicinanze di aeroporti o insediamenti. Inoltre, la centrale nucleare, a causa delle caratteristiche tecniche, aveva una scarsa risposta dell'acceleratore. Pertanto, il suo utilizzo era conveniente e accettabile solo per lunghi voli a velocità di crociera.
Un'altra misura precauzionale, ma di natura diversa, è stata la creazione di due ulteriori laboratori di volo. Il primo di essi, designato NB-36H e nome proprio Crusader ("Crociato"), aveva lo scopo di controllare la sicurezza dell'equipaggio. Sul seriale B-36 è stato installato un cockpit da dodici tonnellate, assemblato da spesse lastre di acciaio, pannelli di piombo e vetro da 20 cm. Per ulteriore protezione, c'era un serbatoio dell'acqua con boro dietro la cabina. Nella sezione di coda del Crusader, alla stessa distanza dal cockpit dell'YB-60, è stato installato un reattore sperimentale ASTR (Aircraft Shield Test Reactor) con una capacità di circa un megawatt. Il reattore è stato raffreddato con acqua, che ha trasferito il calore del nocciolo agli scambiatori di calore sulla superficie esterna della fusoliera. Il reattore ASTR non ha svolto alcun compito pratico e ha funzionato solo come sorgente di radiazione sperimentale.
NB-36H (X-6)
I voli di prova del laboratorio NB-36H sembravano così: i piloti hanno sollevato in aria un aereo con un reattore smorzato, sono volati nell'area di prova nel deserto più vicino, dove sono stati eseguiti tutti gli esperimenti. Alla fine degli esperimenti, il reattore è stato spento e l'aereo è tornato alla base. Insieme al Crusader, un altro bombardiere B-36 con strumentazione e un trasporto con paracadutisti marini è decollato dall'aeroporto di Carswell. In caso di incidente di un prototipo di aereo, i marines dovevano atterrare vicino al relitto, transennare l'area e partecipare all'eliminazione delle conseguenze dell'incidente. Fortunatamente, tutti i 47 voli con un reattore funzionante hanno fatto a meno di un atterraggio di emergenza forzato. I voli di prova hanno dimostrato che un aereo a propulsione nucleare non rappresenta una seria minaccia per l'ambiente, ovviamente, con un funzionamento corretto e senza incidenti.
Anche il secondo laboratorio volante, designato X-6, doveva essere convertito dal bombardiere B-36. Stavano per installare una cabina di pilotaggio su questo aereo, simile all'unità del "Crociato", e montare una centrale nucleare nel mezzo della fusoliera. Quest'ultimo è stato progettato sulla base dell'unità P-1 e dotato di nuovi motori GE XJ39, creati sulla base dei turboreattori J47. Ciascuno dei quattro motori aveva una spinta di 3100 kgf. È interessante notare che la centrale nucleare era un monoblocco progettato per essere montato su un aereo poco prima del volo. Dopo l'atterraggio, è stato pianificato di guidare l'X-6 in un hangar appositamente attrezzato, rimuovere il reattore con i motori e metterli in un deposito speciale. In questa fase del lavoro è stata anche creata un'unità di spurgo speciale. Il fatto è che dopo l'arresto dei compressori dei motori a reazione, il reattore ha smesso di essere raffreddato con sufficiente efficienza ed è stato necessario un mezzo aggiuntivo per garantire l'arresto sicuro del reattore.
Controllo pre-volo
Prima dell'inizio dei voli di aerei con una centrale nucleare a tutti gli effetti, gli ingegneri americani hanno deciso di condurre ricerche appropriate nei laboratori a terra. Nel 1955 fu assemblata un'installazione sperimentale HTRE-1 (Heat Transfer Reactor Experiments). L'unità da cinquanta tonnellate è stata assemblata sulla base di una piattaforma ferroviaria. Quindi, prima di iniziare gli esperimenti, potrebbe essere portato via dalle persone. L'unità HTRE-1 utilizzava un reattore di uranio compatto schermato che utilizzava berillio e mercurio. Inoltre, sulla piattaforma sono stati posizionati due motori JX39. Sono stati avviati utilizzando il cherosene, quindi i motori hanno raggiunto la velocità operativa, dopodiché, al comando del pannello di controllo, l'aria dal compressore è stata reindirizzata all'area di lavoro del reattore. Un tipico esperimento con l'HTRE-1 è durato diverse ore, simulando un lungo volo di un bombardiere. A metà del 56, l'unità sperimentale ha raggiunto una capacità termica di oltre 20 megawatt.
HTRE-1
Successivamente, l'unità HTRE-1 è stata riprogettata secondo il progetto aggiornato, da cui è stata denominata HTRE-2. Il nuovo reattore e le nuove soluzioni tecniche hanno fornito una potenza di 14 MW. Tuttavia, la seconda versione della centrale sperimentale era troppo grande per l'installazione sugli aeroplani. Pertanto, nel 1957, iniziò la progettazione del sistema HTRE-3. Era un sistema P-1 profondamente modernizzato, adattato per funzionare con due motori a turbogetto. Il sistema HTRE-3 compatto e leggero ha fornito 35 megawatt di potenza termica. Nella primavera del 1958 iniziarono i test della terza versione del complesso di prove a terra, che confermarono pienamente tutti i calcoli e, soprattutto, le prospettive per una tale centrale elettrica.
Circuito chiuso difficile
Mentre la General Electric stava dando la priorità ai motori a circuito aperto, Pratt & Whitney non ha perso tempo nello sviluppo della propria versione di una centrale nucleare chiusa. Alla Pratt & Whitney, hanno immediatamente iniziato a studiare due varianti di tali sistemi. Il primo implicava la struttura e il funzionamento più ovvi dell'impianto: il refrigerante circola nel nucleo e trasferisce il calore alla parte corrispondente del motore a reazione. Nel secondo caso, è stato proposto di macinare il combustibile nucleare e metterlo direttamente nel liquido di raffreddamento. In un tale sistema, il combustibile circolerebbe lungo l'intero circuito di raffreddamento, tuttavia, la fissione nucleare avverrebbe solo nel nucleo. Avrebbe dovuto raggiungere questo obiettivo con l'aiuto della forma corretta del volume principale del reattore e delle condutture. Come risultato della ricerca, è stato possibile determinare le forme e le dimensioni più efficaci di un tale sistema di tubazioni per la circolazione del liquido di raffreddamento con il combustibile, che garantiva il funzionamento efficiente del reattore e aiutava a fornire un buon livello di protezione dalle radiazioni.
Allo stesso tempo, il sistema di circolazione del carburante si è rivelato troppo complesso. L'ulteriore sviluppo ha seguito principalmente il percorso degli elementi di combustibile "fermi" lavati da un refrigerante metallico. Come quest'ultimo, sono stati considerati vari materiali, tuttavia, le difficoltà con la resistenza alla corrosione delle tubazioni e la fornitura di circolazione di metallo liquido non ci hanno permesso di soffermarci sul refrigerante metallico. Di conseguenza, il reattore doveva essere progettato per utilizzare acqua altamente surriscaldata. Secondo i calcoli, l'acqua dovrebbe aver raggiunto una temperatura di circa 810-820° nel reattore. Per mantenerlo allo stato liquido è stato necessario creare nell'impianto una pressione di circa 350 kg/cm2. Il sistema si è rivelato molto complesso, ma molto più semplice e più adatto di un reattore con un refrigerante metallico. Nel 1960, Pratt & Whitney aveva completato i lavori sulla loro centrale nucleare per aerei. Sono iniziati i preparativi per testare il sistema finito, ma alla fine questi test non hanno avuto luogo.
Fine triste
I programmi NEPA e ANP hanno contribuito a creare dozzine di nuove tecnologie, oltre a una serie di interessanti know-how. Tuttavia, il loro obiettivo principale - la creazione di un aereo atomico - anche nel 1960 non poteva essere raggiunto nei prossimi anni. Nel 1961, J. Kennedy salì al potere, che si interessò immediatamente ai progressi della tecnologia nucleare per l'aviazione. Poiché questi non sono stati osservati e i costi dei programmi hanno raggiunto valori completamente osceni, il destino dell'ANP e di tutti gli aerei a propulsione atomica si è rivelato una grande domanda. Per oltre un decennio e mezzo sono stati spesi più di un miliardo di dollari per la ricerca, la progettazione e la costruzione di varie unità di prova. Allo stesso tempo, la costruzione di un aereo finito con una centrale nucleare era ancora una questione di un lontano futuro. Naturalmente, ulteriori spese di denaro e tempo potrebbero portare l'aereo atomico all'uso pratico. Tuttavia, l'amministrazione Kennedy decise diversamente. Il costo del programma ANP era in costante crescita, ma non c'erano risultati. Inoltre, i missili balistici hanno pienamente dimostrato il loro alto potenziale. Nella prima metà del 61, il nuovo presidente firmò un documento secondo il quale avrebbe dovuto interrompere tutti i lavori sugli aerei a propulsione atomica. Vale la pena notare che poco prima, nel 60 ° anno, il Pentagono ha preso una decisione controversa, secondo la quale tutti i lavori sulle centrali elettriche di tipo aperto sono stati fermati e tutti i finanziamenti sono stati assegnati a sistemi "chiusi".
Nonostante un certo successo nel campo della creazione di centrali nucleari per l'aviazione, il programma ANP è stato considerato infruttuoso. Per qualche tempo, contemporaneamente all'ANP, sono stati sviluppati motori nucleari per missili promettenti. Tuttavia, questi progetti non hanno dato il risultato atteso. Nel tempo furono anche chiuse, e il lavoro in direzione di centrali nucleari per aerei e missili fu completamente interrotto. Di tanto in tanto, varie società private hanno cercato di condurre tali sviluppi di propria iniziativa, ma nessuno di questi progetti ha ricevuto il sostegno del governo. La leadership americana, avendo perso la fiducia nelle prospettive degli aerei a propulsione atomica, iniziò a sviluppare centrali nucleari per la flotta e centrali nucleari.
