Ракеты на ядерной тяге существовали не только в фантастических романах Хайнлайна, но и в реальной жизни. Их разработка велась в романтичные 50-60 годы, когда люди еще мало думали о заболевании раком и много о волшебной силе урана и даже были готовы заправлять ядерным топливом свои автомобили . Ядерную энергию пытались применить не только в космосе, но и в авиации. Об этих экзотических двигателях рассказ ниже.

Атомный космос

Первое для чего решили применить ядерные двигатели, так это для создания космических ракет. Дело в том, что классические химические двигатели уже достигли своего предела к этому времени и повысить их эффективность было невозможно. Лучшие показатели давали химические двигатели с водородом в качестве горючего и кислородом в качестве окислителя. На выходе получалась обычная вода в перегретом состоянии. Чтобы увеличить скорость истечения за счет уменьшения молекулярного веса (меньше молекулярный вес при той же температуре – выше скорость и больше импульс) истекающего газа в горючее добавляли водород с избытком. По такой схеме летают американские челноки и сейчас, именно из-за переизбытка водорода эти космические корабли при взлете оставляют характерный шлейф из огня и пара.

Чтобы повысить эффективность двигателей следовало использовать чистый водород в качестве рабочего тела двигателя, но чем его разогревать если не горением? Ответ был таков: пропустить поток водорода через активную зону реактора и получить на выходе поток рекордной скорости. С таким двигателем ракета могла с помощью одной ступени вывести космический корабль на орбиту. Или разогнать его для полета на Марс, что и стало приоритетом номер один для ученых.

В теории все выглядело гладко. На схеме показано устройство химического и ядерного ракетного двигателя: 1 — бак с жидким окислителем; 2 — бак с жидким горючим (в ядерном двигателе он ни к чему); 3 — бак с жидким водородом; 4 — насос; 5 — камера сгорания; 6 — сопло; 7 — выхлоп газов из турбины; 8 — турбина; 9 — тепловыделяющие элементы; 10 — стержни управления; 11 — защитный экран.

Американцы первыми попытались реализовать проект в железе. Они быстро построили первый реактор KIWI-A и уже в 1959 году провели его испытания. Водород проходил прямо через незащищенное топливо из оксида урана – такая схема не выдерживала высоких температур, так как топливо (а значит и сам реактор) очень быстро начинало разрушаться под бешеным потоком расширяющегося газа температурой полторы тысячи градусов. Планируемые 3000 градусов были еще далеки.
Топливо стали пытаться защитить от разрушения: оксид урана был заменен на более термостойкий карбид, вдобавок его покрыли карбидом ниобия. Но проблема осталась. А самое плохое: даже в штатном режиме работы при отсутствии видимых разрушений происходила диффузия уранового топлива в охлаждающий водород. Грубо говоря, топливо испарялось и вылетало из сопла вместе с водородом, скорость этого процесса была огромной: до 20% массы топлива за пять часов работы реактора. Не говоря уже о недолговечности работы такого реактора можно представить какое загрязнение он давал в атмосфере.

Но потратив полтора миллиарда долларов и много лет на разработку (работы шли с 1955 по 1972 годы) американцы получили двигатель с импульсом 860 секунд. Это вдвое превышало соответствующий показатель кислород-водородных двигателей. Двигатель по проекту NERVA планировалось использовать при полете на Марс. Но весь проект был закрыт в 1973 году вместе с лунным проектом «Аполлон». Хотя двигатель уже был создан (фото ниже).

Не исключено что проект воскреснет в ближайшее десятилетие в ходе подготовки полета на Марс.

Что касается советских ученых, то они тоже создали свой ядерный двигатель. Он был менее мощный чем американский, но гораздо изощреннее в конструкции.
К примеру, в СССР додумались делать топливо композитным, как стеклопластик. Композит делался из карбидов урана, вольфрама и циркония. При высокой температуре кристаллы карбида вольфрама придавали ему прочность, а карбид урана заполнял пространство между ними.

Самой оригинальной была конструкция ядерного двигателя с центробежным удержанием ядерного топлива. Реактор представлял собой вращающийся барабан, в котором топливо прижималось к стенкам центробежной силой, что позволяло использовать псевдосжиженный слой топлива. Водород проходил сквозь частички топлива и устремлялся к центру барабана, а само ядерное топливо имело свойства жидкости, представляя собой взвесь частичек урана в водороде. Благодаря конструкции эта жидкость не утекала в сопло и в теории давала удельный импульс более 1000 и температуру рабочего тела 3 500 градусов.

В железе был реализован первый вариант который получил название РД-0410 (фото ниже)

В СССР работы были прекращены только в середине 80-х.

Атомные самолеты

Основной смысл повесить ядерную установку на самолет был таков: такой самолет мог долго без дозаправки курсировать вблизи границ потенциального противника с ядерными бомбами на борту. По этому сценарию атомные субмарины месяцами курсируют в океане и сейчас.

В 1955 году такую задачу возложили на институт Курчатова и ряд предприятий авиационной промышленности. Прорабатывалось несколько вариантов ядерных авиационных силовых установок на основе прямоточных, турбореактивных и турбовинтовых двигателей с различными схемами передачи тепловой энергии к двигателям. Отрабатывались различные типы реакторов и систем теплоносителей.

В 1958 году наземный стенд был построен и перевезен на испытательный полигон под Семипалатинск, одновременно была подготовлена ядерная силовая установка для летающей лаборатории. Для удобства обслуживания реактор на стенде и на летающей лаборатории был выполнен на специальной платформе с подъемником и, при необходимости, мог опускаться из грузоотсека самолета. В первой половине 1959 года был произведен экспериментальный запуск реактора на наземном стенде. В ходе наземных испытаний удалось выйти на заданный уровень мощности реактора, теперь можно было переходить к работам на летающей лаборатории.

Под летающую лабораторию Ту-95ЛАЛ был выделен серийный Ту-95М.

В 1961 году после переоборудования он был передан заказчику для летных испытаний. С мая по август 1961 года было на летающей лаборатории выполнено 34 полета.

Полеты проходили как с холодным реактором, так и с работающим. В этих полетах в основном проверялась эффективность биологической защиты. Экипаж и экспериментаторы находились в передней герметической кабине, где был установлен датчик, фиксирующий излучение. От остальной конструкции самолета кабина отделялась комбинированным защитным экраном из свинца и из комбинированных материалов. В районе грузоотсека, где в будущем должна была располагаться боевая нагрузка, был установлен второй датчик, третий датчик находился в задней кабине самолета, еще два датчика смонтировали на консолях крыла. В средней части фюзеляжа располагался отсек с водоводяным реактором с мощной защитной оболочкой. Отсек немного выходил за обводы фюзеляжа самолета, под отсеком находился воздушный радиатор водяного контура реактора. На борту имелась система управления реактором, подключенная к пульту экспериментаторов.

Следующим важным этапом в разработке самолета с ЯСУ должен был стать экспериментальный самолет, получивший по КБ обозначение «119» (Ту-119). Но вскоре после проведенных испытаний Ту-95ЛАЛ все работы по атомной авиационной тематике были свернуты. К тому времени СССР и США начали строить ядерные подлодки-ракетоносцы и эта тема была более приоритетной. Кроме того, появление межконтинентальных баллистических ракет снимало с повестки дня необходимость иметь ядерные самолеты: время подлета баллистических ракет порядка получаса – то есть меньше чем путь самолета от границы до места бомбежки.

Думаю, что эпоха ядерных двигателей закончилась наилучшим образом для всех: ученые и инженеры всласть наигрались и даже создали реально работающие образцы двигателей. Ну а то, что эти мега-двигатели не нашли применения, то оно и к лучшему: кто знает во чтобы превратилась бы наша и без того не чистая атмосфера при их массовом использовании.