Americké lietadlá s atómovým pohonom

Sovietske/Ruské lietadlá s atómovým pohonom

Vodíkový pohon/AJAKS/VASMIR/laserový pohon

Americké lietadlá s náporovými motormi

Sovietske lietadlá s náporovými motormi

Nacistické lietadlá s náporovými motormi

Francúzske lietadlá s náporovými motormi

NEPA

V máji 1946 zadalo USAF firme Fairchild Engine and Aircaft Corporation kontrakt na vypracovanie štúdie pod názvom „Využitie atómovej energie pre pohon lietadiel“ (NEPA – Nuclear Energy Powered Aircraft). Testmi vhodného reaktora sa zaoberalo Oak Ridge National Laboratory. Hlavná výhoda lietadla s nukleárnym pohonom spočívala v jeho neobmedzenom dolete, ktorý závisel hlavne od výdrže posádky a v možnosti operovať len zo základní na území USA. Zároveň by odpadla potreba tankovania počas letu, keďže 1 kilogram obohateného uránu má rovnaký energetický potenciál ako 1,7 milióna kg tryskového paliva. Záverečná správa z roku 1951 konštatuje, že stavba nukleárneho bombardéra by sa dala zvládnuť v horizonte pätnástich rokov a jedno lietadlo by stálo približne 1 000 000 000 USD (!). Program NEPA si počas piatich rokov svojej existencie vyžiadal náklady vo výške 21 miliónov USD.

Convair X-6

Na základe štúdií NEPA bol vo februári 1951 v rámci nového programu ANP (Aircraft with Nuclear Propulsion) spoločnosti Convair udelený kontrakt na modifikáciu typu B‑36 do podoby bombardéra s nukleárnym pohonom. 28. augusta 1951 bolo USAF odporučené použiť v stroji ANP nukleárne pohonné jednotky s priamym obtokom a kovovými palivovými elementmi. V novembri bol uzatvorený ďalší kontrakt so spoločnosťou General Electric, ktorá mala dodať upravený pohonný systém P‑1 najneskôr v máji 1956. Na tento účel získala 188 miliónov USD. Jeho výkon nebol nijako ohromujúci, ale hlavným cieľom bolo aj tak uskutočniť letové testy čo najskôr bez ohľadu na maximálny ťah. Pohonný systém P‑1 sa skladal z nukleárneho reaktora R‑1, radiačných štítov, cirkulačného systému a štyroch upravených prúdových motorov. Pôvodne mal byť upravený novovyvíjaný typ J53, ale po značných problémoch sa pozornosť nakoniec obrátila na osvedčené prúdové motory J47. Tie dostali nové označenie X-39. Vďaka použitiu viacerých spoločných dielov sa v porovnaní so štyroma samostatnými pohonnými systémami značne šetrila hmotnosť. Základom reaktora R‑1 bolo deväť prstencových vzduchových kanálov s palivovými elementmi (oxid uránu rozptýlený v nehrdzavejúcej oceli). Medzi nimi boli kanály s ťažkou vodou, slúžiacou ako chladiace médium a zároveň moderátor. Po určitom čase si predstavitelia USAF začali uvedomovať, že vývoj reaktora bez možnosti praktického použitia je zbytočné plytvanie peňazí a program zastavili. V tom čase už boli dokončené takmer všetky potrebné diely a dokonca prebehli testy pohonného systému, ktorý mal namiesto reaktora chemický zdroj tepla.

Letové testy boli naplánované pre základňu Edwards AFB, ktorá poskytovala dostatočne priestranné skúšobné priestory a bola tak uprednostnená pred NRTS v Idahu. Program dostal začiatkom roka 1952 pridelené experimentálne označenie X‑6. V rámci neho mali byť postavené tri lietadlá. Typ NB‑36H bol určený primárne na vývoj radiačného štítu a mal byť poháňaný výlučne chemickými motormi. Dva experimentálne stroje X‑6 už mali predviesť nukleárnym reaktorom poháňaný let. V máji 1953 postihlo program ANP drastické zníženie rozpočtu o 50 %. V dôsledku toho boli zastavené práce na reaktore General Electric, z projektu úplne vypadlo lietadlo X‑6 a práce na testovacej platforme NB‑36H sa značne spomalili.

Convair NB-36H

Po zrušení programu X-6 bolo lietadlo NB-36H využívané ako skúšobná platforma pre vývoj radiačných štítov. Za týmto účelom boli vo firme Convair postavené a testované dva nukleárne reaktory. Prvým bol Ground Test Reactor, skúšaný na pozemnom stende a druhým letový exemplár Aircraft Shield Test Reactor s výkonom 1 MW. Po zrušení programu X-6 musel byť ASTR otestovaný na zemi a do lietadla bol zabudovaný až počas novembra 1954. Technici ho špeciálnym interným žeriavom vytiahli do priestoru bombovnice, pričom nad ňou boli umiestnené chladiace systémy. Celý priestor bol vybavený dvanástimi tonami ochranného obloženia z olova a bóritej gumy. Lietadlo dostalo novú prednú časť a za kokpitom pribudla nádrž z ťažkou vodou. Posádka sa rozrástla o dvoch jadrových operátorov. Na skúšky bolo potrebné vybudovať špeciálne zariadenia v priestoroch Convair Fort Worth v Texase. Od septembra 1955 do marca 1957 sa uskutočnilo celkovo 47 letov, pričom experimenty s reaktorom počas letu začali až od februára 1956.

Lockheed concept study

Druhý kontrakt dostala vo februári 1951 spoločnosť Lockheed, ktorá mala rozpracovať koncept nadzvukového, nukleárnym motorom poháňaného bombardéra, ktorý by bol schopný lietať v nízkych výškach do 1,5 km. Tieto štúdie niesli označenie CL-225 a GL-145. Vývojom superkritického vodou chladeného reaktora bola v máji poverená spoločnosť Pratt and Whitney. Hlavným problémom bolo rozloženie hmotnosti, keďže veľká časť z nej pripadala na pomerne malý reaktor spolu s radiačnými štítmi. V bežnom lietadle je táto hmotnosť rozložená v podobe paliva na oveľa väčšej ploche. Konštruktéri sa rozhodli použiť dva samostatné radiačné štíty. Jeden obkolesoval samotný reaktor a druhý chránil posádku v kokpite. To je aj dôvod, prečo je predná časť trupu rozmernejšia, než jeho zvyšok. Výhodou tejto koncepcie je nižšia konečná hmotnosť avšak za cenu nadmernej radiácie v ostatných častiach lietadla a jeho okolí. Na druhej strane ako prirodzený radiačný štít je možné využiť všetky konštrukčné celky lietadla ako podvozok, doplnkové nádrže na chemické palivo či bombovnicu. Nukleárny bombardér má aj niektoré ďalšie špecifiká. Napríklad podvozok musí vydržať pristátie pri plnej hmotnosti, keďže počas letu sa nespotrebuje takmer žiadne palivo. Je zaujímavé, že skrátenie rozpočtu ANP o 50 % v roku 1953 nemalo na projekt Lockheedu ani Pratt and Whitney takmer žiaden dopad.

Weapon System WS-125A

Keďže mnohí predstavitelia USAF v tom období jednoznačne požadovali vo výzbroji nukleárne bombardéry, počas novembra 1954 boli oslovené všetky strany, zúčastnené v programe ANP, aby im boli predložené pozmenené požiadavky novovytvoreného programu WS-125A. Tentokrát sa malo jednať o pilotovaný nadzvukový ťažký bombardér, schopný dopraviť náklad atómových bômb na cieľ kdekoľvek na svete. Vypracovanie úvodných štúdií bolo zverené firmám Lockheed a Convair, pričom výrobcov motorov si rozdelili podobne ako v prvom prípade. V marci 1955 bol vydaný podrobný súbor požiadaviek GOR No. 81, ktorý okrem iného hovoril o preletovej rýchlosti nie menšej než Mach 0,9 a čo najvyššej nadzvukovej rýchlosti v oblasti cieľa. Zbraňový systém mal nadobudnúť operačný status počas roka 1963. Pôvodne bolo cieľom celého programu ANP a prenesene aj WS-125 vyvinúť pohonný systém s jediným reaktorom a nepriamym cyklom. Na základe petície spoločnosti General Electric však bolo vydané povolenie na výrobu motora s priamym cyklom, keďže sa predpokladalo, že jeho jednoduchšia konštrukcia prinesie úsporu času aj peňazí. Lietadlo tak malo byť poháňané dvoma systémami XMA-1, každý s párom motorov X-211.

Spoločnosť Convair sa na rozdiel od Lockheedu nerozhodla vyvíjať nový bombardér, ale uprednostnili modifikáciu už existujúceho typu. Do úvahy pripadali najmä lietadlá B-58 Hustler a XB-70 Valkyrie. Niektoré riešenia na ochranu proti radiácii boli vskutku bizarné. Seriózne bolo napríklad zvažované, že posádku bombardéra budú tvoriť muži v staršom veku (konkrétne takí, ktorí už nemôžu plodiť deti), čím sa zabráni prípadnej nežiadúcej genetickej mutácii!!! Program bol zrušený v decembri 1956 po porade zástupcov Ministerstva obrany pre rozpočet s prezidentom USA. Medzi hlavné dôvody patrila značne väčšia hmotnosť než projektovaná, nedosiahnutie predpokladaných výkonov, veľké technické riziko a nedoriešená otázka v súvislosti s radiačným smogom.

Nuclear Princess

Americké námorníctvo sa do programu ANP oficiálne zapojilo až v máji 1953, kedy zadalo niekoľkým výrobcom námorných lietadiel kontrakt na konzultácie pri vývoji atómového bombardéra. Ale už v roku 1946 vyčlenilo zo svojich zdrojov 1,5 milióna USD, ktoré boli prevedené k USAF na štúdie NEPA. Námorníctvo chcelo získať atómovým reaktorom poháňané podzvukové lietadlo, ktoré by sa dalo použiť na útoky proti pobrežným i námorným cieľom a sekundárne na kladenie mín a námorné hliadkovanie. Konkrétne požiadavky No. CA-01503-3 boli sformulované až v apríli 1955. Lietadlo malo byť schopné operovať za každého počasia pri silnej protilietadlovej obrane, pričom sa počítalo s dokončením prototypu najneskôr v roku 1961. Financovanie projektu bolo Ministerstvom obrany zamietnuté z dôvodu duplicity s prácami, prebiehajúcimi na zbraňovom systéme WS-125A. Posledný pokus námorníctva o stavbu nukleárneho lietadla sa uskutočnil v decembri 1957, kedy bol predložený návrh na zástavbu atómového reaktora s priamym obtokom do britského turbovrtuľového lietadla Princess na pohon jeho desiatich motorov PW T-57. Tým sa mal v čo najkratšom čase realizovať hlavný cieľ programu ANP – let s výlučne nukleárnym pohonom. Iniciatíva však narazila na tvrdý odpor USAF. Napriek tomu sa podarilo získať aspoň 3,2 milióna dolárov na úvodné štúdie, čo sa neskôr ukázalo ako prezieravé riešenie. O lietadle Princess sa totiž začalo opäť intenzívne diskutovať po vytvorení programu CAMAL, pričom podľa predpokladov mal celý vývoj trvať iba 5 rokov s celkovými nákladmi 200 miliónov USD. Aj opakovaný pokus o presadenie projektu bol zamietnutý.

Nuclear Engines

Prvý funkčný nukleárny motor s priamym obtokom bol vytvorený z pohonnej jednotky General Electric J47 a dostal označenie X‑39 (štyri kusy tvorili súčasť pohonného systému P‑1). Jeho princíp je pomerne jednoduchý. Vzduch je nasávaný prostredníctvom kompresora jedného alebo viacerých prúdových motorov. Odtiaľ smeruje do spoločnej komory a následne prechádza jadrom reaktora, kde preberie podstatnú časť jeho tepla. Po opustení reaktora nasleduje turbína a nakoniec výtoková tryska. Po zastavení vývoja systému P‑1 bolo rozhodnuté namiesto priameho vývoja uskutočniť radšej sériu postupných experimentov, ktoré by nakoniec viedli k stavbe prakticky použiteľného reaktora. Tie dostali spoločné označenie HTRE (Heat Transfer Reactor Experiments). Reaktor HTRE‑1 bol z veľkej časti odvodený od P‑1, avšak namiesto prstencového mal rúrovitý tvar. Ako palivo slúžila zliatina 80Ni‑20Cr spolu s obohateným oxidom uránu, zmiešané v pomere 60:40. Tridsaťsedem palivových článkov bolo opláštených podobnou zliatinou s prídavkom niobu (chemický prvok s atómovým číslom 41). Tie pracovali pri teplote 1700 stupňov F, produkujúc prúd výstupného vzduchu s teplotou 1350 stupňov F. Radiačný štít tvorilo berýlium. Po premiestnení hotového reaktora do Core Test Facility sa predpokladalo, že bude dosiahnutá životnosť aspoň 100 hodín. HTRE‑1 bol spúšťaný chemicky pomocou kompresora napojeného prúdového motora X‑39, ktorý preháňal prúd vzduchu cez jadro. Prvú aktiváciu uskutočnili inžinieri v januári 1956 a bol pri nej dosiahnutý výkon 20,2 MW. Počas testu sa poškodili tri palivové články, ale tie boli pomerne jednoducho vymenené. Reaktor pracoval celkovo 144 hodín. Potom bol modifikovaný do podoby HTRE‑2 odobratím siedmich palivových článkov a ich nahradením prázdnym hexagonálnym adaptérom, do ktorého mohli byť umiestnené a testované rôzne materiály. Na kompenzáciu zníženej reaktivity bol rozšírený berýliový štít o 10 centimetrov. HTRE‑2 pracoval celkovo 1299 hodín a po skončení testov bol stále funkčný. Nasledujúci reaktor HTRE‑3 sa od svojich predchodcov značne odlišoval. V prvom rade mal pevné moderujúce tyče a bol umiestnený horizontálne tak, aby sa v prípade potreby dal zabudovať do lietadla. Jeho výkon už umožňoval zapojenie dvoch prúdových motorov X‑39. Úvodná aktivácia sa odohrala 8. septembra 1958, avšak vysoká teplota poškodila viaceré palivové články. Po nevyhnutnej oprave nasledoval rozsiahly testovací program. HTRE‑3 sa stal prvým reaktorom, ktorý na svoj štart nepotreboval chemické palivo.

Práce v spoločnosti General Electric sa neobmedzovali len na experimenty. V roku 1955, tri roky po zrušení projektu P‑1, prišla so vznikom programu WS‑125A požiadavka na vývoj operačného pohonného systému, pričom sa preferovali hlavne motory s priamym obtokom. Vo všeobecnosti sa jednalo o dve možnosti: buď umiestniť reaktor priamo medzi kompresor a výtokovú trysku alebo ho posunúť do strany. V prvom prípade by hriadeľ motora prechádzal priamo jadrom reaktora a takýto pohonný systém dostal označenie XNJ140 (General Electric P140E). Reaktor mal byť postavený z keramických materiálov a používať zmes berýlia a oxidu uránu.

V druhom prípade bol reaktor umiestnený v strede medzi dvoma prúdovými motormi. Vzduch sa odvádzal z vysokotlakého kompresora sústavou potrubí do reaktora a odtiaľ do dvoch výtokových trysiek. Oproti predchádzajúcemu konceptu poskytoval niekoľko výhod. V prvom rade hriadeľ motora nemusel prechádzať priamo stredom rozžeraveného reaktora a zároveň pri takejto konštrukcii mohli motory pracovať aj s použitím iba klasického chemického paliva. Okrem toho použitie jedného výkonnejšieho reaktora v porovnaní s dvoma menšími šetrilo hmotnosť, pričom zároveň jeho umiestnenie medzi motormi čiastočne pomáhalo odtieniť nebezpečnú radiáciu. Takýto pohonný systém dostal označenie XMA‑1 (General Electric P144B). Úvodný prototyp XMA‑1A mal mať rovnaké jadro, ako HTRE‑3. Pre sériové použitie bol určený vylepšený typ XMA‑1C. Pred zrušením vývoja ešte stihli konštruktéri postaviť a otestovať jeden systém XMA‑1, avšak iba na chemické palivo a bez jadrového reaktora. XNJ140 aj XMA‑1 mali používať rovnaký typ reaktora. Pre uvažovaný operačný bombardér sa uvažovalo s použitím troch systémov XNJ140 alebo dvoch XMA‑1.

Motory s nepriamym obtokom sú veľmi podobné predchádzajúcim iba s tým rozdielom, že vzduch neprechádza priamo jadrom reaktora ale ohrieva sa vo výmenníku tepla. Prenosovým médiom je obvykle tekutý kov alebo voda pod vysokým tlakom. V prvom prípade má reaktor pevné jadro a okolo neho prúdi kovové tepelné médium. V druhom je palivo zmiešané s chladiacim médiom a kritické množstvo sa dosiahne pri jeho prietoku jadrom reaktora. Vývoj týchto motorov bol zverený firme Pratt and Whitney pričom väčšina prác mala prebiehať v laboratóriu CANEL (Connecticut Aircraft Nuclear Engine Labolatory). Oficiálny kontrakt bol udelený v roku 1953 a práce na druhom type prebiehali až do júna 1954. Ten neskôr dostal štvormiliónovú investíciu a úspešne uskutočnil pozemné testy systémov v novembri 1954. Jednalo sa o prvú extrakciu energie z nukleárneho reaktora pri teplote, ktorá spadala do limitov pre prúdové motory. Prenosovým médiom bola voda s teplotou 1500 stupňov Farenheita, udržiavaná v tekutom stave pod tlakom 5000 psi. Vývoj bol ukončený na základe internej analýzy, výsledky ktorej USAF akceptovalo a od tohto obdobia prešli všetky práce na vývoj reaktora s pevným jadrom. O samotnom reaktore sa toho veľa nevie, snáď len to, že niesol označenie Pratt and Whitney NJ‑18A. Na tomto mieste je možné dodať, že v USA jednoznačne preferujú vodu pred tekutým kovom. Jediný reaktor využívajúci tekutý sodík bol umiestnený na útočnej ponorke USS Seawolf a aj ten po niekoľkých rokoch služby a mnohých problémoch vymenili za vodný. Vo firme Pratt and Whitney zvolili na chladenie reaktora lítium, avšak až do októbra 1958, kedy boli všetky ďalšie práce zastavené, sa im nepodarilo postaviť žiaden funkčný prototyp motora. Vývoj niektorých subsystémov pre civilné použitie ešte pokračoval v obmedzenej miere aj po zrušení programu ANP.

Douglas C-133/X-211

V decembri 1957 začali zástupcovia USAF naliehať na Ministerstvo obrany, aby uvoľnilo dodatočné zdroje na čo najskoršie letové testy pohonného systému XMA-1. Ten mal byť zabudovaný do existujúceho lietadla, pričom ako prvý bol navrhnutý tanker KC-135, ale neskôr sa pozornosť obrátila na typ Douglas C-133. Pri letových testoch mala byť dosiahnutá rýchlosť Mach 0,62 vo výške 10 670 metrov, pričom aktivovaný by bol vždy len pravý motor z dvojice. Vzduch sa k nemu privádzal cez dodatočný nasávací otvor za vstupnými dverami pre posádku. V prvom roku bolo naplánovaných 75 letov a v ďalších ešte zhruba sto. K praktickej realizácii však našťastie nikdy nedošlo. Myslím, že pre mnohých ľudí by to bol doslova „nezabudnuteľný“ zážitok, vidieť prelietavať nad svojou hlavou lietadlo a potom dýchať vzduch, pochádzajúci priamo z otvoreného jadra reaktora!!!