Пархимович В. А.

Летательные аппараты с атомным реактором

Работая над книгой «Авиация, история, события, факты», которая вышла из печати в 2016 году, полагал, что рассказ о летательных аппаратах с использованием в качестве двигателя ядерной энергетической установки нечто из раздела фантастики, пока не имеющей под собой реальных оснований. Но время расставило все по своим местам.

В послании Федеральному собранию Президент Российской Федерации В. В. Путин особое место уделил новым военным разработкам. Наряду с гиперзвуковыми ракетами и планерами он назвал и крылатую ракетус неограниченной дальностью полета, в которой использована компактная ядерная энергетическая установка. О такого рода российских разработках для военных целей в открытых источниках ранее не упоминалось. Подобные разработки велись в период обострения «холодной войны» в прошлом столетии.

Президент Российской Федерации В. В. Путин объявил о создании систем стратегического оружия, представленных как ответ на строительство Соединенными Штатами системы противоракетной обороны.

 

В. В. Путин перечислил следующие виды вооружений:

Озвучено, что в новой ракете смонтирована ядерная энергетическая установка. Обычно этот термин подразумевает использование ядерного реактора в качестве источника энергии. В этом качестве он не является двигателем, а поставляет энергию, например, для электродвигателей, отвечающих за движение. По этому принципу работают атомные подводные лодки — ядерный реактор питает электромоторы, которые вращают гребные винты, то есть реактор является частью двигательной установки.

Можно предположить, что в новой ракете, если она реально была создана и испытана, реактор тоже является частью двигательной установки, и ядерный ракетный двигатель будет представлять собой установку, использующую деление ядер для создания реактивной тяги.

Исходя из послания, испытания ракеты состоялись в конце прошлого года на полигоне на Новой Земле, который с 1954 по 1990 год использовался для проведения испытаний ядерного оружия. В конце 2017 года на Центральном полигоне Российской Федерации состоялся ее успешный пуск. По словам Президента, энергетическая установка ракеты сумела выйти на расчетную мощность и обеспечила расчетный уровень тяги, что позволяет ей практически неограниченное время находиться в воздухе. 

Был показан короткий видеоролик, в котором продемонстрированы основные возможности ракеты. Из него следует, что крылатая ракета может лететь на предельно малой высоте в соответствии с ландшафтом и облетать зоны действия системы противовоздушной и противоракетной обороны противника. Других подробностей не приведено.

Есть некоторая неясность: говорится об установке ядерного двигателя на ракеты типа Х-101, но ракета эта воздушного базирования. На продемонстрированном видео запуск производится с земли. 

Различные источники начали утверждать о реализации проекта ракеты с ядерной энергетической установкой. Эксперты поясняют, что российским инженерам удалось создать двигатель на «низкообогащенном уране», обладающий высоким КПД, и ядерный «выхлоп» в которых будет минимальным. 

Эксперты по разоружению отмечают, что Россия и США и так обладают возможностями уничтожить друг друга. Они обеспокоены тем, что США могут втянуться в эту новейшую гонку с Россией, которая при накопленном атомном арсенале в мире в общем-то бессмысленна.

Обратимся к истории

В 1952 году в США взлетает легендарный B-52, через год — первый в мире сверхзвуковой тактический бомбардировщик A-5 Vigilante, а еще через три — сверхзвуковой стратегический XB-58 Hustler. СССР не отставал: одновременно с B-52 в воздух поднимается стратегический межконтинентальный бомбардировщик Ту-95, а 9 июля 1961 года мир шокирует показанный на авиапараде в Тушино гигантский сверхзвуковой бомбардировщик М-50. 

Ядерный самолет был гораздо нужнее СССР, чем США. Планы ядерного удара по СССР были реальностью, а ответить было нечем. Создание такого самолета было жизненно необходимой задачей.

Действуя с десятков военно-воздушных баз в Европе, на Ближнем и Дальнем Востоке, самолеты США, даже обладая дальностью полета всего 5–10 тыс. км, могли достичь любой точки СССР и вернуться обратно. Советские же бомбардировщики вынуждены были взлетать с аэродромов на собственной территории, и для аналогичного рейда на США должны были преодолеть 15–20 тыс. км. Самолетов с такой дальностью в СССР не было.

Обратим внимание на то, что в 1950-х годах СССР успешно развивал атомную энергетику. Введена в эксплуатацию первая атомная электростанция, проектировались атомные ледоколы и подводные лодки. 

Эйфория от успешных разработок атомного оружия и применения атомной энергии для использования в электростанциях, на кораблях (советские ледоколы), подводных лодках послужила толчком для идеи — использовать ядерные реакторы на самолетах. В первую очередь на бомбардировщиках.

Преимущества ядерных двигателей были очевидны: неограниченная дальность и длительность полета при минимальном расходе топлива — несколько граммов урана на десятки часов полета. Руководитель атомного проекта в СССР И. В. Курчатов поставил вопрос о создании атомного самолета. 

В середине XX века возобновилась и была популярна разработка ядерных энергетических установок как в США, так и в СССР. 

Весной 1946 года между министерством ВВС и Комиссией по атомной энергии США было заключено соглашение о начале программы NEPA (Nuclear Energy Propulsion for Aircraft), целью которой стало исследование проблем, связанных с разработкой самолета c атомной силовой установкой (АСУ). По мнению заказчиков, самолет с АСУ мог использоваться в качестве стратегического бомбардировщика или разведчика, способного нести боевое дежурство в воздухе без дозаправки в течение нескольких суток. 

Полет самолета B-29, в бомбоотсеке которого находилась капсула с радием, позволил конструкторам сделать вывод, что реальная масса реактора и защиты будут велики. Они смогли выделить ключевые вопросы, такие как:

Разработчики предположили, что до взлета предполагаемого самолета может пройти порядка 15 лет. При этом предлагались две принципиально отличающиеся друг от друга схемы соединения двигателей и реактора.

Первую схему назвали открытой. Принцип ее работы заключался в том, что воздух, попадая в камеру сгорания, нагревался, непосредственно проходя через активную зону реактора. Такой способ был очень простым, требовал минимального количества конструкторских решений. С другой стороны, воздух, взаимодействуя с частицами атомного топлива, тоже становился радиоактивным и, выходя из СУ, загрязнял окружающую среду, а из этого следовало в лучшем случае, что экипаж не сможет дышать атмосферным воздухом.

Вторую схему назвали закрытой. Она отличалась от открытой тем, что воздух нагревался не от самого реактора, а от теплообменника. Такая конструкция была довольно сложна в реализации, но зато выходивший из силовой установки воздух оставался абсолютно чистым, а значит, экипаж мог им дышать. 

Следующим этапом стала программа под названием ANP, что в переводе означало «атомная сила самолета». Была поставлена задача создать действующий летательный аппарат, оснащенный ядерной силовой установкой. Предпочтение было отдано схеме соединения открытого цикла. Предполагалось разместить силовую атомную установку P-1 на самолет YB-60.

Впоследствии была произведена попытка отработки компоновки и узлов на самолете B-58 Hustler. Convair B-58A Hustler стал первым в мире серийным сверхзвуковым дальним бомбардировщиком. Но размеры самолета не позволили разместить на его борту ни реактор, ни дополнительное оборудование.

В ходе проведенных исследований предпочтение было отдано самолету B-36 Peacemaker. 

Самолет-лаборатория Convair HB-36H был создан для испытания атомных реакторов в полете.

В промежутке между 1946 и 1961 годами США потратили более 7 миллиардов долларов на разработку самолета с атомной силовой установкой. В процессе разработки должны были быть решены инженерно-конструкторские задачи: 

Впервые с установленным и действующим реактором самолет поднялся в воздух 17 сентября 1955 года. 

Для испытания радиационной защиты на бомбардировщике В-36Н в бомбоотсеке установили реактор мощностью 1 МВт. Экипаж находился в защитной капсуле, но сам реактор не был окружен биологической защитой — не позволяли массо-габаритные характеристики. 

В период с 1958 по 1960 годы США испытали ядерную энергетическую установку HTRE-3 мощностью 35 МВт, которая обеспечивала энергией два двигателя. До создания ядерного самолета оставалось совсем немного. Была отработана радиационная защита, на земле успешно испытали HTRE-3. Комплекс наземного обслуживания достраивался.

Но в 1961 году Д. Ф. Кеннеди, находясь под впечатлением успехов советской ракетно-космической программы, посчитал, что как стратегическое оружие бомбардировщик с ядерным реактором морально устарел, и закрыл программу. 

Невзирая на это, конструкторы продолжили разработку, предложили различные варианты ядерных ракетных двигателей. Одни были пригодны для использования в космосе, другие для полетов в атмосфере. 

Для атмосферных летательных аппаратов в США, например, разрабатывали так называемые «дышащие» ядерные установки в рамках проекта Pluto. Двигатели планировались для сверхзвуковых маловысотных ракет. Были созданы два прототипа двигателя Tory-IIA и Tory-IIC. Тяга создавалась благодаря тому, что через воздухозаборник засасывался воздух, который проходил через зону реактора в зону нагрева с реакторными керамическими стержнями, разогревался до 1700 градусов по Цельсию и, расширившись, покидал ее через сопло. Предполагалось, что дальность ракеты будет в пределах 180 тыс. км. Однако в полете ракета с ядерным двигателем сильно загрязняла окружающую среду, нанося радиационный ущерб. В 1964 году проект был закрыт.

Что же в Советском Союзе? 

В 1955 году вышло Постановление СМ СССР о работах по созданию ядерной авиационной силовой установки. Планировалось создать полноценные боевые самолеты с ядерными силовыми установками (ЯСУ) различного класса и назначения. Работы по проектированию ЯСУ выполнялись в КБ Н. Д. Кузнецова и в КБ А. М. Люльки. Самолеты проектировались в КБ А. Н. Туполева и КБ И. М. Мясищева. Работы по реактору выполнялись в Курчатовском институте под руководством А. П. Александрова. В КБ С. А. Лавочкина разрабатывался проект крылатой ракеты «Буря» с прямоточным ядерным двигателем.

В разработке были стратегические бомбардировщики-атомолеты М-60 и Ту-95ЛАЛ. Предполагалось, что атомолет будет взлетать на обычных двигателях, а затем включит ядерные. Перспективный атомный самолет (ПАС) М-60 разрабатывался под руководством Ю. Н. Труфанова. В 1956 году КБ закончило предварительный проект. В процессе разработки выяснилось, что дальность полета перестает играть решающую роль. Главным становятся высота и скорость. Был выбран турбореактивный двигатель на ядерном топливе «открытой» схемы. Масса кабины экипажа с защитой составила 30 % полетной массы. В связи с этим экипаж ограничили двумя пилотами.

В 1956 году специалисты СКБ-500 предложили два варианта атомных ТРД «открытой» схемы с равной тягой. Турбореактивный двигатель с атомным реактором (ТРДА) по конструкции напоминает обычный турбореактивный двигатель (ТРД). В ТРД тяга создается расширяющимися при сгорании керосина раскаленными газами, а в ТРДА воздух нагревается, проходя через реактор.

Рассматривалось два варианта компоновки ТРДА — «коромысло», при котором вал компрессора располагался вне реактора, и «соосный», где вал проходил по оси реактора. В первом варианте вал работал в щадящем режиме, во втором требовались специальные высокопрочные материалы. Но соосный вариант обеспечивал меньшие размеры двигателя. Поэтому одновременно прорабатывались варианты с обеими двигательными установками.

Первым в СССР самолетом с атомным двигателем должен был стать бомбардировщик М-60, разрабатываемый на основе существующего М-50. 

В марте 1957 года эскизный проект был готов. Бомбардировщик М-60 позиционировался как носитель крылатых ракет.

На приведенном рисунке изображены атомные воздушно-реактивные двигатели «открытой» схемы трех вариантов компоновки: соосной, «коромысло» и комбинированной. 

В первом варианте кольцевая активная зона реактора располагалась на месте камеры сгорания обычного ТРД. Во втором варианте реактор был вынесен за пределы двигателя. Наиболее перспективной была комбинированная схема, в которой атомный реактор ставился в форсажной камере ТРД. Такой двигатель мог работать и как обычный ТРД, и как ТРД с атомным форсажем, и как атомный прямоточный.

Одновременно прорабатывались варианты беспилотного самолета многоразового действия и сверхзвукового бомбардировщика для полетов на малых высотах. Проект ПАС М-60 стал первой в СССР попыткой применить атомные двигатели на летательном аппарате.

Самолет Ту-95ЛАЛ с работающим ядерным реактором на борту в 1961 году совершил серию летных испытаний с работающим реактором. Изучалось управление реактором в полете и эффективность биологической защиты. Выполнялись полеты как с горячим, так и с холодным реактором. Испытания Ту-95ЛАЛ показали высокую эффективность примененной системы радиационной защиты, но при этом она была громоздка, имела большой вес и требовала дальнейшего совершенствования. А главной опасностью атомного самолета была признана возможность его аварии и заражения больших пространств ядерными компонентами.

Дальнейшая судьба самолета Ту-95ЛАЛ похожа на судьбы многих других самолетов в Советском Союзе — он был уничтожен.

По результатам испытаний работы были продолжены в рамках экспериментального самолета-летающей лаборатории для натурных испытаний турбовинтовых двигателей с теплообменниками и ядерным реактором на борту Ту-119. Предполагалась большая длительность полета, ограниченная только возможностями экипажа.

По замыслу А. Н. Туполева, Ту-119 был призван играть переходную роль к самолету с четырьмя НК-14А, основное назначение которого — создание противолодочной обороны (ПЛО). Работу над самолетом намечалось начать во второй половине 1970-х. За основу планировали взять пассажирский Ту-114, в фюзеляж которого легко вписывались и реактор, и комплекс противолодочного вооружения. Программа предполагала проработку серии атомных сверхзвуковых тяжелых самолетов под единым обозначением «120» (Ту-120). Их планировали оснастить ядерными ТРД закрытого цикла разработки ОКБ Н. Д. Кузнецова. 

Первым в этом ряду должен был стать дальний бомбардировщик, близкий по назначению к Ту-22. Самолет выполнялся по нормальной аэродинамической схеме и представлял собой высокоплан со стреловидными крылом и оперением, велосипедным шасси, реактором с двумя двигателями в хвостовой части фюзеляжа, на максимальном удалении от кабины экипажа. Вторым проектом был маловысотный ударный самолет с низкорасположенным треугольным крылом. Третьим стал проект дальнего стратегического бомбардировщика.

Но туполевской программе, как и проектам В. М. Мясищева, не суждено было воплотиться в реальные конструкции. 

Закрытие атомной тематики в ОКБ А. Н. Туполева вовсе не означало отказа от ядерной силовой установки как таковой. СССР отказался лишь от использования атомного самолета в качестве средства доставки оружия массового поражения непосредственно к цели. Эту задачу возложили на баллистические ракеты, в том числе базирующиеся на подводных лодках. Субмарины могли скрытно месяцами дежурить у берегов Америки и в любой момент нанести молниеносный удар с близкого расстояния. США предприняли меры, направленные на борьбу с советскими подводными ракетоносцами, и лучшим средством такой борьбы оказались специально созданные атакующие подводные лодки. В ответ решили организовать охоту на эти скрытные и подвижные корабли в районах, удаленных на тысячи миль от берегов России. Было признано, что наиболее эффективно с такой задачей мог бы справиться достаточно большой противолодочный самолет с неограниченной дальностью полета, обеспечить которую мог только атомный реактор.

Сверхдальний самолет ПЛО было решено создавать на базе самого большого самолета в мире тех лет Ан-22 «Антей». 

В ОКБ О. К. Антонова на базе Ан-22 приступили к разработке сверхдальнего маловысотного самолета противолодочной обороны с ядерной силовой установкой. Она состояла из малогабаритного реактора с биозащитой, разработанного А. П. Александровым, распределительного узла, системы трубопроводов и специального ТВД конструкции Н. Д. Кузнецова. На взлете и посадке использовалось обычное топливо, а в полете работу силовых установок обеспечивал реактор. В АН-22 можно было установить более тяжелую и надежную защиту от излучения, соединить реактор и двигатели НК-12 по отработанной на Ту-95 схеме. Противолодочный атомолет мог охотиться за американскими субмаринами до двух недель. Первоначально самолет был оборудован точечным источником нейтронного излучения и многослойной защитной перегородкой. Позже на самолете установили небольшой атомный реактор в свинцовой оболочке. В 1970 году АН-22 с новым ядерным реактором совершил 23 полета.

Реализацию проекта затормозил министр авиационной промышленности П. В. Дементьев. 

Окончательная точка на проекте была поставлена в 1969 году. Практически законченная работа была не востребована и забыта. Но цель была достигнута. 

Со спадом международной напряженности в США и СССР от работ по созданию ядерного двигателя отказались. Поводом для закрытия проектов стала их дороговизна и сложность защиты экипажа от излучения, а также тот факт, что в случае крушения самолета последствия были бы катастрофическими. Развитие получили более дешевые технологии: дозаправка в воздухе лишила проект преимущества неограниченного полета, баллистические ракеты большой дальности и высокой точности — идею большого бомбардировщика. 

Реализации проекта самолета с атомным реактором помешали в том числе конец «холодной войны» и распад Советского Союза. Повторился мотив, довольно часто встречающийся в истории отечественной авиации: как только все готово к решению задачи, исчезла сама задача. 

А как же обстояли дела с разработкой ракет с ядерным двигателем? 

В ОКБ-301 С. А. Лавочкина в середине 1950-х прорабатывалась возможность установки на межконтинентальной крылатой ракете «Буря» прямоточного ядерного двигателя (аналогично американскому проекту Pluto). Место обычной камеры сгорания в этом двигателе занимал реактор, работавший по открытому циклу, — воздух протекал прямо сквозь активную зону. Разработка самой ракеты не была проблемой, но подвели «двигателисты». ОКБ М. М. Бондарюка не справилось с созданием прямоточного ядерного двигателя. Несмотря на сравнительную простоту, проектирование не получило сколько-нибудь значительного развития, а смерть С. А. Лавочкина в июне 1960 г. и вовсе поставила точку в этих работах. В 1960 году проект «Буря» был закрыт. 

В СССР также рассматривались два варианта одноступенчатых баллистических ракет и два варианта ракет-носителей с ЯРД. Ядерно-химическая ракета ЯХР-2 была скомпонована по пакетной схеме по типу «семерки». Шесть «боковушек» первой ступени имели в общей сложности 36 ЖРД НК-9 Н. Д. Кузнецова тягой по 52 тонны. На центральной второй ступени устанавливался ядерный двигатель тягой 140–170 тонн. При стартовой массе 850–880 тонн ракета ЯХР-2 была бы способна выводить на низкую орбиту полезный груз массой 35–40 тонн. Двигатели всех блоков ЯХР-2 запускались на Земле. При этом ЯРД выводился на «холостой» режим. Вывод на рабочий режим производился в полете за несколько секунд до отделения боковых ракетных блоков.

К началу 80-х были достигнуты существенные успехи в разработке высокоэффективных жидкостных ракетных двигателей, что наряду с отказом от планов освоения Луны и других ближайших планет Солнечной системы поставило под вопрос целесообразность создания ЯРД. Возникшие экономические трудности и «перестройка» привели к тому, что в 1988 году работы по ЯРД в СССР были полностью прекращены. 

В США исследования по проблеме создания ЯРД велись в Лос-Аламосской лаборатории с 1952 года. В 1957 году начались работы по программе «Ровер». В отличии от СССР, где велась поэлементная отработка ТВС и других элементов двигателя, в США пошли по пути создания и испытания реактора целиком. Первый реактор был испытан 1 июля 1959 года на полигоне в штате Невада. 

В США в 1958–1963 годах разрабатывался проект ракеты с импульсным ЯРД «Орион». Рассматривался вариант использования «Ориона» как средства доставки ядерных зарядов к цели. Но вскоре от этой идеи отказались.

Главное отличие советских ЯРД от американских в том, что они были гетерогенными. В гомогенных (однородных) реакторах ядерное топливо и замедлитель смешаны. В отечественном ЯРД ядерное топливо было сосредоточено в ТВЭЛах (отдельно от замедлителя) и было заключено в защитную оболочку. Замедлитель работал при меньших температурах, чем в американских реакторах. Это позволило отказаться от графита и использовать в качестве замедлителя гидрид циркония.

Возникает вопрос о том, как отнестись к тем колоссальным интеллектуальным и материальным затратам, которые понесли СССР и США, десятилетиями пытаясь создать атомный самолет? Вроде бы все впустую, но не совсем так. Конструкторы выполнили работу, зная, что сами никогда не воспользуются ее результатами, что эти результаты могут оказаться востребованными лишь в отдаленном будущем. Может быть, человечество вновь поставит перед собой задачу постройки летательного аппарата на ядерной энергии. И тогда будущие конструкторы смогут опереться на результаты труда наших современников. 

Ответ дал Президент Российской Федерации в послании Федеральному собранию.

Крылатая ракета с ядерной энергетической установкой, о которой в послании рассказал В. В. Путин, подтвердила, что работы над созданием атмосферного ядерного двигателя тайно велись на протяжении нескольких последних лет. Возможно, основой для них послужили наработки А. М. Люльки, полученные в рамках проекта атомолета М-60. 

В любом случае возникает вопрос, как конструкторам удалось создать компактный реактор, умещающийся в корпусе крылатой ракеты Х-101. Если это удалось сделать (современные материалы теоретически позволяют создавать очень компактные реакторы), то удалось ли решить проблему радиационного загрязнения атмосферы при полете ракеты? Ответа на эти вопросы пока нет. 

В настоящее время только США и Россия имеют опыт разработки и постройки твердофазных ЯРД, и в случае необходимости они смогут создать такие двигатели за короткое время.

Возобновление работ по программам полетов к Луне и Марсу возродило интерес к твердофазным ядерным ракетным двигателям. Использование ЯРД существенно расширяет границы изучения Солнечной системы, сокращает время, необходимое для достижения дальних планет. 

В опубликованном в феврале 2018 года обзоре ядерной политики США записано: «В дополнение к модернизации советских ядерных систем, Россия разрабатывает и вводит в действие новые ядерные боеголовки и средства запуска… Россия также разрабатывает по меньшей мере две новые межконтинентальные системы, гиперзвуковой планер (hypersonic glide vehicle), новую межконтинентальную, ядерную и с ядерным двигателем подводную автономную торпеду».

Упоминаются три типа из шести перечисленных В. В. Путиным вооружений. Лазерное оружие не является стратегическим и не вызывает особых дискуссий. Подводная торпеда — проект «Статус-6». Сюрпризом могла быть только крылатая ракета с ядерным двигателем. И именно эта ракета стала предметом наибольшего обсуждения. 

Потенциальные противники осознают невозможность получения преимущества за счет ограниченной ядерной эскалации, что снижает вероятность применения ядерного оружия.