Die fünfziger Jahre des letzten Jahrhunderts waren eine Zeit der rasanten Entwicklung der Nukleartechnologie. Supermächte bauten ihre Atomarsenale, bauten Atomkraftwerke, Eisbrecher, U-Boote und Kriegsschiffe mit Atomkraftwerken auf dem Weg. Neue Technologien waren vielversprechend. Zum Beispiel hatte das Atom-U-Boot keine Beschränkung der Reichweite in der Unterwasserposition, und das „Betanken“des Kraftwerks konnte alle paar Jahre erfolgen. Natürlich hatten Kernreaktoren auch Nachteile, aber ihre inhärenten Vorteile glichen alle Kosten der Sicherheit mehr als aus. Im Laufe der Zeit interessierte das hohe Potenzial der Kernkraftsysteme nicht nur die Führung der Marinen, sondern auch die militärische Luftfahrt. Ein Flugzeug mit einem Reaktor an Bord könnte viel bessere Flugeigenschaften haben als seine Gegenstücke mit Benzin oder Kerosin. Zuallererst wurde das Militär von der theoretischen Flugreichweite eines solchen Bombers, Transportflugzeugs oder U-Boot-Abwehrflugzeugs angezogen.
Ende der 1940er Jahre wurden die ehemaligen Verbündeten im Krieg mit Deutschland und Japan - die USA und die UdSSR - plötzlich zu erbitterten Feinden. Die geografischen Gegebenheiten der gemeinsamen Lage beider Länder erforderten die Schaffung strategischer Bomber mit interkontinentaler Reichweite. Die alte Technologie war bereits nicht in der Lage, die Lieferung von Atommunition auf einen anderen Kontinent sicherzustellen, was die Entwicklung neuer Flugzeuge, die Entwicklung der Raketentechnologie usw. erforderte. Bereits in den vierziger Jahren war die Idee, einen Atomreaktor in einem Flugzeug zu installieren, in den Köpfen amerikanischer Ingenieure reif. Berechnungen von damals zeigten, dass ein Flugzeug, das in Gewicht, Größe und Flugparametern mit einem B-29-Bomber vergleichbar ist, bei einer Betankung mit Kernbrennstoff mindestens fünftausend Stunden in der Luft verbringen konnte. Mit anderen Worten, selbst mit den unvollkommenen Technologien von damals könnte ein Atomreaktor an Bord mit nur einer Betankung ein Flugzeug über die gesamte Lebensdauer mit Energie versorgen.
Der zweite Vorteil der damaligen hypothetischen Atomicolettes waren die vom Reaktor erreichten Temperaturen. Bei richtiger Auslegung eines Kernkraftwerks wäre es möglich, die bestehenden Turbojet-Triebwerke durch Aufheizen des Arbeitsstoffes mit Hilfe eines Reaktors zu verbessern. Dadurch wurde es möglich, die Energie der Strahlgase des Triebwerks und deren Temperatur zu erhöhen, was zu einer deutlichen Schubsteigerung eines solchen Triebwerks führen würde. Als Ergebnis aller theoretischen Überlegungen und Berechnungen haben sich Flugzeuge mit Atomtriebwerken in einigen Köpfen zu einem universellen und unbesiegbaren Trägerfahrzeug für Atombomben entwickelt. Die weitere praktische Arbeit kühlte jedoch die Begeisterung solcher "Träumer" ab.
NEPA-Programm
Bereits 1946 eröffnete das neu gegründete US-Verteidigungsministerium das Projekt NEPA (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft). Das Ziel dieses Programms war es, alle Aspekte moderner Kernkraftwerke für Flugzeuge zu untersuchen. Fairchild wurde zum Hauptauftragnehmer für das NEPA-Programm ernannt. Sie wurde beauftragt, die Perspektiven für strategische Bomber und Hochgeschwindigkeits-Aufklärungsflugzeuge mit Kernkraftwerken zu studieren und deren Erscheinungsbild zu gestalten. Die Mitarbeiter von Fairchild beschlossen, mit der Arbeit an dem Programm mit dem dringendsten Thema zu beginnen: der Sicherheit von Piloten und Wartungspersonal. Dazu wurde eine Kapsel mit mehreren Gramm Radium im Frachtraum des als fliegendes Labor genutzten Bombers platziert. Anstelle eines Teils der regulären Besatzung nahmen die mit Geigerzählern "bewaffneten" Mitarbeiter des Unternehmens an den Versuchsflügen teil. Trotz der relativ geringen Menge an radioaktivem Metall im Frachtraum überstieg die Hintergrundstrahlung in allen bewohnbaren Volumina des Flugzeugs den zulässigen Wert. Als Ergebnis dieser Studien mussten die Mitarbeiter von Fairchild an die Berechnungen gehen und herausfinden, welchen Schutz der Reaktor benötigen würde, um eine angemessene Sicherheit zu gewährleisten. Bereits vorläufige Berechnungen haben eindeutig gezeigt, dass das B-29-Flugzeug eine solche Masse einfach nicht tragen kann und das Volumen des vorhandenen Frachtraums es nicht zulässt, den Reaktor ohne Demontage der Bombenständer zu platzieren. Mit anderen Worten, bei der B-29 müsste man sich zwischen einer großen Flugreichweite (und selbst dann noch in sehr ferner Zukunft) und zumindest einer Art Nutzlast entscheiden.
Weitere Arbeiten zur Erstellung eines vorläufigen Entwurfs eines Flugzeugreaktors stießen auf neue und neue Probleme. Aufgrund der inakzeptablen Gewichts- und Größenparameter traten Schwierigkeiten bei der Steuerung des Reaktors im Flug, dem wirksamen Schutz der Besatzung und der Struktur, der Kraftübertragung vom Reaktor auf die Propeller usw. auf. Schließlich stellte sich heraus, dass die Strahlung des Reaktors selbst bei ausreichend ernsthaftem Schutz die Leistung des Flugzeugs und sogar die Schmierung der Triebwerke negativ beeinflussen kann, ganz zu schweigen von der elektronischen Ausrüstung und der Besatzung. Nach den Ergebnissen der Vorarbeiten hatte das NEPA-Programm 1948 trotz der ausgegebenen zehn Millionen Dollar sehr zweifelhafte Ergebnisse. Im Sommer 48 fand am Massachusetts Institute of Technology eine geschlossene Konferenz zum Thema Perspektiven von Atomkraftwerken für Flugzeuge statt. Nach etlichen Auseinandersetzungen und Beratungen kamen die an der Veranstaltung beteiligten Ingenieure und Wissenschaftler zu dem Schluss, dass es prinzipiell möglich sei, ein Atomflugzeug zu bauen, dessen Erstflüge aber erst Mitte der sechziger Jahre oder sogar noch später zugeschrieben wurden Datum.
Auf der MIT-Konferenz wurde die Entwicklung von zwei Konzepten für fortschrittliche Nuklearmotoren angekündigt, offene und geschlossene. Das "offene" Kernstrahltriebwerk war eine Art konventionelles Turbojet-Triebwerk, bei dem die einströmende Luft mit einem heißen Kernreaktor erhitzt wird. Die heiße Luft wurde durch die Düse ausgestoßen und gleichzeitig die Turbine gedreht. Letztere setzen die Verdichterräder in Bewegung. Die Nachteile eines solchen Systems wurden sofort diskutiert. Aufgrund des notwendigen Luftkontakts mit den Heizteilen des Reaktors stellte sich die nukleare Sicherheit des Gesamtsystems vor besondere Probleme. Darüber hinaus musste der Reaktor eines solchen Triebwerks für ein akzeptables Layout des Flugzeugs sehr, sehr klein sein, was sich auf seine Leistung und sein Schutzniveau auswirkte.
Ein geschlossenes Kernstrahltriebwerk musste ähnlich arbeiten, mit dem Unterschied, dass sich die Luft im Inneren des Triebwerks beim Kontakt mit dem Reaktor selbst, jedoch in einem speziellen Wärmetauscher, erwärmte. Direkt aus dem Reaktor wurde in diesem Fall vorgeschlagen, ein bestimmtes Kühlmittel zu erhitzen, und die Luft musste beim Kontakt mit den Kühlern des Primärkreislaufs im Inneren des Motors Temperatur gewinnen. Turbine und Verdichter blieben an Ort und Stelle und funktionierten genauso wie bei Turbojets oder offenen Nukleartriebwerken. Der Motor mit geschlossenem Kreislauf erlegte den Abmessungen des Reaktors keine besonderen Beschränkungen auf und ermöglichte es, die Emissionen in die Umwelt deutlich zu reduzieren. Ein besonderes Problem war hingegen die Auswahl eines Kühlmittels zur Übertragung der Reaktorenergie an die Luft. Verschiedene Kühlmittel-Flüssigkeiten boten nicht die richtige Effizienz, und Metalle mussten vor dem Starten des Motors vorgewärmt werden.
Während der Konferenz wurden mehrere originelle Methoden zur Erhöhung des Schutzniveaus der Besatzung vorgeschlagen. Dabei ging es zunächst um die Schaffung entsprechend ausgelegter Tragelemente, die die Besatzung selbstständig vor der Strahlung des Reaktors abschirmen. Weniger optimistische Wissenschaftler schlugen vor, Piloten oder zumindest ihre Fortpflanzungsfunktion nicht zu riskieren. Daher wurde vorgeschlagen, das höchstmögliche Schutzniveau zu gewährleisten und die Besatzungen von älteren Piloten zu rekrutieren. Schließlich tauchten Ideen auf, ein vielversprechendes Atomflugzeug mit einem Fernsteuerungssystem auszustatten, damit Menschen während des Fluges ihre Gesundheit überhaupt nicht gefährden. Bei der Diskussion der letzten Option kam die Idee auf, die Besatzung in einem kleinen Segelflugzeug unterzubringen, das an einem ausreichend langen Kabel hinter dem Atomflugzeug geschleppt werden sollte.
ANP-Programm
Die Konferenz am MIT, die als eine Art Brainstorming diente, wirkte sich positiv auf den weiteren Verlauf des Programms zur Entwicklung von Atomflugzeugen aus. Mitte 1949 startete das US-Militär ein neues Programm namens ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Diesmal beinhaltete der Arbeitsplan die Vorbereitungen für den Bau eines vollwertigen Flugzeugs mit einem Kernkraftwerk an Bord. Aufgrund anderer Prioritäten wurde die Liste der am Programm beteiligten Unternehmen geändert. So wurden Lockheed und Convair als Entwickler der Flugzeugzelle eines vielversprechenden Flugzeugs eingestellt, und General Electric und Pratt & Whitney wurden damit beauftragt, Fairchilds Arbeit am nuklearen Düsentriebwerk fortzusetzen.
In den frühen Stadien des ANP-Programms konzentrierte sich der Kunde mehr auf einen sichereren geschlossenen Motor, aber General Electric führte eine "Ansprache" bei Militär- und Regierungsbeamten durch. Die Mitarbeiter von General Electric drängten auf Einfachheit und damit auf die Billigkeit eines offenen Motors. Es gelang ihnen, die Verantwortlichen zu überzeugen, und so wurde die treibende Kraft des ANP-Programms in zwei unabhängige Projekte aufgeteilt: ein von General Electric entwickelter "offener" Motor und ein geschlossener Kreislaufmotor von Pratt & Whitney. Bald konnte General Electric ihr Projekt durchsetzen und erhielt dafür eine besondere Priorität und dadurch zusätzliche Mittel.
Im Zuge des ANP-Programms wurde eine weitere zu den bereits bestehenden Nuklearantriebsoptionen hinzugefügt. Diesmal wurde vorgeschlagen, einen Motor zu bauen, der in seiner Struktur einem Kernkraftwerk ähnelt: Der Reaktor erhitzt das Wasser, und der entstehende Dampf treibt die Turbine an. Letztere überträgt die Kraft auf den Propeller. Ein solches System, das im Vergleich zu anderen eine geringere Effizienz aufweist, erwies sich als das einfachste und bequemste für die schnellste Produktion. Trotzdem wurde diese Version des Kraftwerks für Atomflugzeuge nicht die wichtigste. Nach einigen Vergleichen entschieden sich der Auftraggeber und die ANP-Auftragnehmer, „offene“und „geschlossene“Triebwerke weiter zu entwickeln und die Dampfturbine als Fallback zu belassen.
Erste Proben
In den Jahren 1951-52 näherte sich das ANP-Programm der Möglichkeit, das erste Prototyp-Flugzeug zu bauen. Als Grundlage dafür diente der damals entwickelte Bomber Convair YB-60, eine tiefgreifende Modernisierung der B-36 mit Pfeilflügel und Turbojet-Triebwerken. Das Kraftwerk P-1 wurde speziell für die YB-60 entwickelt. Es basierte auf einer zylindrischen Einheit mit einem Reaktor im Inneren. Die Kernanlage lieferte eine thermische Leistung von rund 50 Megawatt. Vier GE XJ53-Turbojet-Triebwerke waren über ein Rohrleitungssystem mit dem Reaktor verbunden. Nach dem Triebwerkskompressor strömte die Luft durch die Rohre am Reaktorkern vorbei und wurde dort erwärmt und durch die Düse ausgestoßen. Berechnungen zeigten, dass Luft allein nicht ausreicht, um den Reaktor zu kühlen, daher wurden Tanks und Rohre für Borwasserlösung in das System eingeführt. Alle an den Reaktor angeschlossenen Kraftwerkssysteme sollten im hinteren Laderaum des Bombers so weit wie möglich von den bewohnbaren Volumina entfernt montiert werden.
YB-60-Prototyp
Es ist erwähnenswert, dass auch geplant war, die nativen Turbojet-Triebwerke auf den YB-60-Flugzeugen zu belassen. Tatsache ist, dass Kernkraftwerke mit offenem Kreislauf die Umwelt verschmutzen und dies in unmittelbarer Nähe von Flugplätzen oder Siedlungen niemand zulassen würde. Darüber hinaus hatte das Kernkraftwerk aufgrund technischer Merkmale eine schlechte Gasannahme. Daher war seine Verwendung nur für lange Flüge mit Reisegeschwindigkeit bequem und akzeptabel.
Eine weitere Vorsichtsmaßnahme, jedoch anderer Art, war die Einrichtung von zwei zusätzlichen Fluglabors. Der erste von ihnen mit der Bezeichnung NB-36H und dem richtigen Namen Crusader ("Crusader") sollte die Sicherheit der Besatzung überprüfen. Auf der Serie B-36 wurde eine zwölf Tonnen schwere Cockpit-Baugruppe installiert, die aus dicken Stahlplatten, Bleiplatten und 20-cm-Glas zusammengesetzt war. Als zusätzlichen Schutz befand sich hinter der Kabine ein Wassertank mit Bor. Im Heckbereich der Crusader, im gleichen Abstand vom Cockpit wie bei der YB-60, wurde ein experimenteller ASTR-Reaktor (Aircraft Shield Test Reactor) mit einer Leistung von etwa einem Megawatt installiert. Der Reaktor wurde mit Wasser gekühlt, das die Wärme des Kerns an Wärmetauscher an der Außenfläche des Rumpfes übertrug. Der ASTR-Reaktor erfüllte keine praktische Aufgabe und diente nur als experimentelle Strahlungsquelle.
NB-36H (X-6)
Testflüge des NB-36H-Labors sahen so aus: Die Piloten hoben ein Flugzeug mit einem gedämpften Reaktor in die Luft, flogen zum Testgelände über die nächste Wüste, wo alle Experimente durchgeführt wurden. Am Ende der Experimente wurde der Reaktor abgeschaltet und das Flugzeug kehrte zur Basis zurück. Zusammen mit der Crusader startete ein weiterer B-36-Bomber mit Instrumentierung und ein Transport mit Marine-Fallschirmjägern vom Flugplatz Carswell. Bei einem Absturz eines Flugzeugprototyps sollten die Marines neben dem Wrack landen, das Gebiet absperren und an der Beseitigung der Unfallfolgen mitwirken. Glücklicherweise kamen alle 47 Flüge mit funktionierendem Reaktor ohne Notlandung aus. Testflüge haben gezeigt, dass ein atomgetriebenes Flugzeug bei ordnungsgemäßem Betrieb und ohne Zwischenfälle natürlich keine ernsthafte Gefahr für die Umwelt darstellt.
Das zweite fliegende Labor mit der Bezeichnung X-6 sollte ebenfalls vom B-36-Bomber umgebaut werden. Sie sollten in diesem Flugzeug ein Cockpit ähnlich der Einheit des "Crusader" installieren und ein Kernkraftwerk in der Mitte des Rumpfes montieren. Letzteres wurde auf Basis der P-1-Einheit konstruiert und mit neuen GE XJ39-Triebwerken ausgestattet, die auf der Grundlage der J47-Turbojets erstellt wurden. Jedes der vier Triebwerke hatte einen Schub von 3100 kgf. Interessanterweise war das Kernkraftwerk ein Monoblock, der kurz vor dem Flug in ein Flugzeug eingebaut werden sollte. Nach der Landung war geplant, die X-6 in einen speziell ausgestatteten Hangar zu fahren, den Reaktor mit Motoren zu entfernen und in ein spezielles Lager zu legen. In diesem Arbeitsschritt wurde auch eine spezielle Spüleinheit geschaffen. Tatsache ist, dass der Reaktor nach dem Abschalten der Kompressoren der Strahltriebwerke nicht mehr mit ausreichender Effizienz gekühlt wurde und ein zusätzliches Mittel zur Gewährleistung des sicheren Abschaltens des Reaktors erforderlich war.
Vorflugkontrolle
Vor dem Beginn der Flüge von Flugzeugen mit einem vollwertigen Kernkraftwerk beschlossen amerikanische Ingenieure, entsprechende Forschungen in bodengestützten Labors durchzuführen. 1955 wurde eine Versuchsanlage HTRE-1 (Heat Transfer Reactor Experiments) aufgebaut. Die fünfzig Tonnen schwere Einheit wurde auf der Basis eines Bahnsteigs montiert. So konnte es vor Beginn der Experimente den Menschen weggenommen werden. Die HTRE-1-Einheit verwendet einen abgeschirmten kompakten Uranreaktor mit Beryllium und Quecksilber. Außerdem wurden zwei JX39-Triebwerke auf der Plattform platziert. Sie wurden mit Kerosin gestartet, dann erreichten die Motoren die Betriebsdrehzahl, wonach auf Befehl des Bedienfelds die Luft aus dem Kompressor in den Arbeitsbereich des Reaktors umgeleitet wurde. Ein typisches Experiment mit dem HTRE-1 dauerte mehrere Stunden und simulierte einen langen Flug eines Bombers. Mitte 56 erreichte die Versuchsanlage eine thermische Leistung von über 20 Megawatt.
HTRE-1
Anschließend wurde die HTRE-1-Einheit gemäß dem aktualisierten Projekt umgestaltet und erhielt den Namen HTRE-2. Der neue Reaktor und neue technische Lösungen lieferten eine Leistung von 14 MW. Die zweite Version des Versuchskraftwerks war jedoch zu groß für den Einbau in Flugzeuge. Daher begann 1957 die Entwicklung des HTRE-3-Systems. Es war ein tief modernisiertes P-1-System, das an zwei Turbojet-Triebwerke angepasst war. Das kompakte und leichte HTRE-3-System lieferte 35 Megawatt thermische Leistung. Im Frühjahr 1958 begannen die Tests der dritten Version des Bodentestkomplexes, die alle Berechnungen und vor allem die Aussichten für ein solches Kraftwerk vollständig bestätigten.
Schwieriger geschlossener Kreislauf
Während General Electric offene Motoren priorisierte, verschwendete Pratt & Whitney keine Zeit mit der Entwicklung einer eigenen Version eines geschlossenen Kernkraftwerks. Bei Pratt & Whitney begannen sie sofort, zwei Varianten solcher Systeme zu untersuchen. Die erste implizierte den offensichtlichsten Aufbau und die Funktionsweise der Anlage: Das Kühlmittel zirkuliert im Kern und überträgt die Wärme an den entsprechenden Teil des Strahltriebwerks. Im zweiten Fall wurde vorgeschlagen, Kernbrennstoff zu mahlen und direkt in das Kühlmittel zu geben. In einem solchen System würde der Brennstoff im gesamten Kühlmittelkreislauf zirkulieren, die Kernspaltung würde jedoch nur im Kern erfolgen. Dies sollte mit Hilfe der richtigen Form des Hauptvolumens des Reaktors und der Rohrleitungen erreicht werden. Als Ergebnis der Forschung war es möglich, die effektivsten Formen und Größen eines solchen Rohrleitungssystems für die Umwälzung des Kühlmittels mit Brennstoff zu bestimmen, das den effizienten Betrieb des Reaktors gewährleistet und zu einem guten Strahlenschutz beiträgt.
Gleichzeitig erwies sich das zirkulierende Kraftstoffsystem als zu komplex. Die Weiterentwicklung erfolgte hauptsächlich auf dem Weg "stationärer" Brennelemente, die von einem metallischen Kühlmittel umspült wurden. Als letzteres wurden verschiedene Materialien in Betracht gezogen, jedoch ließen uns Schwierigkeiten mit der Korrosionsbeständigkeit von Rohrleitungen und die Bereitstellung von flüssigem Metall nicht auf das Metallkühlmittel eingehen. Daher musste der Reaktor für den Einsatz von stark überhitztem Wasser ausgelegt werden. Nach Berechnungen soll das Wasser im Reaktor eine Temperatur von etwa 810-820 ° erreicht haben. Um es in flüssigem Zustand zu halten, musste im System ein Druck von ca. 350 kg / cm2 erzeugt werden. Das System erwies sich als sehr komplex, aber viel einfacher und geeigneter als ein Reaktor mit einem metallischen Kühlmittel. Bis 1960 hatten Pratt & Whitney die Arbeiten an ihrem Atomkraftwerk für Flugzeuge abgeschlossen. Die Vorbereitungen für den Test des fertigen Systems begannen, aber diese Tests fanden am Ende nicht statt.
Trauriges Ende
Die NEPA- und ANP-Programme haben dazu beigetragen, Dutzende neuer Technologien sowie eine Reihe interessanter Know-hows zu entwickeln. Ihr Hauptziel – die Schaffung eines Atomflugzeugs – konnte jedoch auch 1960 in den nächsten Jahren nicht erreicht werden. 1961 kam J. Kennedy an die Macht, der sich sofort für Fortschritte in der Nukleartechnologie für die Luftfahrt interessierte. Da diese nicht eingehalten wurden und die Kosten der Programme völlig obszöne Werte erreichten, stellte sich das Schicksal der ANP und aller Atomflugzeuge als große Frage heraus. Über eineinhalb Jahrzehnte wurden mehr als eine Milliarde Dollar für Forschung, Design und Bau verschiedener Testeinheiten ausgegeben. Gleichzeitig lag der Bau eines fertigen Flugzeugs mit Kernkraftwerk noch in ferner Zukunft. Natürlich könnte ein zusätzlicher Geld- und Zeitaufwand das Atomflugzeug zum praktischen Einsatz bringen. Die Kennedy-Administration entschied jedoch anders. Die Kosten des ANP-Programms stiegen ständig, aber es gab kein Ergebnis. Darüber hinaus haben ballistische Flugkörper ihr hohes Potenzial voll unter Beweis gestellt. In der ersten Hälfte des 61. unterzeichnete der neue Präsident ein Dokument, wonach alle Arbeiten an Atomflugzeugen hätten eingestellt werden sollen. Es ist erwähnenswert, dass das Pentagon kurz zuvor, im 60. Jahr, eine umstrittene Entscheidung getroffen hat, wonach alle Arbeiten an offenen Kraftwerken eingestellt und alle Mittel für „geschlossene“Systeme bereitgestellt wurden.
Trotz einiger Erfolge bei der Errichtung von Kernkraftwerken für die Luftfahrt galt das ANP-Programm als erfolglos. Zeitgleich mit ANP wurden seit einiger Zeit Nukleartriebwerke für vielversprechende Raketen entwickelt. Diese Projekte brachten jedoch nicht das erwartete Ergebnis. Im Laufe der Zeit wurden auch sie geschlossen und die Arbeiten in Richtung Atomkraftwerke für Flugzeuge und Raketen komplett eingestellt. Von Zeit zu Zeit versuchten verschiedene private Unternehmen, solche Entwicklungen auf eigene Faust durchzuführen, aber keines dieser Projekte erhielt staatliche Unterstützung. Die amerikanische Führung, die das Vertrauen in die Aussichten von Atomflugzeugen verloren hatte, begann mit der Entwicklung von Atomkraftwerken für die Flotte und Atomkraftwerken.
