Statek kosmiczny z charakterystyczną dolną osłoną wznosi się ponad Ziemię; za osłoną jaskrawa eksplozja; logo CHIP.

Rakiety o napędzie atomowym

Fot. Piotr Sokołowski
Postawiliśmy nogę na Księżycu. Marzymy o podróży na Marsa. Ale na dobrą sprawę, dopóki nie opanujemy sensownego i wydajnego systemu napędu, jesteśmy skazani na bardzo nieodległe od Ziemi podróże. Trochę to tak jakbyśmy planując wycieczkę dookoła naszego globu z dużym bagażem dysponowali jedynie wrotkami.

A gdyby tak mieć do dyspozycji silnik o praktycznie nieograniczonym źródle energii, lekki i wydajny? Pozwalający zabrać na pokład kosmicznego statku tyle bagażu, ile tylko się w luku zmieści? Otóż jest pewna nadzieja. Dają ją silniki nuklearne. I wiele wskazuje na to, że jesteśmy coraz bliżej ich praktycznego zastosowania.

Czego nie wiedzieli i nie słyszeli pewni obywatele?

Prawdopodobnie 8 sierpnia 2019 r. (w zależności od źródła informacji daty się nieco różnią) w okolicach Siewierodwińska na północy Rosji, na wybrzeżu Morza Białego doszło do tajemniczej eksplozji. Zapewne było ją słychać w samym mieście i w jego największym zakładzie pracy – kombinacie Siewmasz, niegdyś zakładzie numer 402 – największej na świecie stoczni produkującej atomowe okręty podwodne. Podobno są nawet naoczni świadkowie, opowiadający o słupie wody wznoszącym się na ponad 100 metrów nad okrętami marynarki i statkami obsługi technicznej. Częste użycie zwrotów „zapewne” i „podobno” nie są przypadkowe. Jak wiele wydarzeń w Rosji, tak i to starano się utrzymać w ścisłej tajemnicy, o co jednak w dzisiejszych czasach coraz trudniej.

Co więc tak naprawdę wydarzyło się na poligonie? Czym jest Buriewiestnik, co stało się w Nionoksie? Odpowiedź na te pytania to tylko fragment fascynującej historii pomysłu jednocześnie szalonego i udanego. Mowa o nuklearnych napędach przeznaczonych do stosowania w samolotach, pociskach i rakietach.

Reklama

Burzyk, który ryknął

Rosjanie na poligonie marynarki wojennej w położonej nieopodal Nionoksie testowali najnowszy typ pocisku manewrującego. Był to 9M730 Buriewiestnik (to rosyjska nazwa ptaka – burzyka), który w kodzie NATO oznaczony jest jako SS-C-X9 Skyfall. Na poligonie zginęło kilku inżynierów, a w półzamkniętym mieście Sarow ogłoszono stan żałoby. Sarow (a właściwie Arzamas-16) był jednym z dawnych „zamkniętych miast”, w którym zamykano naukowców otaczając ich skrupulatną opieką funkcjonariuszy KGB. Oczywiście po to, żeby mogli w spokoju pracować w laboratoriach. Dzisiaj kontrola dotyczy jedynie osób wjeżdżających i wyjeżdżających.

Próby pocisku nie były zaskoczeniem, zaplanowano ich kilka; od listopada 2017 do lutego 2018 roku odbyło się ich cztery, jednak każda zakończyła się niepowodzeniem. Pierwsza udana odbyła się w styczniu bieżącego roku. Próba sierpniowa skończyła się ponownie niepowodzeniem, powodując ofiary w ludziach i skażenie radioaktywne. Choć z najnowszych doniesień wynika, że sama próba się udała, natomiast do wybuch doszło podczas wyławiania pocisku z poprzedniego eksperymentu. Wówczas w Siewierodwińsku poziom promieniowania wzrósł powyżej dwudziestokrotności tła, a stacje monitorujące na wschód od katastrofy (w tym kierunku wiał wiatr) nagle straciły kontakt z globalnym systemem monitorowania (jest to system służący monitorowaniu przestrzegania zakazu prób jądrowych).

Pocisk manewrujący
Pocisk manewrujący 9M730 Buriewiestnik. (źr: Ministerstwo Obrony Federacji Rosyjskiej)

Co widać na filmie?

Nazwa dla pocisku manewrującego wybrana została w publicznym plebiscycie, w którym według niektórych źródeł wzięło udział siedem milionów Rosjan. Obywateli zapytano nie dlatego, że kogokolwiek obchodziło ich zdanie, ale żeby w ten nienachalny sposób sprzedać informację – oto kończymy pracę nad pociskiem o nieograniczonym zasięgu. Po tragedii załogi okrętu podwodnego Kursk podczas prób nowatorskiej, kawitacyjnej rakietotorpedy Szkwał, taki przekaz miał znaczenie. Wiele ekspertów twierdziło wówczas, że ów „nieograniczony zasięg” to tylko propagandowy zabieg w stylu programu „Gwiezdnych Wojen” Ronalda Reagana. Jednak ostatnie, choć katastrofalne w skutkach, wydarzenia pokazują, że Rosjanie faktycznie finalizują pracę nad pociskiem manewrującym z napędem „nuklearnym”. Wzrost promieniowania po katastrofie oraz „problemy w komunikacji” z systemami ostrzegania wydatnie na to wskazują.

Film propagandowy prezentujący oczywiście bardzo pobieżnie nowy pocisk Buriewiestnik.

Kto choć nieco zna się na lotnictwie i ma jakiekolwiek pojęcie o aerodynamice, po obejrzeniu powyższego filmu może wyciągnąć pewne wnioski. Oczywiście zakładając, że to co widać na filmie, to nie są makiety. Wiele wskazuje na to, że są to prawdziwe pociski (aparatura, podłączenia interfejsów kontrolnych). Kształt nosa pocisku sugeruje, że raczej operuje on w zakresie prędkości poddźwiękowych. Większe prędkości wymuszałyby przekonstruowanie przedniej części kadłuba i nadanie mu kształtu stożkowego, a nie klinowego. Widoczne proste skrzydła nie nadają się do lotu naddźwiękowego, ich kąt natarcia powodowałby przy wysokich prędkościach bardzo dużą niestabilność oraz straty aerodynamiczne. Jak widać na filmie, pocisk wynoszony i rozpędzany jest przez rakietowy silnik startowy. Silnikiem marszowym pocisku jest silnik turboodrzutowy lub oszczędniejszy – turbowentylatorowy. Silnik, który w normalnym trybie, tak jak w każdym samolocie czy pocisku typu cruise zasilany jest najzwyklejszą naftą lotniczą. Kiedy nafta kończy się, wchodzi w grę „izotopowe źródło energii” lub „mały reaktor jądrowy niewielkiej mocy”. Jak to działa? Turbinowy silnik odrzutowy pracuje na zasadzie rozpędzania łopatek turbiny (i wprowadzania jej w ruch obrotowy) za pomocą gorących spalin powstających ze spalania mieszanki mocno sprężonego powietrza i nafty. Zdaniem wielu ekspertów, kiedy kończy się paliwo konwencjonalne, do gry wchodzi niewielki reaktor jądrowy, podgrzewający sprężone przez sprężarkę silnika powietrze do tego stopnia, że jest ono w stanie napędzać turbinę. Dzięki temu silnik generuje ciąg, zmienia się tylko źródło ciepła; zamiast spalania nafty, powietrze podgrzewane jest przez reaktor jednocześnie chłodząc go i nie dopuszczając do jego stopienia. Konstrukcja tego typu daje niespotykane możliwości, jeśli chodzi o długość lotu. Może trwać tygodnie, czy nawet miesiące. 

Jednym z typów silników nuklearnych są silniki turboodrzutowe z nuklearnym „dopalaniem”. W tym wypadku jest to reaktor systemu dwuobiegowego, gdzie dzięki zastosowaniu wymienników ciepła zasysane przez silnik powietrze nie ma kontaktu z rdzeniem reaktora. Dzięki temu silnik jest „czystszy”. Podobna koncepcja napędu „hybrydowego” została wykorzystana w przypadku nowego rosyjskiego pocisku, jednak nie wiadomo, jakiego typu jest to silnik: pojedynczego, czy podwójnego obiegu. Tego typu reaktor o mocy 200 megawatów miał napędzać eksperymentalny bombowiec Convair X-6.

Lata pięćdziesiąte, czyli  atomowe szaleństwo

W latach 50-tych ubiegłego wieku, świat, a w szczególności Stany Zjednoczone ogarnęło „atomowe szaleństwo”. Prezentowano atomowe lodówki, domy (cokolwiek to by znaczyło), a nawet samochody.

Samochód koncepcyjny Ford Nucleon
Samochód koncepcyjny Ford Nucleon zaprezentowany w 1957 roku oczywiście miał być wyposażony w napęd nuklearny. (źr: Wikipedia)

Zarówno Amerykanie, jak i Rosjanie zaczęli swoje prace nad napędami nuklearnymi przeznaczonymi dla samolotów bardzo wcześnie. Radziecki, bardzo zdolny konstruktor lotniczy Władimir Miasiszczew rozpoczął prace nad bombowcem z napędem nuklearnym w 1955 roku. Różnica polega na tym, że Amerykanie odtajnili swoje programy (oczywiście nie zdradzając szczegółów technicznych). Rosyjski program (czy może programy) są nadal tajne. Zaczęło się jednak jeszcze wcześniej.

Program NEPA/NTA

W maju 1946 roku Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych rozpoczęły projekt NEPA (Nuclear Energy for Propulsion of Aircraft). Celem programu było przeprowadzenie studiów nad wykonalnością samolotu o napędzie jądrowym. Koszty tych badań zostały wycenione na dziesięć milionów dolarów, co ówcześnie było kwotą niebagatelną, ale pierwsze wyniki okazały się obiecujące. W 1951 roku program zmienił nazwę na ANP (Aircraft Nuclear Propulsion), a do współpracy zaproszonych zostało dwóch producentów silników odrzutowych: General Electric – miał pracować nad silnikiem z cyklem bezpośrednim oraz firmę Pratt & Withney, która miała zająć się silnikiem z cyklem pośrednim (z wymiennikiem ciepła). Samolot doświadczalnym zaprojektowanym na rzecz programu ANP był zmodyfikowany bombowiec Convair B-36 Peacemaker noszący oznaczenie NB-36H.

Schemat silnika z cyklem „podwójnym” lub „pośrednim”. (źr: physics.stackexchange.com)
Ilustracja silnika nuklearnego z cyklem bezpośrednim. )źr: physics.stackexchange.com)

Programowe prace badawcze miały przynieść odpowiedzi na wiele pytań związanych z konstrukcją planowanego Convair X-6. Tak naprawdę NB-36H nie był samolotem z napędem nuklearnym. Miał za zadanie przetestowanie możliwości przenoszenia działającego reaktora na pokładzie samolotu oraz jego wpływu na załogę.

„Nuklearny” Convair NB-36H
Doświadczalny, „nuklearny” Convair NB-36H, w tle B-50 Superfortress (modyfikacja B-29), ostatni tłokowy bombowiec wyprodukowany przez Boeinga. (źródło: Wikipedia).

Osłona biologiczna wykonana z ołowiu i gumy, mająca chronić załogę samolotu przed promieniowaniem ważyła 12 ton! Samolot przenosił w komorze bombowej niewielki reaktor ASTR (Aircraft Shield Test Reactor) o mocy 3 megawatów.

XB-36H
XB-36H, który miał być bazą do zbudowania nuklearnego X-6. (źr: Wikipedia)

Był to reaktor wodny, gdzie woda stanowiła jednocześnie moderator neutronów oraz chłodziwo. Silniki samolotu nie były w żaden sposób połączone z reaktorem. Chłodzenie wody przepływającej przez reaktor odbywało się w dodatkowych wymiennikach ciepła, opływanych powietrzem podczas lotu. Testowano rozkład mas, przepływ chłodziwa przez reaktor oraz jak cienka i lekka może być osłona chroniąca załogę. Przeprowadzono 47 lotów testowych trwających łącznie 215 godzin. Reaktor pracował przez 89 godzin. Loty zakończono w marcu 1957 roku. Program doprowadził do rozpoczęcia prac nad prawdziwym samolotem nuklearnym, modelem Convair X-6.

X-6 stawiał ogromne wymagania dotyczące wyboru technologii reaktora. Pierwotne plany musiały zostać zweryfikowane przez możliwości techniczne – pierwszy zestaw składający się reaktora i jego osłony ważył prawie 200 ton, a to stanowczo za dużo, żeby zainstalować taki komplet w samolocie, mającym dodatkowo przenosić ładunek użyteczny. Ostatecznie po eksperymentach z reaktorami z neutronami szybkimi (chłodzonymi ciekłymi metalami lub ciekłymi solami) projektanci zdecydowali o zastosowaniu klasycznego reaktora wolnego o bardzo dobrym współczynniku moderacji. Reaktor miał być chłodzony poprzez wymienniki ciepła powietrzem z bocznikowania sprężarek silników Pratt & Whitney J53. Masa zestawu wynosiła 58 ton. Masa osłon radiacyjnych to około 27 ton. Silniki z reaktorem zostały umieszczone w komorze bombowej. Zamontowana 10-centymetrowa płyta stalowo-ołowiana mająca chronić załogę okazała się być zbyt cienka i część promieniowania przenikała przez nią. Okazało się również, że nie tylko załoga potrzebuje solidnej osłony przeciwradiacyjnej. Naukowcy przekonali się, jak promieniowanie gamma niszczy strukturę materiałów, z których wykonany jest samolot. Najszybciej poddawała się guma z opon. W zależności od mieszanki albo opony kruszyły się, albo rozpływały. Były problemy z izolacją instalacji elektrycznej, przepięciami i nieprzewidywalnym działaniem wielu podzespołów samolotu. Ostatecznie projekt został zawieszony w 1956 roku, a zamknięty na początku lat sześćdziesiątych. Zdecydowano się na to z powodu wysokiej łącznej masy podzespołów i systemu napędowego, problemów z ochroną przed promieniowaniem oraz z rozwojem międzykontynentalnych pocisków balistycznych, sprawiających, że bombowce strategiczne zdawały się nie mieć przed sobą przyszłości.

ZSRR się nie poddaje

Idea strategicznego bombowca dalekiego zasięgu o napędzie nuklearnym przypadła do gustu także decydentom w Związku Radzieckim. W 1955 r. Rada Ministrów ZSRR wydała polecenie opracowania takiego samolotu. Zgodnie z tradycją budowy bombowców, płatowcem oraz układem aerodynamicznym miały zająć się dwa biura konstrukcyjne: Tupolewa oraz Miasiszczewa. Opracowanie układów napędowych oraz zmodyfikowanych silników odrzutowych powierzono biurom Kuźniecowa oraz Archipa Lulki (konstruktor ten był zaangażowany w stworzenie silników do najnowszych myśliwsko-szturmowych Suchojów). W 1956 roku Rosjanie poszli identyczną drogą jak Amerykanie, czyli zdecydowali o skonstruowaniu „latającego laboratorium”. Przebudowali bombowiec Tu-95M, który w 1961 r. wykonał 43 loty. Plotki głosiły, że samolot miał bardzo skromną ochronę przeciwradiacyjną, więc wszyscy obecni na pokładzie byli narażeni na napromienianie.

Bombowiec Tu-95M
Bombowiec Tu-95M. (źr.: Wikipedia).

Po fazie testów, następnym etapem był Tu-119. W tym prototypie dwa z czterech silników turbośmigłowych konstrukcji Kuźniecowa miały być zasilane wymiennikami ciepła podłączonymi do reaktora w komorze bombowej samolotu. Rosjanie zarzucili program z tego samego powodu, co Amerykanie. Głównymi barierami w dalszym ich wykorzystaniu był masa i problemy materiałowe. Nie bez znaczenia były również koszty oraz rozwój konwencjonalnej technologii rakietowej. Rozwój międzykontynentalnych pocisków balistycznych spowodował, że bombowce z napędem jądrowym zupełnie straciły sens.

I choć ostatnie doniesienia dotyczące rosyjskiego pocisku mówią o próbie nieudanej, to w ich kontekście widać, że Rosjanom udało się rozwiązać choć część starych problemów. Prawdopodobnie na pokładzie pocisku nie znajduje się konwencjonalny reaktor, ale coś, co za pomocą izotopów promieniotwórczych tak podgrzewa powietrze, że jest ono w stanie napędzać turbinę silnika. Według niektórych źródeł amerykańska USAF również testuje pocisk manewrujący o podobnej konstrukcji.

Program Orion – nuklearne rakiety

Amerykański program Orion, rozpoczęty w 1955 r., skupiał się na opracowaniu technologii rakiet kosmicznych z pulsacyjnym napędem jądrowym. Prace nad nim zakończono w 1963 r. Powód ich zakończenia wydaje się co najmniej kuriozalny. Otóż oficjalnie podano, że istnieje obawa przed zanieczyszczeniem promieniowaniem próżni kosmicznej. Jednak wiele wskazuje na to, że obawy zostały rozwiane i program zostanie wznowiony. Tym bardziej, że podobnie jak w przypadku silników dla lotnictwa nastąpił znaczny rozwój technologii materiałowej. Rozwój nastąpił również w technikach obliczeniowych, co dla rozwoju nuklearnych napędów rakietowych nie pozostaje bez znaczenia. W tej historii można odnaleźć ciekawy polski wątek, chodzi o publikacje polskiego genialnego matematyka, Stanisława Ulama, współtwórcy amerykańskiej bomby termonuklearnej (dla której projektu wraz z doktorem Tellerem wykonali niebywałą wręcz pracę związaną z obliczeniami).

Stanisław Ulam
Stanisław Ulam, przedstawiciel „lwowskiej szkoły matematyki”, zdjęcie wykonane w Los Alamos. Ulam jako jeden z pierwszych docenił pracę z pierwszymi komputerami i mocno je wykorzystywał podczas swoich prac. (źr: Wikipedia).

Otóż Ulam przewidział, obliczył i opracował sposób możliwości ogniskowania strumienia neutronów oraz promieniowania X (za pomocą wolframu i polietylenu). W ładunku termojądrowym ten strumień wytwarzał wysokotemperaturową plazmę służącą do zainicjowania procesu syntezy izotopów wodoru (lub później litu). W rakiecie termojądrowej plazma z wyrzucanego z rakiety ładunku jądrowego miałaby odbijać się od płyty napędowej rakiety, powodując jej ruch. Zastanawiać się można, z czego taka płyta miałaby zostać wykonana, żeby wytrzymać tak ogromne temperatury wysokoenergetycznej plazmy. Otóż ze zwykłej stali lub nawet z aluminium. Potwierdziły to eksperymenty prowadzone podczas pierwszych prób atomowych na atolu Eniwetok. Bezpośrednio nad ładunkiem jądrowym zawieszano stalowe kule pokryte grafitową powłoką. Kule odnajdowano nienaruszone, a powłoka grafitowa była tylko lekko odparowana. Wiąże się to z unikalnymi cechami wysokoenergetycznej plazmy i jej niskiej przenikalności przez różnorakie materiały. Teoria ta znalazła również potwierdzenie podczas podziemnych testów jądrowych przeprowadzanych w ramach Operacji Plumbbob. Była to seria testów z użyciem broni nuklearnej przeprowadzonych przez Stany Zjednoczone pomiędzy 28 maja a 7 października 1957 roku na pustynnym poligonie w stanie Nevada. Płyta zabezpieczająca szyb, przez który ładunek został umieszczony pod ziemią, została wyrzucona przez wybuch z drugą prędkością kosmiczną (ważyła około 900 kilogramów). Niektórzy oceniali jej prędkość na przekraczająca nawet sześciokrotnie prędkość ucieczki (czyli minimalną prędkość początkową, jaką musi mieć obiekt, aby mógł opuścić pole grawitacyjne danego ciała niebieskiego). Prawdopodobnie płyta jednak nie opuściła atmosfery i uległa spaleniu na skutek tarcia.

Pulsacyjny napęd jądrowy stanowi bardzo kuszący i według wielu również bardzo tani sposób wynoszenia ładunków na orbitę. Oczywiście pozostaje sprawa wspomnianego skażenia radioaktywnego, jednak w samej przestrzeni kosmicznej nie ma ono już większego znaczenia. Według obliczeń statek międzyplanetarny o masie około 2 000 ton mógłby osiągnąć prędkości rzędu 10 proc. prędkości światła przy ładunku użytecznym sięgającym około 50 proc. masy pojazdu.

Projekty Rover i NERVA

Projekt NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Appication) był jednym z najdłużej prowadzonych projektów związanych z zastosowaniem energii nuklearnej w branży aeronautycznej. NASA określiła go jako jeden z najbardziej udanych w całej historii, ponieważ udało się przekroczyć wiele początkowych założeń. Jego celem było stworzenie kompletnego systemu rakiet nośnych wraz z jądrowymi silnikami rakietowymi. Rover był częścią tego programu, mającą na celu zajęcie się właśnie systemami napędowymi.

Przekrój rakietowego silnika rakietowego z programu NERVA. Źródło: Wikipedia.
Przekrój silnika rakietowego (wczesny projekt) z programu NERVA, a na grafice poniżej przekrój sprawdzonego już w działaniu silnika. (źr: Wikipedia)

Skąd jednak pomysł, by zastosować napęd nuklearny? Otóż ówczesne silniki rakietowe osiągnęły szczyt swoich możliwości, a badacze przewidywali, że rozwój technologii nie przyniesie przełomu w tradycyjnych napędach chemicznych. Dość powiedzieć, że nowy silnik Raptor firmy SpaceX napędzany ciekłym metanem i tlenem ma parametry raptem o 5 proc. lepsze od oczekiwanych. A i tak uznano to za przełomowe osiągnięcie. Naukowcy NASA już w latach sześćdziesiątych wiedzieli, że napęd chemiczny nie jest w żadnym względzie perspektywiczny, jeśli chodzi o podróże międzyplanetarne.

Reklama

Jak zatem ma działać jądrowy silnik rakietowy?

Zlikwidowano jako takie paliwo i utleniacz, zastępując je cieczą/gazem roboczym, w tym przypadku wodorem. Silnik zamiast komory mieszalnikowej ma wbudowany reaktor z moderatorem grafitowym, przez który przepływa wodór pod dużym ciśnieniem. Wodór tłoczony jest do reaktora przez zespół turbopomp bardzo podobnych w konstrukcji do tych używanych w rakietach konwencjonalnych. Wodór w postaci kriogenicznej chłodzi reaktor jednocześnie gwałtownie zwiększając swoją temperaturę zamienia się w gaz generując ciąg w dyszy silnika. Zatem energia nie pochodzi ze spalania (utleniania paliwa w procesie chemicznym), a z podgrzania cieczy roboczej przez reakcje nuklearną (a ściślej przez rozszczepienie jąder uranu). Zaletą wodoru jest to, że posiada on bardzo niską masę atomową, a co za tym idzie jego prędkość wylotowa z dyszy jest około dwukrotnie wyższa niż mieszanki ciekłego wodoru i tlenu w klasycznym silniku. To daje impuls właściwy (metodę określania wydajności silników rakietowych) na poziomie około 1000 sekund (w przypadku napędów chemicznych jest to 300-450 sekund). Użycie wodoru jest korzystne również z uwagi, że dzięki konstrukcji reaktora nie ma on bezpośredniego kontaktu z prętami paliwowymi i jest w dużym stopniu odporny na aktywację neutronową. Dzięki temu spaliny nie są radioaktywne.

Seria silników nuklearnych
Cała seria nuklearnych silników rakietowych związanych z projektem NERVA Najmocniejszy Phoebus 2 podczas testu przepracował 12 minut z mocą 4000 Megawatów! W 1968 roku był to najmocniejszy skonstruowany reaktor jądrowy. (źr: Los Alamos National Laboratory).

Program NERVA okazał się ogromnym sukcesem. Dał podstawę do studiów nad projektami wydajnych międzyplanetarnych statków kosmicznych. Planowano wykorzystanie silników skonstruowanych dzięki temu programowi do misji marsjańskich. Cała ta technologia została jednak odłożona do szafy. Dlaczego? Przez długi czas zarządowi NASA udawało się przekonać kongres do dalszego finansowania programu. Niestety za kadencji Nixona program został ostatecznie skasowany ze względów finansowych. Co prawda rakieta NERVA nigdy nie wzbiła się w kierunku kosmosu (bo po prostu nie udało się jej zbudować), niemniej jednak wykonano tytaniczną pracę inżynierską, jeśli chodzi o jednostki napędowe. Udowodniono założenia teoretyczne oraz udało się je przekroczyć bez istotnych czy katastrofalnych awarii. Śmiało można stwierdzić, że technologia rakiet jądrowych jest gotowa i czeka na wykorzystanie.

Grafika przygotowana przez NASA pokazująca, kolejne etapy ewentualnej wyprawy na Księżyc z udziałem rakiety z napędem nuklearnym. (źr.: Wikipedia).

Projekt SLAM i Pluto

Projekt SLAM (Supersonic Low Altitude Missile) jest jednym z bardziej spektakularnych programów związanych z napędem jądrowym. Koncepcja hipersonicznego pocisku mogącego przenosić głowice nuklearne cechującego się przy tym teoretycznym zasięgiem rzędu 180 000 kilometrów nawet z dzisiejszego punktu widzenia jest niesamowita.

Silniki SLAM
Artystyczna wizja pocisku manewrującego SLAM. (źr: Wikipedia).

Najważniejszą częścią programu SLAM było opracowanie, zbudowanie i przetestowanie nuklearnego silnika strumieniowego. Na tym skupiał się właśnie program Pluto. Silnik działał na zasadzie nagrzewania do bardzo wysokich temperatur powietrza przepływającego przez jego wnętrze. Nie używano żadnego dodatkowego paliwa, prócz oczywiście paliwa jądrowego. Należy wspomnieć, że silniki te miały pracować przy bardzo wysokich prędkościach przelotowych, zatem obciążenia mechaniczne również były bardzo wysokie. Dodatkowym wyzwaniem była temperatura powietrza w warunkach hipersonicznych oraz samo ciepło reaktora. Skonstruowano dwie wersje silnika: TORY-II A oraz TORY-II C. Pierwszy z nich był projektem testowym zbudowanym w skali 1:2, drugi był w pełni sprawnym, pełnowymiarowym silnikiem strumieniowym z napędem nuklearnym. Przed inżynierami postawiono wiele wyzwań. Ostatecznie projekt wykonano, a TORY-II C dysponował mocą 600 Megawatów. Reaktor składał się z 465 000 elementów ułożonych w 27 000 kanałów, przez które przepływało powietrze. Materiałem rozszczepialnym zasilającym reaktor był wzbogacony uran o masie prawie 60 kilogramów. Wysoka ilość małych, niepołączonych ze sobą elementów niwelowała koncentrację naprężeń termicznych w materiale konstrukcyjnym. Temperatura we wnętrzu reaktora wynosiła podczas pracy 1 277 stopni Celsjusza. Temperatura samozapłonu płyty podstawy reaktora – jednego z największych i najważniejszego elementu całej konstrukcji – przenoszącego wszystkie obciążenia statyczne i dynamiczne była tylko o 150 stopni wyższa. W silniku użyto wielu nowych materiałów ceramicznych. Silnik nie posiadał ochrony przeciwradiacyjnej, przez co jego próby musiały być prowadzone w odległych miejscach i przy pomocy specjalnej infrastruktury. Bardzo interesująca jest szczególnie infrastruktura testowa. Aby zainicjować ciąg w silniku strumieniowym należy na wlocie podać mu powietrze o odpowiednich parametrach ciśnienia i temperatury. Innymi słowy należy dostarczyć uprzednio ogrzane do 500 stopni Celsjusza powietrze o prędkości przepływu rzędu kilku Machów (ciśnienie około 2,2 MPa). Powietrze sprężano w systemie ogromnych rurociągów a ich napełnianie trwało kilka dni. Następnie podczas próby powietrze to przepływało przez gigantyczny zbiornik wypełniony stalowymi kulami dużej średnicy rozgrzanymi do bardzo wysokiej temperatury.

TORY-II A
TORY-II A. (źr: Wikipedia)
TORY-II C (źr: Wikipedia)
TORY-II C (źr: Wikipedia)

Próby silnika zakończyły się pomyślnie, sprężone powietrze skończyło się po 292 sekundach, podczas których silnik pracował bez zarzutu. Pomiary wykazały, że pocisk SLAM mógłby się poruszać z prędkością 4,2 Macha. Podczas rozbiórki silników po testach nie wykazano większego zużycia komponentów, co tylko potwierdziło trafność wyboru materiałów i poprawne podejście do konstrukcji. Niestety projekt SLAM, oraz prace nad silnikami TORY, został zamknięty w roku 1964. Z takich samych powodów, co inne podobne programy napędów nuklearnych. Koszty były jednym z powodów, drugim zagrożenie skażeniem radioaktywnym, trzecim, rozwój międzykontynentalnych pocisków balistycznych, które jednocześnie były tańsze.

A wracając do Buriewiestnika. Niekoniecznie stare technologie i pomysły są złe. Jak widać na rosyjskim przykładzie dobrą strategią jest powrót do nich, szczególnie w momencie, kiedy można wykorzystać nowe materiały i koncepcje. Los silników nuklearnych, kiedyś wydawałoby się skazanych na zamknięcie w szufladce z napisem „coś nam nie wyszło”, teraz wydaje się bardziej niż pewny. Coraz śmielej mówi się o eksploracji naszego układu planetarnego, a wtedy konstruktorzy z pewnością będą musieli wrócić do starych pomysłów z przełomu lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych. Praktycznie wszystkie opisywane układy napędowe (prócz Oriona) zostały z powodzeniem przetestowane w pełnej skali. Jest więc nad czym się zastanawiać. Być może znów wrócimy do atomowego szaleństwa lat 50-tych. | CHIP

1
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.