De jaren vijftig van de vorige eeuw waren een periode van snelle ontwikkeling van nucleaire technologie. Supermachten bouwden hun kernarsenalen, bouwden kerncentrales, ijsbrekers, onderzeeërs en oorlogsschepen met onderweg kerncentrales. Nieuwe technologieën waren veelbelovend. De kernonderzeeër had bijvoorbeeld geen beperkingen op het vaarbereik in de ondergedompelde positie en het "bijtanken" van de energiecentrale kon om de paar jaar worden gedaan. Natuurlijk hadden kernreactoren ook nadelen, maar hun inherente voordelen compenseerden ruimschoots alle kosten van veiligheid. In de loop van de tijd interesseerde het grote potentieel van kernenergiesystemen niet alleen het commando van de marines, maar ook de militaire luchtvaart. Een vliegtuig met een reactor aan boord zou veel betere vliegeigenschappen kunnen hebben dan zijn tegenhangers op benzine of kerosine. Allereerst werd het leger aangetrokken door het theoretische vliegbereik van zo'n bommenwerper, transportvliegtuig of anti-onderzeeërvliegtuig.
Eind jaren veertig werden de voormalige bondgenoten in de oorlog met Duitsland en Japan - de VS en de USSR - plotseling bittere vijanden. De geografische kenmerken van de onderlinge ligging van beide landen vereisten de creatie van strategische bommenwerpers met een intercontinentaal bereik. De oude technologie was al niet in staat om de levering van atomaire munitie aan een ander continent te verzekeren, wat de creatie van nieuwe vliegtuigen, de ontwikkeling van rakettechnologie, enz. vereiste. Al in de jaren veertig rijpte het idee om een kernreactor op een vliegtuig te installeren in de hoofden van Amerikaanse ingenieurs. Berekeningen uit die tijd toonden aan dat een vliegtuig dat qua gewicht, grootte en vluchtparameters vergelijkbaar is met een B-29 bommenwerper minstens vijfduizend uur in de lucht zou kunnen zijn bij één tankbeurt met nucleaire brandstof. Met andere woorden, zelfs met de onvolmaakte technologieën van die tijd zou een kernreactor aan boord met slechts één tankbeurt een vliegtuig gedurende zijn hele levensduur van energie kunnen voorzien.
Het tweede voordeel van de hypothetische atomicolettes van die tijd waren de temperaturen die de reactor bereikte. Met het juiste ontwerp van een kerncentrale zou het mogelijk zijn om de bestaande turbojetmotoren te verbeteren door de werksubstantie te verwarmen met behulp van een reactor. Zo werd het mogelijk om de energie van de straalgassen van de motor en hun temperatuur te verhogen, wat zou leiden tot een aanzienlijke toename van de stuwkracht van een dergelijke motor. Als resultaat van alle theoretische overwegingen en berekeningen zijn vliegtuigen met kernmotoren in sommige hoofden veranderd in een universeel en onoverwinnelijk transportvoertuig voor atoombommen. Verder praktisch werk koelde echter het enthousiasme van dergelijke "dromers".
NEPA-programma
In 1946 opende het nieuw gevormde Amerikaanse ministerie van Defensie het NEPA-project (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft). Het doel van dit programma was om alle aspecten van geavanceerde kerncentrales voor vliegtuigen te bestuderen. Fairchild werd aangesteld als hoofdaannemer voor het NEPA-programma. Ze kreeg de opdracht om de vooruitzichten voor strategische bommenwerpers en hogesnelheidsverkenningsvliegtuigen uitgerust met kerncentrales te bestuderen, en om het uiterlijk van deze laatste vorm te geven. Medewerkers van Fairchild besloten om aan het programma te gaan werken met het meest urgente onderwerp: de veiligheid van piloten en onderhoudspersoneel. Hiervoor werd een capsule met enkele grammen radium in de laadruimte van de bommenwerper geplaatst die als vlieglaboratorium werd gebruikt. In plaats van een deel van de vaste bemanning namen de medewerkers van het bedrijf, "gewapend" met geigertellers, deel aan de experimentele vluchten. Ondanks de relatief kleine hoeveelheid radioactief metaal in het vrachtcompartiment, overschreed de achtergrondstraling het toelaatbare niveau in alle bewoonbare volumes van het vliegtuig. Als resultaat van deze onderzoeken moesten Fairchild-medewerkers aan de slag om te berekenen welke bescherming de reactor nodig zou hebben om een goede veiligheid te garanderen. Reeds voorlopige berekeningen hebben duidelijk aangetoond dat het B-29-vliegtuig een dergelijke massa eenvoudigweg niet zal kunnen vervoeren, en het volume van het bestaande vrachtcompartiment zal niet toelaten dat de reactor wordt geplaatst zonder de bommenrekken te demonteren. Met andere woorden, in het geval van de B-29 zou men moeten kiezen tussen een groot vliegbereik (en zelfs dan in een zeer verre toekomst) en op zijn minst een soort laadvermogen.
Verdere werkzaamheden aan de totstandkoming van een voorlopig ontwerp van een vliegtuigreactor stuitten op nieuwe en nieuwe problemen. Als gevolg van de onaanvaardbare parameters voor gewicht en grootte deden zich problemen voor met de besturing van de reactor tijdens de vlucht, de effectieve bescherming van de bemanning en de constructie, de overdracht van het vermogen van de reactor naar de propellers, enzovoort. Ten slotte bleek dat zelfs bij voldoende serieuze bescherming, straling van de reactor een negatieve invloed kan hebben op het vermogen van het vliegtuig en zelfs de smering van de motoren, om nog maar te zwijgen van de elektronische apparatuur en de bemanning. Volgens de resultaten van voorbereidend werk had het NEPA-programma tegen 1948, ondanks de uitgegeven tien miljoen dollar, zeer twijfelachtige resultaten. In de zomer van 48 werd op het Massachusetts Institute of Technology een besloten conferentie gehouden over de vooruitzichten voor kerncentrales voor vliegtuigen. Na een aantal geschillen en overleg kwamen de ingenieurs en wetenschappers die aan het evenement deelnamen tot de conclusie dat het in principe mogelijk was om een atoomvliegtuig te maken, maar de eerste vluchten werden pas toegeschreven aan het midden van de jaren zestig of zelfs aan een nog latere datum.
Op de conferentie van MIT werd de creatie aangekondigd van twee concepten voor geavanceerde kernmotoren, open en gesloten. De "open" kernstraalmotor was een soort conventionele turbostraalmotor, waarbij de binnenkomende lucht wordt verwarmd met behulp van een hete kernreactor. De hete lucht werd door het mondstuk naar buiten gegooid, terwijl tegelijkertijd de turbine ronddraaide. Deze laatste zetten de compressorwaaiers in beweging. De nadelen van een dergelijk systeem werden meteen besproken. Vanwege de noodzaak van luchtcontact met de verwarmingsdelen van de reactor, veroorzaakte de nucleaire veiligheid van het hele systeem speciale problemen. Bovendien moest de reactor van een dergelijke motor voor een acceptabele lay-out van het vliegtuig heel, heel klein zijn, wat het vermogen en het beschermingsniveau beïnvloedde.
Een nucleaire straalmotor van het gesloten type moest op een vergelijkbare manier werken, met het verschil dat de lucht in de motor zou opwarmen bij contact met de reactor zelf, maar in een speciale warmtewisselaar. Direct uit de reactor, in dit geval, werd voorgesteld om een bepaald koelmiddel te verwarmen, en de lucht moest op temperatuur komen bij contact met de radiatoren van het primaire circuit in de motor. De turbine en compressor bleven op hun plaats en werkten op precies dezelfde manier als op turbojets of open-type kernmotoren. De motor met gesloten circuit legde geen speciale beperkingen op aan de afmetingen van de reactor en maakte het mogelijk om de emissies naar het milieu aanzienlijk te verminderen. Aan de andere kant was een bijzonder probleem de keuze van een koelmiddel voor het overbrengen van de energie van de reactor naar de lucht. Verschillende koelvloeistoffen leverden niet de juiste efficiëntie en metalen moesten worden voorverwarmd voordat de motor werd gestart.
Tijdens de conferentie werden verschillende originele methoden voorgesteld om het niveau van bemanningsbescherming te verhogen. Allereerst betrof het het creëren van dragende elementen met een passend ontwerp, die de bemanning onafhankelijk zouden beschermen tegen de straling van de reactor. Minder optimistische wetenschappers stelden voor om piloten, of in ieder geval hun voortplantingsfunctie, niet te riskeren. Daarom was er een voorstel om een zo hoog mogelijk beschermingsniveau te bieden en bemanningen te rekruteren van oudere piloten. Ten slotte kwamen er ideeën om een veelbelovend atoomvliegtuig uit te rusten met een afstandsbedieningssysteem, zodat mensen tijdens de vlucht hun gezondheid helemaal niet in gevaar zouden brengen. Tijdens de bespreking van de laatste optie ontstond het idee om de bemanning in een klein zweefvliegtuig te plaatsen, dat achter het atoomaangedreven vliegtuig moest worden gesleept aan een kabel van voldoende lengte.
ANP-programma
De conferentie op het MIT, die als een soort brainstormsessie had gediend, had een positief effect op het verdere verloop van het programma voor de totstandkoming van atoomaangedreven vliegtuigen. Medio 1949 lanceerde het Amerikaanse leger een nieuw programma genaamd ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Het werkplan omvatte dit keer voorbereidingen voor de realisatie van een volwaardig vliegtuig met een kerncentrale aan boord. Wegens andere prioriteiten is de lijst van bij het programma betrokken ondernemingen gewijzigd. Zo werden Lockheed en Convair ingehuurd als de ontwikkelaars van het casco van een veelbelovend vliegtuig, en kregen General Electric en Pratt & Whitney de opdracht om Fairchilds werk aan de nucleaire straalmotor voort te zetten.
In de vroege stadia van het ANP-programma richtte de klant zich meer op een veiliger gesloten motor, maar General Electric voerde "outreach" naar militaire en overheidsfunctionarissen. Medewerkers van General Electric drongen aan op eenvoud en, als gevolg daarvan, lage prijs van een open motor. Ze slaagden erin de verantwoordelijken te overtuigen en als gevolg daarvan werd de drijfveer van het ANP-programma opgedeeld in twee onafhankelijke projecten: een "open" motor ontwikkeld door General Electric en een gesloten circuitmotor van Pratt & Whitney. Al snel was General Electric in staat om hun project door te drukken en er speciale prioriteit voor te krijgen, en als gevolg daarvan aanvullende financiering.
In de loop van het ANP-programma werd er nog een toegevoegd aan de reeds bestaande nucleaire motoropties. Deze keer werd voorgesteld om een motor te maken die qua structuur lijkt op een kerncentrale: de reactor verwarmt het water en de resulterende stoom drijft de turbine aan. Deze laatste brengt het vermogen over op de propeller. Een dergelijk systeem, met een lagere efficiëntie in vergelijking met andere, bleek het eenvoudigst en handigst voor de snelste productie. Desalniettemin werd deze versie van de energiecentrale voor atoomaangedreven vliegtuigen niet de belangrijkste. Na wat vergelijkingen besloten de opdrachtgever en de ANP-aannemers om door te gaan met het ontwikkelen van "open" en "gesloten" motoren, waarbij de stoomturbine als uitwijkmogelijkheid bleef.
Eerste monsters
In 1951-52 benaderde het ANP-programma de mogelijkheid om het eerste prototype vliegtuig te bouwen. De Convair YB-60 bommenwerper, die op dat moment in ontwikkeling was, werd als basis genomen, wat een grondige modernisering was van de B-36 met een geveegde vleugel en turbojetmotoren. De P-1 krachtcentrale is speciaal ontworpen voor de YB-60. Het was gebaseerd op een cilindrische eenheid met daarin een reactor. De nucleaire installatie leverde een thermisch vermogen van ongeveer 50 megawatt. Vier GE XJ53 turbojetmotoren waren via een leidingsysteem op de reactor aangesloten. Na de motorcompressor ging de lucht door de leidingen langs de reactorkern en werd daar opwarmend door het mondstuk naar buiten geslingerd. Berekeningen toonden aan dat lucht alleen niet voldoende zal zijn om de reactor te koelen, dus werden tanks en leidingen voor boorwateroplossing in het systeem geïntroduceerd. Alle energiecentralesystemen die op de reactor waren aangesloten, zouden in het achterste vrachtcompartiment van de bommenwerper worden gemonteerd, zo ver mogelijk van de bewoonbare volumes.
YB-60-prototype
Het is vermeldenswaard dat het ook de bedoeling was om de native turbojet-motoren op het YB-60-vliegtuig te laten. Het is een feit dat kernmotoren met open circuit het milieu vervuilen en niemand zou toestaan dat dit in de onmiddellijke nabijheid van vliegvelden of nederzettingen zou gebeuren. Bovendien had de kerncentrale vanwege technische kenmerken een slechte gasrespons. Daarom was het gebruik ervan alleen handig en acceptabel voor lange vluchten op kruissnelheid.
Een andere voorzorgsmaatregel, maar van een andere aard, was de oprichting van twee extra vlieglaboratoria. De eerste van hen, aangeduid als NB-36H en eigennaam Crusader ("Crusader"), was bedoeld om de veiligheid van de bemanning te controleren. Op de serie B-36 werd een cockpitsamenstel van twaalf ton geïnstalleerd, samengesteld uit dikke staalplaten, loden panelen en glas van 20 cm. Voor extra bescherming bevond zich achter de cabine een watertank met borium. In het staartgedeelte van de Crusader, op dezelfde afstand van de cockpit als op de YB-60, werd een experimentele ASTR-reactor (Aircraft Shield Test Reactor) met een vermogen van ongeveer één megawatt geïnstalleerd. De reactor werd gekoeld met water, dat de warmte van de kern overdroeg aan warmtewisselaars aan de buitenkant van de romp. De ASTR-reactor voerde geen praktische taak uit en werkte alleen als experimentele stralingsbron.
NB-36H (X-6)
Testvluchten van het NB-36H-laboratorium zagen er als volgt uit: de piloten tilden een vliegtuig met een gedempte reactor de lucht in, vlogen naar het testgebied boven de dichtstbijzijnde woestijn, waar alle experimenten werden uitgevoerd. Aan het einde van de experimenten werd de reactor uitgeschakeld en keerde het vliegtuig terug naar de basis. Samen met de Crusader vertrok een andere B-36 bommenwerper met instrumentatie en een transport met Marine parachutisten vanaf het vliegveld van Carswell. Bij een crash van een prototype vliegtuig moesten de mariniers naast het wrak landen, het gebied afzetten en meewerken aan het opheffen van de gevolgen van het ongeval. Gelukkig deden alle 47 vluchten met een werkende reactor het zonder een noodlanding. Testvluchten hebben aangetoond dat een nucleair aangedreven vliegtuig geen ernstige bedreiging vormt voor het milieu, uiteraard met een goede werking en zonder incidenten.
Het tweede vlieglaboratorium, genaamd X-6, zou ook worden omgebouwd van de B-36 bommenwerper. Ze zouden een cockpit in dit vliegtuig installeren, vergelijkbaar met de eenheid van de "Crusader", en een kerncentrale in het midden van de romp monteren. De laatste is ontworpen op basis van de P-1-eenheid en uitgerust met nieuwe GE XJ39-motoren, gemaakt op basis van de J47-turbojets. Elk van de vier motoren had een stuwkracht van 3100 kgf. Interessant is dat de kerncentrale een monoblok was dat was ontworpen om vlak voor de vlucht op een vliegtuig te worden gemonteerd. Na de landing was het de bedoeling om de X-6 in een speciaal uitgeruste hangar te rijden, de reactor met motoren te verwijderen en in een speciale opslagruimte te plaatsen. In deze fase van het werk werd ook een speciale zuiveringseenheid gecreëerd. Het feit is dat na het uitschakelen van de compressoren van de straalmotoren, de reactor niet meer met voldoende efficiëntie werd gekoeld en dat er een extra middel nodig was om de veilige uitschakeling van de reactor te garanderen.
Controle vóór de vlucht
Vóór de start van vluchten van vliegtuigen met een volwaardige kerncentrale, besloten Amerikaanse ingenieurs om passend onderzoek te doen in grondlaboratoria. In 1955 werd een experimentele installatie HTRE-1 (Heat Transfer Reactor Experiments) geassembleerd. De eenheid van vijftig ton werd geassembleerd op basis van een spoorplatform. Dus, voordat de experimenten beginnen, kan het van mensen worden weggenomen. De HTRE-1-eenheid gebruikte een afgeschermde compacte uraniumreactor met beryllium en kwik. Ook werden er twee JX39-motoren op het platform geplaatst. Ze werden gestart met het gebruik van kerosine, daarna bereikten de motoren de bedrijfssnelheid, waarna op bevel van het bedieningspaneel de lucht uit de compressor werd omgeleid naar het werkgebied van de reactor. Een typisch experiment met de HTRE-1 duurde enkele uren en simuleerde een lange vlucht van een bommenwerper. Tegen het midden van 56 bereikte de experimentele eenheid een thermisch vermogen van meer dan 20 megawatt.
HTRE-1
Vervolgens werd de HTRE-1-eenheid opnieuw ontworpen in overeenstemming met het bijgewerkte project, waarna deze HTRE-2 werd genoemd. De nieuwe reactor en nieuwe technische oplossingen zorgden voor een vermogen van 14 MW. De tweede versie van de experimentele energiecentrale was echter te groot voor installatie in vliegtuigen. Daarom begon in 1957 het ontwerp van het HTRE-3-systeem. Het was een sterk gemoderniseerd P-1-systeem, aangepast om te werken met twee turbojetmotoren. Het compacte en lichtgewicht HTRE-3-systeem leverde 35 megawatt thermisch vermogen. In het voorjaar van 1958 begonnen de tests van de derde versie van het grondtestcomplex, die alle berekeningen en, belangrijker nog, de vooruitzichten voor een dergelijke energiecentrale volledig bevestigden.
Moeilijk gesloten circuit
Terwijl General Electric prioriteit gaf aan open circuit motoren, verspilde Pratt & Whitney geen tijd aan het ontwikkelen van een eigen versie van een gesloten kerncentrale. Bij Pratt & Whitney begonnen ze meteen twee varianten van dergelijke systemen te onderzoeken. De eerste impliceerde de meest voor de hand liggende structuur en werking van de faciliteit: het koelmiddel circuleert in de kern en brengt warmte over naar het overeenkomstige deel van de straalmotor. In het tweede geval werd voorgesteld om nucleaire brandstof te malen en rechtstreeks in de koelvloeistof te plaatsen. In zo'n systeem zou de brandstof door het hele koelcircuit circuleren, maar kernsplijting zou alleen in de kern plaatsvinden. Het moest dit bereiken met behulp van de juiste vorm van het hoofdvolume van de reactor en pijpleidingen. Als resultaat van het onderzoek was het mogelijk om de meest effectieve vormen en afmetingen te bepalen van een dergelijk systeem van pijpleidingen voor het circuleren van het koelmiddel met brandstof, wat zorgde voor een efficiënte werking van de reactor en hielp om een goed niveau van bescherming tegen straling te bieden.
Tegelijkertijd bleek het circulerende brandstofsysteem te complex. Verdere ontwikkeling volgde voornamelijk het pad van "stationaire" brandstofelementen die werden gewassen door een metalen koelmiddel. Als laatste werden verschillende materialen overwogen, maar problemen met de corrosieweerstand van pijpleidingen en de circulatie van vloeibaar metaal lieten ons niet toe om stil te staan bij het metalen koelmiddel. Als gevolg hiervan moest de reactor worden ontworpen om sterk oververhit water te gebruiken. Volgens berekeningen zou het water in de reactor een temperatuur van ongeveer 810-820 ° moeten hebben bereikt. Om het vloeibaar te houden was het nodig om een druk van ongeveer 350 kg/cm2 in het systeem te creëren. Het systeem bleek erg complex, maar veel eenvoudiger en geschikter dan een reactor met een metalen koelmiddel. In 1960 had Pratt & Whitney het werk aan hun kerncentrale voor vliegtuigen voltooid. De voorbereidingen voor het testen van het voltooide systeem zijn gestart, maar deze tests hebben uiteindelijk niet plaatsgevonden.
Verdrietig einde
De NEPA- en ANP-programma's hebben bijgedragen aan het creëren van tientallen nieuwe technologieën, evenals een aantal interessante knowhow. Hun hoofddoel - de oprichting van een atoomvliegtuig - kon echter zelfs in 1960 niet binnen de komende jaren worden bereikt. In 1961 kwam J. Kennedy aan de macht, die onmiddellijk geïnteresseerd raakte in de vooruitgang in nucleaire technologie voor de luchtvaart. Aangezien die niet werden nageleefd en de kosten van de programma's volledig obscene waarden bereikten, bleek het lot van ANP en alle atoomaangedreven vliegtuigen een grote vraag. Meer dan anderhalf decennium werd meer dan een miljard dollar uitgegeven aan onderzoek, ontwerp en constructie van verschillende testunits. Tegelijkertijd was de bouw van een afgewerkt vliegtuig met een kerncentrale nog een verre toekomst. Natuurlijk zouden extra uitgaven van geld en tijd het atoomvliegtuig in de praktijk kunnen brengen. De regering-Kennedy besliste echter anders. De kosten van het ANP-programma liepen voortdurend op, maar er was geen resultaat. Bovendien hebben ballistische raketten hun hoge potentieel volledig bewezen. In de eerste helft van de 61e ondertekende de nieuwe president een document volgens welke alle werkzaamheden aan atoomaangedreven vliegtuigen hadden moeten worden stopgezet. Het is vermeldenswaard dat het Pentagon kort daarvoor, in het 60e jaar, een controversiële beslissing nam, volgens welke alle werkzaamheden aan open-type energiecentrales werden stopgezet en alle financiering werd toegewezen aan "gesloten" systemen.
Ondanks enig succes op het gebied van het bouwen van kerncentrales voor de luchtvaart, werd het ANP-programma als mislukt beschouwd. Gelijktijdig met ANP werden enige tijd kernmotoren voor veelbelovende raketten ontwikkeld. Deze projecten hebben echter niet het verwachte resultaat opgeleverd. Na verloop van tijd werden ze ook gesloten en werden de werkzaamheden in de richting van kerncentrales voor vliegtuigen en raketten volledig stopgezet. Van tijd tot tijd probeerden verschillende particuliere bedrijven dergelijke ontwikkelingen op eigen initiatief door te voeren, maar geen van deze projecten kreeg overheidssteun. Het Amerikaanse leiderschap, dat het vertrouwen had verloren in de vooruitzichten van atoomaangedreven vliegtuigen, begon kerncentrales te ontwikkelen voor de vloot en kerncentrales.
