«Атомолеты. Мечты или реальность»

Название: «Атомолеты. Мечты или реальность»

Фамилия, Имя, Отчество участника: Бойко Даниил Александрович.

Класс: 11.

Название организации: МБОУ «Центр образования п. Угольные Копи»

Научный руководитель: учитель математики и физики МБОУ «ЦО п. Угольные Копи» Жаринов Юрий Николаевич

Содержание:

I. Введение.

II. Типы авиационных ядерных силовых установок.

III. Разработки самолетов с ядерной силовой установкой их недостатки и преимущества.

IV. Перспективы применения ядерных силовых установок в современной авиации.
V. Заключение

VI. Список основной использованной литературы

Цель: Целью моей работы является исследование известных истории проектов по созданию самолетов с ядерной силовой установкой, а также перспектив и возможность создания такого летательного аппарата в будущем.

Задачи:

- узнать: фантастика или реальность, ознакомиться с историей возникновения данного проекта;
- рассмотреть возможности и перспективы создания самолетов с ядерной силовой установкой в России и других странах;

- изучить проблемы, возникающие при создании самолетов с ядерной силовой установкой и пути их разрешения;

- привлечь внимание к перспективам использования в авиации самолетов с ядерной силовой установкой.

I. Введение.

Люди с древних времен мечтали летать, и им это удалось. Вопреки распространенному мнению, не братья Уилбер и Орвилл Райт первыми разработали летательный аппарат тяжелее воздуха. Немец Отто Лилиенталь, например совершил сотни полетов на своих планерах, а русский изобретатель А.Ф. Можайский построил самолет с тянущим винтом. После создания самолетов люди стали активно их совершенствовать, улучшать двигатели и увеличивать размеры летательных аппаратов: изобрели двигатели с водяным охлаждением и капотом, потом газотурбинный двигатель, самолеты стали больше в размерах, позже поршневые двигатели, и самолеты стали еще больше, появились турбовинтовые двигатели, и их мощность увеличилась в 9 раз, а значит это позволило сделать летающие машины в 9 раз больше, затем реактивные двигатели, и самолеты снова стали больше в размерах, что позволяло перевозить по воздуху большее количество пассажиров и грузов и на большие расстояния.

Казалось все - дальше некуда, но люди в прошлом веке люди научились использовать атомную энергию и применяют её на АЭС. И я задался вопросом: « Почему мы не сделаем двигатели на атомной энергии?». Тогда бы проблемы нехватки топлива решились, и одной мировой проблемой в мире стало бы меньше.

В 1941-м году доктор Р.Лангер опубликовал в журнале "Популярная механика" статью об использовании урана-235 в качестве топлива для самолёта. Многие восприняли это как фантастику. Однако уже через год Энрико Ферми, один из создателей ядерной физики, обсуждал со своими коллегами по ядерному проекту "Манхэттен" практические проблемы, связанные с использованием атомной энергии для осуществления полета самолета.

В 1946 году велась подготовка к осуществлению проекта NEPA (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft – «Ядерная энергия для авиационной силовой установки»). Проект предусматривал определение возможности создания бомбардировщика с неограниченной дальностью полета, который доставит данное оружие на территорию противника. Существующие на тот момент авиационные двигатели, работающие на углеводородном топливе, не могли обеспечить необходимую дальность полёта и грузовую нагрузку. По расчетам ученых из одного килограмма ядерного горючего можно получить столько энергии, сколько выделяется при сжигании 2 миллионов 700 тысяч килограммов (2 700 тонн!) химического топлива. Этого килограмма атомного «топлива» хватит для того, чтобы авиационный двигатель мощностью 5 тысяч лошадиных сил работал в течение трех с лишним лет!

В 50-х годах были попытки разработать самолеты с атомными двигателями, как тогда говорили «атомолеты». Тогда же я появился термин авиационные «ядерные силовые установки» (ЯСУ).

В те времена над их созданием работали две страны: США и СССР, другие же боялись мощи атомных двигателей, ведь тогда не было надежных средств защиты от радиации, или технологически и экономически страны не могли содержать этот проект. Но рвение США и СССР можно объяснить и тем, что еще с тех времен, и по сей день продолжается «соревнование» между этими державами. Они старались опередить друг друга во всем, и создание атомолетов не стало исключением. Как вы поняли: предназначение этих машин было в первую очередь в военных целях, и если бы их разработка их велась и в наше время , то цель разработки атомных самолетов не изменилась. Но ведь их можно использовать и в мирном направлении: транспортировка грузов, перевозка людей и многое другое, но вернемся к двигателям.

II. Типы авиационных ядерных силовых установок. Разработки самолетов с ядерной силовой установкой их недостатки и преимущества.

Атомные двигатели бывают 2-х видов с «открытой» и «закрытой» схемой. «Открытая» схема - теплоносителем в ней являлся атмосферный воздух, «закрытая схема» - реактор с промежуточным жидкокристаллическим теплоносителем (натрий или литий). Достоинство такого типа реакторов заключается в принципиальной невозможности аварии с разрушением активной зоны, а сама топливная солевая смесь в случае реализации авиационной ЯСУ закрытого типа выполняла бы роль теплоносителя первого контура. При использовании в качестве теплоносителя солевого расплава более высокая в сравнении, например, с жидким натрием теплоемкость солевого расплава позволяет применять циркуляционные насосы небольших размеров и выигрывать на снижении металлоемкости конструкции реакторной установки в целом, а низкая теплопроводность должна была обеспечивать устойчивость атомного авиадвигателя к внезапным скачкам температуры в первом контуре.

Но США предпочитали «закрытую» схему, а СССР соответственно «открытую». В СССР при создании ЯСУ тщательно проанализировали принципиальные схемы. Так, под схему открытого типа, получившую шифр «Б», разработали атомно-турбореактивные двигатели двух типов – осевого, с прохождением вала турбокомпрессора через кольцевой реактор, и «коромысла» – с валом вне реактора, расположенного в изогнутой проточной части. В свою очередь трудились и над двигателями по закрытой схеме «А».

Наш реактор, как и американский, не сопрягался с двигателями самолета-носителя. Принципиальное отличие советского самолетного реактора от американского – он был водо-водяной, причем гораздо меньшей мощности (100 кВт).

Отечественный реактор охлаждался водой первого контура, которая в свою очередь отдавала тепло воде второго контура, охлаждавшегося потоком воздуха, набегавшего через воздухозаборник. Так отрабатывалась принципиальная схема атомно-турбовинтового двигателя НК-14А Кузнецова.

Конечно, атомный двигатель имеет большую выгоду в использовании в отличие от других двигателей. Но, как и любой двигатель, он имеет существенные недостатки, что является одной из главных проблем постройки атомолетов. Давайте подробнее рассмотрим их.

1. Первый недостаток это, естественно, отсутствие биологической защиты. Во время первых разработки атомолетов не было материалов пригодных для защиты экипажа от радиации, а если они и были, то люди не могли использовать их. И вот прошло уже много времени и люди могут создавать и использовать оборудование для защиты от радиации на атомных самолетах, но так как проект «атомные самолеты» был остановлен, защита стала не нужна в этой области.

2. Атомные самолеты будут использоваться для перевоза большого количества грузов, поэтому их размеры будут в несколько раз больше предшествующих им самолетов. Соответственно понадобятся большие ангары, очень большие взлетные полосы ( по расчетам американцев длина ВПП не менее 4500-5000 метров), больше обслуживающего персонала, что во много раз увеличит расходы на содержание атомолетов.

3. Как вы знаете: атомная энергия не всегда может быть контролируемой и при малейших ошибках может стать трагедией. Я могу привести список аварий и несчастных случаев с участием атомных силовых установок (реакторов):

Экологические катастрофы на АЭС:

• 1957 г. – авария в Великобритании

• 1966 г. – частичное расплавление активной зоны после выхода из строя охлаждения реактора неподалеку от Детройта.

• 1971 г. – много загрязненной воды ушло в реку США

• 1979 г. – крупнейшая авария в США

• 1982 г. – выброс радиоактивного пара в атмосферу

• 1983 г. – страшная авария в Канаде (20 минут вытекала радиоактивная вода – по тонне в минуту)

• 1986 г. – авария в Великобритании

• 1986 г. – авария в Германии

• 1986 г. – Чернобыльская АЭС

• 1988 г. – пожар на АЭС в Японии (Фукусима).

Однако современные АЭС оснащены ПК, а раньше даже после аварии реакторы продолжали работать, так как не было автоматической системы их отключения.

Это ставит еще одну задачу при постройке атомолетов - сделать двигатели атомной энергии регулируемыми, чтобы можно было контролировать его работу.

III. Разработки самолетов с ядерной силовой установкой их недостатки и преимущества.

В 1950 году появилась программа (Aircraft Nuclear Propulsion - ANP) «Самолет с ядерной энергетической установкой». Ее задачами были разработка материалов для ядерного реактора, защиты реактора, силовых установок и конструкции воздушного судна до того момента, когда самолет с ядерной силовой установкой может быть построен. Но 28 марта 1961 года программа была прервана президентом Кеннеди. В официальном письме правительства США по этому поводу было сказано: «…Более 15 лет и 1 млрд. долларов потрачено на попытку создания самолета с ядерной силовой установкой. Но возможность применения такого самолета в ВВС в обозримом будущем представляется весьма неясно».
В СССР, на год позже, чем в США - в марте 1947 г. признали необходимость  начать исследования с целью использования тепла ядерных реакций в энергосиловых установках.   До этого главной задачей Лаборатории № 2 Академии наук СССР, которой руководил И.В.Курчатов с апреля 1943 г. было создание урановой бомбы. Затем начался активный поиск других возможностей использования нового вида энергии. Научным руководителем работ стал будущий академик А.П.Александров. После ряда исследований он в июне 1952 г. докладывал Курчатову: «...Наши знания в области атомных реакторов позволяют поставить вопрос о создании в ближайшие годы двигателей на атомной энергии, применяемых для тяжелых самолетов…».
Коллектив конструкторов ОКБ Мясищева отвечал за разработку сверхзвукового бомбардировщика. Первоначально планировалось оснастить бомбардировщик М-50 ядерной силовой установкой «открытой» схемы. Дальнейшие работы показали, что выбранный прототип совсем не подходит для данного проекта. Поэтому был разработан эскизный проект М-60, на котором четыре атомных ТРД располагались в хвостовой части фюзеляжа попарно в «два этажа», образуя единый ядерный отсек.

Главный вывод, который содержался в Заключении к предварительному проекту М-60, звучал так: «…наряду с большими трудностями создания двигателя, оборудования и планера самолета возникают совершенно новые проблемы обеспечения наземной эксплуатации и защиты экипажа, населения и местности в случае вынужденной посадки. Эти задачи… еще не решены. В то же время, именно возможностью решения этих проблем определяется целесообразность создания пилотируемого самолета с атомным двигателем».
  Выводы, к которым пришли конструкторы, показали, что «открытая» схема ядерной силовой установки не подходит для данного проекта. Поэтому в 1959 г. конструкторы ОКБ-23 приступили к разработке нового проекта стратегического бомбардировщика-ракетоносца с ядерной силовой установкой «закрытой» схемы.  

Разрабатываемый по аэродинамической схеме «утка» с треугольным крылом и передним оперением, самолет получил обозначение М-30. Его компоновка: 6 ядерных турбореактивных двигателей располагались в хвостовой части, а реактор в фюзеляже перед ними.

Проект атомного самолета М-30 так и не был доработан, так как ОКБ-23 Мясищева привлекли к разработке многоступенчатой баллистической ракеты конструкции ОКБ-52 В.Н. Челомея. Осенью 1960 г. ликвидировали как самостоятельную организацию, сделав филиалом №1 этого ОКБ и полностью переориентировав на ракетно-космическую тематику.

Коллективу ОКБ-156 А.Н. Туполева предстояло разработать дозвуковой бомбардировщик  на основе серийного стратегического бомбардировщика Ту-95М . Переоборудование и оснащение необходимым оборудованием продлилось с 1959 по 1960 г. Герметичную кабину для пилотов и инженеров-атомщиков разместили в передней части фюзеляжа. Здесь же установили датчик, фиксировавший проникающее излучение. Защитный экран, установленный за кабиной, состоял из 50-мм свинцовой пластины и 200-мм нового композитного материала, состоящего из полиэтилена и церезина с присадкой карбида бора.

Схема внутренней компоновки Ту-95ЛАЛ

Следующим этапом планировалось создать полноценный боевой самолёт противолодочной обороны с ЯСУ и четырьмя НК-14А.

1 - Модель самолета с ядерной силовой установкой Ту-119 на базе Ту-95.
2 - Модель экспериментального самолетного ядерного реактора ВВР-1, который устанавливался на летающей лаборатории Ту-95ЛАЛ и проходил наземные и летные испытания в начале 1960-х годов.
3 - Черный куб - это блок из комплекта биологической защиты самолетного ядерного реактора ВВР-1

С 1965 г. в ОКБ О.К.Антонова разрабатывается проект сверхдальнего маловысотного самолета противолодочной обороны с ядерной силовой установкой - Ан 22-ПЛО. Программа получила кодовое название "Аист". Выбор на этот тип самолёта пал не случайно - большие размеры и грузоподъемность 60 тонн позволили бы разместить на борту кроме реактора ещё и рабочие места операторов противолодочного оружия, само оружие, места отдыха и даже спасательный катер. Расчетную продолжительность барражирования определили в 50 ч, а дальность полета - 27500 км. Первый самолёт оборудовали точечным источником нейтронного излучения мощностью 3 кВт и многослойной защитной перегородкой. Экипаж Ю.В.Курлина выполнил 10 полетов с работающим источником. Второй, переоборудованный Ан-22 совершил первый полёт в августе 1972 г.  Его силовая установка состояла: из малогабаритного атомного реактора в свинцовой оболочке, разработанного под руководством А.П.Александрова; распределительного узла и 4 –х атомно-турбовинтовых двигателей НК-14А вместо штатных НК-12МА, конструкции Н.Д.Кузнецова.

Экипаж В.А.Самоварова и С.А.Горбика выполнил 23 полета в Семипалатинске, а в 1973 г. самолёт с демонтированным реактором был передан в ВВС.
  По окончанию испытаний был сделан вывод о безопасности ядерной силовой установке в режиме штатной эксплуатации.

Преимущества и недостатки самолетов с ядерной силовой установкой.
   Ещё в самом начале разработок специалисты обратили внимание на ряд очевидных преимуществ самолётов с ядерной силовой установкой перед обычными самолётами: дальность полёта больше; продолжительней время полёта; минимальный расход топлива.

   Однако в ходе испытаний выяснилось, что и недостатки таких самолётов велики - это: опасное для человека радиоактивное излучение работающей ядерной силовой установки; тяжёлая «биологическая» защита от излучения, влияющая на вес самолёта; безопасность при эксплуатации и во время полёта; нагрев радиоактивным излучением приборов, аппаратуры и узлов самолёта; высокая стоимость самолёта и инфраструктуры для него

IV. Перспективы применения ядерных силовых установок в современной авиации.
   В зарубежной печати появились сведения о том, что исследования по созданию самолёта с ядерной силовой установкой на борту снова возобновились. В качестве прототипа выбран американский беспилотный летательный аппарат Northrop Grumman RQ-4 Global Hawk. Этот летательный аппарат достаточно успешно зарекомендовал себя как разведчик во время боевых действий в Ираке и Афганистане.

Предполагаемый вид будущего атомолёта

   Про реактор для будущего проекта стоит рассказать отдельно. Ранее авиаконструкторы пытались разместить на борту самолёта реактор ядерного распада, в котором для получения энергии используется расщепление ядер атомов тяжелых элементов. Теперь разрабатывается ядерный реактор совершенно нового типа, получивший имя «квантовый нуклеонный реактор» (официальное название «реактор на основе самоподдерживающейся экзотермической реакции гамма-переходов долгоживущих изомерных ядер»). Горючее для него представляет собой один из изомеров гафния - гафний 178. Неожиданный феномен с участием этого изомера впервые обнаружили в конце девяностых годов ХХ-го века в лабораториях Техасского университета в Далласе. При бомбардировке этого металла «мягкими» рентгеновскими лучами (примерно такими, как те, что используются в клиниках для просвечивания зубов) металл неожиданно выбросил пучок гамма-лучей в шестьдесят раз более мощный, чем доза полученного рентгеновского облучения. На субатомном уровне бомбардировка гафния рентгеновскими лучами вызывает эффект, похожий на крошечную снежную лавину, когда удачно брошенный снежок сталкивает с кровли целый пласт снега.   В таком реакторе не происходит ни ядерного синтеза, ни распада. Энергия в нем выделяется в виде интенсивного потока гамма-лучей. Такое излучение тоже опасно для человека, однако его можно успешно экранировать с помощью значительно более легкой защиты. Положительные стороны применения «гафниевого» реактора:

• выброс гамма-излучения резко прекращается после выключения рентгеновского аппарата;

• период полураспада гафния 178 составляет - 31 год;

• гафний не способен самостоятельно поддерживать цепную реакцию - из него нельзя смастерить самодельное взрывное устройство.

Если эта новая силовая установка оправдает надежды разработчиков, то эффект от ее внедрения в авиационную промышленность можно будет сравнить с революцией, которую принесли первые реактивные самолеты.

V. Заключение: Внимание авиаконструкторов и ракетчиков всегда привлекала атомная энергия - ведь энергоемкость 1 г U235 эквивалентна 2 т керосина (вместе с 5 т кислорода)! Горючее — изотопы урана или плутония. Теплотворная способность одного килограмма ядерного горючего составляет 22,2 млрд. ккал. тепла. Для сравнения, при сгорании одного килограмма керосина освобождается всего лишь 10000 -11000 ккал. тепла. Предварительные расчеты показывали, что одного килограмма урана-235 достаточно для кругосветного беспосадочного перелета. В случае использования обычного топлива — 300 т. Возможны две схемы выполнения ЯСУ на основе общих решений ТРД. Первая — так называемая «открытая» схема, в которой роль камеры сгорания выполняет реактор, непосредственно конструктивно встроенный в ТРД. В этом случае получается достаточно компактная и относительно простая конструкция, но с высоким риском радиоактивного заражения окружающей среды. В «закрытой» схеме генератор тепла — реактор связан с двигателем одним или двумя каскадами теплоносителя (вода, классическое авиационное топливо, жидкие металлы). Самолет с ядерной силовой установкой не представляет какой-либо серьезной опасности для окружающей среды, конечно, при правильной эксплуатации и отсутствии каких-либо инцидентов. Несмотря на то, что были построены летающие  атомные лаборатории, самолёт, который бы мог совершить самостоятельный полёт, пока так и не построен. Для успешной  разработки проекта авиаконструкторы должны решить следующие задачи: создание лёгкого и компактного ядерного реактора; создание лёгкой и эффективной радиационной защиты экипажа и реактора; создание «чистого» реактивного двигателя на атомной тяге; обеспечение ядерной безопасности атомолёта в случае летного происшествия.    Время не стоит на месте – появляются новые материалы, разрабатываются новые технологии. Когда – то Эрнест Резерфорд, который, впервые осуществив деление атомного ядра, сказал: «Получение энергии подобным образом - затея бесперспективная. Любой, кто планирует делать это, строит несбыточные фантазии». Однако сейчас реакторы на ядерном топливе успешно работают.      Поэтому на такой вопрос как: Есть ли будущее у атомных самолётов? – можно дать ответ – «ДА!» - атомолеты станут «идеальным» средством передвижения ближайшего будущего.

VI. Список основной использованной литературы

      Печатные издания:

1. «Авиация и Время» №№ 3 и 4, 2004 г. - «Атомный самолет: будущее в прошедшем времени».

2. «Популярная механика» №5(7), 2003 г. – «Верхом на реакторе: Атомный самолет».

3. «Популярная механика» №10(12), 2003 г. – «Летающая Атомная Лаборатория: Реактор на борту».

4. «Популярная механика» №7(24), 2004 г. – «Атомные крылья: Ядерные самолеты».

5. «Наука и жизнь» №7, 2010 г. – «Самолёт с атомным двигателем».

6. Крылья Родины" 2002'№2, "О проекте атомного гидросамолета "60М"

7. «Техника – молодежи» № 8 1955 год

     Интернет ресурсы:

1. http://www.joebaugher.com/usaf_bombers/b36_14.html - сайт о Convair NB-36H

2. http://alternathistory.org.ua/siyayushchie-nebesa-ili-kak-amerika-perestala-bespokoitsya-po-povodu-atomnoi-energetiki-i-polyubila - сайт об американских атомных самолётах

3. http://www.456fis.org/AN_AIRFIELD_WITHOUT_A_RUNWAY.htm - сайт об атомолётах США

4. http://saidpvo.livejournal.com/172879.html?thread=460367 - Блог "Вестника ПВО" (Музей ОАО "Туполев" - часть 3)

5. http://russianplanes.net/planelist/Antonov/An-22 - Неофициальный реестр всех выпущенных Ан-22

6. http://vpk-news.ru/articles/5783

7. В.Г. Ригмант. «Самолеты ОКБ А.Н. Туполева», РУСА- ВИА, Москва, 2001 г.
   Г.А. Черемухин. «Дальше выше быстрее», Проспект, Москва, 2010 г.
   А.А. Брук, К.Г. Удалое, С.Г. Смирнов, Б.Л. Пунтус. «Иллюстрированная энциклопедия самолетов В.М.Мясищева», том 2, части 2 и 3, Авико-Пресс, Москва, 2001г. D.R. JenKins — Magnesium Jvercast- (В-36), S-P, USA,
   Зарубежные журналы периода 50-60- х годов прошлого века.