Ядерное дежавю: существует ли ракета с ядерным двигателем
Обсудить 0
Ядерный след
Проблема досягаемости территории США для СССР, окруженного со всех сторон американскими базами, возникла сразу после окончания Второй мировой войны. Американские и английские стратегические бомбардировщики с ядерным оружием размещались вокруг не для мифической защиты от международных террористов, а конкретно для нападения на Советский Союз. Достичь же территории США с советских аэродромов классические советские бомбардировщики не могли: для этого требовалась дальность не менее 16 000 км. Для поражения же удаленных целей на территории США и свободного выбора трассы полета для обхода районов ПВО требовалась дальность в 25 000 км. Обеспечить ее на сверхзвуковом режиме могли только самолеты с ядерными силовыми установками.
Турбореактивный. Атомный
Сегодня подобные проекты кажутся невероятными, а в начале 1950-х задача была не сложнее, чем размещение реакторов на подводных лодках: и то и другое давало практически неограниченный радиус действия. Самолеты было поручено конструировать КБ Туполева и Мясищева, а «специальные двигатели» — КБ Архипа Люльки.
368 целей для ядерных зарядов, чтобы убить четверть населения Китая (источник: The New York Times)
Турбореактивный двигатель с атомным реактором (ТРДА) по конструкции очень сильно напоминает обычный турбореактивный двигатель (ТРД). Только если в ТРД тяга создается расширяющимися при сгорании керосина горячими газами, то в ТРДА воздух нагревается, проходя через реактор. Активная зона авиационного атомного реактора на тепловых нейтронах набиралась из керамических тепловыделяющих элементов, в которых имелись продольные шестигранные каналы для прохода нагреваемого воздуха. Расчетная тяга разрабатываемого двигателя должна была составить 22,5 т. Рассматривалось два варианта компоновки ТРДА — «коромысло», при котором вал компрессора располагался вне реактора, и «соосный», где вал проходил по оси реактора. В первом случае 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.
Главным недостатком таких двигателей так называемой открытой схемы, когда атмосферный воздух проходил напрямую через реактор, было сильное радиационное заражение отработанного воздуха, что, например, исключало возможность применения обычной кабины экипажа. Он должен был располагаться в герметичной многослойной 60-тонной (!) свинцовой капсуле и управлять машиной посредством телевизионных и радиолокационных экранов. Расчетная масса такого самолета должна была превысить 250 т. Появилась логичная идея сделать бомбардировщик в беспилотном варианте — в виде своеобразной гигантской крылатой ракеты. Однако в ВВС не поддержали проект: в 1950-х годах автоматические системы управления не могли обеспечить маневренность для преодоления системы ПВО США.
124 цели для ядерных зарядов, чтобы убить четверть населения США (источник: The New York Times)
Космический буксир
За прошедшие 70 лет мало что изменилось: мы даже еще плотнее окружены американскими базами, досягаемость территории США все еще является проблемой, разве что мы научились делать прекрасные системы автономного управления — посадка «Бурана» тому подтверждение. И как в пятидесятые, никакой альтернативы для длительного межконтинентального полета в атмосфере, кроме ядерного двигателя, нет. А тема эта не просто секретная, а суперсекретная. Тем не менее что-то мы знаем, а о чем-то можно догадаться.
Последние открытые данные поступали из незавершенного проекта ядерной энергодвигательной установки для «космического буксира». Занимался космическим реактором Институт имени Келдыша, в котором до недавнего времени довольно охотно делились информацией об этом проекте. Но несколько лет назад все общение с журналистами на эту тему представители института прекратили — прямой признак, что работы, которые раньше велись для «мирного космоса», переросли в немирные. Но кое-что удалось узнать ранее.
Например, что в реакторе для ядерного реактивного двигателя (ЯРД) использовалось уникальное топливо, состоявшее из карбидов — соединений урана, вольфрама и ниобия с углеродом. Это позволило далеко опередить по допустимым температурам классический оксид урана, который плавится примерно при 2500 градусах. Такое топливо неплохо работало в водородной среде, в которую, правда, приходилось добавлять гептан для подавления химических реакций карбидов с водородом. Но в окислительной среде, какой является раскаленный до пары тысяч градусов воздух (а наша ядерная крылатая ракета летит в атмосфере), карбиды работать не смогут: углерод будет окисляться кислородом, а оставшиеся металлы расплавятся и улетят с потоком теплоносителя. Подольское НПО «Луч», производившее эти ТВЭЛы, научилось покрывать топливные стерж-ни металлическим ниобием, что расширило список различных сред, в которых это топливо устойчиво, но при тех температурах, которые нужны в ЯРД, ниобий реагирует с кислородом, образуя оксид, и тоже не может защитить топливо. Может быть, сплав тантала с гафнием мог бы быть достаточно стойким в этих условиях, но гафний сильно поглощает нейтроны, что затрудняет конструирование реактора.
Следовательно, напрямую ЯРД в двигатель для полета в атмосфере не конвертируется. Хотя многие идеи заимствовать можно, и они являются общими для разных малогабаритных и космических реакторов. Например, органы управления реактором в виде поворотных барабанов, врезанных в боковой отражатель нейтронов из бериллия. Примерно такая схема применялась и в советских космических ядерных энергетических установках «Бук» и «Топаз», и в некоторых американских реакторах, тоже предназначенных для использования вне Земли. А топливо, скорее всего, придется применять оксидное, как в большинстве реакторов по всему миру. Во всяком случае, пока завеса секретности не опустилась на «космический буксир», келдышевцы планировали использовать в этой ЯЭДУ именно оксидное топливо.
Быстрые и медленные нейтроны
Но почему-то неспециалисты дружно решили, что основой двигателя крылатой ракеты должен стать реактор на быстрых нейтронах. Объяснение простое: ради компактности устройства в нем нужно применять ядерное топливо высокого обогащения, а тогда замедлитель оказывается не нужен, ведь он увеличивает сечение деления у урана-235, мало влияя на сечение захвата ураном-238. Кроме того, медленные нейтроны имеют ту же температуру, что и замедлитель, а значит, их энергия растет вместе с температурой в реакторе, уменьшая их преимущества. Действительно, «Бук» — самый массовый космический реактор — работал на быстрых нейтронах, а его наследник «Топаз» — на промежуточных. Однако реактор на тепловых нейтронах может быть не менее компактным: замедлитель из гидрида циркония позволяет создать реактор с диаметром активной зоны меньше полуметра, что и было реализовано в советском ЯРД. А для снижения температуры замедлитель должен охлаждаться отдельным потоком теплоносителя, тогда можно реализовать все преимущества медленных нейтронов. Кроме того, в реакторе на тепловых нейтронах можно использовать весьма экзотический изотоп — америций-242 м. Несмотря на то что сейчас производство этого изотопа не налажено, организовать его гораздо проще, чем производство полумифического калифорния — в отработанном ядерном топливе америций-241 накапливается сам собой, и его можно выделять достаточно простыми химическими реакциями (и его выделяют, так как он используется, например, в некоторых детекторах дыма). Если из оксида америция-241 спрессовать таблетки и загрузить их в реактор на быстрых нейтронах, тот же БН-800, то можно быстро накопить достаточное количество америция-242 м. Буква в конце названия означает, что это ядерный изомер, находящийся в возбужденном состоянии. Дело в том, что у обычного америция-242, чьи ядра находятся в наинизшем энергетическом состоянии, период полураспада всего 16 ч, а у ядра 242 м — целых 140 лет. А зачем он нужен? С замедлителем из гидрида циркония он имеет критическую массу меньше 50 г! Соответственно, реактор на нем будет иметь диаметр (без отражателя) порядка 10 см. Такой реактор, правда, с водяным замедлителем, предлагалось использовать в медицине, для нейтронно-захватной терапии. А вот чего точно не будет в реакторе для крылатой ракеты, так это торцевых отражателей нейтронов. Для них просто не остается места: с одной стороны должен быть воздухозаборник, с другой — сопло.
Реконструкция
Несмотря на секретность, примерный внешний облик двигателя представить можно. Впрочем, он не изменился с 60-х годов прошлого века, когда случилась первая волна разработки ядерных самолетов — все схемы были ясны уже тогда. Они разделяются на два принципиально различных класса — с прямым нагревом воздуха в реакторе и с косвенным, когда между воздухом и реактором есть промежуточный теплоноситель и теплообменник. Вторая схема гораздо чище, так как продукты деления не попадают в воздух, но для одноразовых беспилотных аппаратов годится и первая.
Ядерный турбореактивный двигатель
Во время первых экспериментов с ядерными самолетами NB-36 и Ту-95ЛЛ воздушный винт еще не сдал своих позиций, но сейчас был бы явным анахронизмом, ограничивающим скорость дозвуковым уровнем. Уже через пять лет все проектируемые атомолеты стали чисто реактивными. На видео в президентском послании была показана ракета наземного базирования, стартующая с помощью обычного твердотопливного ракетного двигателя, что логично: даже если наш ядерный двигатель не выбрасывает осколки деления прямо в воздух, то гамма-радиацию от работающего реактора полностью заэкранировать невозможно, слишком тяжелой получится защита. Значит, реактор надо запускать на большой высоте — хотя бы в паре километров. Тогда воздух сам будет поглощать радиацию. А если летательный аппарат уже на высоте и разогнан до сверхзвуковой скорости, правильнее строить маршевую ступень с прямоточным двигателем. Примерно так работала сконструированная под руководством С.А. Лавочкина крылатая ракета «Буря», конкурировавшая когда-то с Р-7 за право зваться защитницей наших рубежей. Тогда крылатая ракета проиграла: ПВО совершенствовалось на глазах, а ПРО существовало только на бумаге, да и в реализуемости перехвата баллистической ракеты тогда сомневались многие. Сейчас ситуация изменилась: ПВО и ПРО превратились в единый комплекс средств обнаружения и перехвата, и обмануть его можно лишь одним способом — маневрированием. Для баллистических ракет это тоже возможный способ, но очень энергозатратный, ведь ракета все свое топливо сжигает сразу после старта, и маневрирование в атмосфере возможно лишь за счет уменьшения дальности.
Ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель
Вот тут-то ядерный двигатель и получил второй шанс. Конечно, у реактора есть ресурс, и, чем жестче требования к реактору, тем этот ресурс меньше. Но даже у «Бука» ресурс превышал несколько месяцев непрерывной работы, а крылатой ракете нужна максимум пара суток, чтобы обогнуть земной шар по максимально удаленному от пусковых установок противоракет маршруту. Ну и, поскольку это явно оружие Судного дня, экономические требования отступают на второй план по сравнению даже с «космическим буксиром». А значит, топливные стержни покрывать можно хоть иридием, хоть золотом.
А был ли мальчик?
И все же возможно ли это? Ведь нам пообещали, что габариты ракеты с атомным реактором не превысят габаритов обычной крылатой ракеты большой дальности — Х-101 или того же «Калибра». Несложно посчитать, что одно это условие убивает на корню возможность использования теплообменников. Хотя теплообменник «газ — газ» на такие тепловые потоки, в принципе, реализуем, что показывает проект космического самолета с использованием атмосферного кислорода SABRE, в диаметр 533 мм он не впишется никак. Значит, нагрев может быть только непосредственный, получается, и выхлоп будет сильно радиоактивный. Следовательно, вероятность того, что никаких турбин и компрессоров в этом двигателе не будет, близка к единице. А прямоточный двигатель навязывает скорость полета в диапазоне 3−3,5 М. Примерно как у самого быстрого самолета SR-71A или крылатой ракеты «Буря». Но если «Буря» шла к цели на высоте 15−18 км и перед целью делала «горку» на 35 км, выполняя противозенитный маневр, то нынешняя ракета, видимо, также будет идти к цели на высоте около 20 км, чтобы не заразить радиацией собственную территорию (ведь даже после обмена ударами придется как-то восстанавливать обычную жизнь), но перед целью, вероятно, должна будет снизиться и прорывать ПВО на предельно малой высоте, огибая рельеф. Поскольку летчиков на ней не будет, это можно делать с ускорениями до 20 g или больше.
Резюме тут очень простое. Если эта ракета действительно существует и опубликованные о ней данные соответствуют действительности, то, несмотря на высшую степень секретности, мы можем о ней сказать довольно много:
- она точно использует твердотопливную разгонную ступень и запускает реактор на большой высоте и скорости;
- она точно применяет многие технологии, созданные для космических реакторов и ядерных ракетных двигателей, включая использование регулирующих органов, вынесенных за пределы активной зоны, бериллиевый отражатель, возможно, замедлитель из гидрида циркония, возможно, карбидное ядерное топливо, покрытое чем-то для защиты от окисления;
- ее маршевая ступень, скорее всего, использует прямоточный двигатель с непосредственным нагревом, что исключает ее применение кроме как в самом крайнем случае совместно с системой «Периметр» (так называлась советская система, которую американцы окрестили «Мертвой рукой»);
- скорость ее полета на большей части траектории должна быть около 3 М, а дальность — примерно два раза «вокруг шарика»;
- вряд ли их можно сделать достаточно много, чтобы заменить баллистические ракеты на обычном химическом топливе.
