Пятница, 22.09.2017, 00:18
Приветствую Вас Гость | RSS
Четырнадцатая олимпиада посвящена 100-летию выдающегося советского авиаконструктора Р.Е.Алексеева
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Архив работ » Двенадцатая олимпиада (2014/15 уч.год)

Есть ли будущее у атомных самолетов?


Автор: Зиннатуллин Альмир Альбертович

Возраст: 17 лет
Место учебы: МОБУ СОШ №4
Город, регион: г. Нефтекамск Республика Башкортостан

Руководитель: Гиззатуллина Алсу Нарисовна, преподаватель физики

Историко-исследовательская работа "Есть ли будущее у атомных самолетов?"



Содержание

Введение
Глава 1. История создания атомолетов на двух континентах

  • 1.1 Холодная война как катализатор
  • 1.2 США
    • 1.2.1 Американский NB-36H – «Крестоносец»
    • 1.2.2 Отмена проекта
  • 1.3 СССР 
    • 1.3.1 Ту-95М – «Медведь» и Ту-95ЛАЛ
    • 1.3.2 Ту-119 – «119»
    • 1.3.3 Ан-21ПЛО – «Антей»
    • 1.3.4 Крах проектов
  • 1.4 ЯСУ с жидкометаллическими теплоносителями

Глава 2. Разработки в настоящее время

  • 2.1 Ядерные силовые установки на беспилотниках RQ-4 и MQ-9
  • 2.2 Задержка развития проектов
  • 2.3 Преимущества и недостатки эксплуатации ЯСУ на ЛА

Заключение
Список использованных источников и литературы


Введение

Как часто в средствах массовой информации возобновляются разговоры о том, что нефть и газ вот-вот кончатся, и человечество столкнется с вопросом о поиске альтернативного источника энергии. На данный момент львиную долю всей энергии в мире получают из природных углеводородов, таких как газ или нефть, однако стоит заметить тот факт, что возобновляются они очень медленно, что делает их практически невозобновляемыми. А какое топливо могло бы придти на замену нефти и природному газу и могло бы давать такое же количество тепла в результате его эксплуатации? Одной из самых популярных оригинальных идей является применения ядерного топлива в качестве замены современным аналогам.

В этом году 27 июня атомной энергетике исполнилось ровно 60 лет. Именно 27 июня 1954 года в СССР была запущена первая в мире атомная электростанция – Обнинская. Данное событие ознаменовало начало новой эры, как и в советской, так и в мировой энергетике. А ведь век с лишним назад никто и не мог подумать, что из такой части атома, как ядро, можно добывать колоссальное количество энергии! Сейчас в мире работают почти двести АЭС, они бесперебойно обеспечивают электроэнергией города и мегаполисы.

А какое же влияние оказывает атомная энергетика на транспорт? Или, говоря иными словами, на каких типах транспорта могут быть установлены ядерные силовые установки (далее сокр. ЯСУ)? Конечно, на ум сразу приходят надводный и подводный транспорт, к примеру, крейсера, ледоколы или подводные лодки. Однако оказывается, мир не остановился лишь на этом: в планах сверхдержав XX-ого века были легковые автомобили, железнодорожный транспорт и авиация. В своей работе я хочу заострить внимание именно на авиации. Забыты проекты, и есть ли у них хоть какое-то будущее? Стоит заметить, иногда невоплощенная в реальность идея – благо, однако в большинстве случаев – жестокое поражение. Воздействие авиации на всю мировую историю так велико, что, возможно, даже один проект мог бы повернуть все вспять – вся история человечества могла пойти по иному модернизированному пути.

Объектом исследования является история развития атомных самолетов.

Предмет исследования – летательные аппараты (далее сокр. ЛА) – стратегические межконтинентальные бомбардировщики и транспортные самолеты – с турбовинтовыми, поршневыми и турбореактивными двигателями, также ядерные реакторы и системы, которые в последующем были использованы при создании модификаций вышеуказанных ЛА.

Актуальность темы исследования главным образом определяется необходимостью нахождения альтернативного вида топлива – в нашем случае ядерного – и разработкой новых авиационных двигателей и систем, которые могли бы функционировать, потребляя именно ядерный тип топлива. Подходя к некоторым характеристикам химического и ядерного топлива, хочется отметить, что при сгорании, к примеру, одного грамма авиационного бензина выделяется энергия 43950 Дж , а при расщеплении ядер одного грамма уранового топлива – порядка 7.2*1010Дж! Отсюда видим, на данный момент ядерное топливо принципиально отличается от других видов топлива, используемых человеком – оно высокоэффективно.

При проведении исследования нами выдвинута гипотеза: если у атомных самолетов есть будущее, то спектр их применения был бы предельно узок: атомолеты эксплуатировались бы лишь в военном комплексе.

Целью настоящего исследования является анализ развития перспективного будущего атомолетов.
В соответствии с поставленной целью в данном исследовании решаются следующие задачи:

1. Показать, что ядерная энергетика – основополагающий фактор развития будущего энергетики в целом.
2. Рассмотреть зарубежный и отечественный опыт строительства атомных ЛА
3. Выявить проблемы, затрудняющее дальнейшее развитие проектов атомолетов.
4. Познакомиться с устройством специальных реакторов для таких типов самолетов.
5. Рассмотреть производство ЛА с атомными силовыми установками как технологическую гонку между двумя сверхдержавами - США и СССР

При исследовании были использованы следующие методы: изучение и анализ научной литературы (как и русской, так и иностранной) и новостных источников, обобщение отечественной и зарубежной практики, сравнение, моделирование; также был использован индуктивный метод – рассмотрев прошлое, проанализировав настоящее и заглянув в будущее проектирования и строительства атомолетов, мы смогли сформулировать окончательный вывод.

Глава 1. История создания атомолетов на двух континентах

  • 1.1 Холодная война как катализатор

Одним из главных элементов Холодной Войны была технологическая гонка между СССР и США. Начинается процесс ускоренного накопления боевого арсенала обоих участников. В такой суматохе ни одна из сторон не забывала о качестве – всё шло по прямой зависимости: качество с количеством. Гонка задела все стороны военно-промышленного комплекса, включая и авиацию.

В начале января 1941 года в американском научном журнале «Popular Mechanics» (русс. «Популярная Механика») появилась статья доктора Роберта Лангера про использование урана-235 в качестве топлива для транспортных средств. Описанная в статье новая форма самолета в виде летающего крыла с атомной силовой установкой для рядового читателя явилась неким нонсенсом. Но уже через два года Энрико Ферми обсуждал со своими коллегами по ядерному проекту «Манхэттен» практические проблемы, связанные с использованием атомной энергии для осуществления полетов на самолетах. [11.123]

  • 1.2 США

Уже в мае 1946 года Военно-воздушные силы и Комиссия по атомной энергетике США подписывают соглашение о начале программы NEPA (англ. Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft, досл. «Ядерная энергия для авиационных силовых установок») для поддержания развития стратегических бомбардировщиков и других ЛА с высокими техническими характеристиками. Считалось, что такой летательный аппарат мог бы использоваться в качестве стратегического бомбардировщика или разведчика, способного нести боевое дежурство в воздухе без дозаправки в течение нескольких суток, а то и недель! 27 апреля 1949 по итогам совещания представители ВВС и AEC (Комиссия по атомной энергетике США – сокр. англ. AEC) решили отказаться от проекта NEPA и приняли новый – ANP (Aircraft Nuclear Propulsion – сокр. ANP, досл. «Ядерная силовая установка на самолетах»).

  • 1.2.1 Американский NB-36H – «Крестоносец»

Несмотря на мелкие возникающие трудности, военные совместно с учеными смогли породить перспективные планы развития атомолетов на базе самолета B-36.

Рис.1
Convair B-36 в полете

Характеристика Значение
Длина 49.4 м
Высота 14.25 м
Размах крыла 70.1 м
Двигатели

6 поршневых 
Pratt & Whitney R-4360-53 «Wasp Major»
по 3 800 л. с. (2 500 кВт) каждый
4 турбореактивных
General Electric J47, по 23 кН каждый

Max скорость 685 км/ч
Мах крейсерская 380 км/ч
Практический потолок 15 км
Масса пустого 77580 кг
Масса снаряженного 120700 кг

Табл.1
Некоторые характеристики Convair B-36

B-36 – межконтинентальный бомбардировщик бывшей американской авиастроительной компании Convair (Конвэр), получивший в широком кругу прозвище Миротворец (англ. "Peacemaker"). А почему же именно «Миротворец» был выбран в качестве основы для создания атомолета? Именно размеры его корпуса позволяли перевозить громоздкие части, к примеру, сам реактор. Некоторые полагали, что было бы лучше использовать самолет той же строительной компании, но уже YB-60. Однако в ходе испытаний были выявлены низкие летные характеристики, что привело к отказу от дальнейшего производства и участия в проекте данных ЛА [12]. Также немаловажным плюсом «Миротворца» была его грузоподъемность, которая позволяла поднимать тяжелую ядерную силовую установку.
В процессе разработки учеными были поставлены следующие инженерно-конструкторские задачи:

• создание легкого и компактного ядерного реактора
• создание экологически чистого реактивного двигателя на атомной тяге
• создание защиты экипажа от воздействия радиации
• обеспечение экологической безопасности.

Образец, названный NВ-36H (или X-6 – данное название предполагалось применить при дальнейших усовершенствованиях NB-36H), был построен на базе самолета, получившего сильные повреждения носовой части фюзеляжа во время торнадо 1 сентября 1952 года. «Пострадавший» был возвращен компании Convair для ремонта, но вместо этого был переоборудован в летающую ядерную лабораторию. B-36 был окончательно переконструирован под атомолет к 27 декабря 1954 года в городе Форт-Уэрт штат Техас [4.196].

Рис.2
Недостаток мест базирования самолетов послужил причиной катастрофы во время торнадо 1 сентября 1952 года, во время шторма пострадало более 70 самолетов, среди них – один экземпляр B-36, который был переконструирован под атомолет.

Создание специальной капсульной кабины пилотов началось в июле 1952 года с проектирования макетов. Специальная кабина должна была остаться в носовой части, но ее должны были огородить четырех тонной защитной перегородкой, состоявшей из двух слоев: первый – свинец, второй – пексиглас (оргстекло) [1].

Рис.3
Макет носовой части NB-36H (X-6), инсталляция была использована для организации расположения панелей приборов.

Рис.4
Специальный разъем, предварительно подготовленный для капсулы, в которой разместится экипаж.

Также предусматривалась установка специальной защитной панели с водным раствором изотопа брома, хорошо поглощающего вредные для человека нейтроны. Носовая часть также претерпела некоторые изменения – поперечное сечение стало овальным, а не как ранее, круглым (как видно на рис. 4 выше). Стоит также отметить, объем капсулы-кабины пилотов значительно уменьшился, что явно стеснило рабочий экипаж. С созданием капсулы лобовое стекло изменило свою форму и материал, из которого оно изготовлено: ранее на B-36 стекло было представлено в виде фонаря, с изготовлением капсулы его заменили обычным акриловым ветровым стеклом. Стекло у обтекателя радиолокатора было полностью демонтировано [1].
В свою очередь, фюзеляж также был слегка модернизирован: были добавлены воздухозаборники в хвостовой боковой части для охлаждения реактора [4.193-196].

Рис.5
На рисунке виден боковой воздухозаборник и международный символ опасности «Радиация».

Параллельно с созданием специальной кабины экипажа шла разработка ядерного реактора. В 1954 году 20 августа Конвэр анонсировал первое испытание тестового объекта GTR (англ. Ground Test Reactor, досл. «Наземный тестовый реактор»). Он был очень схож с моделями корпусных реакторов, использовавшихся на земле. GTR был использован на стенде для изучения влияния радиации.

Уже через год компания Lockheed Martin представила реактор, именованный ASTR (англ. Aircraft Shield Test Reactor). Это был водо-водяной реактор - в качестве теплоносителя и охладителя была вода, в качестве топлива использовавший диоксид урана [4.194].

Рис.6
Здесь представлена модель каркаса фюзеляжа атомолета. В левой части – ASTR, далее за ним устройства охлаждения реактора (компрессоры и радиаторы). В правой боковой части – воздухозаборник, он представлен, как часть фюзеляжа.

35000 фунтовый (≈15900 кг) реактор диаметром 1.2 м. и защитный диск разместили в бомбоотсеках, предварительно сняв вооружение.
Проблема защиты наземного персонала была решена таким образом: по прилету летающей лаборатории, с него снимали ЯСУ, самолет отбуксировывали в специальный бункер, оборудованный радиационной защитой. Он изображен в центре рис.7 ниже [4.199].

Рис.7

Первое испытание NB-36H прошло 17 сентября 1955 года. В экипаже атомолета, состоявшем из пяти человек, инженеров было больше, чем пилотов: помимо бортинженера, на борту находилось двое ученых-ядерщиков. На протяжении испытаний, проходивших над безлюдными районами штата Техас и Нью-Мексико, летающую лабораторию сопровождал Boeing B-50 со спецоборудованием на борту для замера радиационного фона вокруг «Крестоносца» (рис.8 ниже [4.192]) и Boeing C-97 со взводом морских пехотинцев на борту, готовым в любой непредвиденной ситуации, будь то падение или аварийная посадка, захватить зону ЧС [7][8]. В ходе полетов в период с сентября 1955 по март 1957 самолет с реактором на борту сделал 47 полетов, что составляет 251 час, из них 89 часов – 20 полетов было потрачено только на изучение поведения самолета. Кстати, полеты совершались при не включенном реакторе, хотя теоретически атомолет мог вариативно летать, как и на химическом топливе, так и используя ядерную энергию. Вдобавок, в процессе полетов ученые выяснили, что уровень радиации спал и дошел до нормальных отметок.

Рис.8

  • 1.2.2 Отмена проекта

В начале 1953 года Дэвид Эйзенхауэр, придя к власти, отметил, что данные типы самолетов не принесут никакой пользу военному комплексу. После постановления президента, кабинет министров урезал бюджет, тем самым вызвав негодование среди военных и ученых, однако, после нескольких недель негативной реакции, проект решили продолжить[4.199]. Но уже почти через восемь лет Джордж Кеннеди признал проект экономически невыгодным, и, по его решению, проект закрывают [13].
В истории авиации США «Крестоносец» был одним из самых долгих и дорогих проектов – в период с 1946 по 1961 из бюджета было выделено, по разным расчетам, от 460 миллионов до 1 миллиарда долларов США! [13][8]

  • 1.3 СССР

Курчатов Игорь Васильевич не раз подталкивал СССР к производству и внедрению в транспорт ядерной энергии. Он писал:

... Я, как и все советские люди, убежден, что здравый смысл, присущий народам, восторжествует, и недалеко то время, когда уран-235 и плутоний будут использованы в атомных двигателях, движущих мирные корабли и самолеты... [10.298]

Советскому руководству потребовалось некоторое время, чтобы осознать, что, во-первых, создание межконтинентального самолета на химическом топливе может и не получиться, и, во вторых, атомная энергия может решить и эту проблему.
В декабре 1955 года донесения спецслужб о проведении в США испытательных полетов стратегического бомбардировщика NB-36H заставляют СССР пойти в направлении сознания самолета на ядерном топливе [7]. Чтобы минимализировать сроки производства атомолета, одну и ту же задачу ставят перед несколькими констукторскими бюро. По расчетам, каждая из групп должна была стремиться, во что бы это ни стало, обогнать своих оппонентов.
Итак, проектирование планера было доверено двум КБ [12]:

• Туполева Андрея Николаевича
• Мясищева Владимира Михайловича;

а схему будущего ядерного реактора:

• КБ Кузнецова Николая Ивановича
• КБ Люльки Архипа Михайловича.

Люди начинают работать дни напролет, сверхработа не поощряется – она требуется. Инженеров, включенных в секретный проект, строго-настрого предупредили, речь идет о государственном заказе, от которого зависела безопасность всей родины.
28 марта 1956 г. вышло правительственное постановление о создании летающей лаборатории на базе стратегического бомбардировщика Ту-95М для «исследований влияния излучения авиационного ядерного реактора на самолетное оборудование, а также изучения вопросов, связанных с радиационной защитой экипажа и особенностей эксплуатации самолета с ядерным реактором на борту» [8].

  • 1.3.1 Ту-95М – «Медведь» и Ту-95ЛАЛ

Рис.9
Ту-95М в полете в воздушном пространстве РФ (2007)

Характеристика Значение
Длина 46.2 м
Высота 12.1 м
Размах крыла 50.1 м
Двигатели 4 турбовинтовых (повышенной мощности)
НК-12М, по 15000 л.с каждый
Мах скорость 920 км/ч
Мах крейсерская 750 км/ч
Практический потолок 11.9 км
Масса пустого 84300 кг
Масса снаряженного 182000 кг

Табл.2
Некоторые характеристики Ту-95

В летающую лабораторию, получившую обозначение Ту-95ЛАЛ, был переоборудован серийный стратегический бомбардировщик Ту-95М [№7800408] с четырьмя турбовинтовыми двигателями НК-12М мощностью по 15000 л.с. Все вооружение с самолета было демонтировано [9].

Рис.10
Экипаж и экспериментаторы находились в передней герметической кабине, где также размещался датчик, фиксировавший проникающее излучение. За кабиной был установлен защитный экран из пяти сантиметровой свинцовой плиты и комбинированных материалов (полиэтилен и церезин), общей толщиной около 20 см. В бомбоотсеке, где в будущем должна была располагаться боевая нагрузка, был установлен второй датчик. За ним, ближе к хвосту самолета, располагался реактор. Третий датчик находился в задней кабине машины. Еще два датчика смонтировали под консолями крыла в несъемных металлических обтекателях. Все датчики были поворотными вокруг вертикальной оси для ориентации в нужную сторону. Сам реактор был окружен мощной защитной оболочкой, также состоявшей из свинца и комбинированных материалов, никакой связи с двигателями самолета не имел - служил только источником излучения. Дистиллированная вода использовалась в нем как замедлитель нейтронов и, одновременно, как теплоноситель. Нагретая вода отдавала тепло в промежуточном теплообменнике, входившему в замкнутый первичный контур циркуляции воды. Через его металлические стенки тепло отводилось в воду вторичного контура, в котором рассеивалось в водо-воздушном радиаторе (схема "ТРД-ЯСУ" представлена ниже рис.11). Последний продувался в полете потоком воздуха через большой воздухозаборник под фюзеляжем. Реактор немного выходил за обводы фюзеляжа самолета и прикрывался металлическими обтекателями сверху, снизу и по бокам [14].

Рис.11
Схема ЯСУ открытого цикла. Воздух, проходя через компрессоры, сжимается (A) и попадает по специальным трубопроводам в реактор (B), где он, нагреваясь, расширяется. После чего воздух, разогретый до сверхвысоких температур, поступает обратно в двигатель и выходит через сопло.
Огромный минус этой системы в том, что воздух напрямую проходит через реактор, и как следтсвие, подвергается частичному воздействию радиации.

В 1958 году наземный стенд с ядерной установкой смонтировали в казахской степи, километрах в двадцати от Курчатова — городка, в котором размещался военный гарнизон, обслуживавший ядерный полигон.
Летом 1959 года был произвёден первый запуск реактора на наземном стенде (изображенном на рис. 12), и сразу же удалось выйти на проектный уровень мощности. Исследования проводились в тёплое время года. Чтобы не допустить перегрева реактора, в жаркие дни лета люди трудились по ночам. Во время работы реактора операторы и экспериментаторы укрывались в подземном бункере, который находился почти под стендом. От реактора бункер отделял шестиметровый слой грунта, он со значительным запасом защищал находившихся там людей от излучений [8].

Рис.12
Стенд, на котором проходили испытания реактора.

Испытательные полеты ЛАЛ на Семипалатинском полигоне начинаются в мае 1961 и продолжаются вплоть до августа того же года. За данный промежуток времени было сделано 34 полета. Полеты проходили как с «холодным» реактором, так и с работающим. Проведенные летные испытания Ту-95ЛАЛ показали достаточно высокую эффективность примененной системы радиационной защиты, что позволяло продолжить работы по самолетам с ядерными силовыми установками. Главной опасностью являлась возможность аварии атомного самолета, способная вызвать заражение больших пространств ядерными компонентами. Испытанные на данном этапе способы защиты оказались хоть и надежными, но все же громоздкими и тяжелыми для применения в авиации. Требовались дальнейшие работы в этом направлении. После завершения испытаний он долгое время стоял на одном из аэродромов под Семипалатинском, а в начале 1970-х годов был передан на учебный аэродром Иркутского военного авиационно-технического училища [9].

  • 1.3.2 Ту-119 – «119»

КБ Кузнецова разрабатывало закрытую схему двигателя, в которой воздух не проходил через активную зону реактора, что гарантировало экологическую безопасность. В качестве рабочего тела планировалось применить жидкий натрий. Авиаинженеры объявляют некую войну каждому лишнему килограмму веса двигателя. В конце концов, ученые смогли превзойти все ожидания – они создали реактор в форме цилиндра радиусом и высотой всего лишь в 75 см! Он вышел до того компактным, что вызвал немалое удивление у самого Курчатова.
Данные, полученные в ходе испытаний Ту-95ЛАЛ, позволили ОКБ А.Н.Туполева совместно со смежными организациями разработать крупномасштабную, рассчитанную на два десятилетия программу развития тяжелых боевых самолетов с ядерными силовыми установками и приступить к ее реализации. Поскольку ОКБ-23 (ОКБ 23 – ОКБ Мясищева) к тому времени уже не существовало, туполевцы планировали заняться как дозвуковыми, так и сверхзвуковыми стратегическими самолетами. Важным этапом на этом пути должен был стать экспериментальный самолет “119” (Ту-119) с двумя обычными турбовинтовыми двигателями НК-12М и двумя разрабатывавшимися на их основе атомными НК-14А. По сути, это был тот же Ту-95М, но с реактором по типу ЛАЛ и системой трубопроводов от реактора к внутренним двигателям [13].

Рис.13
Чертеж Ту-119, внешне схожий на своего предшественника Ту-95ЛАЛ

Поднять в воздух эту машину предполагалось в 1974 г. По замыслу Туполева, Ту-119 был призван играть роль переходного к самолету с четырьмя НК-14А, основным назначением которого должна была стать противолодочная оборона (далее сокр. ПЛО). Работу над этой машиной намечалось начать во второй половине 1970-х годов. За основу собирались взять пассажирский Ту-114, в сравнительно «толстый» фюзеляж которого легко вписывались и реактор, и комплекс противолодочного вооружения. К несчастью, ввиду проблем, связанных с двигателями НК-14А, проект был закрыт.

  • 1.3.3 Ан-21ПЛО – «Антей»

Именно в качестве самолета ПЛО и была предпринята крайняя в нашей стране попытка создания атомного самолета. В 1965 г. на разных уровнях был принят ряд постановлений о развитии средств противолодочной обороны и, в частности, постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 26 октября КБ О.К. Антонова поручалось создание сверхдальнего маловысотного самолета противолодочной обороны с ядерной силовой установкой Ан-22ПЛО, также названный «Антей» [7].

Рис.14
Ан-22ПЛО в полете

Полноценный реактор создавался под руководством Анатолия Петровича Александрова. В отличие от предыдущих конструкций, новый авиационный реактор оснащался собственными системами управления, автоматической защитой. Для управления реакцией новый ядерный агрегат получил обновленную систему управления угольными стержнями. На случай экстренной ситуации предусмотрели специальный механизм, буквально выстреливавший эти стержни в активную зону реактора [15].
Фюзеляж 6-метрового диаметра должен был вместить не только атомный реактор в круговой биозащите, но и поисково-прицельное оборудование, комплекс противолодочного вооружения и немалый экипаж, требующийся для обслуживания всего этого. В рамках программы Ан-22ПЛО в 1970 г. было выполнено 10 полетов на «Антее» с источником нейтронов, а в 1972-ом в рамках испытаний под кодовым названием "Аист" - 23 полета с малогабаритным атомным реактором на борту. Как и в случае с Ту-95ЛАЛ, в них проверялась, в первую очередь, радиационная защита.

  • 1.3.4 Крах проектов

Наступление 1960 года – года черного для авиации – можно с уверенностью назвать началом конца проектирования ЛА с ядерными силовыми установками в истории СССР. С уходом из жизни Курчатова проект атомолета теряет сильную поддержку. Да и правительство начинает неохотно выделять деньги, из-за потери интереса к проекту, от которого уже к тому времени отказываются в «штатах». Атомный бомбардировщик оказывается неподъемно сложной и дорогой системой вооружения. Только что появившиеся межконтинентальные баллистические ракеты решали задачу тотального уничтожения противника гораздо дешевле, быстрее и гарантированней [12]. Свою роль сыграла и частичная нерешенность проблем безопасной эксплуатации атомных самолетов и, добавим, дороговизна проекта (в случае с Ан-22ПЛО). Также возможно, ключевой помехой в продолжении проектов стала отмена проектов в США: ведь теперь не было того, с кем можно было бы продолжить гонку.
Опять-таки повторился довольно знакомый мотив в отечественной авиации: к тому моменту, как решение задачи практически готово, исчезает сама задача.

  • 1.4 ЯСУ с жидкометаллическими теплоносителями

Хотим обратить взор на реакторы с жидкометаллическими теплоносителями, которые имеют огромную перспективу применения и в авиации. Данные типы ЯСУ разрабатывались, как и советскими, так и американскими учеными [2,15]. В СССР ЯСУ с жидкометаллическим теплоносителем рассматривало КБ Николая Дмитриевича Кузнецова, но проект не был реализован в силу реорганизации бюро.
Схема, изображенная на рис.15 ниже построена при помощи специального графического редактора (Photoshop CS 6) на основе данных рассекреченного американского документа [2.94], который был найден нами в одной из американских электронных библиотек.

Рис.15
Схема-диаграмма «ТРД-ЯСУ»

Итак, здесь вы видите схему «ТРД-ЯСУ». В качестве теплоносителя используется сплав Na-K: он имеет низкую температуру плавления и высокую температуру кипения [12]. Натрий, составляющий первичный контур, непрерывно подкачивается помпой, за счет чего он движется, как показано на рисунке. Далее натрий отдает тепло в теплообменниках натрий-калий, который в свою очередь также подкачивается насосом. Он образует вторичный контур. После этого натрий-калий, протекая по трубкам и достигая самого двигателя, отдает тепло радиатору, который в свою очередь и прогревает воздух до необходимых температур.
Использование жидкометаллических теплоносителей имеет ряд преимуществ: жидкие металлы имеют малую упругость паров, что уменьшает давление внутри реактора, что способствует его долгой эксплуатации; а говоря уже именно о натрий и натрий-калий, нужно заметить несколько плюсов: цена данных жидких металлов самая низка среди всех других, в отличие от иных жидких металлов, Na и Na-K оказывает малое коррозийное и эрозийное воздействие на конструкционные материалы реактора [12].


Глава 2. Разработки в настоящее время
В ходе разработок XX-ого века ЯСУ использовался лишь для военных целей, т.е. на военной авиации. Однако стоит заметить, что разработки шли в нескольких направлениях:

Направление
Военное Гражданское (возможно)
Ракеты Самолеты

О внедрении ЯСУ в гражданскую авиацию история умалчивает. 
Безусловно, перевозить пассажиров на самолете с ЯСУ |
невозможно по многим соображениям, приведу пару примеров: радиационный фон и отсутствие места как такового. Для транспортировки грузов атомолеты вряд ли были бы хорошими, опять-таки в силу повышенного радиационного фона. Но есть еще одно направление – научное. ЛА на атомной тяге нашли бы применение в различных науках (таких как геология,  картография и т.п.), но на данный момент на помощь в большинстве случаев приходит легкая авиация.
Она явно дешевле атомных проектов.

Проект PLUTO [США] (1961-1964).
Проект крылатой ракеты на ЯСУ был отменен пентагоном, т.к. к тому времени межконтинентальные баллистические ракеты достигли пика своего развития.
Наряду с авиацией в СССР и США были космические проекты с применением атомной энергетики. В середине 1960 года США разрабатывала проект NERVA (
англ. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, русс. Ядерная энергия для ракетного двигателя),
в конце 1965 в ходе испытаний случилась авария, что привело в отмене проекта. Так же много программ было заброшено в СССР во время перестройки – Топаз, Енисей.

 

NB-36H (см. выше)
Ту-95ЛАЛ (см.выше)
Ту-95, -119
(см. выше)

Реализуемое:
Беспилотные ЛА

Табл.3
Направления применения ЯСУ в авиации

Хочется обратить внимание на разработку ядерной электродвигательной установки (далее сокр. ЯЭДУ), осуществляемой Россией с 2010 года. Четыре года назад Росатом совместно с другими предприятиями ядерного комплекса начал разработку ЯЭДУ мегаваттного класса для космических транспортных систем. И в 2013 году на авиасалоне МАКС глава центра имени Келдыша  Анатолий Коротеев, сообщил о том, что работы по созданию перешли в стадию рабочего проектирования. В июле этого года во многих русскоязычных СМИ появилась информация, что на машиностроительном заводе в подмосковной Электростали был собран первый ТВЭЛ (сокр. ТВЭЛ. Прим.: В Твэлах происходит деление тяжелых ядер, сопровождающихся выделением энергии.) штатной конструкции для ЯЭДУ. По ожиданию конструкторов, установка будет готова уже к концу 2018 года. Назначение такому типу двигателя приписывают разное: его можно использовать в качестве буксира, который будет транспортировать спутники с низких орбит на геостационар и возвращаться назад, также буксир способен убирать космический мусор, что сейчас очень важно. Более того, двигателю пророчат футуристическое будущее – он сможет летать на Марс и обратно. Как бы то ни было, первый реально свершившийся полёт с таким двигателем, будет событием сравнимым с полётом человека в космос.

  • 2.1 Ядерные силовые установки на беспилотниках RQ-4 и MQ-9

Года два назад ряд иностранных новостных лент осветил новость о том, что некий секретный проект под кодовым названием SAND2012-1676P был рассекречен [6]. В документе рассказывалось об инновационном проекте лаборатории Сандиа. В документе изложены три наиболее актуальные «дефицитные» возможности беспилотных летательных аппаратов (далее сокр. БПЛА): недостаточная продолжительность полета, ограничения электрической мощности, необходимой для все более мощных систем коммуникации и наблюдения, недостаточная пропускная способность коммуникаций. В результате были сформированы требования к перспективному БПЛА , который должен использовать ядерный источник энергии.
Согласно имеющейся информации, ученые из Национальной лаборатории Сандиа и известной оборонной компании США Northrop Grumman закончили разработку проектов нового поколения беспилотных самолетов на базе RQ-4 Global Hawk и MQ-9 (Predator B, Reaper) [5], которые будут приводиться в действие ядерной энергетической установкой.

Рис.16
RQ-4 Global Hawk подготавливают к очередной миссии на авиабазе в Юго-Западной Азии (23 ноября 2010).

Характеристика Значение
Подрядчик Northrop Grumman (государство), L3 Comm, Raytheon
Двигатель Турбореактивный
Rolls Royce-North American F137-RR-100
Высота 4.7 м
Длина 14.5 м
Размах крыльев  38.9 м
Мощность ≈ 33.81 кН
Мах скорость 575 км/ч (357 миль/ч)
Практический потолок 18288 м
Масса пустого 7847 кг
Мах взлетная масс 14630 кг

Табл.4
Некоторые характеристики RQ-4 Global Hawk [16]

Рис.17
Прибытие MQ-9 Reaper на базу ВВС США Creech в 42 км от Лас-Вегаса.

Характеристика Значение
Подрядчик  General Atomics Aeronautical Systems, Inc. (госзаказ)
Двигатель Турбовинтовой 
Honeywell TPE331-10GD
Высота 3.8 м
Длина 11 м
Размах крыльев 20.1 м
Мощность ≈ 900 л.с.
Крейсерская скорость 370 км/ч (230 миль/ч)
Практический потолок 15240 м
Масса пустого 2223 кг
Мах взлетная масса 4760 кг

Табл.5
Некоторые характеристики MQ-9 Reaper [16]

Атомные беспилотные летательные аппараты сегодня являются технологическим новшеством. Ведь ЯСУ на беспилотниках увеличили бы автономность работы в разы, тем самым обеспечив пребывание данных типов ЛА над определенной труднодоступной и удаленной местностью от нескольких недель до месяцев, когда на данный момент БПЛА способны работать без дозаправки примерно в диапазоне от 34 до 48 часов [12].

Диаграмма 1
Количество уничтоженных террористов с использованием MQ-9 в Пакистане.

Диаграмма 2
Количество атак дронов MQ-9 в Пакистане.

Из диаграмм 1 и 2 [3] явно видно, что популярность применений дронов растет (в 2011 мы видим понижение данных, это вызвано тем, что США провела политические разговоры по урегулированию отношений между Афганистаном и Пакистаном).

  • 2.2 Задержка развития проектов

Несмотря на перспективное развитие, проект был временно отменен правительством США. Как сказано в докладе:

«К сожалению, ни один из результатов проведенного исследования не будет использован в ближайшее время вследствие политических соображений» [6].

Главной угрозой является даже не падение беспилотника, а его попадание в руки террористических организаций или врагов, которые могли бы использовать эти материалы для создания ядерного и «грязного» оружия. Конечно, хочется верить, что проект все-таки возобновят, и в скором времени беспилотники на ЯСУ будут пущены в эксплуатацию.

  • 2.3 Преимущества и недостатки эксплуатации ЯСУ на ЛА

Плюсы:

  • В первую очередь заметим, 1 грамм уранового топлива дает больше энергии, нежели химическое топливо - 1.3 грамма обогащенного уранового топлива (в котором доля изотопа уран-235 достигает 5% [18] [12]) в процессе деления дает 1 мегаватт энергии [17.73], а авиационное топливо только порядка 57.2 кДж [12]. 
  • Для получения одного и того же количества энергии нужно намного меньше уранового топлива, чем химического. Дадим некоторые дополнительные замечания, рассмотрев доказательство:
    Масса исходного вещества равна произведению количества делений за некоторый промежуток времени t, помноженному на массу одного атома изотопа уран-235. А количество делений эквивалентно произведению некоторого коэффициента k, который показывает, сколько делений необходимо для получения 1 джоуля энергии [17.73], и общей энергии деления. В свою же очередь общее количество энергии равно работе (произведению мощности на выходе на время t) поделенной на коэффициент полезного действия реактора (далее сокр. КПД).



    Также одновременно в другом двигателе сгорает некоторая масса авиационного бензина. Высчитываем его массу применяя соответствующие  формулы мощности и работы с применением КПД:

    Далее находим отношение масс урана и бензина, производя деление формул, выведенных выше: 

    В результате чего обнаруживаем, что их отношение есть число очень малое. Заметим, что при этом мы не принимали во внимание КПД двигателя и ЯСУ, известно, что их средние значения лежат на промежутках от 25 до 45% и от 33 до 45%, соответственно [17.153]. Несмотря на тот факт, что при расчете не были применены КПД установок, пропорции масс останутся такими же: для получения одного и того же количества энергии бензина нужно будет во много раз больше, чем урана.
  • При работе ЯСУ на ЛА не используется кислород, поскольку отсутствует процесс сжигания сырья, следовательно отсутствует загрязнение атмосферы вредными оксидами углерода.
  • Атомолеты могут работать без дозаправки в течение нескольких лет.
  • Атомные самолеты увеличили бы дальность полетов вследствие своей автономности.
  • Сейчас уран довольно дешев. Специалисты отмечают, что даже добыча урана из недр земли и его обогащение дешевле, чем добыча нефти и переработка ее в топливо для двигателей [18].

Минусы:

  • Возможность аварии, крушения или захвата судна. Но все же, как уже говорилось ранее, были найдены способы защиты реактора и ЛА. 
  • Утилизация топлива. Основные задачи переработки: минимизировать радиационную опасность отходов, безопасно утилизировать неиспользуемые компоненты, выделить полезные вещества и обеспечить их дальнейшее использование - все это представляет некоторую трудность [12]. 
  • Тепловое загрязнение воздуха. Ранее было упомянуто, что ЛА с ЯСУ не производят химического загрязнения среды, однако в ходе работы ЯСУ вырабатывается тепло, которое рассеивается в атмосферу.  

Заключение
Итак, рассмотрев отечественный и зарубежный опыт в создании атомных самолетов, выявив проблемы, затрудняющее дальнейшее развитие проектов атомолетов, мы можем сделать вывод о будущем самолетов с ЯСУ в целом. Теоретически, строительство самолета с атомной силовой установкой возможно. Атомолеты имеют ряд преимуществ перед самолетами с двигателями на химическом топливе, такие как, дальность, время полета (оно практически безгранично) и использование топлива. Предстоит решить и серьезные вопросы, связанные с обеспечением ядерной и антитеррористической безопасности.

Гипотеза, выдвинутая нами ранее подтвердилась: несмотря на то, что КБ использовали в разработке атомных самолетов не только бомбардировщики и разведчики, но и транспортные, а также пассажирские самолеты в качестве основы, атомолеты нашли применение лишь в военном комплексе.

Таким образом, можно с уверенностью сказать, что будущее у летательных аппаратов с ЯСУ есть. Правда, есть много причин, по которым те или иные атомные проекты откладывались в долгий ящик: политическое событие в регионе, нерентабельность проектов. Хочется затронуть вопрос о безопасности – здесь важную роль играет человеческий фактор. Атом будет мирным и сможет давать пользу человечеству только тогда, когда мы научимся стопроцентно контролировать его и происходящие с ним реакции.

В заключении хотим отметить, что данные, полученные из вышеуказанных проектов, как и в СССР, так и в США, не были утрачены: часть полученных из исследований данных была применена в разработках малогабаритных ядерных реакторов для АЭС.


Список использованных источников и литературы

1. Aircraft of the World Cards ‘Adventures in Flight’ – Flying on Nuclear Power NB-36H – International Masters Publishers. Sweden, 1997. – Card. – Перевод с английского
2. Aircraft Reactor Engineering Division: ORNL Aircraft Nuclear Power plants Design / Declassified (Рассекречено). – 10 November 1954. c. 80 – 94. – Перевод с английского
3. Are drones creating a new global arms race? – URL: http://www.teapartytribune.com/2012/01/09/are-drones-creating-a-new-global-arms-race-2/
Дата обновления: 9.1.2012
4. Cold War Peacemaker: The Story of Cowtown and Convair's B-36 / Don Pyeatt & Jenkins Dennis R. – Crecy Publishing Ltd. UK, 2010. – 152, 192–199 p. – Перевод с английского
5. Nuclear-powered drone aircraft on drawing board – URL: http://www.nationalmuseum.af.mil/factsheets/factsheet.asp%3Fid%3D255
Дата обновления: 26.6.2008
6. Report: U.S. developed, but shelved, nuclear-powered drones – URL: http://www.cbsnews.com/news/report-us-developed-but-shelved-nuclear-powered-drones/ – перевод с английского
Дата обновления: 2.4.2012
7. Александров К. Самолет с атомным двигателем // Двигатель – 2010 №7.
8. Александров Н. История атомного самолета в коротком изложении // Двигатель – 2003 №6.
9. Все боевые самолеты Туполева: Коллекционное издание / Николай Якубович. – М. : Яуза : Эксмо, 2013. – 272 с. – (Военно-воздушная энциклопедия).
10. Детская Энциклопедия. Том 3: Вещество и энергия / Петрянов И. В. – Педагогика, 1973. – 298 с.
11. Реактивная авиация второй мировой войны / Козырев М., Козырев В. – Центрполиграф, 2012. – 123 с.
12. Статьи в ресурсе удаленного доступа «Википедия» – URL:
https://ru.wikipedia.org; https://en.wikipedia.org.
13. Уилтон Д. Атомные крылья: Ядерные самолеты // Популярная Механика –2004 Июль.
14. Ту-95ЛАЛ (заказ 247) – URL: http://www.testpilot.ru/russia/tupolev/95/lal/tu95lal.htm
15. Советские проекты атомолетов – URL: http://topwar.ru/22458-sovetskie-proekty-atomoletov.html
Дата обновления: 25.12.2012

16. U.S. Air Force, статьи «MQ-4 Reaper» и «RQ-9 Global Hawk» – URL: http://www.af.mil/AboutUs/FactSheets
Даты обновления: 18.08.2010 и 27.10.2014 – соответственно.
17. Raymond L. Murray, “Waste Heat Rejection,” Nuclear Energy, 5th Ed. Butterworth-Heinemann  2001. p 72-74, 152-154.
18. Акатов А. А., Коряковский Ю. С. Будущее ядерной энергетики. Реакторы на быстрых нейтронах. — 2012. c. 5, 10.

 

 

Категория: Двенадцатая олимпиада (2014/15 уч.год) | Добавил: Service (26.12.2014) | Автор: Зиннатуллин Альмир Альбертович E W
Просмотров: 1209 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 4.3/10
Всего комментариев: 1
1  
Отличная работа!
Молодец!

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
14-Я ОЛИМПИАДА ЗАВЕРШЕНА!
ИТОГИ ПОДВЕДЕНЫ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК НА УЧАСТИЕ В 15-Й ОЛИМПИАДЕ НАЧНЕТСЯ
1 ОКТЯБРЯ 2017 ГОДА!

Google+
Их многие читают
Збарский Даниил Павлович (12442)
Щур Илья Андреевич (12435)
Кузьминова Анастасия Олеговна (9949)
Бадакова Анастасия (9892)
Рафаэль (5578)
Чеховская Алена Алексеевна (5389)
Кошманов Илья Игоревич (5258)
Иванов Семен Владимирович (4854)
Беляева Александра Сергеевна (4713)
Пушинская Кристина Валерьевна (4116)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2017