Как и многие другие ядерные разработки СССР, проект атомного самолета инициировали военные. Доставка ядерного боеприпаса на территорию вероятного противника была возможна тремя путями: морем, воздухом или через космос, и ученые советского атомного проекта работали по всем трем направлениям. Для доставки по воздуху рассматривали два варианта: беспилотная крылатая атомная ракета и пилотируемый атомный самолет. Начальные прикидки показали техническую возможность создания воздушных летательных аппаратов с практически неограниченной дальностью и временем полета, так что на первом этапе оба проекта представлялись весьма перспективными.
Еще в начале 1952 года в секторе № 6 Лаборатории измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН) провели первые оценки возможности создания тяжелого самолета с атомным реактором. Исходя из них Анатолий Александров, заместитель директора лаборатории по научной части, научный руководитель работ самолетной тематики, в июне того же года формулирует критическую проблему атомного летательного аппарата — создание реактора воздушного охлаждения с максимально возможной температурой выходящего газа порядка 1000 °C.
Преграда — радиация
В 1954 году к созданию реактора для атомного самолета подключились ученые лаборатории «В» (сейчас ФЭИ), которые рассматривали возможность использования в качестве авиационной ядерной силовой установки (АЯСУ) реактора с жидкометаллическим теплоносителем (натрий, литий) в реакторном контуре. Научный отчет по проблеме, подписанный Александром Лейпунским, направили в авиационные КБ. Последующие исследования, выполненные ФЭИ и Центральным институтом авиационного моторостроения (ЦИАМ), показали принципиальную возможность создания АЯСУ замкнутой схемы для самолета с турбовинтовым или турбореактивным двигателем. Турбореактивный двигатель с атомным реактором по конструкции похож на обычный турбореактивный двигатель, только в последнем тяга создается расширяющимися при сгорании керосина раскаленными газами, а в первом воздух нагревается атомным реактором.
Изначально рассматривали две схемы использования ядерного двигателя: открытого и закрытого типа. В первой рабочее тело (воздух) подается напрямую в реактор, что позволяет получить максимальную мощность двигателя, но сопровождается сильным радиационным загрязнением воздуха. В силовой установке закрытого типа воздух нагревается не в первом контуре реактора, а в теплообменнике, что существенно снижает и уровень загрязнения окружающей среды, и мощность двигателя.
Стыковка частей фюзеляжа самолета ЛАЛ в ОКБ ТуполеваНа пути разработчиков возникла трудноустранимая преграда — радиация. Лейпунский констатировал, что при весе силовой атомной установки в 50–60 т на биологическую защиту придется две трети веса. При этом разработчики исходили из допустимой дозы облучения пилотов в 50 бэр, тогда как допустимая годовая доза облучения персонала АЭС в нормальных условиях составляла 5 бэр.
Получалось, что критическим узлом атомного самолета является радиационная защита, и ее создание фактически определяло, быть или не быть летающему реактору. В секторе № 6 ЛИПАН приступили к созданию горячего нейтронно-физического стенда ФР‑100 для изучения характеристик авиационного уранбериллиевого реактора. Он был введен в строй в 1957 году.
Расчеты показывали, что полную круговую защиту реактора обеспечить невозможно, поэтому разработчики решили создать профилированную защиту реактора и экипажа. Путем теоретических и экспериментальных исследований на стендах ЛИПАН и на первом в СССР исследовательском водо-водяном реакторе ВВР‑2 были подобраны новые материалы, поглощающие нейтронное и гамма-излучение, такие как полиэтилен и церезин с присадкой карбида бора, определено оптимальное размещение защиты на самолете. Началось изучение физики рассеяния излучения в воздухе и деталями конструкции аппарата, а также влияния радиации на работу авиационных приборов.
Свинцовая капсула для пилотов
12 августа 1955 года вышло постановление Совета Министров СССР, по которому к атомной авиационной тематике подключили часть предприятий авиационной промышленности. Первым из них стало ОКБ‑23 под руководством Владимира Мясищева, которое в то время разрабатывало сверхзвуковой межконтинентальный бомбардировщик М‑50. К проекту подключилось и «двигательное» ОКБ под руководством Николая Кузнецова, где создавали реактивные двигатели разного назначения, — на него возлагались работы над ядерной силовой установкой закрытого типа.
В июле 1956 года предварительный проект бомбардировщика был закончен и получил индекс М‑60. Четыре атомных турбореактивных двигателя с реактором открытого типа планировали разместить в хвостовой части фюзеляжа, а пилотов — в глухой свинцовой капсуле. Отсутствие визуального обзора летчикам компенсировали оптический перископ, телевизионные и радиолокационные экраны.
Расчеты показали, что для достижения требуемой тяги двигателя тепловая мощность реактора должна составлять не менее 40 МВт. Предполагалось, что из-за излучения силовые установки будут крепиться к самолету перед полетом и без участия людей. Из-за многочисленных технических сложностей от проекта М‑60 пришлось отказаться, и в дальнейшем разработчики ориентировались только на ядерные установки закрытого типа.
Деньги без ограничений
Следующий проект атомного самолета с ядерной установкой закрытого типа с жидкометаллическим теплоносителем в ОКБ‑23 получил индекс М‑30. Конструкция реактора стала сложнее, зато вес биологической защиты экипажа и двигателей — почти вдвое меньше, чем у М‑60. Первый полет самолета был запланирован на 1966 год, однако дальше чертежей дело так и не пошло.
Параллельно с ОКБ‑23 проектированием атомного самолета занималось ОКБ Туполева, создавшее к тому времени Ту‑95 — турбовинтовой стратегический бомбардировщик-ракетоносец. Задача, стоящая перед туполевцами, была проще: во‑первых, Ту‑95 был хоть и сверхскоростным, но дозвуковым самолетом, а во‑вторых, им предстояло вписать атомный реактор в уже готовый летательный аппарат.
Проект компоновки летающей атомной лаборатории на базе серийного Ту‑95М
Ускорение работам по созданию атомного самолета придало переданное разведкой сообщение, что в США начались испытания самолета NB‑36H (бомбардировщика В‑36) с атомным реактором на борту. Курчатов и Александров на срочном совещании пришли к выводу, что речь идет об обычном самолете, на котором реактор установлен для изучения проблем радиационной защиты. Руководство страны немедленно дало добро на аналогичные работы, и в марте 1956 года Совет Министров СССР поручает Туполеву начать проектирование летающей атомной лаборатории на базе серийного Ту‑95М. Ответственным за проект от Института атомной энергии (бывшей ЛИПАН) назначили сектор № 6, возглавляемый Владимиром Меркиным.
«Вписыванием» исследовательского атомного реактора мощностью 100 кВт в фюзеляж занимались конструкторы Туполева. Борьба шла за каждый грамм веса, за каждый сантиметр габарита, и за предложения по их уменьшению выплачивались денежные премии. Вообще деньги на проект атомного самолета выдавали без ограничений. В конце концов инженеры решили проблему — реактор вошел в заданные габариты. Будущий опытный атомный ракетоносец получил индекс Ту‑95ЛАЛ, что расшифровывалось как «летающая атомная лаборатория» (неофициально — «Ласточка»).
Испытания Ту‑95ЛАЛ
Для наземных испытаний на аэродроме под Семипалатинском в 1958 году построили стенд с атомной установкой, расположив ее в вырезанной средней части корпуса самолета. Поселок, в котором жили экспериментаторы, конструкторы и технический персонал стенда, находился на полпути между Семипалатинском и Курчатовском (в этом городке размещался военный гарнизон, обслуживавший ядерный полигон), поэтому в обиходе все называли его Половинкой.
Стенд был нужен для проведения дозиметрических исследований в реальной конфигурации самолета Ту‑95М, а также для оценки работоспособности авиационных изделий. На нем исследовали радиотехническую бортовую аппаратуру и электротехнические агрегаты, оценивали величину радиоактивности, вызванной воздействием нейтронов, а также ее спад во времени. Эти данные были очень важны с точки зрения эксплуатации и послеполетного обслуживания самолета. В ходе физического пуска летом 1959 года реактор вышел на проектный уровень мощности.
Теперь Ту‑95ЛАЛ предстояли летные испытания. Реактор и его системы разместили на специальной платформе, которую при помощи лебедок поднимали внутрь фюзеляжа через специальный люк и закрепляли на замках. Поскольку реактор периодически нужно было осматривать, платформа могла свободно опускаться на землю.
Для защиты экипажа от радиации между носовой и средней частью корпуса самолета установили перегородку из свинцовых плит толщиной 5 см и 20-сантиметрового слоя полиэтилена и органического церезина с присадкой карбида бора. Конструкторы проектировали защиту из блочков с перекрытием, чтобы не допускать сквозных каналов и возможности прострела излучения.
В мае 1961 года Ту‑95ЛАЛ впервые поднялся в небо. Он нес небольшой исследовательский водо-водяной атомный реактор номинальной тепловой мощностью 100 кВт, который не был подсоединен к моторам (самолет летел на четырех турбовинтовых двигателях), а предназначался только для исследования поведения техники в условиях излучения и уровня облучения пилотов. В ходе испытаний также проверяли работу реактора в условиях полета, воздействие на него перегрузки и вибрации.
В качестве теплоносителя и замедлителя нейтронов в реакторе использовали дистиллированную воду. Вода первого контура циркуляции, нагреваясь в активной зоне реактора, через промежуточный теплообменник отдавала тепло воде второго контура. Вода второго циркуляционного контура охлаждалась в водо-воздушном радиаторе, который продувался в полете потоком воздуха через большой воздухозаборник, расположенный под фюзеляжем. Реактор, окруженный защитной оболочкой из свинца и комбинированных материалов, по габаритам немного выходил за обводы фюзеляжа самолета и прикрывался металлическими обтекателями сверху, снизу и по бокам.
Основой активной зоны реактора стали керамические тепловыделяющие элементы в форме шестигранных трубок в оболочке из алюминия, разработанные для крылатой атомной ракеты. Их производство уже было налажено на Ульбинском металлургическом заводе в Усть-Каменогорске. Управление экспериментальным оборудованием было полностью ручным.
Конец полетов
Выяснилось, что за два дня полетов пилоты получали облучение в 5 бэр, поэтому было принято решение, что в экипаж атомолетов будут входить мужчины старше 40 лет, у которых уже есть дети. Кроме того, корпус самолета после полета сильно фонил, и уровень радиации снижался до допустимого уровня только через несколько дней. Активации подвергался и кислород, которым экипаж дышал во время высотного полета, — в нем нашли молекулы озона.
Всего с мая по август 1961 года бомбардировщик совершил 34 испытательных полета как с «холодным», так и с работающим реактором.
Демонтаж атомного реактора с борта экспериментального самолетаВ дальнейшем работы по атомному самолету прекратили. Главных причин было две. Во-первых, не нашли решения проблемы радиационной безопасности при возможной аварии атомолета и последующего заражения больших пространств высокоактивными радиоизотопами. Например, предлагалось оснастить реакторный блок парашютной системой, способной в экстренном случае отделить ядерную установку от корпуса самолета и мягко ее приземлить, что все равно не давало полной гарантии безопасности. Во-вторых, оценочные затраты на создание самолета с атомной установкой составили около 1 млрд рублей, что даже для руководства СССР, не жалевшего денег на оборонку, показалось чрезмерным. Последним рывком к атомному самолету стала попытка создания сверхдальнего самолета противолодочной обороны на базе Ан‑22 «Антей» с четырьмя атомными турбовинтовыми двигателями НК‑14А. Но в 1972 году от этой идеи также отказались.