เครื่องบินพลังงานนิวเคลียร์

จาก NEPA สู่ ANP

สหรัฐเริ่มแผนงานวิจัยเครื่องบินพลังงานนิวเคลียร์ในปี 1946 โดยให้บริษัท Fairchild Engine และ Airplane Corporation ศึกษาความเป็นไปได้ในการใช้พลังงานนิวเคลียร์ขับดันเครื่องบิน (nuclear energy for the propulsion of aircraft, NEPA) โดย Oak Ridge National Laboratory เป็นผู้ทำโครงการวิจัยเบื้องต้นและมีหน่วยงานวิจัยนิวเคลียร์หน่วยงานอื่นร่วมทำให้สมบูรณ์ ในปี 1948 คณะกรรมการพลังงานนิวเคลียร์ (Atomic Energy Commission) ได้ริเริ่มโครงการ โดยการแบ่งกลุ่มเพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการใช้พลังงานนิวเคลียร์เป็นกำลังขับดันเครื่องบินที่ (Massachusetts Institute of Technology MIT) การศึกษานี้อยู่ในรายงาน ที่ชื่อว่า Lexington Report ซึ่งมีข้อสรุปว่าการใช้พลังงานนิวเคลียร์เป็นกำลังขับดันมีความเป็นไปได้ และสามารถทำได้ภายในเวลา 15 ปี โดยใช้งบประมาณมากกว่า หนึ่งพันล้านเหรียญ

ในปี 1950 กลุ่มที่ทำการวิจัยแยกกันได้มารวมกัน ตามข้อเสนอของ Lexington group เพื่อให้โครงการมีความชัดเจนมากขึ้น เรียกว่า แผนงาน Aircraft Nuclear Propulsion (ANP) โครงการนี้มีวัตถุประสงค์ที่จะพัฒนาเพื่อให้ได้ข้อมูลเกี่ยวกับวัสดุนิวเคลียร์ที่ใช้กับเครื่องปฏิกรณ์และวัสดุป้องกันรังสี รวมทั้งการออกแบบก่อสร้างเครื่องบินและอุปกรณ์ขับดันให้ได้ในเวลา 3-5 ปี ในปี 1951 ได้เพิ่มการสาธิตการบินด้วยพลังงานนิวเคลียร์เข้าไปในเป้าหมายด้วย ตอนปลายทศวรรษ 1950 ลำดับความสำคัญและงบประมาณเริ่มลดลง การพัฒนายังคงมีอยู่แต่เริ่มช้าลงกว่าในช่วงต้นมาก

โครงการที่อยู่ภายใต้แผนงาน ANP หลายโครงการยังคงมีการพัฒนา รวมทั้งโครงการจรวดนิวเคลียร์ (Project Rover nuclear rocket) โครงการ Pluto nuclear ramjet และ Snap nuclear auxiliary power system programs แต่แผนงาน ANP ยังคงเน้นที่โครงการเครื่องบินพลังงานนิวเคลียร์ โดยมีการทำสัญญาในการทำวิจัยหลายโครงการ เช่น โครงการพัฒนาอากาศยาน โครงการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์และเครื่องยนต์ไอพ่น และโครงการผลิตฉนวนป้องกันรังสี

พัฒนาการของด้านตัวเครื่องบิน เริ่มจากการศึกษาความป็นไปได้ในการใช้เครื่องบินทิ้งระเบิดความเร็วเหนือเสียง (supersonic manned bomber) ซึ่งมีปัญหาทางเทคนิคและได้เปลี่ยนไปใช้เครื่องบินแบบ B-36 ความเร็วต่ำกว่าเสียงที่ขับดันด้วยพลังงานนิวเคลียร์ในการทดสอบแทน โดยทำสัญญากับบริษัท Convair Division of General Dynamics Corporation ในการปรับเปลี่ยนเครื่องบิน B-36 ภายใต้โครงการ X-6 ภายหลังเครื่องนี้ได้นำไปใช้ในการพัฒนาและทดสอบระบบการป้องกันรังสี หลังจากที่ยกเลิกโครงการ X-6 สัญญาฉบับที่ 2 ทำกับบริษัท Lockheed Aircraft Corporation ในการทดสอบความเป็นไปได้ของการใช้เครื่องบินท้งระเบิดพลังงานนิวเคลียร์ความเร็วเท่าเสียง ที่สามารถบินได้ที่ความสูงน้อยกว่า 5,000 ฟุต (1.5 กิโลเมตร)

รายงานการศึกษาของ Lockheed ได้ชี้ให้เห็นจุดสำคัญของการออกแบบเครื่องบินที่ใช้ระบบขับดันด้วยพลังงานนิวเคลียร์ว่า มีข้อควรระวังที่สำคัญ ข้อแรกคือ เครื่องปฏิกรณ์ในสมัยนั้นมีขนาดใหญ่มาก มีน้ำหนักเป็นหมื่นปอนด์ ซึ่งจะทำให้เครื่องบินมีน้ำหนักมาก เครื่องบินโดยทั่วไปจะบรรจุเชื้อเพลิงที่ปีกของเครื่อง ทำให้มีการกระจายน้ำหนักไปทั่วทั้งลำ ซึ่งจะทำไม่ได้ในเครื่องบินที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ ที่วางเครื่องปฏิกรณ์และฉนวนป้องกันรังสีไว้ใกล้กับเครื่องยนต์ นับเป็นจุดสำคัญที่ต้องพิจารณาในการออกแบบโครงสร้าง

ข้อสอง คือการลดความแรงรังสีจากเครื่องปฏิกรณ์ให้อยู่ในระดับที่กำหนด โดยการแบ่งฉนวนป้องกันรังสีออกเป็นส่วนๆ จัดทำเป็นแนวป้องกันรังสีรอบเครื่องปฏิกรณ์และรอบส่วนของลูกเรือ การลดขนาดและน้ำหนักของฉนวนป้องกันรังสี สามารถทำได้โดยการยอมให้มีรังสีสูงในบริเวณอื่นๆ หรือให้มีรังสีออกไปสู่สิ่งแวดล้อมได้

ข้อสาม เนื่องจากระบบขับดันด้วยพลังงานนิวเคลียร์นี้ จะนำไปใช้งานที่ไม่มีการจำกัดจำนวนเที่ยวบิน จึงมีการออกแบบขึ้นมาหลายแบบ โดยคำนวณการใช้งาน และหาทางลดน้ำหนักลงเพื่อลดการใช้เชื้อเพลิง

มีการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์และเครื่องยนต์ไอพ่นออกเป็น 2 แนวทาง คือการใช้ระบบแบบ direct-cycle และ indirect-cycle บริษัท Pratt & Whitney Aircraft Company ได้ทำสัญญาในการพัฒนาระบบ liquid-metal indirect cycle turbojet โดยใช้หลักการให้ความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กับโลหะเหลว และโลหะเหลวส่งต่อความร้อนให้กับอากาศที่ไหลผ่านเครื่องยนต์ของ turbojet กำลังขับจะขึ้นอยู่กับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์และระบบแลกเปลี่ยนความร้อน แต่สุดท้ายก็ไม่มีการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ขึ้นมาทดสอบงานวิจัยชิ้นนี้

โครงการ direct-cycle ซึ่งดำเนินการโดยบริษัท General Electric ประสบผลสำเร็จอย่างดี ในเครื่องยนต์ไอพ่นของระบบ direct cycle อากาศที่ออกจาก compressor ผ่านเครื่องยนต์ จะถูกทำให้ร้อนโดยตรงเมื่อเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์ แล้วย้อนกลับเข้าไปหมุนใบพัดของเครื่องยนต์ ในปี 1956 มีการทดสอบเครื่องยนต์ไอพ่น J-47 turbojet บนพื้นดิน ซึ่งทำงานโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เช่นเดียวกับการทดลอง Heat Transfer Reactor Experiment No. 1 (HTRE-1)

โครงการนี้ได้ทำการทดลองหนักมากขึ้นใน HTRE-2 และ HTRE-3 เพื่อให้สามารถใช้เครื่องยนต์ไอพ่นพลังงานนิวเคลียร์จากเครื่องปฏิกรณ์ได้ ในการทดลอง HTRE-3 มีการออกแบบให้เครื่องปฏิกรณ์ส่งกลังให้เครื่องยนต์ไอพ่น 2 เครื่อง และปรับขนาดให้พอดีกับตัวเครื่องบิน แต่ยังไม่มีการออกแบบให้ทำการทดสอบขณะทำการบิน

งานวิจัยเรื่องระบบป้องกันรังสี มีการทำทั้งภาคพื้นดินในการทดลอง HTRE และการทดลองบนเครื่อง Convair B-36 ที่ตัดช่วงมาจากโครงการ X-6 ในการทำวิจัยระบบป้องกันรังสี ใช้เครื่องปฏิกรณ์ขนาด 1 เมกะวัตต์ ที่มีน้ำหนัก 36,000 ปอนด์ (160.1 kN) ซึ่งมีขนาดพอดีกับตัวเครื่องบิน โครงการ ANP ประสบความสำเร็จในการทดลองบินทั้ง 47 เที่ยวบิน

การออกแบบเครื่องบินพลังงานนิวเคลียร์ในยุคต้น ระบบป้องกันรังสีมีน้ำหนักสูงมาก แต่เป้าหมายของโครงการ NEPA/ANP คือการสร้างเครื่องบินที่บินระดับต่ำ และมีความเร็วสูง ซึ่งต้องทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันเพิ่มมากขึ้น และทำให้ระดับรังสีจากเครื่องปฏิกรณ์สูงตามไปด้วย นอกจากนั้น เครื่องยนต์ไอพ่นในยุคนั้นยังมีประสิทธิภาพต่ำ เมื่อเทียบกับปัจจุบัน วัสดุที่ใช้ในเวลานั้น เป็นตัวจำกัดความร้อนที่ปล่อยออกมาจากเครื่องยนต์ แต่จากความพยายามอย่างยากลำบาก ก็ทำให้เกิดความคืบหน้า ผลการทดสอบทำให้เกือบไม่มีข้อสงสัยในการที่จะสร้างและส่งขึ้นบิน

จากสนธิสัญญาห้ามทดลองอาวุธนิวเคลียร์และปัญหาทางด้านเทคนิค ทำให้โครงการที่เสนอในปี 1950 มีการชะลอลง การสนับสนุนการสร้างเครื่องบินพลังงานนิวเคลียร์จึงลดลง จากการวิเคราะห์ผลตอบแทนในปี 1961 โครงการ ANP ก็ถูกล้มเลิกไปในที่สุด อุปสรรคทางด้านเทคนิคถือเป็นสิ่งสำคัญที่ทำลายโครงการวิจัยที่เกี่ยวกับเครื่องบินพลังงานนิวเคลียร์