Tecnología aérea: Motores nucleares para aviación

Motores nucleares para aviación

HiTech Web (original en eslovaco)

NEPA

En mayo de 1946, la USAF encargó a Fairchild Engine and Aircaft Corporation que realizara un estudio titulado "Aeronaves propulsadas por energía nuclear" (NEPA). Las pruebas de un reactor adecuado fueron manejadas por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. La principal ventaja de la aeronave de propulsión nuclear era su alcance ilimitado, que dependía principalmente de la resistencia de la tripulación y la capacidad de operar solo desde la base en los EE. UU. Al mismo tiempo, se eliminaría la necesidad de repostar en vuelo, ya que 1 kilogramo de uranio enriquecido tiene el mismo potencial energético que 1,7 millones de kilos de combustible para aviones. El informe final de 1951 establece que la construcción de un bombardero nuclear podría completarse en quince años y que un avión costaría aproximadamente $ 1,000,000,000 (!).


 

Convair X-6

Con base en los estudios de la NEPA, el nuevo programa Aeronave con propulsión nuclear (ANP) de Convair otorgó una modificación B-36 a un bombardero de propulsión nuclear en febrero de 1951. El 28 de agosto de 1951, se recomendó a la USAF que utilizara unidades de propulsión nuclear de derivación directa y elementos combustibles metálicos en la máquina ANP. En noviembre, se concluyó otro contrato con General Electric para suministrar el sistema de propulsión P-1 modificado a más tardar en mayo de 1956. Se recibió $ 188 millones para este propósito. Su desempeño no fue abrumador, pero el objetivo principal era realizar las pruebas de vuelo lo antes posible, independientemente del empuje máximo. El sistema de propulsión P-1 constaba de un reactor nuclear R-1, escudos de radiación, un sistema de circulación y cuatro motores a reacción modificados. El tipo J53 recientemente desarrollado originalmente iba a ser modificado, pero después de problemas considerables, la atención finalmente se centró en los probados motores a reacción J47. Te dieron un nuevo nombreX-39 . Gracias al uso de varias piezas comunes, el peso se ha ahorrado considerablemente en comparación con cuatro sistemas de accionamiento independientes. El reactor R-1 se basó en nueve conductos de aire anulares con elementos combustibles (óxido de uranio disperso en acero inoxidable). Entre ellos había canales con agua pesada, sirviendo como medio de enfriamiento y al mismo tiempo como moderador. Después de un tiempo, los funcionarios de la USAF comenzaron a darse cuenta de que el desarrollo del reactor sin la posibilidad de un uso práctico es una pérdida de dinero y detuvieron el programa. En ese momento, se habían completado casi todas las piezas necesarias e incluso pruebas del sistema de propulsión, que tenía una fuente de calor química en lugar de un reactor.

   

Las pruebas de vuelo se programaron para la AFB Edwards, que proporcionó amplias instalaciones de prueba y, por lo tanto, se prefirió al NRTS en Idaho. A principios de 1952, el programa recibió la designación experimental X-6. En su interior se iban a construir tres aviones. El tipo NB - 36H fue diseñado principalmente para el desarrollo del escudo de radiación y debía ser propulsado exclusivamente por motores químicos. Dos X-6 experimentales ya iban a demostrar un vuelo propulsado por un reactor nuclear. En mayo de 1953, el programa ANP sufrió un drástico recorte presupuestario del 50%. Como resultado, se detuvo el trabajo en el reactor de General Electric, el avión X-6 se retiró por completo del proyecto y el trabajo en la plataforma de prueba NB-36H se ralentizó considerablemente.

 

Convair NB-36H

Después de la cancelación del programa X-6, el avión NB-36H se utilizó como plataforma de prueba para el desarrollo de escudos de radiación. Con este fin, se construyeron y probaron dos reactores nucleares en Convair. El primero fue el reactor de prueba en tierra, probado en un soporte de tierra, y el segundo fue un reactor de prueba de blindaje para aeronaves de 1 MW. Después de la cancelación del programa X-6, el ASTR tuvo que probarse en tierra y no se instaló en el avión hasta noviembre de 1954. Los técnicos lo llevaron a la cámara del bombardero con una grúa interna especial, con sistemas de refrigeración colocados encima. Toda la zona se equipó con doce toneladas de revestimiento protector de caucho de plomo y boro. El avión recibió un nuevo frente y se agregó un tanque de agua pesada detrás de la cabina. La tripulación ha crecido en dos operadores nucleares. Fue necesario construir instalaciones especiales en el Convair Fort Worth en Texas para las pruebas. Desde septiembre de 1955 hasta marzo de 1957, se realizaron un total de 47 vuelos y los experimentos con reactores en vuelo no comenzaron hasta febrero de 1956.

  

Estudio de concepto de Lockheed

El segundo contrato fue otorgado a Lockheed en febrero de 1951 para desarrollar el concepto de un bombardero supersónico de propulsión nuclear capaz de volar a bajas altitudes de hasta 1,5 km. Estos estudios fueron designados CL-225 y GL-145. Pratt and Whitney recibió el encargo de desarrollar un reactor supercrítico refrigerado por agua en mayo. El principal problema era la distribución del peso, ya que una gran parte recaía sobre un reactor relativamente pequeño junto con los escudos de radiación. En un avión convencional, este peso se distribuye en forma de combustible en un área mucho más grande. Los diseñadores decidieron usar dos escudos de radiación separados. Uno rodeaba el propio reactor y el otro protegía a la tripulación de la cabina. Esta es también la razón por la que la parte delantera del fuselaje es más grande que el resto. La ventaja de este concepto es el menor peso final, pero a costa de una excesiva radiación en otras partes de la aeronave y sus alrededores. Por otro lado, como escudo natural contra la radiación, es posible utilizar todos los componentes de la aeronave, como el tren de aterrizaje, tanques adicionales para combustible químico o bombarderos. El bombardero nuclear también tiene algunos otros detalles. Por ejemplo, el tren de aterrizaje debe soportar el aterrizaje con todo su peso, ya que casi no se consume combustible durante el vuelo. Curiosamente, el recorte presupuestario del 50% de la ANP en 1953 casi no tuvo impacto en los proyectos de Lockheed o Pratt and Whitney. Por ejemplo, el tren de aterrizaje debe soportar el aterrizaje con todo su peso, ya que casi no se consume combustible durante el vuelo. Curiosamente, el recorte presupuestario del 50% de la ANP en 1953 casi no tuvo impacto en los proyectos de Lockheed o Pratt and Whitney. Por ejemplo, el tren de aterrizaje debe soportar el aterrizaje con todo su peso, ya que casi no se consume combustible durante el vuelo. Curiosamente, el recorte presupuestario del 50% de la ANP en 1953 casi no tuvo impacto en los proyectos de Lockheed o Pratt and Whitney.

Sistema de armas WS-125A

Como muchos funcionarios de la USAF claramente exigieron bombarderos nucleares en ese momento, todas las partes involucradas en la ANP fueron contactadas durante noviembre de 1954 para presentar los requisitos modificados del programa WS-125A recién creado. Esta vez se suponía que era un bombardero pesado supersónico tripulado, capaz de lanzar una carga de bombas atómicas a un destino en cualquier parte del mundo. La elaboración de los estudios iniciales se encomendó a Lockheed y Convair, mientras que los fabricantes de motores se dividieron de forma similar al primer caso. En marzo de 1955, se emitió un conjunto detallado de requisitos GOR No. 81, que, entre otras cosas, hablaba de una velocidad de vuelo de no menos de Mach 0,9 y la velocidad supersónica más alta posible en el área objetivo. El sistema de armas iba a adquirir estado operativo durante 1963. Originalmente, el objetivo de todo el programa ANP y, a su vez, el WS-125, era desarrollar un sistema de propulsión de ciclo indirecto de un solo reactor. Sin embargo, siguiendo una petición general de General Electric, se emitió un permiso para producción de motores de ciclo directo, ya que se esperaba que su diseño más simple ahorrara tiempo y dinero. El avión iba a ser propulsado por dos sistemas XMA-1, cada uno con un par de motores X-211.



 



A diferencia de Lockheed, Convair no decidió desarrollar un nuevo bombardero, sino que prefirió modificar un tipo existente. Los aviones B-58 Hustler y XB-70 Valkyrie fueron particularmente relevantes . De hecho, algunas soluciones de protección radiológica han sido extrañas. Por ejemplo, se consideró seriamente que la tripulación del bombardero estaría formada por hombres mayores (específicamente aquellos que ya no pueden tener hijos), evitando así cualquier mutación genética no deseada. El programa fue abolido en diciembre de 1956 después de una reunión de los funcionarios de presupuesto del Departamento de Defensa con el presidente de los Estados Unidos. Las principales razones incluyeron un peso significativamente mayor que el diseñado, la imposibilidad de lograr el rendimiento esperado, un alto riesgo técnico y un problema no resuelto en relación con el smog de radiación.



 

Princesa nuclear

La Marina de los EE. UU. no se unió oficialmente al programa ANP hasta mayo de 1953, cuando firmó un contrato para que varios fabricantes de aviones navales consultaran sobre el desarrollo de un bombardero nuclear. Pero ya en 1946 destinó $1,5 millones de sus recursos, que fueron transferidos a la USAF para estudios NEPA. La Marina quería adquirir un avión subsónico propulsado por un reactor nuclear que pudiera usarse para ataques contra objetivos costeros y navales y, en segundo lugar, para la colocación de minas y patrullas navales. Requisitos específicos CA-01503-3 no se formuló hasta abril de 1955. La aeronave debía poder operar en todos los climas en una fuerte defensa antiaérea, y se esperaba que el prototipo se completara a más tardar en 1961. Sistema de armas WS-125A. El último intento de la Marina de construir un avión nuclear tuvo lugar en diciembre de 1957, cuando se hizo una propuesta para instalar un reactor nuclear directo por reactor en el avión turbohélice británico Princess para alimentar sus diez motores PW T-57. Esto fue para lograr el objetivo principal del programa ANP, un vuelo con propulsión exclusivamente nuclear, lo antes posible. Sin embargo, la iniciativa se encontró con una dura oposición de la USAF. Sin embargo, logramos recaudar al menos $ 3,2 millones para estudios iniciales, lo que luego resultó ser una solución prudente. El avión Princess comenzó a ser objeto de intensas discusiones después de la creación del programa CAMAL, y se esperaba que todo el desarrollo tomara solo 5 años a un costo total de USD 200 millones. También se rechazó un intento repetido de hacer cumplir el proyecto. cuando se presentó una propuesta para la instalación de un reactor nuclear con bypass directo en el avión turbohélice británico Princess para alimentar sus diez motores PW T-57. Esto fue para lograr el objetivo principal del programa ANP, un vuelo con propulsión exclusivamente nuclear, lo antes posible. Sin embargo, la iniciativa se encontró con una dura oposición de la USAF. Sin embargo, logramos recaudar al menos $ 3,2 millones para estudios iniciales, lo que luego resultó ser una solución prudente. El avión Princess comenzó a ser objeto de intensas discusiones después de la creación del programa CAMAL, y se esperaba que todo el desarrollo tomara solo 5 años a un costo total de USD 200 millones. También se rechazó un intento repetido de hacer cumplir el proyecto. cuando se presentó una propuesta para la instalación de un reactor nuclear con bypass directo en el avión turbohélice británico Princess para alimentar sus diez motores PW T-57. Esto fue para lograr el objetivo principal del programa ANP, un vuelo con propulsión exclusivamente nuclear, lo antes posible. Sin embargo, la iniciativa se encontró con una dura oposición de la USAF. Sin embargo, logramos recaudar al menos $ 3,2 millones para estudios iniciales, lo que luego resultó ser una solución prudente. El avión Princess comenzó a ser objeto de intensas discusiones después de la creación del programa CAMAL, y se esperaba que todo el desarrollo tomara solo 5 años a un costo total de USD 200 millones. También se rechazó un intento repetido de hacer cumplir el proyecto. Esto fue para lograr el objetivo principal del programa ANP, un vuelo con propulsión exclusivamente nuclear, lo antes posible. 
 

Motores nucleares

El primer motor nuclear funcional con derivación directa se creó a partir de la unidad de propulsión General Electric J47 y se denominó X-39 (cuatro piezas formaban parte del sistema de propulsión P-1). Su principio es relativamente simple. El aire es aspirado por el compresor de uno o más motores a reacción. De allí pasa a una cámara común y luego pasa por el núcleo del reactor, donde absorbe una parte sustancial de su calor. A la salida del reactor le sigue una turbina y finalmente una tobera de salida. Tras detener el desarrollo del sistema P-1, se decidió llevar a cabo una serie de experimentos sucesivos en lugar de un desarrollo directo, lo que finalmente conduciría a la construcción de un reactor prácticamente utilizable. Estos recibieron el nombre común HTRE (Heat Transfer Reactor Experiments). Reactor HTRE - 1se derivó en gran medida de P - 1, pero en lugar de anular, tenía una forma tubular. El combustible utilizado fue una aleación de 80Ni-20Cr junto con óxido de uranio enriquecido, mezclado en una proporción de 60 :40. Treinta y siete celdas de combustible estaban revestidas con una aleación similar de aleación de niobio (elemento químico número 41). Operaron a 1700 grados F, produciendo una corriente de aire de salida con una temperatura de 1350 grados F. El escudo de radiación formó berilio. Después de la transferencia del reactor terminado a la instalación de pruebas del núcleo, se supuso que la vida útil sería de al menos 100 horas. HTRE-1 se arrancaba químicamente por medio de un compresor conectado a un motor a reacción X-39, que forzaba el flujo de aire a través del núcleo. La primera activación fue realizada por ingenieros en enero de 1956 y alcanzó una capacidad de 20,2 MW. Tres celdas de combustible resultaron dañadas durante la prueba, pero fueron relativamente fáciles de reemplazar. El reactor funcionó durante un total de 144 horas. Luego se modificó a HTRE - 2 quitando las siete celdas de combustible y reemplazándolas con un adaptador hexagonal vacío en el que se pueden colocar y probar varios materiales. El escudo de berilio se extendió 10 centímetros para compensar la reactividad reducida. HTRE - 2 funcionó un total de 1299 horas y seguía funcionando después de las pruebas. El próximo reactor HTRE reaktor 3 difería significativamente de sus predecesores. En primer lugar, contaba con varillas moderadas sólidas y se colocaba horizontalmente para poder incorporarlo a la aeronave en caso de ser necesario. Su potencia ya permitía la conexión de dos motores a reacción X-39. La activación inicial tuvo lugar el 8 de septiembre de 1958, pero la alta temperatura dañó varias pilas de combustible. La reparación necesaria fue seguida por un extenso programa de pruebas. HTRE-3 se convirtió en el primer reactor que no necesitó combustible químico para su puesta en marcha.




Trabajar en General Electric no se limitó a experimentos. En 1955, tres años después de la cancelación del proyecto P-1, con la llegada del programa WS-125A, hubo una demanda para el desarrollo de un sistema de propulsión operativo, con preferencia por los motores de derivación directa. En general, había dos posibilidades: o colocar el reactor directamente entre el compresor y la boquilla de descarga o moverlo a un lado. En el primer caso, el eje del motor pasaría directamente a través del núcleo del reactor y dicho sistema de propulsión se denominaría XNJ140 (General Electric P140E). El reactor se construiría con materiales cerámicos y utilizaría una mezcla de berilio y óxido de uranio.
 
En el segundo caso, el reactor estaba ubicado a medio camino entre los dos motores a reacción. El aire se descargó del compresor de alta presión a través de un sistema de tuberías al reactor y de allí a dos boquillas de salida. Proporcionó varias ventajas sobre el concepto anterior. En primer lugar, el eje del motor no tenía que pasar directamente por el centro del reactor incandescente y, al mismo tiempo, con tal diseño, los motores también podrían funcionar utilizando solo combustible químico convencional. Además, el uso de un reactor más potente en comparación con los dos más pequeños ahorró peso, mientras que al mismo tiempo su ubicación entre los motores ayudó parcialmente a proteger la radiación peligrosa. Tal sistema de accionamiento fue designado XMA-1 (General Electric P144B). El prototipo inicial XMA-1A debía tener el mismo núcleo que el HTRE-3. Se diseñó un tipo XMA-1C mejorado para uso en serie. Antes de la cancelación del desarrollo, los diseñadores aún lograron construir y probar un sistema XMA-1, pero solo para combustible químico y sin reactor nuclear. Tanto el XNJ140 como el XMA-1 deben usar el mismo tipo de reactor. Para el bombardero operativo considerado, se consideró el uso de tres sistemas XNJ140 o dos XMA-1.
 
 

Los motores de bypass indirecto son muy similares a los anteriores con la única diferencia de que el aire no pasa directamente por el núcleo del reactor sino que se calienta en el intercambiador de calor. El medio de transferencia suele ser metal líquido o agua a alta presión. En el primer caso, el reactor tiene un núcleo sólido y alrededor de él fluye un medio térmico metálico. En el segundo, el combustible se mezcla con el refrigerante y se alcanza una cantidad crítica a medida que fluye por el núcleo del reactor. El desarrollo de estos motores estuvo a cargo de Pratt y Whitney, y la mayor parte del trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio CANEL (Laboratorio de Motores Nucleares de Aeronaves de Connecticut). El contrato oficial se adjudicó en 1953 y los trabajos en el segundo tipo duraron hasta junio de 1954. Posteriormente recibió una inversión de cuatro millones y realizó con éxito las pruebas en tierra de los sistemas en noviembre de 1954. Esta fue la primera extracción de energía de un reactor nuclear en un la temperatura que caía dentro de los límites para los motores a reacción. El medio de transferencia fue agua a 1500 grados Fahrenheit, mantenida en estado líquido a 5000 psi. El desarrollo se completó sobre la base de un análisis interno, que fue aceptado por la USAF, y desde entonces se ha completado todo el trabajo sobre el desarrollo del reactor de núcleo fijo. No se sabe mucho sobre el reactor en sí, tal vez solo que se llamó Pratt and Whitney NJ - 18A. En este punto se puede añadir que en USA claramente se prefiere el agua al metal líquido. El único reactor que usaba sodio líquido estaba ubicado en el submarino de ataque USS Seawolf, e incluso después de varios años de servicio y muchos problemas, fue reemplazado por un submarino de agua. En Pratt and Whitney, eligieron litio para enfriar el reactor, pero hasta octubre de 1958, cuando se detuvo todo el resto del trabajo, no pudieron construir un prototipo de motor funcional. El desarrollo de algunos subsistemas para uso civil continuó de forma limitada incluso después de la abolición de la ANP.

 

Douglas C-133 / X-211

En diciembre de 1957, los representantes de la USAF comenzaron a instar al Departamento de Defensa a liberar recursos adicionales para las pruebas de vuelo más tempranas posibles del sistema de propulsión XMA-1. Iba a integrarse en un avión existente, el primero en ser diseñado como cisterna KC-135, pero más tarde la atención se centró en el Douglas C-133. Durante las pruebas de vuelo, se debía alcanzar una velocidad de Mach de 0,62 a una altitud de 10.670 metros, mientras que solo el motor derecho de la pareja estaría siempre activado. Se le suministró aire a través de una entrada adicional detrás de la puerta de entrada de la tripulación. Se planificaron 75 vuelos en el primer año y alrededor de un centenar en el siguiente. Afortunadamente, la implementación práctica nunca se llevó a cabo. ¡Creo que para muchas personas sería literalmente una experiencia "inolvidable" ver un avión volando por encima y luego respirar el aire que proviene directamente del núcleo abierto del reactor!