Управление США по стратегическому развитию в ноябре 1955 г. запросило Комиссию по атомной энергетике о том, насколько целесообразна концепция авиационного двигателя, которая заключалась в применении в прямоточном воздушно-реактивном двигателе ядерной силовой установки.
С сайта Head News.
Американские ВВС в 1956 году сформулировали и опубликовали требования к крылатой ракете оснащенной ядерной силовой установкой.
Американские военно-воздушные силы, компания «Дженерал Электрик», а в дальнейшем Ливерморская лаборатория Калифорнийского университета осуществили ряд исследований, подтвердивших возможность создания ядерного реактора для использования в реактивном двигателе.
Результатом данных исследований стало решение о создании сверхзвуковой низковысотной крылатой ракеты SLAM (Supersonic Low-Altitude Missile). Новая ракета должна была использовать ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель.
→ Большие скидки для школ, классов и групп на учебники английского языка Pearson, Oxford, Pingu, Express и др. Купить онлайн с доставкой.
Проект, целью которого стал реактор для этого оружия, получил кодовое имя «Плутон», которое стало обозначением и самой ракеты.
Свое имя проект получил в честь древнеримского повелителя загробного мира Плутона. По-видимому, этот мрачный персонаж послужил вдохновителем для создателей ракеты, имеющей размеры локомотива, которая должна была лететь на уровне деревьев, сбрасывая водородные бомбы на города. Создатели «Плутона» считали, что одна только ударная волна, возникающая за ракетой, способна убивать людей, находящихся на земле. Другим смертоносным атрибутом нового смертоносного оружия был радиоактивный выхлоп. Словно было мало того, что незащищенный реактор был источником нейтронного и гамма излучения, ядерный двигатель выбрасывал бы остатки ядерного топлива, загрязняя территорию на пути ракеты.
Что касается планера, то его для SLAM не спроектировали. Планер должен был обеспечить на уровне моря скорость Мах 3. При этом нагрев обшивки от трения о воздух мог составлять до 540 градусов Цельсия. В то время аэродинамику для подобных режимов полета исследовали мало, однако было проведено большое количество исследований, включая 1600 часов продувок в аэродинамических трубах. В качестве оптимальной выбрали аэродинамическую схему «утка». Предполагалось, что именно эта схема обеспечит для заданных режимов полета требуемые характеристики. По результатам этих продувок классический воздухозаборник с устройством конического течения заменили на входное устройство двумерного течения. Оно лучше работало в более широком диапазоне углов рысканья и тангажа, а также давало возможность снизить потери давления.
Также провели обширную материаловедческую исследовательскую программу. В результате была изготовлена секция фюзеляжа из стали Рене 41. Данная сталь — высокотемпературный сплав с высоким содержанием никеля. Толщина обшивки равнялась 25 миллиметрам. Секцию испытали в печи, чтобы изучить воздействия высоких температур, вызванных кинетическим нагревом, на летательный аппарат.
Передние секции фюзеляжа предполагалось обработать тонким слоем золота, которые должно было рассеивать тепло от конструкции, нагретой радиоактивным излучением.
Кроме этого, построили модель носа, воздушного канала ракеты и воздухозаборника, выполненные в масштабе 1/3. Данную модель также тщательно испытали в аэродинамической трубе.
Создали эскизный проект расположения аппаратных средств и оборудования, включая боекомплект, состоящий из водородных бомб.
Сейчас «Плутон» — анахронизм, всеми забытый персонаж из более ранней, однако не более невинной эры. Однако для того времени «Плутон» являлся самым непреодолимо привлекательным среди революционных технологических новшеств. «Плутон», так же как и водородные бомбы, нести которые он был должен, в технологическом смысле являлся крайне привлекательным для многих инженеров и ученых, которые работали над ним.
Американские ВВС и Комиссия по атомной энергии 1 января 1957 г. выбрали Ливерморскую национальную лабораторию (холмы Беркли, Калифорния) в качестве ответственного за «Плутон».
Поскольку недавно Конгресс передал совместный проект по ракете с ядерным двигателем национальной лаборатории в Лос-Аламосе (шт. Нью-Мексико) — сопернику Ливерморской лаборатории, — назначение для последней стало хорошей новостью.
Ливерморская лаборатория, которая имела в своем штате высококлассных инженеров и квалифицированных физиков, была выбрана по причине важности данной работы — нет реактора, отсутствует двигатель, а без двигателя нет ракеты. Кроме того, данная работа простой не была: проектирование и создание ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя ставило большой объем сложных технологических проблем и задач.
Принцип работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя любого типа относительно прост: в воздухозаборник двигателя под давлением набегающего потока попадает воздух, после чего он нагревается, вызывая его расширение, и газы, имеющие высокую скорость, выбрасываются из сопла. Таким образом, создается реактивная тяга. Однако в «Плутоне» принципиально новым стало использование ядерного реактора для нагрева воздуха. Реактор данной ракеты, в отличие от окруженных сотнями тонн бетона коммерческих реакторов, должен был иметь достаточно компактные габариты и массу, для того чтобы поднять и себя, и ракету в воздух. При этом реактор должен был быть прочным, чтобы «пережить» полет в несколько тысяч миль, до находящихся на территории СССР целей.
Совместная работа Ливерморской лаборатории и компании «Чанс-Воут» над определением требуемых параметров реактора привела в итоге к следующим характеристикам:
Диаметр — 1450 мм.
Диаметр делящегося ядра — 1200 мм.
Длинна — 1630 мм.
Длинна ядра — 1300 мм.
Критическая масса урана — 59,90 кг.
Удельная мощность — 330 мегаватт/м3.
Мощность — 600 мегаватт.
Средняя температура топливного элемента — 1300 градусов Цельсия.
Успех проекта «Плутон» во многом зависел от целого успехов в материаловедении и металлургии. Пришлось создать пневматические приводы, которые управляли реактором, способные работать в полете, при нагревании до сверхвысоких температур и при воздействии ионизирующего излучения. Необходимость поддержания сверхзвуковой скорости на малых высотах и при различных погодных условиях означала, что реактор должен был выдерживать условия, при которых использующиеся в обычных ракетных или реактивных двигателях материалы плавятся или разрушаются. Конструкторы рассчитали, что нагрузки, предполагаемые при полете на малых высотах, в пять раз превысят аналогичные, воздействовавшие на экспериментальный самолет Х-15, оснащенный ракетными двигателями, достигавший на значительной высоте числа М=6,75. Этан Платт, который работал над Плутоном, говорил, что он был «во всех смыслах довольно близок к пределу». Блейк Майерс, руководитель ливерморского подразделения реактивного движения, говорил: «Мы постоянно теребили за хвост дракона».
В проекте «Плутон» должна была использоваться тактика полета на низких высотах. Данная тактика обеспечивала скрытность от радаров системы ПВО СССР.
Для достижения скорости, на которой работал бы прямоточный воздушно-реактивный двигатель, «Плутон» должен был с земли запускаться при помощи пакета обычных ракетных ускорителей. Запуск ядерного реактора начинался только после того, как «Плутон» достигал высоты крейсерского полета и достаточно удалялся от населенных районов. Ядерный двигатель, дающий практически неограниченный радиус действия, позволял ракете летать над океаном кругами в ожидании приказа перехода на сверхзвуковую скорость к цели в СССР.
Крылатая ракета с ядерным двигателем, проект Плутон, США
Эскизный проект SLAM
Доставка значительно количества боеголовок к разным целям удаленным друг от друга, при полете на малых высотах, в режиме огибания рельефа, требует применения высокоточной системы наведения. В то время уже имелись инерциальные системы наведения, однако они не могли использоваться в условиях жесткой радиации, которую излучал реактор «Плутона». Но программа по созданию SLAM имела чрезвычайную важность, и решение нашли. Продолжение работ над инерциальной системой наведения «Плутона» стало возможным после разработки для гироскопов газодинамических подшипников и появлением конструктивных элементов, которые были устойчивы к воздействию сильной радиации. Однако точности инерциальной системы было все равно недостаточно для выполнения поставленных задач, поскольку с увеличением дальности маршрута увеличивалось значение ошибки наведения. Решение нашли в использовании дополнительной системы, которая на определенных участках маршрута осуществляла бы коррекцию курса. Образ участков маршрута должен был храниться в памяти системы наведения. Исследования, финансируемые компанией «Воут», привели к тому что была создана система наведения, обладающая достаточной для использования в SLAM точностью. Данную систему запатентовали под названием FINGERPRINT, а потом переименовали в TERCOM. TERCOM (Terrain Contour Matching, отслеживание рельефа местности) использует набор эталонных карт местности по маршруту. Эти карты, представленные в памяти навигационной системы, содержали данные о высоте рельефа и достаточно детализованными для того, чтобы считаться уникальными. Навигационная система при помощи направленного вниз радара производит сравнение местности и эталонной карты, после чего осуществляет корректировку курса.
В целом, после некоторых доработок, TERCOM дала бы возможность SLAM уничтожать множество удаленных целей. Также была проведена обширная программа испытаний системы TERCOM. Полеты во время испытаний проводились над различными типами земной поверхности, при отсутствии и наличии снежного покрова. Во время испытаний была подтверждена возможность получения требуемой точности. Кроме этого, всё навигационное оборудование, которое предполагали использовать в системе наведения, было проверено на устойчивость к сильному радиолокационному воздействию.
Данная система наведения получилась настолько удачной, что принципы ее работы до сих пор остаются неизменными и используются в крылатых ракетах.
Сочетание малой высоты полета и высокой скорости должно было обеспечить «Плутону» возможность достичь и поразить цели, в то время как баллистические ракеты и бомбардировщики могли бы быть перехвачены во время следования к целям.
Другим важным качеством «Плутона», которое часто упоминают инженеры, была надежность ракеты. Один из инженеров говорил о «Плутоне» как о ведре с камнями. Причиной тому являлась простая конструкция и высокая надежность ракеты, за что Тед Меркл, руководитель проекта, дал прозвище — «летающий лом».
На Меркла возложили ответственность по созданию 500-мегаваттного реактора, который должен был стать сердцем «Плутона».
Компании «Чанс-Воут» уже был передан контракт на создание планера, а за создание прямоточного двигателя, за исключением реактора, ответственна была корпорация «Маркуардт».
Очевидно, что вместе с увеличением температуры, до которой в канале двигателя можно нагреть воздух, увеличивается эффективность ядерного двигателя. Поэтому при создании реактора (кодовое имя «Тори») девизом Меркла стало «горячее — значит лучше». Однако проблема заключалась в том, что рабочая температура составляла около 1400 градусов Цельсия. При такой температуре жаропрочные сплавы нагревались до такой степени, что теряли прочностные характеристики. Это заставило Меркла обратиться в фарфоровую компанию «Coors» (Колорадо) с просьбой разработать керамические топливные элементы, способные выдержать такие высокие температуры и обеспечить в реакторе равномерное распределение температуры.
Сейчас компания «Coors» известна как производитель разных продуктов, благодаря тому, что Адольф Курс однажды осознал, что производство чанов, имеющих керамическую футеровку, предназначенных для пивоваренных заводов, окажется не тем бизнесом, которым следует заниматься. И хотя фарфоровая компания продолжала заниматься производством фарфоровых изделий, включая и 500000 топливных элементов для «Тори», имеющих форму карандаша, всё началось с околопивного бизнеса Адольфа Курса.
Для изготовления тепловыделяющих элементов реактора использовался высокотемпературный керамический оксид бериллия. Это смешивалось с диоксидом циркония (стабилизирующая добавка) и диоксидом урана. В керамической компании Курса пластичная масса прессовалась под высоким давлением, после чего спекалась. В результате получая тепловыделяющие элементы. Топливный элемент — полая трубка гексагональной формы, длинной около 100 мм, внешний диаметр — 7,6 мм, а внутренний — 5,8 мм. Данные трубки соединялись таким образом, чтобы длина воздушного канала равнялась 1300 мм.
Всего в реакторе использовали 465 тыс. тепловыделяющих элементов, из которых образовывалось 27 тыс. воздушных каналов. Подобной конструкцией реактора обеспечивалось равномерное распределение в реакторе температуры, что, вместе с использованием керамических материалов, давало возможность достичь заданных характеристик.
Однако экстремально высокая рабочая температура «Тори» оказалась всего лишь первой проблемой из целого ряда, которые необходимо было преодолеть.
Другой проблемой для реактора стал полет на скорости М=3 во время осадков или над океаном и морем (сквозь пары соленый воды). Инженеры Меркле использовали во время экспериментов разные материалы, которыми должна была обеспечиваться защита от коррозии и высоких температур. Данные материалы предполагалось применять для изготовления устанавливаемых в корме ракеты крепежных плит и в задней части реактора, где температура достигала максимальных значений.
Но только измерение температуры данных плит представляло собой сложную задачу, поскольку датчики, предназначенные для измерения температуры, от воздействия радиации и очень высокой температуры реактора «Тори» загорались и взрывались.
При проектировании крепежных плит температурные допуски были настолько близки к критическим значениям, что лишь 150 градусов разделяли рабочую температуру реактора и температуру, при достижении которой крепежные плиты самовозгорались.
В действительности в создании «Плутона» имелось так много неизвестного, что Меркле принял решение провести статическое испытание полномасштабного реактора, который предназначался для прямоточного двигателя. Это должно было решить все вопросы разом. Чтобы провести испытания, в ливерморской лаборатории решили построить в пустыне Невады специальный объект, около места, где лаборатория испытывала свое ядерное оружие. Объект, получивший название «Зона 401», возведенный на восьми квадратных милях Ослиной равнины, по заявленным стоимости и амбициям превзошел сам себя.
Поскольку после запуска реактор «Плутона» становился чрезвычайно радиоактивным, его доставка на место испытаний осуществлялась по специально построенной полностью автоматизированной железнодорожной линии. По данной линии реактор перемещаться на расстояние примерно двух миль, которые разделяли стенд статических испытаний и массивное «демонтажное» здание. В здании «горячий» реактор демонтировался для проведения обследования при помощи оборудования, управляемого дистанционно. Ученые из Ливермора наблюдали за процессом испытаний с помощью телевизионной системы, которая размещалась в жестяном ангаре далеко от испытательного стенда. На всякий случай ангар оборудовался противорадиационным укрытием с двухнедельным запасом пищи и воды.
Только чтобы обеспечить поставки бетона необходимого для строительства стен демонтажного здания (толщина составляла от шести до восьми футов), правительство Соединенных Штатов приобрело целую шахту.
Миллионы фунтов сжатого воздуха хранились в трубах, использующихся в нефтедобыче, общей протяженностью 25 миль. Данный сжатый воздух предполагалось использовать для имитации условий, в которых прямоточный двигатель оказывается во время полета на крейсерской скорости.
Чтобы обеспечить в системе высокое воздушное давление, лаборатория позаимствовала с базы подводных лодок (Гротон, шт. Коннектикут) гигантские компрессоры.
Для проведения теста, во время которого установка работала на полной мощности в течение пяти минут, требовалось прогонять тонну воздуха через стальные цистерны, которые заполнялись более чем 14 млн. стальных шариков, диаметром 4 см. Данные цистерны нагревались до 730 градусов при помощи нагревательных элементов, в которых сжигали нефть.
Постепенно коллектив Меркла, в течение первых четырех лет работы, смог преодолеть все препятствия, стоящие на пути создания «Плутона». После того, как множество экзотических материалов было опробовано, для использования в качестве покрытия сердечника электродвигателя, инженерами было выяснено, что с этой ролью хорошо справляется краска для выпускного коллектора. Ее заказали через объявление, обнаруженное в автожурнале Hot Rod. Одним из оригинальных рационализаторских предложений стало использование для фиксации пружин время сборки реактора нафталиновых шариков, которые после выполнения своей задачи благополучно испарялись. Данное предложение было сделано лабораторными кудесниками. Рихард Вернер, еще один инициативный инженер из группы Меркла, изобрел способ определения температуры крепежных плит. Его методика основывалась на сравнении цвета плит с определенным цветом шкалы. Цвет шкалы соответствовал некоторой температуре.
Установленный на железнодорожной платформе, Тори-2А готов к успешным испытаниям. Май 1964 года
Установленный на железнодорожной платформе, Тори-2А готов к успешным испытаниям. Май 1964 года
14 мая 1961 г. инженеры и ученые, находящиеся в ангаре, откуда управлялся эксперимент, задержали дыхание — первый в мире ядерный прямоточный реактивный двигатель, смонтированный на ярко-красной железнодорожной платформе, возвестил о своем рождении громким ревом. Тори-2А запустили всего на несколько секунд, во время которых он не развивал своей номинальной мощности. Однако считалось, что тест являлся успешным. Самым важным стало то, что реактор не воспламенился, чего крайне опасались некоторые представители комитета по атомной энергетике. Почти сразу после испытаний Меркл приступил к работам по созданию второго реактора «Тори», который должен был иметь большую мощность при меньшей массе.
Работы по Тори-2B дальше чертежной доски не продвинулись. Вместо него ливерморцы сразу построили Тори-2C, который нарушил безмолвие пустыни спустя три года после испытаний первого реактора. Спустя неделю данный реактор был вновь запущен и проработал на полной мощности (513 мегаватт) в течение пяти минут. Оказалась что радиоактивность выхлопа значительно меньше ожидаемой. На этих испытаниях также присутствовали генералы ВВС и чиновники из комитета по атомной энергетике.
Тори-2C
Тори-2C
Меркл и его сотрудники очень шумно отпраздновали успех испытаний. Чего стоит только погруженное на транспортную платформу фортепьяно, которое «позаимствовали» из женского общежития, находившегося поблизости. Вся толпа празднующих, во главе с восседающим за пианино Мерклом, распевая похабные песни, понеслась в городок Меркурий, где и оккупировала ближайший бар. На следующее утро все они выстроились в очередь к палатке медиков, где им ставили витамин B12, считавшийся в те времени эффективным средством от похмелья.
Вернувшись в лабораторию, Меркл сконцентрировал внимание на том, чтобы создать реактор более легкий и мощный, который будет достаточно компактным для выполнения испытательных полетов. Даже проводились обсуждения гипотетического Тори-3 способного разогнать ракету до скорости Мах 4.
В это время заказчиков из Пентагона, финансировавших проект «Плутон», начали одолевать сомнения. Поскольку ракета запускалась с территории США и летела над территорией американских союзников на малой высоте, чтобы избежать обнаружения системами ПВО СССР, некоторые военные стратеги задумались — а не будет ли ракета представлять для союзников угрозу? Еще до того как ракета «Плутон» сбросит бомбы на противника, она сначала оглушит, раздавит и даже облучит союзников. (Ожидалось, что от Плутона, пролетающего над головой, уровень шума на земле будет составлять около 150 децибел. Для сравнения — уровень шума ракеты, отправившей американцев на Луну (Сатурн-5), на полной тяге составила 200 децибел). Разумеется, разорванные барабанные перепонки были бы наименьшей проблемой, если бы вы оказались под пролетающим над вашей головой обнаженным реактором, который изжарил бы вас как цыпленка гамма- и нейтронным излучением.
Все это заставляло чиновников из Минобороны называть проект «слишком провокационным». По их мнению, наличие у США подобной ракеты, которую почти невозможно остановить и которая может нанести государству урон, находящийся где-то между неприемлемым и безумным, может вынудить СССР создать аналогичное оружие.
За пределами лаборатории различные вопросы относительно того, способен ли «Плутон» выполнить задачу, под которую его спроектировали, и главное, была ли эта задача все еще актуальной, также поднимались. Хотя создатели ракеты утверждали, что «Плутон» изначально по своей сути также неуловим, военные аналитики выражали недоумение — как нечто такое шумное, горячее, большое и радиоактивное может оставаться незамеченным на протяжении времени, которое необходимо для выполнения задачи. В это же время военно-воздушные силы США уже начали развертывать баллистические ракеты «Атлас» и «Титан», которые были способны достичь целей на несколько часов раньше летающего реактора, и противоракетная система СССР, конкуренция с которой стала основным толчком для создания «Плутона», так и не стала для баллистических ракет помехой, несмотря на успешно проведенные испытательные перехваты. Критики проекта придумали собственную расшифровку аббревиатуры SLAM — slow, low, and messy — медленно, низко и грязно. После успешных испытаний ракеты «Полярис» флот, изначально проявлявший интерес к использованию ракет для пусков с подводных лодок или кораблей, также начал покидать проект. И, наконец, ужасная стоимость каждой ракеты: она составляла 50 миллионов долларов. Внезапно «Плутон» стал технологией, которой нельзя найти приложения, оружием, у которого не было подходящих целей.
Однако последним гвоздем в гроб «Плутона» стал всего один вопрос. Он настолько обманчиво простой, что можно извинить ливерморцев за то, что они ему сознательно не уделили внимания. «Где проводить летные испытания реактора? Как убедить людей в том, что во время полета ракета не потеряет управление и не полетит над Лос-Анджелесом или Лас-Вегасом на малой высоте?» — спрашивал физик ливерморской лаборатории Джим Хэдли, который до самого конца работал над проектом «Плутон». В настоящее время он занимается обнаружением ядерных испытаний, которые проводятся в других странах, для подразделения Z. По признанию самого Хэдли, не было никаких гарантий, что ракета не выйдет из под контроля и не превратится в летающий Чернобыль.
Было предложено несколько вариантов решения данной проблемы. Одним из них стало проведение испытаний Плутона в штате Невада. Предлагалось привязать его к длинному тросу. Другое, более реальное решение, — запуск Плутона около острова Уэйк, где ракета летала бы, нарезая восьмерки над принадлежащей Соединенным Штатам частью океана. «Горячие» ракеты предполагалась затапливать на глубине 7 километров в океане. Однако даже тогда, когда комиссия по атомной энергетике склоняла мнение людей думать о радиации как о безграничном источнике энергии, предложения сбрасывать множество загрязненных радиацией ракет в океан было вполне достаточно, чтобы работы приостановили.
1 июля 1964 г, спустя семь лет и шесть месяцев с начала работ, проект «Плутон» закрыли комиссия по атомной энергетике и военно-воздушные силы. В загородном клубе, находившемся рядом с Ливермором, Мерклом была организована «Тайная вечеря» для работавших над проектом. Там были розданы сувениры — бутылки с минеральной водой «Плутон» и зажимы для галстука SLAM. Суммарная стоимость проекта составила 260 млн. долларов (в ценах того времени). В пик расцвета проекта «Плутон» над ним в лаборатории работало около 350 человек, и еще около 100 работало в Неваде на объекте 401.
Даже несмотря на то, что «Плутон» никогда не поднимался в воздух, разработанные для ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя экзотические материалы сегодня находят применение в керамических элементах турбин, а также в используемых в космических аппаратах реакторах.
Физик Гарри Рейнольдс, который также принимал участие в проекте Тори-2С, работает сейчас в корпорации «Роквел» над стратегической оборонной инициативой.
Некоторые из ливерморцев продолжают испытывать ностальгию по «Плутону». По словам Уильяма Морана, который курировал производство топливных элементов для реактора Тори, эти шесть лет были лучшим временем в его жизни. Руководивший испытаниями Чак Барнетт, подводя итог царившей в лаборатории атмосфере, говорил: «Я был молод. Мы имели много денег. Это было очень увлекательно».
По словам Хэдли, каждые несколько лет какой-нибудь новый подполковник военно-воздушных сил открывает для себя «Плутон». После этого он звонит в лабораторию, чтобы узнать дальнейшую судьбу ядерного ПВРД. Энтузиазм у подполковников пропадает сразу же после того как Хэдли рассказывает о проблемах с радиацией и летными испытаниями. Больше одного раза никто Хэдли не звонил.
Если кого-то захочет вернуть к жизни «Плутон», то, возможно, ему удастся найти несколько новобранцев в Ливерморе. Однако их много не будет. Идею того, что могло стать адским безумным оружием, лучше оставить в прошлом.
Технические характеристики ракеты SLAM:
Диаметр — 1500 мм.
Длинна — 20000 мм.
Масса — 20 тонн.
Радиус действия — не ограниченный (теоретически).
Скорость на уровне моря — 3 Маха.
Вооружение — 16 термоядерных бомб (мощность каждой 1 мегатонна).
Двигатель — ядерный реактор (мощность 600 мегаватт).
Система наведения — инерциальная + TERCOM.
Максимальная температура обшивки — 540 градусов Цельсия.
Материал планера — высокотемпературная, нержавеющая сталь Рене 41.
Толщина обшивки — 4 — 10 мм.
Тема: ракета с ядерным двигателем SLAM (Прочитано 2923 раз)