Файл: Наумец С.М. Основы теории и устройства авиационных силовых установок конспект лекций.pdf

Достижение тяжелыми самолетами сверхзвуковых скоро­ стей полета требует весьма больших тяг и мощностей двига­ тельных установок. Нужны мощности порядка 150—200 тысяч и более лошадиных сил. Создание авиадвигателей такой мощ­ ности на химическом топливе сопряжено со значительными трудностями. В атомных силовых установках большие мощ­ ности получать принципиально легче, чем в обычных авиадви­ гателях.

Второй важной проблемой, которая заставляет использо­ вать атомную энергию в авиационных двигателях, являются чрезмерное расходование ресурсов нефти на земле и трудность снабжения авиации химическим топливом.

Современная реактивная авиация является одним из основ­ ных потребителей светлых продуктов перегонки нефти: кероси­ на и бензина лучших сортов. Интенсивное расходование нефтя­ ных ресурсов земли для сжигания в транспортных и энергети­ ческих силовых установках наука считает вынужденным и не совсем разумным делом. Нефть является ценнейшим органиче­ ским сырьем для различных отраслей промышленности: хими­ ческой, лакокрасочной и многих других, вплоть до пищевой.

Стоимость добычи, перегонки и транспортировки нефти, а также авиационных топлив, из нее полученных, сравнительно высока. Да и ресурсы нефти на земле не являются неисчерпа­ емыми. Статистика указывает, что при современном уровне потребления нефти на земле запасы ее могут иссякнуть через 185 лет, правда, в этом расчете не учитываются новые открытия запасов нефти в результате продолжающейся разведки недр

земли.

После всего сказанного, естественно, возникает вопрос о ресурсах ядерного горючего на земле.

Основным расщепляющимся материалом (ядерным горю­ чим) в настоящее время является уран.

Общие запасы энергии, содержащиеся в ядерных горючих, примерно в 22 раза превышают энергетические ресурсы всех органических топлив.

Кроме того, в перспективе можно ожидать значительного увеличения источников ядерной энергии за счет открытия но­ вых методов расщепления и синтеза ядер других химических элементов.

В настоящее время наукой уже открыта возможность раз­ вертывания экспериментальных работ по осуществлению управ­ ляемых термоядерных реакций с легкими элементами. Решение этой труднейшей задачи увеличит в сотни и тысячи раз энерге­ тические ресурсы человечества.

Проблема использования атомной энергии в авиационных двигателях оказалась одной из наиболее трудных для техниче­ ского осуществления. Эта проблем^ сложна прежде всего

119

потому, что самолет предъявляет самые жесткие требования к весу двигателя, к его мощности и безотказности в работе.

Составной частью всех атомных силовых установок являет­ ся реактор. В реакторах ядерная энергия освобождается в виде тепловой энергии, поэтому атомные двигатели могут быть теп­ ловыми двигателями, подобными обычным авиационным двига­ телям. Мы не будем рассматривать принцип работы ядерных реакторов, предназначенных для авиационных двигателей, так как он такой же, как и для стационарных силовых установок, а укажем лишь на особые требования, которые предъявляются к авиационным ядерным реакторам. Одна из возможных схем турбореактивного двигателя иа ядерном горючем показана на рис. 74.

Рис. 74. Схема атомного турбореактивного двигателя с вынесенным реактором

Сжатый компрессором воздух по специальным рукавам на­ правляется к реактору, который как бы заменяет камеру сго­ рания. Нагретый в реакторе воздух возвращается к турбинам. Пройдя через турбины, воздух с большой скоростью выбрасы­ вается через реактивное сопло.

В указанной схеме двигателя подвод воздуха к реактору по громоздким рукавам неизбежно затруднит расположение атом­ ной силовой установки на самолете. Для нагрева воздуха в реакторе требуется большая поверхность теплообмена: около 800—100 кв. м для самолета с полетным весом 100—120 т. Это приведет к большим размерам реактора, к увеличению его веса и, следовательно, к увеличению веса самолета и снижению скорости полета.

120

реактор и теплообменник специальным насосом 3. Нагревание воздуха производится в теплообменнике (роль камеры сгора­ ния выполняет теплообменник).

/

Рис. 75. Схема атомного турбореактивного двигателя с проме­ жуточным теплоносителем:

1 —реактор; 2—управляющий стержень; 3—насос для подачи жидкого металла; 4 -теплообменник

Аналогичное описанному устройство может иметь турбо­ винтовой двигатель на ядерном горючем.

Возможно большое разнообразие и других схем авиацион-1 ных ТРД на ядерном горючем, как, например, схем АТРД (атомного ТРД) с подогревом воздуха за турбиной, схем, использующих для привода турбины вспомогательные двигате­ ли, не использующие энергию воздуха, нагретого в теплообмен­

мости от полетного веса самолета и заданной скорости полета выгоднее окажется либо двигатель с нагревом воздуха в реак­ торе, дибо двигатель с нагревом воздуха в теплообменнике. Последний особенно выгоден па многомоторных самолетах, так как в этом случае возможна работа нескольких двигателей от одного реактора.

Во всех вариантах АТРД наибольшую трудность представ­ ляет создание приемлемого ядерного реактора. Эти трудности вытекают из следующих особенностей и требований, которые предъявляются к ядерным реакторам:

1. Для обеспечения полета атомного самолета с высокой скоростью авиационный ядерный реактор /должен развивать

121

очень большую мощность. Мощность ядерного реактора, как и всякого источника тепловой энергии, оценивается по количеству тепла, выделяющегося в единицу времени. Расчеты показы­ вают, что для обеспечения полета самолета весом в 150 т, обладающего хорошими аэродинамическими формами, на вы­ соте 11 км со скоростью звука мощность ядерного реактора должна составлять около 300 000 кет. Это в десять раз превос­ ходит мощность ядерного реактора первой советской атомной электростанции и примерно в два раза мощность реактора пер­ вого советского атомного ледокола. Для того, чтобы атомный самолет мог лететь на высоте 11 км со скоростью, превыша­ ющей в полтора раза скорость звука, мощность его реактора должна составлять примерно 900 000 кет.

2.Большие мощности авиационного ядерного реактора должны быть получены при возможно меньших его габаритах. Если габариты велики, то реактор трудно разместить на само­ лете. Кроме того, чем больше размеры реактора, тем больше вес оболочек и экранов, предохраняющих летный экипаж атом­ ного самолета от воздействия вредных излучений реактора Большой вес системы защиты от излучений является в настоя­ щее время одним из основных препятствий в деле создания атомного самолета.

3.Ядерный реактор для авиационной силовой установки

должен иметь возможно меньший вес. Это требование для атомного самолета приобретает особую силу. Объясняется это

его габариты и вес, обеспечивающие получение заданной мощ­ ности. Увеличение температуры приводит к увеличению коэф­ фициента полезного действия атомных двигателей.

5. Авиационный ядерный реактор должен обладать высокой надежностью в эксплуатации и нормально работать в любом положении его в пространстве.

Конструктивные особенности самолетов с АТРД

Конструктивные особенности атомного самолета определя­ ются наличием реактора, работа которого сопровождается излучением мощного потока гамма-лучей и нейтронов, и необ­ ходимостью защиты от этого излучения.

Безопасное расстояние от неокруженного защитой реактора равно 1—1,5 км. Так как самолет не может иметь такую длину, то необходим защитный экран.

Стационарные реакторы окружаются со всех сторон бетон­ ным экраном толщиной более двух метров. Стальной экран или

122 *

экран из некоторых тяжелых элементов, таких, как свинец, можно сделать тоньше, но вес их будет чрезвычайно большим. Расчеты показывают, что вес окружающего реактор экрана из известных в настоящее время материалов настолько велик, что самолет не сможет оторваться от земли. Поэтому наряду с поисками новых защитных материалов рассматривается воз­ можность отказа от сплошного экранирования реактора. Вы­ двигается идея так называемой теневой защиты, которая должна представлять собой экран, расположенный между реактором и кабиной. Вес теневой защиты оказывается прием­ лемым.

Можно создать такой самолет, атомный двигатель которого с реактором и защитой весит не больше, чем весил бы обычный двигатель с запасом топлива для него. Минимальный полетный вес самолета, для которого это условие выполняется, находит­ ся в пределах 90—100 т. При этом полезная нагрузка может составлять 5—10 т.

С увеличением веса самолета доля веса, приходящаяся на защиту, уменьшается.

Таким образом, создание самолетов с полетным весом более 100 т представляет собой более легкую задачу и может ока­ заться даже более рациональным решением проблемы, так как

щее время, вероятно, является единственно возможной.

Есть $ще одна важная проблема, связанная с применением атомных двигателей на самолетах, — это повышенные требова­ ния к аэродромам и особые условия обслуживания самолетов.

На современных реактивных самолетах запас топлива со­ ставляет почти половину взлетного веса самолета. В полете по мере расходования топлива вес самолета уменьшается и на посадке составляет немногим более половины взлетного.

Совсем иначе обстоит дело с самолетом, имеющим атомный двигатель. Ничтожный расход ядерного горючего не вызывает уменьшения веса самолета в полете. Это приводит к увеличе­ нию посадочной скорости самолета, а следовательно, к приме­ нению более прочных органов приземления, что может быть достигнуто только за счет увеличения их веса, и, наконец, по­ требует аэродромы больших размеров, чем для обычных само­ летов.

Наземное обслуживание самолета с атомным реактором, снабженным теневой защитой, имеет ту особенность, что исключается возможность пребывания людей рядом с самоле­ том. В этом случае реактор должен автоматически отцепляться от самолета и опускаться в глубокую шахту — только тогда

123