Os anos cinquenta do século passado foram um período de rápido desenvolvimento da tecnologia nuclear. As superpotências construíram seus arsenais nucleares, construindo usinas nucleares, quebra-gelos, submarinos e navios de guerra com usinas nucleares ao longo do caminho. As novas tecnologias eram uma grande promessa. Por exemplo, o submarino nuclear não tinha nenhuma restrição ao alcance de cruzeiro na posição submersa, e o “reabastecimento” da usina poderia ser feito a cada poucos anos. Claro, os reatores nucleares também tinham desvantagens, mas suas vantagens inerentes mais do que compensavam todos os custos de segurança. Com o tempo, o alto potencial dos sistemas de energia nuclear interessou não apenas ao comando das marinhas, mas também à aviação militar. Uma aeronave com um reator a bordo poderia ter características de vôo muito melhores do que suas contrapartes a gasolina ou querosene. Em primeiro lugar, os militares foram atraídos pelo alcance teórico de voo desse bombardeiro, aeronave de transporte ou aeronave anti-submarina.
No final dos anos 1940, os ex-aliados na guerra com a Alemanha e o Japão - os EUA e a URSS - de repente tornaram-se inimigos ferrenhos. As características geográficas da localização mútua de ambos os países exigiram a criação de bombardeiros estratégicos com alcance intercontinental. A velha tecnologia já não era capaz de garantir o envio de munições atômicas para outro continente, o que exigia a criação de novas aeronaves, o desenvolvimento de tecnologia de foguetes, etc. Já na década de 40, a ideia de instalar um reator nuclear em uma aeronave estava madura nas mentes dos engenheiros americanos. Cálculos daquela época mostraram que uma aeronave comparável em peso, tamanho e parâmetros de vôo com um bombardeiro B-29 poderia passar pelo menos cinco mil horas no ar em um reabastecimento com combustível nuclear. Ou seja, mesmo com as tecnologias imperfeitas da época, um reator nuclear a bordo com apenas um reabastecimento poderia fornecer energia a uma aeronave durante toda a sua vida útil.
A segunda vantagem das hipotéticas atomicoletas da época eram as temperaturas atingidas pelo reator. Com o projeto correto de uma usina nuclear, seria possível melhorar os motores turbojato existentes aquecendo a substância de trabalho com a ajuda de um reator. Assim, tornou-se possível aumentar a energia dos gases de jato do motor e sua temperatura, o que levaria a um aumento significativo do empuxo desse motor. Como resultado de todas as considerações e cálculos teóricos, aeronaves com motores nucleares em alguns cabeçotes se tornaram um veículo universal e invencível de lançamento de bombas atômicas. No entanto, o trabalho prático posterior esfriou o ardor desses "sonhadores".
Programa NEPA
Em 1946, o recém-formado Departamento de Defesa dos Estados Unidos abriu o projeto NEPA (Energia Nuclear para Propulsão de Aeronaves). O objetivo deste programa era estudar todos os aspectos das usinas nucleares avançadas para aeronaves. Fairchild foi nomeado o contratante principal para o programa NEPA. Ela foi instruída a estudar as perspectivas de bombardeiros estratégicos e aeronaves de reconhecimento de alta velocidade equipadas com usinas nucleares, bem como moldar a aparência destes últimos. Os funcionários da Fairchild decidiram começar a trabalhar no programa com o problema mais urgente: a segurança dos pilotos e do pessoal de manutenção. Para isso, uma cápsula com vários gramas de rádio foi colocada no compartimento de carga do bombardeiro usado como laboratório voador. Em vez de fazerem parte da tripulação regular, os funcionários da empresa, "armados" com contadores Geiger, participaram dos voos experimentais. Apesar da quantidade relativamente pequena de metal radioativo no compartimento de carga, a radiação de fundo excedeu o nível permitido em todos os volumes habitáveis da aeronave. Como resultado desses estudos, os funcionários da Fairchild tiveram que começar a fazer os cálculos e descobrir qual proteção o reator precisaria para garantir a segurança adequada. Cálculos preliminares já mostraram claramente que a aeronave B-29 simplesmente não será capaz de transportar tal massa, e o volume do compartimento de carga existente não permitirá que o reator seja colocado sem desmontar os porta-bombas. Ou seja, no caso do B-29, seria preciso escolher entre um longo alcance de vôo (e mesmo assim, em um futuro muito distante) e pelo menos algum tipo de carga útil.
O trabalho posterior na criação de um projeto preliminar de um reator de aeronave encontrou novos e novos problemas. Seguindo os parâmetros de peso e tamanho inaceitáveis, surgiram dificuldades com o controle do reator em vôo, a proteção efetiva da tripulação e da estrutura, a transferência de energia do reator para as hélices, e assim por diante. Por fim, constatou-se que mesmo com proteção suficientemente séria, a radiação do reator pode afetar negativamente o conjunto de potência da aeronave e até mesmo a lubrificação dos motores, sem falar nos equipamentos eletrônicos e na tripulação. De acordo com os resultados do trabalho preliminar, o programa NEPA em 1948, apesar dos dez milhões de dólares gastos, teve resultados muito duvidosos. No verão de 48, uma conferência fechada foi realizada no Massachusetts Institute of Technology sobre o tema das perspectivas de usinas nucleares para aeronaves. Depois de uma série de disputas e consultas, os engenheiros e cientistas participantes do evento chegaram à conclusão de que era em princípio possível criar uma aeronave atômica, mas seus primeiros voos foram atribuídos apenas a meados dos anos 60 ou mesmo a um mesmo posterior encontro.
Na conferência do MIT, foi anunciada a criação de dois conceitos para motores nucleares avançados, abertos e fechados. O motor a jato nuclear "aberto" era um tipo de motor turbojato convencional, no qual o ar que entrava é aquecido usando um reator nuclear quente. O ar quente era expelido pelo bico, girando simultaneamente a turbina. Este último acionou os impulsores do compressor. As desvantagens de tal sistema foram imediatamente discutidas. Devido à necessidade de contato do ar com as partes de aquecimento do reator, a segurança nuclear de todo o sistema causou problemas especiais. Além disso, para um layout aceitável da aeronave, o reator de tal motor tinha que ser muito, muito pequeno, o que afetava sua potência e nível de proteção.
Um motor a jato nuclear do tipo fechado precisava funcionar de maneira semelhante, com a diferença de que o ar dentro do motor esquentaria ao entrar em contato com o próprio reator, mas em um trocador de calor especial. Diretamente do reator, neste caso, foi proposto aquecer um determinado refrigerante, e o ar teve que ganhar temperatura ao entrar em contato com os radiadores do circuito primário dentro do motor. A turbina e o compressor permaneceram no lugar e operaram exatamente da mesma maneira que nos turbojatos ou motores nucleares abertos. O motor em circuito fechado não impôs restrições especiais às dimensões do reator e permitiu reduzir significativamente as emissões para o meio ambiente. Por outro lado, um problema especial era a seleção de um refrigerante para transferir a energia do reator para o ar. Vários líquidos refrigerantes não forneciam a eficiência adequada, e os de metal exigiam pré-aquecimento antes de ligar o motor.
Durante a conferência, vários métodos originais foram propostos para aumentar o nível de proteção da tripulação. Em primeiro lugar, diziam respeito à criação de elementos de suporte de carga com um design adequado, que protegessem de forma independente a tripulação da radiação do reator. Cientistas menos otimistas sugeriram não arriscar os pilotos, ou pelo menos sua função reprodutiva. Portanto, houve uma proposta para fornecer o mais alto nível possível de proteção e recrutar tripulações de pilotos idosos. Finalmente, surgiram ideias sobre equipar uma promissora aeronave atômica com um sistema de controle remoto para que as pessoas durante o voo não arriscassem sua saúde de forma alguma. Durante a discussão da última opção, surgiu a idéia de colocar a tripulação em um pequeno planador, que deveria ser rebocado pela aeronave de propulsão atômica por um cabo de comprimento suficiente.
Programa ANP
A conferência no MIT, tendo servido como uma espécie de sessão de brainstorming, teve um efeito positivo no curso posterior do programa para a criação de aeronaves de propulsão atômica. Em meados de 1949, os militares americanos lançaram um novo programa denominado ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Desta vez, o plano de trabalho envolveu os preparativos para a criação de uma aeronave completa com uma usina nuclear a bordo. Devido a outras prioridades, a lista de empresas envolvidas no programa foi alterada. Assim, Lockheed e Convair foram contratados como desenvolvedores da fuselagem de uma aeronave promissora, e General Electric e Pratt & Whitney foram incumbidos de continuar o trabalho de Fairchild no motor a jato nuclear.
Nos estágios iniciais do programa da ANP, o cliente se concentrou mais em um motor fechado mais seguro, mas a General Electric realizou uma "divulgação" para militares e oficiais do governo. Os funcionários da General Electric pressionavam pela simplicidade e, como resultado, pelo baixo custo de um motor aberto. Conseguiram persuadir os responsáveis e, com isso, a direção do programa da ANP foi dividida em dois projetos independentes: um motor "aberto" desenvolvido pela General Electric e um motor de circuito fechado da Pratt & Whitney. Logo, a General Electric foi capaz de levar adiante seu projeto e obter uma prioridade especial para ele e, como resultado, financiamento adicional.
No decorrer do programa da ANP, outro foi adicionado às opções de motores nucleares já existentes. Desta vez, foi proposto fazer um motor que lembra uma usina nuclear em sua estrutura: o reator aquece a água, e o vapor resultante movimenta a turbina. Este último transfere potência para a hélice. Tal sistema, tendo uma eficiência inferior em comparação com os outros, revelou-se o mais simples e conveniente para uma produção mais rápida. No entanto, esta versão da usina para aeronaves movidas a átomos não se tornou a principal. Após algumas comparações, o cliente e as empreiteiras da ANP decidiram continuar desenvolvendo motores "abertos" e "fechados", deixando a turbina a vapor como reserva.
Primeiras amostras
Em 1951-52, o programa da ANP abordou a possibilidade de construir o primeiro protótipo de aeronave. O bombardeiro Convair YB-60, que estava sendo desenvolvido na época, foi tomado como base para isso, que foi uma profunda modernização do B-36 com uma asa varrida e motores turbojato. A usina P-1 foi projetada especialmente para o YB-60. Era baseado em uma unidade cilíndrica com um reator dentro. A instalação nuclear forneceu uma energia térmica de cerca de 50 megawatts. Quatro motores turbojato GE XJ53 foram conectados ao reator por meio de um sistema de tubulação. Depois do compressor do motor, o ar passava pelos canos, passando pelo núcleo do reator e, ali aquecendo, era expelido pelo bocal. Cálculos mostraram que o ar sozinho não será suficiente para resfriar o reator, então tanques e tubos para solução de água com boro foram introduzidos no sistema. Todos os sistemas da usina conectados ao reator foram planejados para serem montados no compartimento de carga traseiro do bombardeiro, o mais longe possível dos volumes habitáveis.
Protótipo YB-60
É importante notar que também foi planejado deixar os motores turbo-jato nativos na aeronave YB-60. O fato é que os motores nucleares de circuito aberto poluem o meio ambiente e ninguém permitiria que isso fosse feito nas imediações de campos de aviação ou assentamentos. Além disso, a usina nuclear, devido às características técnicas, teve resposta fraca do acelerador. Portanto, seu uso era conveniente e aceitável apenas para voos longos em velocidade de cruzeiro.
Outra medida de precaução, mas de natureza diferente, foi a criação de dois laboratórios de vôo adicionais. O primeiro deles, denominado NB-36H e de nome próprio Crusader ("Crusader"), tinha como objetivo verificar a segurança da tripulação. No B-36 de série, foi instalado um conjunto de cockpit de 12 toneladas, montado a partir de grossas placas de aço, painéis de chumbo e vidro de 20 cm. Para proteção adicional, havia um tanque de água com boro atrás da cabine. Na cauda do Crusader, à mesma distância da cabine que no YB-60, foi instalado um reator ASTR experimental (Aircraft Shield Test Reactor) com capacidade de cerca de um megawatt. O reator foi resfriado com água, que transferiu o calor do núcleo para trocadores de calor na superfície externa da fuselagem. O reator ASTR não desempenhava nenhuma tarefa prática e funcionava apenas como fonte de radiação experimental.
NB-36H (X-6)
Os voos de teste do laboratório NB-36H eram assim: os pilotos levantaram uma aeronave com reator amortecido, voaram para a área de testes no deserto mais próximo, onde todos os experimentos foram realizados. Ao final dos experimentos, o reator foi desligado e o avião voltou à base. Junto com o Crusader, outro bombardeiro B-36 com instrumentação e um transporte com pára-quedistas da Marinha decolou do aeródromo de Carswell. Em caso de queda de um protótipo de aeronave, os fuzileiros navais deveriam pousar próximo aos destroços, isolar a área e participar da eliminação das consequências do acidente. Felizmente, todos os 47 voos com um reator funcionando não fizeram um pouso de resgate forçado. Os voos de teste mostraram que uma aeronave movida a energia nuclear não representa qualquer ameaça grave ao meio ambiente, é claro, com operação adequada e sem incidentes.
O segundo laboratório voador, designado X-6, também deveria ser convertido do bombardeiro B-36. Eles iam instalar um cockpit neste avião, semelhante à unidade do "Crusader", e montar uma usina nuclear no meio da fuselagem. Este último foi projetado com base na unidade P-1 e equipado com novos motores GE XJ39, criados com base nos turbojatos J47. Cada um dos quatro motores teve um empuxo de 3.100 kgf. Curiosamente, a usina nuclear era um monobloco projetado para ser montado em uma aeronave pouco antes do vôo. Após o pouso, foi planejado levar o X-6 a um hangar especialmente equipado, remover o reator com motores e colocá-los em um depósito especial. Nesta etapa da obra, também foi criada uma unidade especial de purga. O fato é que após o desligamento dos compressores dos motores a jato, o reator deixou de ser resfriado com eficiência suficiente, sendo necessário um meio adicional de garantir o desligamento seguro do reator.
Verificação pré-voo
Antes do início dos voos de aeronaves com uma usina nuclear de pleno direito, os engenheiros americanos decidiram conduzir pesquisas apropriadas em laboratórios terrestres. Em 1955, uma instalação experimental HTRE-1 (Heat Transfer Reactor Experiments) foi montada. A unidade de cinquenta toneladas foi montada com base em uma plataforma ferroviária. Assim, antes de iniciar os experimentos, ele poderia ser retirado das pessoas. A unidade HTRE-1 usava um reator compacto de urânio blindado usando berílio e mercúrio. Além disso, dois motores JX39 foram colocados na plataforma. Foram acionados querosene, em seguida os motores atingiram a velocidade de operação, após o que, ao comando do painel de controle, o ar do compressor foi redirecionado para a área de trabalho do reator. Um experimento típico com o HTRE-1 durou várias horas, simulando um longo vôo de um bombardeiro. Em meados de 56, a unidade experimental atingiu uma capacidade térmica de mais de 20 megawatts.
HTRE-1
Posteriormente, a unidade HTRE-1 foi redesenhada de acordo com o projeto atualizado, passando a ser denominada HTRE-2. O novo reator e as novas soluções técnicas forneceram uma potência de 14 MW. No entanto, a segunda versão da usina experimental era grande demais para instalação em aviões. Portanto, em 1957, o projeto do sistema HTRE-3 começou. Era um sistema P-1 profundamente modernizado, adaptado para funcionar com dois motores turbojato. O sistema HTRE-3 compacto e leve fornecia 35 megawatts de energia térmica. Na primavera de 1958, começaram os testes da terceira versão do complexo de testes em solo, que confirmaram totalmente todos os cálculos e, o mais importante, as perspectivas de tal usina.
Circuito fechado difícil
Enquanto a General Electric priorizava motores de circuito aberto, a Pratt & Whitney não perdeu tempo em desenvolver sua própria versão de uma usina nuclear fechada. Na Pratt & Whitney, eles começaram imediatamente a investigar duas variantes de tais sistemas. O primeiro implicava a estrutura e a operação mais óbvias da instalação: o refrigerante circula no núcleo e transfere o calor para a parte correspondente do motor a jato. No segundo caso, foi proposto moer o combustível nuclear e colocá-lo diretamente no refrigerante. Em tal sistema, o combustível circularia ao longo de todo o circuito do refrigerante, no entanto, a fissão nuclear ocorreria apenas no núcleo. Era suposto conseguir isso com a ajuda da forma correta do volume principal do reator e dos dutos. Como resultado da pesquisa, foi possível determinar as formas e tamanhos mais eficazes de tal sistema de dutos para a circulação do refrigerante com combustível, o que garantiu o funcionamento eficiente do reator e ajudou a fornecer um bom nível de proteção contra radiação.
Ao mesmo tempo, o sistema de combustível circulante provou ser muito complexo. O desenvolvimento posterior seguiu principalmente o caminho de elementos de combustível "estacionários" lavados por um refrigerante de metal. Como este último, vários materiais foram considerados, no entanto, as dificuldades com a resistência à corrosão dos dutos e a provisão de circulação do metal líquido não nos permitiram ficar no metal refrigerante. Como resultado, o reator teve que ser projetado para usar água altamente superaquecida. De acordo com os cálculos, a água deveria ter atingido uma temperatura de cerca de 810-820 ° no reator. Para mantê-lo no estado líquido, era necessário criar uma pressão de cerca de 350 kg / cm2 no sistema. O sistema acabou sendo muito complexo, mas muito mais simples e adequado do que um reator com refrigerante metálico. Em 1960, a Pratt & Whitney havia concluído o trabalho em sua usina nuclear para aeronaves. Os preparativos começaram para testar o sistema acabado, mas no final esses testes não ocorreram.
Final triste
Os programas NEPA e ANP ajudaram a criar dezenas de novas tecnologias, bem como uma série de know-how interessantes. No entanto, seu objetivo principal - a criação de uma aeronave atômica - mesmo em 1960 não poderia ser alcançado nos próximos anos. Em 1961, chegou ao poder J. Kennedy, que imediatamente se interessou pelos avanços da tecnologia nuclear para a aviação. Como isso não foi observado, e os custos dos programas atingiram valores completamente obscenos, o destino da ANP e de todas as aeronaves de propulsão atômica passou a ser uma grande dúvida. Ao longo de uma década e meia, mais de um bilhão de dólares foram gastos em pesquisa, projeto e construção de várias unidades de teste. Ao mesmo tempo, a construção de uma aeronave acabada com uma usina nuclear ainda era uma questão de futuro distante. É claro que gastos adicionais de dinheiro e tempo poderiam trazer a aeronave atômica para uso prático. No entanto, a administração Kennedy decidiu de forma diferente. O custo do programa da ANP não parava de crescer, mas não havia resultado. Além disso, os mísseis balísticos provaram totalmente seu alto potencial. Na primeira metade do século 61, o novo presidente assinou um documento segundo o qual todos os trabalhos em aeronaves de propulsão atômica deveriam ser paralisados. É importante notar que pouco antes, no 60º ano, o Pentágono tomou uma decisão polêmica, segundo a qual todos os trabalhos em usinas abertas foram interrompidos, e todo o financiamento foi alocado para sistemas “fechados”.
Apesar de algum sucesso no campo da criação de usinas nucleares para aviação, o programa da ANP foi considerado malsucedido. Por algum tempo, simultaneamente à ANP, foram desenvolvidos motores nucleares para mísseis promissores. No entanto, esses projetos não deram o resultado esperado. Com o tempo, eles também foram fechados, e os trabalhos na direção de usinas nucleares para aeronaves e mísseis pararam completamente. De vez em quando, várias empresas privadas tentavam conduzir esses empreendimentos por iniciativa própria, mas nenhum desses projetos recebia apoio do governo. A liderança americana, tendo perdido a fé nas perspectivas de aeronaves movidas a átomos, começou a desenvolver usinas nucleares para a frota e usinas nucleares.
