Les années cinquante du siècle dernier ont été une période de développement rapide de la technologie nucléaire. Les superpuissances ont construit leurs arsenaux nucléaires, construisant des centrales nucléaires, des brise-glaces, des sous-marins et des navires de guerre avec des centrales nucléaires en cours de route. Les nouvelles technologies étaient très prometteuses. Par exemple, le sous-marin nucléaire n'avait aucune restriction sur la plage de croisière en position immergée, et le «ravitaillement» de la centrale pouvait être effectué toutes les quelques années. Bien entendu, les réacteurs nucléaires présentaient également des inconvénients, mais leurs avantages inhérents faisaient plus que compenser tous les coûts de la sûreté. Au fil du temps, le fort potentiel des centrales nucléaires a intéressé non seulement le commandement des marines, mais aussi l'aviation militaire. Un avion avec un réacteur à bord pourrait avoir de bien meilleures caractéristiques de vol que ses homologues à essence ou au kérosène. Tout d'abord, les militaires ont été attirés par le rayon d'action théorique d'un tel bombardier, avion de transport ou avion anti-sous-marin.
À la fin des années 1940, les anciens alliés de la guerre avec l'Allemagne et le Japon - les États-Unis et l'URSS - sont soudainement devenus des ennemis acharnés. Les caractéristiques géographiques de l'emplacement mutuel des deux pays ont nécessité la création de bombardiers stratégiques à portée intercontinentale. L'ancienne technologie était déjà incapable d'assurer la livraison de munitions atomiques vers un autre continent, ce qui nécessitait la création de nouveaux avions, le développement de la technologie des fusées, etc. Déjà dans les années quarante, l'idée d'installer un réacteur nucléaire sur un avion était mûre dans l'esprit des ingénieurs américains. Les calculs de cette époque ont montré qu'un avion comparable en poids, en taille et en paramètres de vol avec un bombardier B-29 pouvait passer au moins cinq mille heures dans les airs lors d'un ravitaillement en combustible nucléaire. Autrement dit, même avec les technologies imparfaites de l'époque, un réacteur nucléaire embarqué avec un seul ravitaillement pourrait fournir de l'énergie à un avion pendant toute sa durée de vie.
Le deuxième avantage des hypothétiques atomicolettes de l'époque était les températures atteintes par le réacteur. Avec une conception correcte d'une centrale nucléaire, il serait possible d'améliorer les turboréacteurs existants en chauffant la substance active à l'aide d'un réacteur. Ainsi, il devenait possible d'augmenter l'énergie des gaz de jet du moteur et leur température, ce qui conduirait à une augmentation significative de la poussée d'un tel moteur. À la suite de toutes les considérations et calculs théoriques, les avions avec des moteurs nucléaires dans certaines têtes sont devenus un véhicule de livraison universel et invincible pour les bombes atomiques. Cependant, d'autres travaux pratiques ont refroidi l'ardeur de ces "rêveurs".
Programme NEPA
En 1946, le nouveau département américain de la Défense a ouvert le projet NEPA (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft). L'objectif de ce programme était d'étudier tous les aspects des centrales nucléaires avancées pour aéronefs. Fairchild a été nommé entrepreneur principal pour le programme NEPA. Elle a été chargée d'étudier les perspectives des bombardiers stratégiques et des avions de reconnaissance à grande vitesse équipés de centrales nucléaires, ainsi que de façonner l'apparence de ces derniers. Les employés de Fairchild ont décidé de commencer à travailler sur le programme avec le problème le plus urgent: la sécurité des pilotes et du personnel de maintenance. Pour cela, une capsule contenant plusieurs grammes de radium a été placée dans la soute du bombardier servant de laboratoire volant. Au lieu d'une partie de l'équipage régulier, les employés de la compagnie, "armés" de compteurs Geiger, ont participé aux vols expérimentaux. Malgré la quantité relativement faible de métal radioactif dans la soute, le rayonnement de fond dépassait le niveau admissible dans tous les volumes habitables de l'avion. À la suite de ces études, les employés de Fairchild ont dû s'atteler aux calculs et déterminer de quelle protection le réacteur aurait besoin pour assurer une sécurité adéquate. Déjà des calculs préliminaires ont clairement montré que l'avion B-29 ne pourra tout simplement pas transporter une telle masse, et le volume de la soute existante ne permettra pas de placer le réacteur sans démonter les râteliers à bombes. En d'autres termes, dans le cas du B-29, il faudrait choisir entre une longue autonomie de vol (et même alors, dans un avenir très lointain) et au moins une sorte de charge utile.
D'autres travaux sur la création d'une conception préliminaire d'un réacteur d'avion se sont heurtés à de nouveaux et nouveaux problèmes. Suite aux paramètres de poids et de taille inacceptables, des difficultés sont apparues avec le contrôle du réacteur en vol, la protection efficace de l'équipage et de la structure, le transfert de puissance du réacteur vers les hélices, etc. Enfin, il s'est avéré que même avec une protection suffisamment sérieuse, les rayonnements du réacteur peuvent affecter négativement l'ensemble de puissance de l'avion et même la lubrification des moteurs, sans parler des équipements électroniques et de l'équipage. Selon les résultats des travaux préliminaires, le programme NEPA en 1948, malgré les dix millions de dollars dépensés, a eu des résultats très douteux. À l'été 48, une conférence à huis clos s'est tenue au Massachusetts Institute of Technology sur le thème des perspectives des centrales nucléaires pour avions. Après un certain nombre de différends et de consultations, les ingénieurs et scientifiques participant à l'événement sont arrivés à la conclusion qu'il était en principe possible de créer un avion atomique, mais ses premiers vols n'ont été attribués qu'au milieu des années 60 ou même à un Date.
Lors de la conférence du MIT, il a été annoncé la création de deux concepts de moteurs nucléaires avancés, ouverts et fermés. Le réacteur nucléaire "ouvert" était une sorte de turboréacteur conventionnel, dans lequel l'air entrant est chauffé à l'aide d'un réacteur nucléaire chaud. L'air chaud était projeté à travers la buse, faisant simultanément tourner la turbine. Ces derniers mettent en mouvement les roues du compresseur. Les inconvénients d'un tel système ont été immédiatement discutés. En raison de la nécessité d'un contact de l'air avec les parties chauffantes du réacteur, la sûreté nucléaire de l'ensemble du système a posé des problèmes particuliers. De plus, pour une configuration acceptable de l'avion, le réacteur d'un tel moteur devait être très, très petit, ce qui affectait sa puissance et son niveau de protection.
Un moteur à réaction nucléaire de type fermé devait fonctionner de manière similaire, à la différence que l'air à l'intérieur du moteur se réchaufferait au contact du réacteur lui-même, mais dans un échangeur de chaleur spécial. Directement du réacteur, dans ce cas, il était proposé de chauffer un certain fluide caloporteur, et l'air devait gagner en température au contact des radiateurs du circuit primaire à l'intérieur du moteur. La turbine et le compresseur sont restés en place et fonctionnaient exactement de la même manière que sur les turboréacteurs ou les moteurs nucléaires de type ouvert. Le moteur en circuit fermé n'imposait aucune restriction particulière sur les dimensions du réacteur et permettait de réduire considérablement les émissions dans l'environnement. D'autre part, un problème particulier était le choix d'un fluide caloporteur pour transférer l'énergie du réacteur dans l'air. Divers liquides de refroidissement n'offraient pas l'efficacité appropriée et les liquides métalliques nécessitaient un préchauffage avant de démarrer le moteur.
Lors de la conférence, plusieurs méthodes originales ont été proposées pour augmenter le niveau de protection des équipages. Tout d'abord, ils concernaient la création d'éléments porteurs de conception appropriée, qui protégeraient indépendamment l'équipage du rayonnement du réacteur. Des scientifiques moins optimistes ont suggéré de ne pas risquer les pilotes, ou du moins leur fonction de reproduction. Par conséquent, il a été proposé de fournir le niveau de protection le plus élevé possible et de recruter des équipages parmi des pilotes âgés. Enfin, des idées sont apparues concernant l'équipement d'un avion atomique prometteur avec un système de télécommande afin que les personnes pendant le vol ne mettent pas du tout leur santé en danger. Lors de la discussion de la dernière option, l'idée est venue de placer l'équipage dans un petit planeur, qui était censé être remorqué derrière l'avion à propulsion atomique sur un câble de longueur suffisante.
Programme de l'ANP
La conférence au MIT, ayant servi comme une sorte de session de remue-méninges, a eu un effet positif sur la suite du programme de création d'avions à propulsion atomique. Au milieu de 1949, l'armée américaine a lancé un nouveau programme appelé ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Cette fois, le plan de travail prévoyait la création d'un avion à part entière avec une centrale nucléaire à bord. En raison d'autres priorités, la liste des entreprises impliquées dans le programme a été modifiée. Ainsi, Lockheed et Convair ont été embauchés en tant que développeurs de la cellule d'un avion prometteur, et General Electric et Pratt & Whitney ont été chargés de poursuivre les travaux de Fairchild sur le moteur à réaction nucléaire.
Au début du programme ANP, le client s'est davantage concentré sur un moteur fermé plus sûr, mais General Electric a mené une « sensibilisation » aux responsables militaires et gouvernementaux. Les employés de General Electric ont insisté pour la simplicité et, par conséquent, le faible coût d'un moteur ouvert. Ils ont réussi à convaincre les responsables et, par conséquent, la direction du programme ANP a été divisée en deux projets indépendants: un moteur « ouvert » développé par General Electric et un moteur à circuit fermé de Pratt & Whitney. Bientôt, General Electric a pu faire avancer son projet et lui accorder une priorité particulière et, par conséquent, un financement supplémentaire.
Au cours du programme ANP, un autre a été ajouté aux options de moteurs nucléaires déjà existantes. Cette fois, il a été proposé de fabriquer un moteur qui ressemble à une centrale nucléaire dans sa structure: le réacteur chauffe l'eau et la vapeur qui en résulte entraîne la turbine. Ce dernier transfère la puissance à l'hélice. Un tel système, ayant une efficacité inférieure par rapport aux autres, s'est avéré être le plus simple et le plus pratique pour la production la plus rapide. Néanmoins, cette version de la centrale pour avions à propulsion atomique n'est pas devenue la principale. Après quelques comparaisons, le client et les entrepreneurs de l'ANP ont décidé de continuer à développer des moteurs "ouverts" et "fermés", laissant la turbine à vapeur comme solution de repli.
Premiers échantillons
En 1951-52, le programme ANP s'est approché de la possibilité de construire le premier prototype d'avion. Le bombardier Convair YB-60, qui était en cours de développement à cette époque, a été utilisé comme base, qui était une modernisation en profondeur du B-36 avec une aile en flèche et des turboréacteurs. La centrale P-1 a été spécialement conçue pour le YB-60. Il était basé sur une unité cylindrique avec un réacteur à l'intérieur. L'installation nucléaire a fourni une puissance thermique d'environ 50 mégawatts. Quatre turboréacteurs GE XJ53 étaient reliés au réacteur par un système de tuyauterie. Après le compresseur du moteur, l'air passait par les tuyaux au-delà du cœur du réacteur et, s'y chauffant, était rejeté par la buse. Les calculs ont montré que l'air seul ne suffira pas à refroidir le réacteur, de sorte que des réservoirs et des tuyaux pour la solution d'eau de bore ont été introduits dans le système. Tous les systèmes de centrale électrique connectés au réacteur étaient prévus pour être montés dans la soute arrière du bombardier, le plus loin possible des volumes habitables.
Prototype YB-60
Il convient de noter qu'il était également prévu de laisser les turboréacteurs natifs sur l'avion YB-60. Le fait est que les moteurs nucléaires à circuit ouvert polluent l'environnement et personne ne permettrait que cela se fasse à proximité immédiate des aérodromes ou des agglomérations. De plus, la centrale nucléaire, en raison de caractéristiques techniques, avait une mauvaise réponse de l'accélérateur. Par conséquent, son utilisation n'était pratique et acceptable que pour les longs vols à vitesse de croisière.
Une autre mesure de précaution, mais de nature différente, a été la création de deux laboratoires volants supplémentaires. Le premier d'entre eux, désigné NB-36H et de nom propre Crusader ("Crusader"), était destiné à vérifier la sécurité de l'équipage. Sur le B-36 de série, un cockpit de douze tonnes a été installé, composé de plaques d'acier épaisses, de panneaux de plomb et de verre de 20 cm. Pour une protection supplémentaire, il y avait un réservoir d'eau avec du bore derrière la cabine. Dans la queue du Crusader, à la même distance du cockpit que sur le YB-60, un réacteur expérimental ASTR (Aircraft Shield Test Reactor) d'une capacité d'environ un mégawatt a été installé. Le réacteur a été refroidi avec de l'eau, qui a transféré la chaleur du cœur aux échangeurs de chaleur sur la surface extérieure du fuselage. Le réacteur ASTR n'effectuait aucune tâche pratique et fonctionnait uniquement comme source de rayonnement expérimentale.
NB-36H (X-6)
Les vols d'essai du laboratoire NB-36H ressemblaient à ceci: les pilotes ont soulevé un avion avec un réacteur amorti dans les airs, se sont rendus à la zone d'essai au-dessus du désert le plus proche, où toutes les expériences ont été réalisées. À la fin des expériences, le réacteur a été éteint et l'avion est retourné à la base. Avec le Crusader, un autre bombardier B-36 avec instrumentation et un transport avec des parachutistes de la Marine a décollé de l'aérodrome de Carswell. En cas de crash d'un prototype d'avion, les marines devaient se poser à côté de l'épave, boucler la zone et participer à l'élimination des conséquences de l'accident. Heureusement, les 47 vols avec un réacteur en état de marche se sont déroulés sans atterrissage forcé de sauvetage. Les vols d'essai ont montré qu'un aéronef à propulsion nucléaire ne pose pas de menace sérieuse pour l'environnement, bien sûr, s'il fonctionne correctement et sans incident.
Le deuxième laboratoire volant, désigné X-6, devait également être converti à partir du bombardier B-36. Ils allaient installer un cockpit sur cet avion, similaire à l'unité du "Crusader", et monter une centrale nucléaire au milieu du fuselage. Ce dernier a été conçu sur la base de l'unité P-1 et équipé de nouveaux moteurs GE XJ39, créés sur la base des turboréacteurs J47. Chacun des quatre moteurs avait une poussée de 3100 kgf. Fait intéressant, la centrale nucléaire était un monobloc conçu pour être monté sur un avion juste avant le vol. Après l'atterrissage, il était prévu de conduire le X-6 dans un hangar spécialement équipé, de retirer le réacteur avec les moteurs et de les placer dans une installation de stockage spéciale. A ce stade des travaux, une unité de purge spéciale a également été créée. Le fait est qu'après l'arrêt des compresseurs des moteurs à réaction, le réacteur a cessé d'être refroidi avec une efficacité suffisante et qu'un moyen supplémentaire pour assurer l'arrêt sûr du réacteur était nécessaire.
Contrôle pré-vol
Avant le début des vols d'avions avec une centrale nucléaire à part entière, les ingénieurs américains ont décidé de mener des recherches appropriées dans des laboratoires au sol. En 1955, une installation expérimentale HTRE-1 (Heat Transfer Reactor Experiments) est assemblée. L'unité de cinquante tonnes a été assemblée sur la base d'une plate-forme ferroviaire. Ainsi, avant de commencer les expériences, il pourrait être retiré aux gens. L'unité HTRE-1 utilisait un réacteur à uranium compact blindé utilisant du béryllium et du mercure. De plus, deux moteurs JX39 ont été placés sur la plate-forme. Ils ont été démarrés à l'aide de kérosène, puis les moteurs ont atteint leur vitesse de fonctionnement, après quoi, sur commande du panneau de commande, l'air du compresseur a été redirigé vers la zone de travail du réacteur. Une expérience typique avec le HTRE-1 a duré plusieurs heures, simulant un long vol d'un bombardier. Au milieu de 56, l'unité expérimentale a atteint une capacité thermique de plus de 20 mégawatts.
HTRE-1
Par la suite, l'unité HTRE-1 a été repensée conformément au projet mis à jour, après quoi elle a été nommée HTRE-2. Le nouveau réacteur et les nouvelles solutions techniques ont fourni une puissance de 14 MW. Cependant, la deuxième version de la centrale expérimentale était trop grande pour être installée sur des avions. Par conséquent, en 1957, la conception du système HTRE-3 a commencé. C'était un système P-1 profondément modernisé, adapté pour fonctionner avec deux turboréacteurs. Le système HTRE-3 compact et léger a fourni 35 mégawatts de puissance thermique. Au printemps 1958, les tests de la troisième version du complexe d'essais au sol ont commencé, qui ont pleinement confirmé tous les calculs et, surtout, les perspectives d'une telle centrale.
Circuit fermé difficile
Alors que General Electric donnait la priorité aux moteurs à circuit ouvert, Pratt & Whitney n'a pas perdu de temps pour développer sa propre version d'une centrale nucléaire fermée. Chez Pratt & Whitney, ils ont immédiatement commencé à étudier deux variantes de ces systèmes. Le premier impliquait la structure et le fonctionnement les plus évidents de l'installation: le liquide de refroidissement circule dans le cœur et transfère de la chaleur à la partie correspondante du moteur à réaction. Dans le second cas, il a été proposé de broyer le combustible nucléaire et de le placer directement dans le fluide caloporteur. Dans un tel système, le combustible circulerait le long de tout le circuit de refroidissement, cependant, la fission nucléaire ne se produirait que dans le cœur. Il était censé y parvenir à l'aide de la forme correcte du volume principal du réacteur et des canalisations. À la suite de la recherche, il a été possible de déterminer les formes et les tailles les plus efficaces d'un tel système de canalisations pour la circulation du liquide de refroidissement avec du combustible, ce qui a assuré le fonctionnement efficace du réacteur et a contribué à fournir un bon niveau de protection contre les rayonnements.
Dans le même temps, le système de circulation du carburant s'est avéré trop complexe. Le développement ultérieur a principalement suivi le chemin des éléments combustibles "stationnaires" lavés par un liquide de refroidissement métallique. Comme ces derniers, divers matériaux ont été envisagés, cependant, les difficultés liées à la résistance à la corrosion des canalisations et à la mise en circulation du métal liquide ne nous ont pas permis de nous attarder sur le métal réfrigérant. En conséquence, le réacteur a dû être conçu pour utiliser de l'eau fortement surchauffée. D'après les calculs, l'eau aurait dû atteindre une température d'environ 810-820° dans le réacteur. Pour le maintenir à l'état liquide, il a fallu créer une pression d'environ 350 kg/cm2 dans le système. Le système s'est avéré très complexe, mais beaucoup plus simple et mieux adapté qu'un réacteur à caloporteur métallique. En 1960, Pratt & Whitney avait terminé les travaux sur sa centrale nucléaire pour avions. Les préparatifs ont commencé pour tester le système fini, mais ces tests n'ont finalement pas eu lieu.
Triste fin
Les programmes NEPA et ANP ont permis de créer des dizaines de nouvelles technologies, ainsi qu'un certain nombre de savoir-faire intéressants. Cependant, leur objectif principal - la création d'un avion atomique - même en 1960 n'a pas pu être atteint dans les prochaines années. En 1961, J. Kennedy est arrivé au pouvoir, qui s'est immédiatement intéressé aux avancées de la technologie nucléaire pour l'aviation. Comme ceux-ci n'ont pas été observés et que les coûts des programmes ont atteint des valeurs complètement obscènes, le sort de l'ANP et de tous les avions à propulsion atomique s'est avéré être une grande question. Plus d'une décennie et demie, plus d'un milliard de dollars ont été dépensés pour la recherche, la conception et la construction de diverses unités de test. Dans le même temps, la construction d'un avion fini avec une centrale nucléaire était encore une question d'avenir lointain. Bien entendu, des dépenses supplémentaires en argent et en temps pourraient amener l'avion atomique à une utilisation pratique. Cependant, l'administration Kennedy a décidé différemment. Le coût du programme ANP augmentait constamment, mais il n'y avait aucun résultat. De plus, les missiles balistiques ont pleinement prouvé leur haut potentiel. Dans la première moitié du 61, le nouveau président a signé un document selon lequel tous les travaux sur les avions à propulsion atomique auraient dû être arrêtés. Il convient de noter que peu de temps avant, au cours de la 60e année, le Pentagone a pris une décision controversée, selon laquelle tous les travaux sur les centrales électriques de type ouvert ont été arrêtés et tous les fonds ont été alloués à des systèmes «fermés».
Malgré un certain succès dans le domaine de la création de centrales nucléaires pour l'aviation, le programme ANP a été considéré comme un échec. Pendant un certain temps, parallèlement à l'ANP, des moteurs nucléaires pour des missiles prometteurs ont été développés. Cependant, ces projets n'ont pas donné le résultat escompté. Au fil du temps, ils ont également été fermés et les travaux en direction des centrales nucléaires pour les avions et les missiles ont complètement cessé. De temps à autre, diverses entreprises privées ont tenté de mener de tels développements de leur propre initiative, mais aucun de ces projets n'a reçu le soutien du gouvernement. Les dirigeants américains, ayant perdu confiance dans les perspectives des avions à propulsion atomique, ont commencé à développer des centrales nucléaires pour la flotte et des centrales nucléaires.
