|
ВКЛАД ОКБ Н.Д. КУЗНЕЦОВА
В СОЗДАНИЕ АТОМНОГО САМОЛЕТА
Генрих Моисеевич Горелов
Леонид Михайлович Ширкин
Приближается столетний юбилей Николая Дмитриевича Кузнецова, создателя двигателей для гражданских и военных самолетов, ракет, наземных энергетических установок. Уже опубликовано громадное число статей о техническом наследии этого прославленного Конструктора. В каждой из них раскрываются все новые грани его безграничного таланта. Но не все, что было создано в стенах его ОКБ, получило путевку в жизнь. Причины разные, но главное то, что ничего не пропало даром. Все наработки или уже нашли применение, или обязательно будут востребованы. В том числе и те, что связаны с разработкой атомной силовой установки для стратегической авиации.
К работам по созданию атомного самолета ОКБ Н.Д. Кузнецова было привлечено в 1956 г. А началом работ в Советском Союзе по этой теме можно считать 1943 г., когда в Институте атомной энергии (ИАЭ) была создана лаборатория № 2. Главной задачей ее считалось создание атомной бомбы, но уже тогда подумывали и об иных "профессиях" атома.
В конце 40-х - начале 60-х гг. в лаборатории развернулись исследования по атомным реакторам для морских транспортных энергоустановок. Вскоре в круг работ вошла и атомная энергетика для авиации.
Сохранилась записка академика А.П. Александрова И.В. Курчатову. Начиналась она словами: "Предлагаю свои соображения по транспортным агрегатам. По моему мнению, к работам можно приступить немедленно". Этот документ датирован январем 1952 г. В начале июня последовало уточнение: "Наши знания в области атомных реакторов позволяют поставить вопрос о создании двигателей на атомной энергии, применяемых для тяжелых самолетов".
В первые годы в таких работах участвовали самолетные ОКБ А.Н. Туполева и В.М. Мясищева, моторные ОКБ Н.Д. Кузнецова и А.М. Люлька, институты: ИАЭ, Физико-энергетический институт (ФЭИ) из г. Обнинска, Центральный институт авиационного моторостроения, ОКБ приборостроения А.И. Абрамова.
ОКБ В.М. Мясищева занималось, так называемой, открытой схемой реактора. В ней воздух из компрессора сразу шел в активную зону реактора, а затем выбрасывался наружу. Двигатели для самолета В.М. Мясищева разрабатывал А.М. Люлька.
ОКБ Н.Д. Кузнецова сосредоточило свои усилия на схемах с промежуточным теплоносителем и работало с ОКБ А.Н. Туполева.
Работы по закрытой схеме в ОКБ Н.Д. Кузнецова проводились более 10 лет. Здесь не только осуществлялись расчетно-конструкторские проработки атомных силовых установок, но изготавливались и проходили испытания, в том числе летные, отдельные узлы двигательной установки.
Для этого в ОКБ Н.Д. Кузнецова был создан специальный отдел, в который были переведены специалисты, хорошо себя проявившие при создании двигателя НК-12. Вначале в отделе было около 20 человек, но вскоре численность его превысила 50. Руководил отделом В.Д. Радченко.
То, что ОКБ Н.Д. Кузнецова было привлечено к работам по атомному самолету (и вскоре стало в них основным), было далеко не случайным.
Во-первых, оно было расположено в городе Куйбышеве, городе, который считался авиационной столицей СССР. В нем работало много авиационных специалистов. Здесь было два авиационных завода, завод по изготовлению авиационных двигателей, завод авиационных подшипников, металлургический завод авиационных сплавов, Авиационный институт и ряд других организаций авиационного профиля.
Во-вторых, в ОКБ с 1946 по 1953 гг. работало более 700 немецких специалистов, занимавшихся в Германии разработкой реактивных двигателей и вывезенных в СССР в соответствии с международными соглашениями.
Благодаря этому наши работники не только познакомились с последними достижениями в области создания реактивных двигателей, но и взяли на вооружение всё лучшее, что было в организации работы в конструкторском бюро.
В-третьих, во главе ОКБ стоял молодой (45 лет), исключительно талантливый главный конструктор Николай Дмитриевич Кузнецов, который к этому моменту уже блестяще зарекомендовав себя, создав совершенно уникальный турбовинтовой двигатель НК-12. Двигатель оказался настолько совершенным, что, хотя после его создания прошло почти 60 лет, он до сих пор находится в строю.
Отличительной особенностью Н.Д. Кузнецова, как организатора, была его способность предвидеть возможные узкие места в будущей работе и заранее готовиться к их преодолению.
Взявшись за создание атомного самолета, он понимал, что теперь ОКБ должно будет заниматься не только двигателем, но и атомным реактором, совершенно новым для авиационных инженеров устройством.
Конечно, в принципе, были научные руководители: ИАЭ и ФЭИ. Но их больше волновали физические процессы, идущие в реакторе, а не его конструкция и масса. Поэтому Николай Дмитриевич принял решение иметь собственных физиков, которые могли бы критически смотреть на то, что предлагали научные организации.
По просьбе Николая Дмитриевича в ОКБ в 1956-1957 гг. были распределены 13 физиков: 10 выпускников отделения ядерной физики физического факультета МГУ и 3 ядерщика - выпускники Ленинградского политехнического института.
Следующий важный шаг - направление только что “испеченных” физиков на полугодовую стажировку в Обнинск в ФЭИ. Цель стажировки - ознакомиться с тем новым, что там было по материалам защиты и методикам ее расчетов. То есть упор делался на радиационную защиту реактора, так как именно она представлялась главной проблемой при создании атомного самолета. Когда А.Н. Туполеву одним из научных руководителей был предложен вариант реактора с защитой для целевого самолета, то он сказал примерно следующее: "Ваш реактор похож на огромный дом. Так знайте, что дома по воздуху не летают".
После окончания стажировки в Обнинске физиков посадили вместе с конструкторами в одну большую комнату, что также имело определенное значение. Теперь то, что появлялось на доске конструктора, сразу обсчитывалось физиками, с точки зрения удовлетворения требованиям защиты.
В итоге физики из ОКБ настолько сильно продвинулись в своем профессионализме, что смогли существенно подкорректировать защиту реактора, которую предложил ФЭИ для проекта целевого самолета. Да, предложения ФЭИ не имели изъянов с точки зрения поглощения излучения, но конструктивно выполнить это было достаточно сложно. Наши физики разработали вариант защиты, который был чуть-чуть тяжелее, но с которым не было проблем в изготовлении.
Уровень компетенции физиков ОКБ был настолько высоким, что некоторые из них стали публиковать научные статьи в академическом журнале "Атомная энергия" и защищать кандидатские диссертации.
Но все это было несколько позднее. А в 1956 г. основные усилия отдела были направлены на разработку конструкции реактора для летающей атомной лаборатории. Такое решение было принято И.В. Курчатовым после получения в декабре 1955 г. от нашей разведки информации, что американцы на самолет В-36 поставили экспериментальный ядерный реактор для изучения проблем радиационной защиты.
И.В. Курчатов для аналогичных целей предложил использовать Ту-95 - тяжелый бомбардировщик А.Н. Туполева. В отличие от американцев, было решено заниматься не только вопросами защиты реактора и определением уровня излучения, рассеянного от конструкции самолета, но также исследовать влияние нейтронов и гамма-излучения на самолетные приборы, продукты питания, обмундирование.
С этой целью на аэродроме в районе Семипалатинска, где базировался самолет Ту-95, был построен специальный стенд с работающим реактором, который был запущен в 1959 г.
В конце января 1959 г. начальник научно-технического комитета Генштаба генерал-полковник Марков в докладной записке министру обороны докладывал: "В ОКБ тов. Кузнецова проведены расчетно-конструкторские работы по авиационным атомным двигателям и реакторам закрытой схемы с жидкометаллическим теплоносителем для маловысотного и высотного сверхзвуковых самолетов. Выполнен проект экспериментальной силовой установки на базе турбовинтового двигателя НК-12М, испытания которой предлагается провести на переоборудованном самолете Ту-95. Совместно с институтами атомной промышленности проведена отработка малоразмерных жидкометаллических теплообменников, работоспособных при температуре теплоносителя до 1000 °С. Осваивается технология изготовления теплообменников из тонкостенных жаропрочных трубок. Спроектированы и построены два экспериментальных реактора для летающей лаборатории".
НТК Генштаба рекомендовал полномасштабную разработку "маловысотной стратегической системы с атомной силовой установкой со следующими данными: дальностью полета 25…30 тыс. км, скоростью полета у земли 1200…1400 км/ч и крейсерской высотой полета 500 м" заказать ОКБ А.Н. Туполева при участии министерства среднего машиностроения с постройкой самолета в 1963 г. Первый этап летных испытаний намечали провести на обычных двигателях с химическим топливом. Создание атомной силовой установки закрытой схемы по рекомендации НТК Генштаба было поручено Н.Д. Кузнецову, "имеющему четырехлетний опыт по работам в данной области, развернув одновременно экспериментальные работы в институтах ГКАТ (ЦИАМ, ВИАМ) и атомной промышленности (лаборатория "В", НИИ-9 и др.)".
В 1960 г. один из серийных Ту-95М переоборудовали в летающую лабораторию Ту-95ЛАЛ. После соответствующих проверок на земле в период с мая по август 1961 г. Ту-95ЛАЛ совершил 34 полета. Полеты производились как с "холодным" реактором, так и с работающим. Целью всех полетов с работающим реактором была проверка эффективности радиационной защиты. Экипаж и экспериментаторы находились в передней герметической кабине, где также размещался датчик, фиксировавший параметры излучения.
И самолет, и стенд обслуживали работники ИАЭ, ОКБ А.Н. Туполева, ОКБ Н.Д. Кузнецова, ОКБ А.И. Абрамова, военные.
Благодаря тому, что к разработке реактора были привлечены лучшие силы ОКБ, он получился исключительно компактным. Если на обычных реакторах управление осуществлялось почти десятком регулирующих стержней, то здесь их было всего четыре.
Разработкой конструкции реактора руководил В.П. Мальгин, разработкой системы регулирования - Н.А. Маркушин.
Когда изготовленный на нашем заводе реактор увидел академик Александров, то сказал: "Просто не верится, что такой миниатюрный реактор сможет работать. Вы мне показываете макет".
Кроме работ по реактору для летающей лаборатории, отдел был занят разработкой, изготовлением и эксплуатацией так называемого "агитатора".
Дело в том, что ИАЭ предлагал в качестве теплоносителя использовать гелий под давлением 70 атмосфер. Но в ОКБ Н.Д. Кузнецова после соответствующих проработок остановились на жидком натрии, который был существенно безопаснее, чем гелий. Если при разгерметизации трубки с гелием неизбежен взрыв, то при применении натрия этого не происходит: трещина будет просто забита окислами натрия.
Н.Д. Кузнецов для подкрепления наших доводов в пользу натрия решил собрать отдельный реактивный двигатель, который бы работал на жидком натрии. Для этого в турбостартере от двигателя НК-12 вместо камеры сгорания был установлен теплообменник, в межтрубное пространство которого подавался натрий с температурой 750 °С, а по трубкам теплообменника продувался воздух от компрессора.
При прокачке через теплообменник натрия, двигатель начинал выдавать тягу, то есть теплообменник заменил обычную камеру сгорания. Натрий подогревался в стендовом теплообменнике до температуры 750 °С.
Следующим важным этапом разработки самолета с АСУ должен был стать экспериментальный самолет, получивший в туполевском ОКБ обозначение "119" (Ту-119). Как и в случае с Ту-95ЛАЛ базовой машиной являлся Ту-95, но на этот раз реактор выступал не в роли "полезной нагрузки", а включался в состав комбинированной силовой установки с двумя турбовинтовыми атомными двигателями НК-14А, оснащенными теплообменниками. Кроме того, на Ту-119 планировали установить два обычных турбовинтовых двигателя НК-12.
Получив задание, ОКБ Н.Д. Кузнецова приступило к проектированию НК-14А. Но из-за того, что испытания экспериментального самолета Ту-119 планировали начать не ранее 70-х гг., на разработку первых двух опытных НК-14А отводилось почти десятилетие. В дальнейшем предполагалось построить боевой самолет с четырьмя НК-14А, на котором и планировали получить заданную НТК Генштаба дальность полета порядка 25…30 тыс. км.
Успешные работы на летающей атомной лаборатории и эксплуатация двигателя, работающего на жидком натрии, позволили приступить вместе с ОКБ А.Н. Туполева и ФЭИ к разработке еще одного атомного самолета. Он получил обозначение Ту-120. Его атомная силовая установка (АСУ) состояла из двух комбинированных ТРДА, которые должны были работать как на керосине, так и "от реактора", для чего они оснащались теплообменниками. Но оказалось, что масса силовой установки, предложенная для такого самолета, слишком велика, и самолет не смог бы взлететь. Поэтому работы по самолету Ту-120 были прекращены.
В связи с тем, что исследования по открытой схеме прекратились довольно быстро из-за экологических соображений, так как воздух, который проходил через реактор, становился чрезвычайно радиоактивным, ОКБ Мясищева вышло с инициативой создания нового варианта атомного самолета ("объект 30") с двигательной установкой закрытой схемы. В случае принятия специального постановления ЦК КПСС и Совмина СССР, главный конструктор гарантировал, что к 1964 г. будут проведены все необходимые этапы разработки этого самолета и начнутся его летные испытания. Соответствующие постановления ЦК КПСС и Совмина СССР были приняты летом 1959 г., и со второй половины того же года началась эскизная проработка сверхзвукового высотного самолета с АСУ "закрытой" схемы.
Этим же постановлением было поручено ОКБ-276 генерального конструктора Н.Д. Кузнецова разработать для самолета М-30 атомный двигатель НК-5. Силовая установка самолета помимо шести воздушно-реактивных двигателей НК-5 содержала системы:
- первого контура с реактором;
- второго контура;
- питания двигателей углеводородным топливом;
- смазки, наддува, противопожарной защиты;
- управления двигателями;
- регулирования мощности реактора и тяги двигателей;
- охлаждения реактора;
- подогрева жидкометаллического теплоносителя при выведенном реакторе;
- контроля состояния систем и агрегатов;
- энергоснабжения.
Двигатель должен был на высоте 20 км при числе М = 2,5 развивать тягу 3060 кгс. Углеводородное топливо планировали использовать на этапе взлета и посадки, выхода на крейсерский режим и выполнения маневра в районе цели. На остальных режимах полета самолет использовал только энергию, выдаваемую АСУ.
В реакторе предполагали применить жидкометаллический теплоноситель - натрий и литий. Схема двухконтурной АСУ "закрытого" типа обеспечивала отсутствие радиоактивности во втором (газовом) контуре, создавая приемлемые условия для эксплуатации самолета на земле.
Одновременно с ОКБ Мясищева в ОКБ Туполева разрабатывался проект дальнего стратегического самолета-бомбардировщика с АСУ, включавшей шесть ТРД, два из которых являлись комбинированными и служили для осуществления крейсерского полета. Это было время разгара холодной войны, и задачей СССР было делать все возможное, чтобы не допустить превращения холодной войны в горячую. Для этого было необходимо парировать любые односторонние шаги США по усилению их военного потенциала. Большие надежды на решение постоянно возникающих задач военные возлагали на создание атомного самолета с практически неограниченной дальностью полета, которая определялась только физическими возможностями экипажа.
Такой самолет мог бы проникать на территорию США не с севера, где у американцев сильная противоздушная оборона, а с юга, со стороны Мексики. Его можно было бы также использовать, в случае необходимости, для уничтожения судов, направляющихся с военными грузами и армейскими подразделениями из США в Европу.
Но в середине 60-х годов атомный самолет опять был востребован. На этот раз для отражения угрозы поражения наших основных военно-промышленных объектов американскими ракетами "Поларис", запускаемыми с подводных лодок.
Дальность полета этой ракеты 6000 км. Поэтому, находясь где-нибудь в Красном море или в Северном ледовитом океане, она могла поражать любые объекты на европейской части СССР.
Как можно было бы бороться с "Поларисами"? В соответствии с основным вариантом предполагалось, что в угрожаемый период над каждой подводной лодкой будет "висеть" самолет, который уничтожал бы ее сразу после пуска с ее борта первой ракеты.
Но у обычного самолета после прибытия в район нахождения подводной лодки почти не оставалось топлива на барражирование, а оно должно было продолжаться и несколько суток. Это мог делать только самолет с атомной СУ.
Для создания атомного противолодочного самолета военные предложили использовать самолет Ан-22. У него было два важных преимущества по сравнению с другими самолетами.
Одно - это был самый большой самолет в мире. В него без проблем ни по массе, ни по габаритам помещался реактор даже с приличной радиационной защитой.
Второе - он был оснащен самыми экономичными в мире двигателями НК-12, благодаря чему мощность реактора могла быть на 20…25 % меньше, чем при применении других двигателей.
У США не было ни такого большого самолета, ни таких экономичных двигателей, то есть в этом плане мы имели перед американцами заметное преимущество.
Сразу после принятия в 1965 г. решения о разработке противолодочного самолета, в Семипалатинске были возобновлены полеты летающей атомной лаборатории, но теперь уже на борту Ан-22. Было совершено более 20 полетов.
В целом они подтвердили результаты экспериментов, выполненных на Ту-95.
В результате проведенных работ к концу 1965 г. задача создания в СССР атомного самолета была, в принципе, решена, причем здесь мы заметно опередили США. Но воспользоваться достигнутыми наработками, к сожалению, не удалось.
Причин этого несколько.
Первая. Последовавшая вместе с приходом президента Кеннеди определенная разрядка международной обстановки.
Вторая. Закрытие американцами своей программы создания атомного самолета, одной из причин чего могли быть наши успехи в этой области.
Третья. Политика Н.С. Хрущева по разгрому авиации и авиационной промышленности, поскольку он уверовал в возможность создания абсолютного оружия. Идея его такова. На земную орбиту запускается спутник с атомной бомбой. В случае необходимости он опускается на землю в нужную нам точку.
Но, как говорится, "на каждый газ - есть свой противогаз". Американцы запускают свой спутник, который сбивает наш, но уже над нашей территорией.
Последнюю точку здесь поставил министр авиационной промышленности П.В. Дементьев. Ему вообще не нравилась идея атомного самолета. Он говорил: "И так самолеты падают, а тут еще нейтроны будут жужжать. Не хочу этого!"
В 1966 г. П.В. Дементьев выпустил приказ об официальном закрытии в Министерстве авиационной промышленности работ по атомной тематике.
Это решение вызвало сильнейшее разочарование в нашем коллективе. Мы считали, что работы в этой области исключительно важны не только для обороны страны, но и для будущего всей энергетики.
Теперь же атомная промышленность лишилась активного участия в ее работах самого передового отряда нашей технической интеллигенции - авиационных инженеров.
Небольшим утешением для коллектива явилось решение Николая Дмитриевича, принятое по просьбе С.П. Королева, о поручении отделу, занимавшемуся атомным самолетом, разработать жидкостно-ракетный двигатель на керосине и жидком кислороде для ракеты Н-1, создаваемой для выполнения "лунной программы" СССР.
Благодаря исключительно высокому потенциалу коллектива, заложенный в отделе двигатель НК-33 на десятки лет опередил все, что было создано в этой области не только в СССР, но и во всем мире.