Pondělí, 26 října
Shadow

Jaderná letadla – sen konstruktérů, který se nepodařilo splnit

Při raném rozvoji jaderné energie se její vývoj ubíral různými směry. Jednalo se o velice perspektivní zdroj energie a z toho důvodu byla tendence ji využívat v různých aplikacích. Pohonné systémy nebyly výjimkou. Existence jaderných ponorek a ledoborců je věc obecně známá, avšak málokdo z nás ví, že byly vyvíjeny a testovány i varianty reaktorů pro pohon letadel. Z dnešního pohledu jde spíše o slepou vývojovou uličku, ale z pohledu jaderné energetiky jde o zajímavou část historie.

Vývoj jaderných letadel započal krátce po skončení druhé světové války a probíhal až do šedesátých let 20. století, kdy kvůli finanční náročnosti a nadbytečnosti postupně skončil. Hlavním důvodem, proč se vůbec o tomto pohonu uvažovalo, byl jednoznačně operační dolet. V počátcích studené války ještě nebyly dostupné technologie mezikontinentálních balistických střel, ani doplňování paliva za letu, které by umožňovaly úder hluboko v nepřátelském území. A tak dvě největší mocnosti studené války, Spojené státy americké a Sovětský svaz, soupeřily i v oblasti vývoje jaderných letadel. Během výzkumu ale vyvstala celá řada problémů, které se ne zcela dařilo překonat. V první řadě se jednalo o problémy spojené s ozářením posádky. Kvůli vysoké hmotnosti radiačních štítů nebylo zcela možné posádku odstínit. Další rizika byla ekologická, spojená s případnou havárií letadla a možnou kontaminací území.  Z technického hlediska byl největší problém s hmotností letadla a vytvořením dostatečně silného motoru s potřebným tahem. Nejjednodušší pohonný systém samotný vážil okolo 80 tun, což je několikrát více než používané pohonné soustrojí té doby.

Pro pohon letadel byly vyvíjeny dva typy pohonných systémů. Jednodušším byl pohon s přímým cyklem a tím druhým pohon s nepřímým cyklem. Princip je u obou podobný klasickému proudovému motoru s tou výjimkou, že vzduch není před expanzí v turbíně ohříván zažehnutím paliva, ale tepelnou energií pocházející z reaktoru. Přímý cyklus spočívá v kompresi a nasávání vzduchu přímo do reaktoru, odkud proudí přes turbínu do výstupní části pohonu. Nevýhodou tohoto typu pohonu je vypouštění radioaktivního materiálu do atmosféry. Nepřímý cyklus má vložený tepelný výměník mezi reaktorovou částí a pohonnou jednotku, a tím pádem problémy s vypouštěním radioaktivních látek odpadají.  Naproti tomu je o mnoho těžší a technologicky náročnější. Spojené státy otestovaly reaktory s keramickým palivem moderované vodou a chlazené vodou a vzduchem (HTRE-1). Voda v reaktoru měla okolo 70 a sloužila ke chlazení strukturálních částí reaktoru. Vzduch dosahoval teplot přes 700. Později byl u systému HTRE-3 použit hydrid zirkonia jako moderátor a všechny části reaktoru byly chlazeny vzduchem. V rámci projektu se pracovalo i na reaktorech s tavenými solemi. Sovětský svaz také vyzkoušel několik variant pohonného systému.

HTRE-3
Pohonný systém HTRE-3 (vpředu) (Zdroj: tau0.wordpress.com)

 

Program USA

Vznik programu pro vývoj jaderného letadla se datuje k roku 1946, kdy vznikl projekt NEPA (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft). V této fázi projektu byla zkoumána využitelnost a proveditelnost leteckého jaderného pohonu. V roce 1951 pak byl projekt NEPA převeden pod nově vzniklý projekt ANP (Advanced Nuclear Propulsion).  Z hlediska vývoje pohonných jednotek se Spojené státy vydaly dvěma směry. Motor s přímým cyklem vyvíjela společnost General Electric a motor s nepřímým cyklem společnost Pratt & Whitney. Proběhla série testů HTRE (Heat Transfer Reactor Experiment), z nichž vzešly tři typy reaktorů. Výsledkem celého programu měly být dva experimentální stroje postavené do roku 1957.

Pro zkoumání účinků radiace však bylo nutné postavit zkušební reaktor a umístit jej do klasického letadla. Jako jediný možný kandidát byl zvolen největší bombardér, kterým Spojené státy disponovaly, Convair B36. Po úpravách byl zkušební reaktor umístěn do míst pumovnice v zadní části letounu a změn se dočkala také přední část, ve které byl umístěn radiační štít o hmotnosti 12 tun vyrobený z olova a pryže. První let zkušebního letounu s označením NB-36H byl uskutečněn 17. září 1955 a v průběhu dvou následujících let bylo uskutečněno 47 úspěšných letů. V roce 1955 byl vyvinut první zkušební motor s přímým cyklem s označením X-39. Jeho tah byl ovšem pro pohon letadla nedostačující.

NB-36H
Convair NB-36H (vpředu) během zkušebního letu (Zdroj: Wikipedia.org)

Mezitím byl rozpracován plán na atomový bombardér WS-125. Designem a konstrukcí byla pověřena společnost Convair. Podle původního plánu měl být provozuschopný počátkem 60. let. Kvůli finanční náročnosti rozhodl tehdejší prezident Eisenhower o pozastavení programu a testů letadel. Všechen výzkum byl nadále soustředěn na vývoj motoru. Ovšem již v roce 1958 byl v časopise Aviation Week otištěn článek, podle kterého měl Sovětský svaz otestovat bombardér poháněný jaderným pohonem. Později se však ukázalo, že se jedná o konvenční bombardér Mjasiščev M-50 a celá zpráva byla jen planý poplach. To ovšem přinutilo Spojené státy navrátit se k programu jaderného bombardéru WS-125. Podle jejich výpočtů měl Sovětský svaz náskok 3-5 let.

WS-125
Návrh amerického bombardéru WS-125 (Zdroj: www.hitechweb.genezis.eu)

Během následujících let se ale nestalo nic převratného. Prezident Eisenhower si nechal vypracovat zprávu o skutečném stavu výzkumu v Sovětském svazu. V březnu roku 1961, jeden měsíc po nástupu J. F. Kennedyho do prezidentského úřadu, došlo k definitivnímu zrušení programu jaderného letadla.

 

Program Sovětského svazu

K oficiálnímu zahájení sovětského programu vývoje jaderného letadla došlo 12. srpna 1955, kdy vláda vydala nařízení ke spojení sil v oblasti výzkumu v této oblasti. S návrhem samotné proveditelnosti přišel I. V. Kurčatov. Vývojem letadel byly pověřeny konstrukční kanceláře A. Tupoleva a V. Mjasiščeva. Vývojem pohonu pro letadla byly pověřeny kanceláře N. D. Kuzněcova a A. M. Ljulky. V průběhu výzkumu bylo vyzkoušeno několik motorů (náporový, turbovrtulový a proudový) s rozdílnými technologiemi přenosu energie, ale nakonec byl vybrán proudový motor s přímým cyklem. Hlavním problémem byla hmotnost celého reaktoru a stínění posádky, což do určité míry souvisí právě s hmotností.

Podle původních odhadů mělo být letadlo provozuschopné koncem 70. nebo začátkem 80. let. Proto se v roce 1955 kancelář A. Tupoleva rozhodla osadit testovací letadlo malým reaktorem. Vybrán byl bombardér Tupolev Tu-95M. Mezi lety 1961-1965 upravený bombardér Tu-95LAL uskutečnil 34 letů, z nichž ne všechny byly provedeny s funkčním reaktorem. Hlavním důvodem testování bylo ověření funkčnosti radiačních štítů. Dalším krokem výzkumu bylo vyvinout funkční letadlo pro aplikaci jaderného pohonu. Na základech bombardéru Tu-95 byl vyvíjen turbovrtulový letoun Tu-119. Dva ze čtyř motorů měly být poháněné jaderným reaktorem přes nepřímý cyklus a dva zbývající měly být standardní motory. Tupolev se také zabýval vytvořením nadzvukového letounu Tu-120, avšak všechny projekty byly v polovině 60. let ukončeny.

Tu-95LAL
Tupolev Tu-95LAL (Zdroj: aviation-history.com)

Paralelně s vývojem kanceláře Tupoleva pracovala na výzkumu letadel i kancelář Mjasiščeva. Její program byl zahájen v květnu roku 1955 a cílem mělo být vytvoření nadzvukového letounu M-60. První návrh byl dokončen roku 1956. Mezitím kancelář Ljulky navrhla motor s přímým cyklem, který by dosahoval tahu přes 20 tun. Vzlet a přistání by byly provedeny pomocí standartního paliva a po dosažení potřebné letové hladiny by se motory přepnuly na jaderný pohon. Navrhovaná rychlost byla 2 machy. Posádka by byla usazena v olověném štítu a reaktor by byl v zadní části letadla. Po rozsáhlém výzkumu byly provedeny odhady, že by s vhodnými reaktory bylo možné provozovat bombardér s maximální rychlostí 2 machy, operačním doletem 25 000 km a dostupem 20 km. V roce 1959 došlo ke zrušení tohoto programu ve fázi návrhu. Mjasiščev se paralelně zabýval vývojem dalších letadel s jaderným pohonem, ale vše bylo ukončeno v návrhové fázi.

M-60
Návrh nadzvukového letadla M-60 (Zdroj: aviation-history.com)

 

Následkem technické a finanční náročnosti společně s vývojem dalších technologií, které jaderný pohon letadel nahrazovaly, se tento typ pohonu nepodařilo ani jednomu státu dokončit. I přesto, že se tento typ pohonu v letectví neujal, došlo během jeho výzkumu k mnoha zajímavým zjištěním, která byla uplatněna v pozdějších aplikacích. V letech nedávných se objevila informace o výzkumu bezpilotního letadla poháněného jaderným pohonem. Pohon by byl založený na ozařování hafnia 178 rentgenovým zářením za vzniku gama záření, které by přes výměník ohřívalo vzduch proudící do motoru. Došlo také ke zkoumání reaktorů s roztavenými solemi, které jsou zařazeny do aktuálně vyvíjené IV. generace reaktorů. Pokud vás tato tématika zaujala, mohu vám doporučit ke zhlédnutí 4. díl seriálu „Letadla, která nikdy nevzlétla“, který je věnován právě projektům jaderného letadla a přináší mnoho zajímavých informací.

 

Vojtěch Pitoňák

 

Zdroje:

Aviation-history.com

Hitechweb.genezis.eu

Fti.neep.wisc.edu

 

Tento článek byl napsán ve spolupráci se studenty oboru Jaderná energetická zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze.

 

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..