МБОУ Сухобезводненская средняя общеобразовательная школа

Реферативное исследование на тему:

Работу выполнил  учащийся 7 класса:

                                                     Григорьев Сергей,

Научный руководитель:

                                                     Булатова Н.С., учитель физики 

р.п. Сухобезводное

2015

Оглавление

1.  Введение………………………………………………………………3  
2.  Основная часть………………………………………………………..4

1. Что такое атомолет……………………………………………..4
2. Атомолеты в СССР.……………………………………….…….5

2.1.История создания…………………………………………..6

2.2. Ту-95ЛАЛ…………………………………………………..6

2.3. Ту-119………………………………………………………7

2.4. Ан-22 ПЛО………………………………………………….9

           3. Атомолеты в США …………………………………………......9

                      3.1.Convair B-36…………………………………………….. .9

                      3.2.История конвер В-36……………………………………11

                        3.3.  NB-36H (X-6)…………………………………………...12

                           3.4.Защита от радиации…………………………………....13

                   3.5.ЯСУ закрытого цикла………………………………….15

4.Современное использование ЯСУ  …………………………...16

3.  Заключение………………………………………………………..…17
4. Источники……………………………………………………….……18

I.Введение

       В 1941-м году в январском номере американского журнала «Популярная механика» появилась статья   об использовании урана-235 в качестве топлива для транспортных средств. Описывавшаяся в статье конструкция самолета - летающего крыла с атомной силовой установкой тогда была воспринята читателями и многими специалистами как научная фантастика.

     Однако уже через год Энрико Ферми, один из создателей ядерной физики, обсуждал со своими коллегами   практические проблемы, связанные с использованием атомной энергии для осуществления полета самолета.

     Спустя два года эту проблему уже обсуждало командование ВВС США. Следствием этого стало заключение соглашения между ВВС и Комиссией по атомной энергии (АЕС) о начале весной 1946-го программы МЕРА (ядерная энергия для авиационных силовых установок). Целью этой программы было изучение проблем, связанных с разработкой самолета с ядерной силовой установкой (ЯСУ).

Цель моей работы: выяснить, что же такое атомолет?

 Для достижения этой цели я поставил  перед собой следующие задачи:

• изучить историю создания ЯСУ
• рассмотреть различные модели самолетов
• как осуществляется защита экипажа
• проанализировать целесообразность ЯСУ на самолетах

Объект исследования: атомолеты.

Предмет исследования: возможность использования ЯСУ на самолетах.

  Актуальность: работа интересная и познавательная.  

II. Основная часть

1. Что такое атомолет?

Атомолёт - атмосферное летательное устройство (самолёт) с ядерной силовой установкой (ЯСУ). 

Считалось, что такой летательный аппарат мог бы использоваться в качестве стратегического бомбардировщика или разведчика, способного нести боевое дежурство в воздухе без дозаправки в течение нескольких суток. В числе проблем, требовавших решения в первую очередь, были:

• исследования влияния радиации на   материалы планера и силовой установки,
• воздействия продуктов распада ядерного топлива на окружающую среду,
• риски возможных аварийных ситуаций,
• защита экипажа от радиоактивного излучения в полете и обслуживающего персонала на земле,
• выбора места для испытаний атомного самолета.

Согласно требованиям к будущему самолету с ЯСУ, сформулированных в июле 1947-го, взлетный вес не должен был превышать 136078 кг, максимальная скорость - 829 км/ч (на высоте 10668 м), полезная нагрузка - 5443 кг. Даже при самом неблагоприятном стечении обстоятельств атомный самолет не должен был существенно изменять естественный радиоактивный фон.

  Один из прототипов реактора в Национальной лаборатории Айдахо.

В процессе разработки должны были быть решены следующие инженерно-конструкторские задачи:

• создание компактного и лёгкого ядерного реактора;
• создание лёгкой биологической защиты экипажа;
• создание «чистого» реактивного двигателя на атомной тяге;
• обеспечение безопасности атомолёта в полёте.

В СССР и США проводились лётные испытания самолётов с размещённым на борту ядерным реактором, который не был подключён к двигателям:

1. Ту-95 (Ту-95ЛАЛ)  в СССР
2.  B-36 (NB-36) в США

2. Атомолеты в СССР

    Ядерная силовая установка (ЯСУ) - силовая установка, работающая на энергии цепной реакции деления ядра. Состоит из ядерного реактора и паро- или газотурбинной установки, в которой тепловая энергия, выделяющаяся в реакторе, преобразуется в механическую или электрическую энергию. КПД лучших образцов достигает 40% .

Основная сфера применения - морской флот: как надводный так и подводный.

         ЯСУ перед прочими силовыми установками на обычном топливе предоставляет практически неограниченную автономность передвижения (дальность хода), и большую мощность двигателей: и как следствие, возможность длительно использовать высокую скорость движения, транспортировать более тяжёлые грузы и способность работать в тяжёлых условиях (например: атомный ледокол).

2.1.История создания.

Сначала проводились наземные  испытания, в ходе которых изучалось влияние радиоактивного излучения на бортовое оборудование.

В 1958 был готов наземный стенд и самолёт Ту-95ЛАЛ   с ядерным реактором в грузоотсеке. Реактор был оснащён гидравлическими подъёмниками для удобства обслуживания. Первый пуск реактора наземного стенда был произведён на семипалатинском полигоне в 1959 году. Самолёт был переоборудован к 1961 году и с мая по август было выполнено 34 полёта.

2. Ту-95ЛАЛ

Под летающую лабораторию Ту-95ЛАЛ был переоборудован серийный Ту-95М ╧ 7800408.

С мая по август 1961 г. на летающей лаборатории было выполнено 34 полета.

На Ту-95ЛАЛ летали и проводили испытания летчики-испытатели М.М.Нюхтиков, Е.А.Горюнов, М.А.Жила и др., ведущим по машине был Н.В.Лашкевич. В летных испытаниях участвовали руководитель эксперимента Н.Пономарев-Степной и оператор В.Мордашев. Исследования радиационной обстановки в кабине пилотов и за бортом проводили физики В.Мадеев и С.Королев.   В этих полетах в основном проверялась эффективность биологической защиты.

На Ту-95ЛАЛ была проведена серия лётных испытаний с работающим реактором, в ходе которых изучалось управление реактором в полёте и эффективность биологической защиты.

  Технические характеристики Ту-95ЛАЛ

• Экипаж: 9
• Длина: 46,17 м
• Размах крыла: 50,04 м
• Высота: 12,5 м
• Площадь крыла: 283,7 м²
• Нормальная взлётная масса: 145000 кг
• Посадочная масса: 110000 кг
• Масса реактора: 39000 кг
• Силовая установка: 4 × ТВД НК-12М
• Мощность двигателей: 4 × 15000 (4 × 11185)

Лётные характеристики

• Крейсерская скорость: 750-800 км/ч
• Практическая дальность: 4700 км

Выполнялись полёты как с горячим, так и с холодным реактором. В основном, проверялась биологическая защита кабины экипажа. По результатам испытаний было решено продолжать работы по данной теме. Начались работы по проектированию экспериментальной машины «119».

2.3.Ту-119

Следующим важным этапом в создании самолета с ядерной СУ должен был стать Ту-119 с маршевыми двигателями, приспособленными к совместной работе с ядерным реактором. К этому времени американцы, испытав свою летающую лабораторию с ядерной силовой установкой на базе В-36, выполненной аналогично Ту-95ЛАЛ, практически свернули дальнейшие свои работы в этой области. Догонять стало в этом направлении некого, а идти впереди слишком дорого и опасно.

    Ту-119 - проект самолёта - летающей лаборатории (атомолёта) для натурных испытаний турбовинтовых двигателей с теплообменниками и ядерным реактором.

На Ту-119 предполагалось установить два внутренних ТВД с теплообменниками типа НК-14А и два внешних - штатные НК-12М. Планировалось через 20-30 лет выйти на постройку полноценных боевых самолётов с ЯСУ различного класса и назначения. 

На первом этапе работ создавался наземный стенд для отработки самолётной ядерной силовой установки. 28 марта 1956 года вышло Постановление СМ СССР, в соответствии с которым начались работы по проектированию и созданию летающей лаборатории в КБ Туполева. В качестве базового решили использовать стратегический бомбардировщик Ту-95М. Было решено переделать самолёт для исследования влияния работающего ядерного реактора на оборудование и аппаратуру самолёта, для изучения вопросов биологической защиты экипажа и для получения опыта эксплуатации ядерного реактора на борту летательного аппарата.

   К началу 70-х годов планировалось начать лётные испытания самолёта.

 Следующим этапом планировалось создать полноценный боевой самолёт противолодочной обороны с ЯСУ - четырьмя НК-14А. Предполагалась большая длительность полёта, ограниченная только возможностями экипажа.

 Однако, по причине остановки программы, такие двигатели не были созданы.

2.4.Ан-22ПЛО

Ан-22ПЛО - сверхдальний маловысотный самолёт противолодочной обороны с ядерной силовой установкой. Разрабатывался согласно постановлению ЦК КПСС и СМ СССР от 26/10/1965 в ОКБ Антонова на базе Ан-22. Его силовая установка включала   малогабаритный реактор с биозащитой, распределительный узел, систему трубопроводов и специальные ТВД конструкции . Hа взлёте и посадке использовалось обычное топливо, а в полете работу СУ обеспечивал реактор. Расчётную продолжительность полета определили в 50 ч., а дальность полета - 27 500 км. В 1970 г.

 Ан-22 № 01-06 был оборудован точечным источником нейтронного излучения мощностью 3 кВт и многослойной защитной перегородкой. Позже, в августе 1972 г., на самолёте № 01-07 установили небольшой атомный реактор в свинцовой оболочке.

Недостатки:

 Во-первых, самолёты иногда, бывает, падают. И сама по себе мысль о том, что где-то летает ядерный реактор, который вдруг может упасть, была неприемлемой.

Во-вторых,  передача тепла непосредственно в двигатель, неизбежно приводили бы к выбросам радиоактивных частиц из хвоста самолёта.

И в-третьих - это сами лётчики. Вопрос их защиты стоял очень серьёзно.

3.Атомолеты в США

Примерно в это же время исследованиями по самолётам с ЯСУ занимались и в США. Как и в СССР, проводились полёты с работающими реакторами на борту. США проводились лётные испытания самолётов с размещённым на борту ядерным реактором, который не был подключён к двигателям

3.1.Convair B-36

 Конвэр Б-36  - американский межконтинентальный бомбардировщик. Неофициальное название - «Миротворец» (англ. Peacemaker). Является самым большим по размаху крыла и высоте боевым самолётом за всю историю авиации  .

B-36 имел 6 поршневых двигателей с толкающими винтами. На поздних модификациях (начиная с B-36D) дополнительно устанавливали 4 турбореактивных двигателя J47, модифицированных для работы на авиационном бензине (то есть всего на самолёте стало 10 двигателей). Эти дополнительные турбореактивные двигатели размещались в двух спаренных гондолах, очень похожих на внутренние гондолы B-47.

3.2.История Convair B-36

Разработка самолёта началась в начале 1941 года. Он предназначался для бомбардировки Германии с территории США в случае падения Англии. К началу Холодной войны B-36 стал основой стратегических ядерных сил США, поскольку он мог, базируясь на территории американского континента, доставлять ядерные бомбы к целям на территории СССР.

                                                            Первый полёт

В 1951-м к работам в рамках конкурсной программы подключили четыре фирмы. «Дженерал Электрик» и «Конвэру» поручили разработку самолета с ЯСУ открытого цикла, а «Пратт-Уитни» совместно с «Локхид» - самолет с ЯСУ закрытого цикла. 

С появлением серийных образцов B-52, к концу 50-х годов устарелость B-36 стала очевидной, и почти все машины были вскоре отправлены в металлолом. Этому способствовала и относительно низкая надёжность и трудоёмкость обслуживания поршневых двигателей по сравнению с газотурбинными.

B-36 никогда не участвовал в реальных боевых действиях, однако широко использовался как разведывательный самолёт (модификация RB-36). Его огромные размеры позволяли размещать в нём фотокамеры высокого разрешения, а большая высота полёта делала его недосягаемым для зенитной артиллерии и истребителей тех лет. Предполагают, что в 1950-х годах B-36 совершил несколько разведывательных полётов над территорией Китая и СССР.  Испытали самолет В-29 с размещенной в бомбоотсеке радиоактивной установкой

B-29 и B-36

B-36 использовался также в ряде экспериментов. Специально переоборудованный самолёт NB-36H в рамках программы по созданию атомолёта совершал полёты с работающим ядерным реактором на борту. Целью этих полётов было изучение влияния радиации на экипаж и системы самолёта. Однако работы по созданию самолётов с ядерным источником энергии не получили продолжения.

3.3. NB-36H (X-6)

 Фирма "Конвэр" разрабатывала в рамках программы ANP сверхзвуковой самолет (рассматривались схемы «бесхвостка» и «утка») под обозначением Х-6. Самолет должен был иметь взлетный вес до 75 т, а прототипом для него выбрали бомбардировщик В-58, совершивший первый полет в июне 1954-го. Взлет и посадку Х-6 должен был осуществлять с использованием ТРД, работавших на обычном химическом топливе, на крейсерском режиме в работу вступала ядерная силовая установка. Модернизированный самолет получил обозначение NB-36H. Впервые он поднялся в воздух 17 сентября 1955-го.

 Все испытательные полеты выполнялись над малонаселенными районами Техаса и Нью Мексике.

 NB-36Н всегда сопровождал десантно-транспортный самолет со взводом вооруженных морских пехотинцев, готовых в любую минуту десантироваться в случае аварии NB-36H и взять его под охрану.

Осенью 1956-го самолет переименовали в NB-36H. Последний раз он взлетел в конце марта 1957-го, выполнив за время испытаний 47 полетов. К счастью, испытательная программа закончилась без аварий и NB-36Н в конечном счете вывели из эксплуатации в конце 1957-го.

3.4.Защита от радиации

ЯСУ состояла из реактора в хвостовой части фюзеляжа и четырех двигателей Х39. Разные варианты проекта предусматривали установку двигателей под или над фюзеляжем в районе реакторного отсека. ТРД, работавшие на химическом топливе. В носовой части фюзеляжа размещалась кабина экипажа.

Поскольку вес необходимой радиационной защиты реактора превышал расчетную грузоподъемность   самолета, ее толщина радиационной защиты сводилась к минимуму и позволяла вписать реактор в обводы фюзеляжа.

Кабину экипажа предполагалось заключить в экранированную капсулу, а за ней предусмотрели дополнительную защитную панель с водным раствором изотопа бора, хорошо поглощающего нейтроны.

Проблему радиационной защиты наземного персонала после приземления атомного самолета намеривались решить следующим образом.      Приземлившийся самолет с заглушенным реактором отбуксировали на специальную площадку. Здесь ЯСУ снималась с самолета и опускалась в глубокую шахту и размещалась в помещении, оборудованном радиационной защитой. Первые испытательные полеты X-6 планировались на 1956-й.

Концепцию «теневой» защиты необходимо было опробовать в летных условиях. Для этого лучше всего подходил самый тяжелый в то время бомбардировщик ВВС США В-36Н, допускавший взлет с весом 186 т и способный нести бомбовую нагрузку в 39 т.

В мае 1953-го для переоборудования выбрали машину с бортовым  15712, ожидавшую ремонта после полученных в сентябре 1952-го повреждений от тайфуна, обрушившегося на авиабазу Карсвелл.

В задней части бомбоотсека летающей лаборатории разместили испытываемый реактор мощностью 1 МВт диаметром 1,2 м и весом 16 т, работавший на быстрых нейтронах. В качестве ядерного топлива использовалась двуокись урана. Реактор включался в полете и охлаждался атмосферным воздухом, поступавшим за счет скоростного напора через специально сделанные в борту самолета воздухозаборники. Нагретый воздух через выхлопные патрубки выбрасывался наружу.

Защитная капсула весом 12 т с кабиной экипажа располагалась в носовой части фюзеляжа. Стенки капсулы изготовили из свинца и резины, а остекление кабины - из свинцового стекла толщиной 25-30 см. Сзади кабины экипажа находился защитный экран из стали и свинца диаметром 2 м и толщиной 10 см.

Во время полета за работой реактора велось наблюдение из кабины при помощи внутренней телевизионной сети. После полета реактор снимался и хранился в подземном боксе испытательного полигона фирмы «Конвэр» в штате Техас.

3.5.ЯСУ закрытого цикла

Фирма «Пратт-Уитни» работала над ЯСУ закрытого цикла. Существенным достоинством этой схемы являлось отсутствие выбросов радиоактивных продуктов из двигателей. Это достигалось за счет использования дополнительного замкнутого водяного контура, снимающего тепло с реактора. В первичном контуре охлаждения реактора имелась паровая турбина мощностью 49000 л.с., вращавшая вентилятор диаметром 3,05 м, установленный во вторичном открытом контуре. Атмосферный воздух, нагнетаемый вентилятором, попадал в конденсатор турбины, нагревался там и выходил через реактивное сопло двигателя.

Однако вскоре стало ясно, что эффективность вентиляторного двигателя невысока, а в весовом отношении он очень тяжел. Поэтому в 1953-м построили и испытали второй вариант ЯСУ с одним реактором и шестью ТРД J91 тягой по 11340 кгс. В закрытом первичном контуре реактора в качестве теплоносителя применялся жидкий натрий, который через теплообменник передавал тепло воздуху вторичного разомкнутого контура. Это почти на 20 т облегчило сам реактор и его защиту. Однако недостатками двухконтурной схемы оставались сложность конструкции промежуточного теплообменника и большой вес трубопроводов с жидкометаллическим теплоносителем.

4.Современное использование ЯСУ

   В начале XXI века многие проекты середины XX века по использование ЯСУ были заново переосмыслены и начали воплощаться с использование современных технологий и учитывая полученный положительный и отрицательный опыт прошлого. Залогом успеха в реализации таких проектов является дальнейшая миниатюризация ядерных реакторов на компактных мини-АЭС не нуждающихся в постоянном обслуживании, которые сегодня успешно разрабатываются в США и Японии. Как пример можно привести реактор Rapid-L разрабатываемый в Японии - вес которой составляет всего 8 тонн, при высоте 6 м и ширине 2 м .

Например в США в новом воплощении возрождается проект атомолёта: в 2003 году военно-исследовательская лаборатория ВВС США профинансировала разработку атомного двигателя для беспилотного самолёта-разведчика Global Hawk с целью увеличить продолжительность полёта до нескольких месяцев.

А в России возрождаются проекты ядерного ракетного двигателя для освоения дальнего космоса  и атомовоза: «Росатом» и ОАО «Российские железные дороги» в конце июля 2011 года собираются провести презентацию научно-выставочного комплекса из 11 вагонов с локомотивом использующим атомную силовою установку.

В современных проектах водных и наземных транспортных средств с ЯСУ, чаще всего ЯСУ используется как энергетическая установка (мини-АЭС) вырабатывающая электрический ток и питающая электрические двигатели транспортного средства. По такому принципу сегодня строятся и проектируются все современные атомные ледоколы, атомные подводные лодки, атомоходы и атомовозы.

В США например, современная тяжёлая военная бронетехника проектируется таким образом, чтобы все колеса приводились в движение электродвигателями, а электричество вырабатывалось автономной дизельной силовой установкой (дизельной электростанцией) с возможностью в дальнейшем заменить её на компактную ядерную силовую установку (мини-АЭС). 

III. Заключение

В ходе работы я исследовал  возможность применения миниатюрных ядерных реакторов.

Разработки данного класса летательных аппаратов велись в СССР и США в середине XX века, однако завершены не были, так как решить основные проблемы атомолёта не удалось.

Приблизительно в одно время, в начале 60-х годов XX века все работы по ЯСУ атмосферных летательных аппаратов были прекращены. Правительству СССР и США не хотелось, чтобы над головой летал ядерный реактор.

Стали развиваться более дешёвые технологии: дозаправка в воздухе позволила увеличить дальность полета, а баллистические ракеты большой дальности и высокой точности - идею большого бомбардировщика.

 Но все-таки, в начале XXI века многие проекты середины XX века по использование ЯСУ были заново переосмыслены и начали воплощаться с использование современных технологий и учитывая полученный положительный и отрицательный опыт прошлого. Залогом успеха в реализации таких проектов является дальнейшая миниатюризация ядерных реакторов на компактных мини-АЭС не нуждающихся в постоянном обслуживании, которые сегодня успешно разрабатываются в США и Японии.

 В ходе исследовательской работы можно сделать вывод, что теоретически возможно строительство и безопасная эксплуатация самолетов с атомными  двигателями. Авиация с атомными двигателями имеет превосходство с обычными самолетами:

- по дальности полета (имеет безграничные возможности)

- превосходит по техноэкономическим характеристикам (расход топлива…)

Несмотря на то, что удалось собрать немало интересной информации, работу хотелось бы продолжить по следующим направлениям:

- использование атомных самолетов при пассажирских перевозках

- при использовании космическо -транспортных кораблей.

IV.Источники

1.  Атомолет. Свободная энциклопедия Википедия. Http//http://ru.wikipedia.org/wiki/Атомолёт
2. http://www.nkj.ru/ ж. «Наука и жизнь»
3. Атомные крылья. Ядерные самолеты. Популярная механика. Портал о том, как устроен мир. http://www.popmech.ru/article/4311-atomnyie-kryilya/
4.   Авиационные атомные силовые установки:
   история развития идеи и конструкции. http://vfk1.narod.ru/JACU2.htm