М-60. Атомный самолёт В.М. Мясищева
В пятидесятые годы в СССР, в отличие от США, создание межконтинентального бомбардировщика с дальностью более 15 тыс. км воспринималось не просто как желательная, а исключительно как жизненно необходимая задача. В первую очередь это было вызвано преимуществом США в плане возможности атомной бомбардировки нашей территории. Действуя с десятков своих военно-воздушных баз, раскиданных по Европе, Ближнему и Дальнему Востоку, американские бомбардировщики, даже обладая дальностью в 5-10 тыс. км, могли достичь любой точки Советского Союза и вернуться обратно. Отечественные же бомбардировщики вынуждены были базироваться исключительно на территории нашей страны, и для подобного рейда на США им пришлось бы преодолеть порядка 20 тыс. км. Самолетов с подобной дальностью в Советском Союзе не существовало.
Исследование различных вариантов, предшествовавших созданию в ОКБ-23 сверхзвукового межконтинентального бомбардировщика М-50, выявили тот факт, что максимальная дальность полета таких машин с бомбовой нагрузкой в 3-5 т, даже в случае двух дозаправок топливом в полете, не будет превышать 14-15 тыс. км. Для решения стратегических задач дальность бомбардировщика должна была составлять, по мнению экспертов того времени, 22000-25000 км. В этом случае боевые машины могли поражать наиболее удаленные цели при свободном выборе маршрута. При сверхзвуковой скорости достижение такой дальности было возможно лишь при применении в авиации ядерного топлива. Решение о развертывании работ в этом направлении не заставило себя долго ждать.
В соответствии с майскими и сентябрьскими постановлениями правительства от 1955 года, Мясищеву предписывалось подготовить предварительный проект нового сверхзвукового бомбардировщика с двигателями А.М. Люльки специальной конструкции. К подобным изысканиям были привлечены и другие авиационные КБ. С.А. Лавочкин разрабатывал проект крылатой ракеты "Буря" с прямоточным ядерным двигателем, а А.Н. Туполев создавал летающую лабораторию для атомных исследований на основе бомбардировщика Ту-95, которую довели до стадии летных испытаний в 1961году.
Самолет ОКБ-23 получил наименование ПАС — перспективный атомный самолет. На предприятии открыли тему М-60 (ведущий конструктор Ю.Н. Труфанов) и организовали специальную группу "А" (начальник группы Г.Н. Перепелицкий) для создания ПАС и его дальнейших модификаций.
Сразу же проектанты столкнулись с множеством серьезнейших проблем. Возникающее мощное радиационное излучение вызывало потребность решения ряда абсолютно новых или еще мало изученных проблем. Опытом создания и эксплуатации атомных подводных лодок нельзя было воспользоваться по причине его отсутствия — первую советскую АПЛ К-3 "Ленинский комсомол" спустили на воду только в 1957 году.
Существовало множество специфических особенностей самолета с атомной силовой установкой (АСУ). Требовалось обеспечить защиту экипажа и отдельных блоков оборудования от излучения ядерного реактора, а также активация материалов, возникающая при облучении конструкции самолета нейтронным потоком. Остаточное ее излучение без применения особых мер, снижающих уровень радиоактивности, делало невозможным свободное его обслуживание в течение двух-трех месяцев после выключения двигателя. Требовалось дистанционное обслуживание планера и двигателя. Системы самолета должны были быть максимально надежными в эксплуатации, а конструктивное выполнение узлов и разъемов — простейшим, позволяющим при помощи манипуляторов быстро их заменять и проверять. Требовалось создать конструкционные материалы, сохраняющие работоспособность и коррозийную стойкость в этих условиях. Большая масса самолета при увеличенной посадочной скорости требовала принципиально новых решений вопросов посадки.
Сохранение постоянных массы и энерговооруженности "атомного" самолета, а также значительно меньшие лобовые тяги АСУ в сравнении с обычными ТРД не обеспечивали возможности набрать высоту полета в районе цели свыше 13000-14000 м. С другой стороны, дальность такого самолета определялась только временем и скоростью полета и, если машина с обычными ТРД при полете на максимальную дальность имеет только один оптимальный по высотам профиль полета, то у атомного самолета дальность не зависит от высоты. Эта особенность раскрывала новые тактические возможности для летательных аппаратов с АСУ, практическое осуществление которых зависело лишь от успешного создания систем навигации и самолетовождения на малых высотах.
К работам над проектом М-60 были привлечены, помимо авиационных предприятий, профилирующие НИИ Академии наук СССР и другие министерства и ведомства. В середине июля 1956 года ОКБ-23 закончило предварительный проект. Основные выводы, сформулированные в проекте, сводились к следующему. Особенностью самолета с АСУ является то, что дальность перестает играть решающую роль. Главными становятся высота и скорость, чей рост усложняется из-за меньшей лобовой тяги атомных двигателей по сравнению с обычными ТРД. Например, проект самолета М-50 имел суммарный относительный мидель фюзеляжа и мотогондолы 5,5% от площади крыла против 7,5-9% на самолете с атомной силовой установкой, что снижало аэродинамическое качество последнего с 5,8 до 4.
При одинаковой взлетной энерговооруженности высота в районе цели, для самолета с АСУ сравнительно с самолетом с ТРД, уменьшается до 4000 м. Для машины с атомными двигателями главнейшей характеристикой силовой установки является коэффициент лобовой тяги (тяга, отнесенная к площади миделя двигателя). Увеличение этого коэффициента позволяет либо уменьшить потребную тягу, а следовательно, и массу всей силовой установки, составляющей до 35-45% полетной массы самолета, либо увеличить высоту полета.
На основании анализа схем и параметров двигателя, выполненного совместно с ОКБ А.М. Люльки, ЦИАМ и ЛИП АН СССР, был выбран турбореактивный двигатель на ядерном топливе (ТРДА) "открытой" схемы, где в качестве теплоносителя и рабочего тела используется атмосферный воздух. Расчетные параметры ТРДА: крейсерская скорость, соответствующая М=2,0, взлетная тяга — 22500 кгс.
В результате проработок различных компоновок силовой установки на атомном самолете в ОКБ-23 был сделан вывод, что наиболее рациональным является размещение двигателей в хвостовой части машины, что облегчало защиту экипажа и повышало аэродинамическое качество. На М-60 масса кабины экипажа вместе с защитой достигала 30% полетной массы. Поэтому пришлось ограничиться двумя членами экипажа.
Для обслуживания атомных самолетов необходима была постройка специальной базы с развитыми подземными сооружениями, включающими пункт первичной обработки машины, стационарную манипуляторную операционную установку обслуживания двигателей, хранилище и другие специальные помещения. Подземные сооружения должны были обеспечивать защиту от воздушного нападения и препятствовать радиационному заражению обслуживающего персонала и окружающей местности.
Исследования большого числа моделей, проведенные в аэродинамических трубах, позволили рассмотреть ряд компоновок с различными воздухозаборниками. Необходимость защиты экипажа от облучения делало невозможным обеспечение визуального обзора из кабины, что накладывало специфические требования к оборудованию самолета. Ввиду этого система бортового оборудования самолета М-50, принятая за основу для проекта М-60, должна была быть доработана с учетом специфики атомного самолета. В целях упрощения и сокращения сроков отработки и доводки самолета, Мясищев считал необходимым на первом этапе испытаний заменить ядерный реактор на двигатель с обычной камерой сгорания, которая работала на привычном авиационном топливе.
Специалисты ОКБ составили предварительные требования к проекту сверхзвукового дальнего бомбардировщика с атомными двигателями ОКБ-165, которые предполагали доставку бомбовой нагрузки массой 18 т на дальность 25000 км со скоростью не менее 2000 км/ч. В заключении к предварительному проекту отмечалось: "Как показала предварительная проработка, наряду с большими трудностями создания силовой установки, оборудования и планера самолета возникают совершенно новые проблемы обеспечения наземной эксплуатации самолета и защиты экипажа, населения и местности в случае вынужденной посадки. Эти задачи в пред эскизном проекте нами пока еще не решены. В то же время, именно возможностью решения этих проблем и определяется, по нашему мнению, целесообразность создания в ближайшее время пилотируемого самолета с атомным двигателем". Специалисты ОКБ-23 оказались правы — весь этот комплекс проблем не позволяет реализовать самолет с АСУ и сегодня.
В марте 1957 года эскизный проект, глубоко проработанный и обоснованный, был готов. Предварительные требования в нем были подтверждены. Бомбардировщик М-60 предназначался для использования в качестве носителя крылатых ракет, имевших автономную систему наведения и дальность действия в 1500-3000 км. На самолете предусмотрели и возможность внутренней подвески авиабомб.
Однако нерешенными проблемами остались: создание АСУ, отработка вопросов её эксплуатации и обслуживания, характеристики потоков и спектров нейтронного гамма-излучения из реактора с учетом рассеяния и отражения от поверхности земли. Так же методы уменьшения облучения конструкции, защита экипажа (включая вопросы его спасения в аварийных случаях), влияние облучения на механические качества существующих конструкционных металлических и, особенно, неметаллических материалов. Создание новых материалов, работоспособных в этих условиях, вопросы эксплуатации самолета, связанные с созданием специальной базы и систем дистанционного обслуживания (манипуляторы, транспортеры и т.п.), создание нового аэронавигационного оборудования, обеспечивающего пилотирование при полном отсутствии визуального обзора, включая систему слепой посадки (без команд с земли), работающую при мощном облучении.
Поставив основные задачи, авторы констатировали: "После успешного решения указанных вопросов необходимо создание экспериментального самолета (на базе М-50) с установленным на нем атомным двигателем. На атомном самолете можно будет отработать и довести в условиях, близких к натурным, вопросы эксплуатации самолета и двигателя, проверить работоспособность систем оборудования и управления самолетом в воздухе и на земле, отработать атомный двигатель в летных условиях и проверить достаточность биологической защиты экипажа".
ОКБ-23 предложило для создания экспериментального самолета с ТРД использовать сверхзвуковой бомбардировщик М-50. Компоновочная проработка показала реальную возможность такого использования этого стратегического бомбардировщика.
Экспериментальный атомный двигатель, разрабатываемый на базе серийного ТРД АЛ-7, должен был устанавливаться в носовой части самолета. Летчик располагался в защищенной одноместной кабине, помещенной в хвостовой части фюзеляжа. На М-50 носовая часть, совместно с кабиной экипажа заменялась отсеком с атомным двигателем с лобовым воздухозаборником и соплом под фюзеляжем.
В 1956 году для создания АСУ было организовано специальное предприятие СКБ-500, которое занялось созданием силовой установки. В этом СКБ были рассмотрены два варианта атомных ТРД открытой схемы с равной тягой. В первом — вал турбокомпрессора был расположен вне реактора, этот вариант получил наименование — "коромысло". Во втором случае — вал турбокомпрессора проходил внутри по оси реактора, ему дали название — "соосный".
Более целесообразной была признана «соосная» схема двигателя из-за меньшего миделя, лучшей его компоновки на самолете и большей простоты конструкции.
Атомный реактор на тепловых нейтронах цилиндрической формы имел активную зону, ограниченную торцевыми и радиальными отражателями. Активная зона набиралась из керамических тепловыделяющих элементов, в которых имелись продольные каналы для прохода нагреваемого воздуха.
Запуск двигателя производился аэродромными средствами. Потребная мощность для запуска — 250 л.с. Отсутствие автономного запуска объяснялось тем, что взлет атомного самолета возможен только со специальных аэродромов, имеющих стационарное оборудование для его обслуживания, в связи, с чем нецелесообразно иметь на летательном аппарате дополнительные агрегаты.
Специфика самолета с АСУ потребовала новых подходов и к наземному обслуживанию. В эскизном проекте приводилась их схема. Одна из ее характерных особенностей — периодическая разборка самолета для изоляции хвостовых отсеков фюзеляжа с АСУ во время регламентных работ.
При эскизном проектировании самолета М-60, наряду с проработкой основного пилотируемого варианта, были частично проработаны варианты беспилотного самолета многоразового действия с ТРДА и сверхзвукового бомбардировщика малых высот.
Беспилотный вариант привлекал следующими преимуществами: отсутствие экипажа снижает массу защиты с 45-52 т до 2-3 т, что позволит увеличить его энерговооруженность и продолжительность полета, поднять потолок, улучшить взлетно-посадочные характеристики или, при сохранении летных данных на уровне пилотируемого варианта, значительно уменьшить размерность самолета. Отсутствие кабины экипажа улучшит аэродинамику, если применить, например, схему "летающее крыло", не требует решения ряда вопросов, связанных с защитой экипажа от облучения. В то же время этот вариант имел и существенные недостатки, которые специалисты ОКБ считали возможным в дальнейшем исправить. Усложняется управление самолетом, его наведение на цель и возвращение на аэродром, становится исключительно сложным обеспечить маневр, потребный в создавшейся конкретной воздушной обстановке, что может привести к большей поражаемости беспилотного летательного аппарата по сравнению с пилотируемым, усложняются взлет, посадка и аэродромное обслуживание.
Возможность получения для ПАС практически неограниченной дальности на любой высоте полета позволяла ставить вопрос и о создании дальнего сверхзвукового бомбардировщика малых высот. Основным преимуществом такого самолета является его малая уязвимость от средств ПВО противника.
В эскизном проекте была рассмотрена такая возможность. Основные выявленные при этом трудности касались прежде всего создания новой системы навигации и наведения самолета, надежной системы спасения экипажа и обеспечения необходимой прочности и жесткости конструкции, работающей при больших скоростных напорах.
Расчеты показали, что самолет малых высот будет иметь крейсерскую скорость 1500-1700 км/ч, рабочую высоту полета 500-1000 м, потолок-11000-12000 м, посадочную скорость 330-350 км/ч. В 1957 году, кроме поиска путей улучшения характеристик самолета М-60 с ТРД "открытого типа", прорабатывались варианты машин с двигателями других схем: атомно-химического двигателя, двигателей "соосной" схемы с открытым керамическим реактором, комбинированной схемы и "закрытой" схемы с промежуточными теплоносителями.
В результате исследований выбрали комбинированный ТРДА "открытой" схемы, работающий на взлете-посадке, на режиме ТРД, а в крейсерском полете как ПВРД. Пилотируемый самолет с таким двигателем мог выполнять функции разведчика и носителя самолета-снаряда. При этом его взлетная масса достигала 135-145 т, скорость — 4200-4800 км/ч, высота-21-23 км, время полета — 8-10ч.
В мае 1958 года появился отчет о проделанных работах в виде Дополнения к эскизному проекту, где отмечалось: "Быстрое развитие военной техники и средств ПВО ставит под сомнение возможность эффективного использования бомбардировщика с приведенными в эскизном проекте летными характеристиками V=2200-2500 км/ч, Н=12-14 км, учитывая, что возможными сроками создания такого самолета могут быть — 1962-1963 годы.
В результате проработок самолета и силовой установки была подтверждена возможность увеличения расчетной скорости до 3000-3200 км/ч и высоты полета до 18-20 км при дальности полета 25000-30000 км.
Самолет с такими летными характеристиками может найти боевое применение, как дальний стратегический разведчик и как носитель самолетов-снарядов, для поражения морских и отдельных сухопутных объектов противника. Атомный самолет может быть выполнен также в варианте перехватчика самолетов противника, при установке на нем мощных локационных средств обнаружения и подвески снарядов класса "воздух-воздух".
Дальнейшая успешная работа над керамическим реактором, над проблемой охлаждения агрегатов самолета и силовой установки, и создание жаропрочных конструкционных материалов, дадут возможность увеличить скорость до М=4,5 и высоту полета до 23-26 км.
Проект ПАС М-60 стал первой в СССР попыткой применить атомные двигатели на летательном аппарате. Эта проблема явилась настолько новой и сложной, что до сих пор окончательное решение ее как в целом, так и в отдельных частностях, нельзя даже спрогнозировать по времени.
size=1]Источники:
Кудрявцев В. Атомный самолет: будущее в прошедшем времени // Авиация и время. 2004. №4. С. 16-20.
Совенко А. М-50: избавление от иллюзий // Авиация и время. 2005. №1. С.16.
Грек А. Верхом на реакторе: атомный самолет // Популярная механика. 2003. №5. С.28-32.
Брук А., Смирнов С., Удалов К. Атомный самолет: утопия или реальность? // Крылья Родины. 2001. №11. С.6-8.
Ригмант В. Краткий обзор по самолетам с ЯСУ // Крылья Родины. 2013. № 9-10. С. 79-80.
Информация