Как и многие другие атомные разработки СССР, проект атомного самолета инициировали военные. Доставка ядерного боеприпаса на территорию вероятного противника была возможна тремя путями: морем, воздухом или через космос, и ученые советского атомного проекта активно работали по всем трем направлениям. В качестве «воздушного» пути рассматривались два варианта: беспилотная крылатая атомная ракета и пилотируемый атомный самолет. Начальные прикидки показали техническую возможность создания воздушных летательных аппаратов с практически неограниченной дальностью и временем полета, так что на первом этапе оба проекта представлялись весьма перспективными.
Еще в начале 1952 года в секторе № 6 Лаборатории № 2 были проведены первые оценки возможности создания тяжелого самолета с атомным реактором в качестве двигательной установки. Исходя из них, А.П. Александров, заместитель директора Лаборатории № 2 АН СССР по научной части, научный руководитель работ «самолетной» тематики, в июне того же года формулирует критическую проблему атомного летательного аппарата – создание реактора воздушного охлаждения с максимально возможной температурой выходящего газа (порядка 1000 град. Цельсия).
В 1954 году к задаче создания реактора для атомного самолета подключились ученые лаборатории «В» (ФЭИ), которые изучали возможность использования в качестве авиационной ядерной силовой установки (АЯСУ) реактора с жидкометаллическим теплоносителем (натрий, литий) в реакторном контуре. Научный отчет по проблеме за подписью А.И. Лейпунского был направлен в авиационные КБ. Последующие исследования, выполненные ФЭИ совместно с Центральным институтом авиационного моторостроения (ЦИАМ) показали принципиальную возможность создания АЯСУ замкнутой схемы для самолета с турбовинтовым или турбореактивным двигателем (турбореактивный двигатель с атомным реактором по конструкции похож на обычный турбореактивный двигатель, только если в последнем тяга создается расширяющимися при сгорании керосина раскаленными газами, то в первом воздух нагревается атомным реактором).
Изначально рассматривались две схемы использования ядерного двигателя: открытого и закрытого типа. В первой рабочее тело (воздух) подаётся напрямую в реактор, что позволяет получить максимальную мощность двигателя, но сопровождается сильным радиационным загрязнением воздуха. В силовой установке закрытого типа воздух нагревается не в первом контуре реактора, а в теплообменнике, что существенно снижает и уровень загрязнения окружающей среды, и мощность двигателя.
На пути разработчиков возникла трудноустранимая преграда – радиация. А.И. Лейпунский констатирует, что при весе силовой атомной установки в 50-60 тонн на биологическую защиту придется две трети веса. При этом разработчики исходили из допустимой дозы облучения пилотов в 50 бэр, при том, что допустимая годовая доза облучения персонала АЭС в нормальных условиях составляла 5 бэр.
Получалось, что критическим узлом атомного самолета является радиационная защита, и её создание фактически определяло «быть или не быть» летающему реактору. В секторе № 6 Лаборатории № 2 приступили к созданию горячего нейтронно-физического стенда ФР-100 для изучения характеристик авиационного уран-бериллиевого реактора, введенного в строй в 1957 году.
Расчеты показывали, что полную круговую защиту реактора обеспечить невозможно, поэтому разработчики пошли по пути создания профилированной защиты реактора и экипажа. Путем теоретических и экспериментальных исследований на стендах Лаборатории № 2 и на первом в СССР исследовательском водо-водяном реакторе ВВР-2 были подобраны новые материалы, поглощающие нейтронное и гамма-излучение, такие как полиэтилен и церезин с присадкой карбида бора, определено оптимальное размещение защиты на самолете, началось изучение физики рассеяния излучения в воздухе и деталями конструкции аппарата и влияние радиации на работу авиационных приборов.
12 августа 1955 года вышло Постановление Совета Министров СССР, по которому к атомной авиационной тематике подключались некоторые предприятия авиационной промышленности, и первым из них стало ОКБ-23 под руководством В.М. Мясищева, занимавшееся в то время разработкой сверхзвукового межконтинентального бомбардировщика М-50. К проекту подключилось и «двигательное» ОКБ под руководством Н.Д. Кузнецова, занимавшееся в то время разработкой реактивных двигателей различного назначения – на него возлагались работы по ядерной силовой установке закрытого типа.
В июле 1956 года предварительный проект бомбардировщика был закончен и получил индекс М-60. Четыре атомных турбореактивных двигателя с реактором открытого типа планировалось разместить в хвостовой части фюзеляжа, а пилотов – в глухой свинцовой капсуле. Отсутствие визуального обзора летчиков компенсировали оптический перископ, телевизионные и радиолокационные экраны.
Расчеты показали, что для достижения требуемой тяги двигателя тепловая мощность реактора должна составлять не менее 40 МВт. Предполагалось, что из-за сильного излучения силовые установки будут крепиться к самолету непосредственно перед полетом и без участия людей. Из-за многочисленных технических сложностей от проекта М-60 пришлось отказаться, и в дальнейшем разработчики ориентировались только на ядерные установки закрытого типа.
Следующий проект атомного самолета с ядерной установкой закрытого типа с жидкометаллическим теплоносителем в ОКБ-23 получил индекс М-30. Конструкция реактора стала сложнее, зато вес биологической защиты экипажа и двигателей оказался почти вдвое меньше, чем у М-60. Первый полет самолета был запланирован на 1966 год, однако дальше чертежей дело так и не пошло.
Параллельно с ОКБ-23 проектированием атомного самолета занималось и ОКБ А.Н. Туполева, создавшее к тому времени Ту-95 – турбовинтовой стратегический бомбардировщик-ракетоносец. Задача, стоящая перед «туполевцами», была проще – во-первых, Ту-95 был хоть и сверхскоростным, но дозвуковым самолетом, а во-вторых, им предстояло «вписать» атомный реактор в уже готовый летающий аппарат.
Ускорение работам по созданию атомного самолета придало переданное разведкой сообщение, что в США начались испытания самолета NB-36H (бомбардировщик В-36) с атомным реактором на борту. И.В. Курчатов и А.П. Александров на срочно созванном совещании пришли к выводу, что речь идет об обычном самолете, на котором реактор установлен для изучения проблем радиационной защиты. Руководство страны немедленно дало добро на создание аналогичной лаборатории, и в марте 1956 года Совет министров СССР поручает Туполеву начать проектирование летающей атомной лаборатории на базе серийного Ту-95М. Ответственным за проект от Института атомной энергии (Лаборатория № 2) назначили сектор № 6, возглавляемый В.И. Меркиным.
«Вписыванием» исследовательского атомного реактора мощностью 100 кВт в фюзеляж занимались конструктора А.Н. Туполева. Борьба шла за каждый грамм веса, за каждый сантиметр габарита, и за предложения по их уменьшению выплачивались денежные премии. Вообще деньги на проект атомного самолета выдавались без ограничений. В конце концов, инженеры решили проблему – реактор вошел в заданные габариты. Будущий опытный атомный ракетоносец получил индекс Ту-95ЛАЛ, что расшифровывалось как «летающая атомная лаборатория» (неофициально – «Ласточка»).
Для наземных испытаний на аэродроме под Семипалатинском в 1958 году построили стенд с атомной установкой, расположив её в вырезанной средней части корпуса самолета. Посёлок, в котором жили экспериментаторы, конструкторы, технический персонал стенда, находился на полпути между Семипалатинском и Курчатовском, поэтому в обиходе все называли его «Половинкой». Стенд нужен был для проведения дозиметрических исследований в реальной конфигурации самолёта Ту-95М, а также для оценки работоспособности авиационных изделий в реальных условиях. На стенде исследовали радиотехническую бортовую аппаратуру и электротехнические агрегаты, оценивали величину радиоактивности, вызванной воздействием нейтронов, а также её спад во времени. Эти данные были очень важны с точки зрения эксплуатации и послеполётного обслуживания самолёта. В ходе физического пуска летом 1959 года реактор вышел на проектный уровень мощности.
Теперь Ту-95ЛАЛ предстояли летные испытания. Реактор и его системы размещались на специальной платформе, которая при помощи лебедок поднималась внутрь фюзеляжа через специальный люк и закреплялась на замках. Поскольку реактор должен была периодически подвергаться осмотру, платформа могла свободно опускаться на землю.
Для защиты от радиации экипажа между носовой и средней частью корпуса самолета устанавливалась перегородка, изготовленная из свинцовых плит толщиной 5 сантиметров и 20-сантиметрового слоя из полиэтилена и органического церезина с присадкой карбида бора. Конструктора проектировали защиту из блочков с перекрытием, чтобы не допускать сквозных каналов и возможности прострела излучения. В мае 1961 года Ту-95М № 7800408 впервые поднялся в небо. Он нес небольшой исследовательский водо-водяной атомный реактор номинальной тепловой мощностью 100 кВт, который не был подсоединен к моторам (самолет летел на четырех турбовинтовых двигателях), а предназначался только для исследования поведения техники в условиях реального излучения и уровня облучения пилотов. В ходе испытаний также проверялась работа реактора в условиях полета, воздействие на него перегрузки и вибрации.
В качестве теплоносителя и замедлителя нейтронов в реакторе использовалась дистиллированная вода. Вода первого контура циркуляции, нагреваясь в активной зоне реактора, через промежуточный теплообменник отдавала тепло воде второго контура. Вода второго циркуляционного контура охлаждалась в водо-воздушном радиаторе, который продувался в полете потоком воздуха через большой воздухозаборник, расположенный под фюзеляжем. Реактор, окруженный защитной оболочкой, состоявшей из свинца и комбинированных материалов, по габаритам немного выходил за обводы фюзеляжа самолета и прикрывался металлическими обтекателями сверху, снизу и по бокам.
Основой активной зоны реактора стали керамические тепловыделяющие элементы в форме шестигранных трубок в оболочке из алюминия, ранее разработанные для крылатой атомной ракеты. Их производство уже было налажено на Ульбинском металлургическом заводе в Усть-Каменогорске.
Управление экспериментальным оборудованием было полностью ручным.
Выяснилось, что в течение двухдневного полета пилоты получали облучение в 5 бэр, поэтому было принято решение, что в экипаж атомолетов будут входить мужчины старше 40 лет, у которых уже есть дети. Кроме того, корпус самолета после полета сильно «фонил», и уровень радиации снижался до допустимого уровня только через несколько дней. Активации подвергался и кислород, которым экипаж дышал во время высотного полёта, – в нём нашли молекулы озона.
Всего с мая по август 1961 года бомбардировщик совершил 34 испытательных полета, как с «холодным», так и с работающим реактором.
Но в дальнейшем работы по атомному самолету было прекращены. Главных причин было две. Во-первых, не было найдено решение проблемы радиационной безопасности при возможной аварии атомолета и последующего заражения больших пространств высокоактивными радиоизотопами. Например, предлагалось оснастить реакторный блок парашютной системой, способной в экстренном случае отделить ядерную установку от корпуса самолета и мягко ее приземлить, что все равно не давало полной гарантии. Во-вторых, оценочные затраты на создание самолета с атомной установкой составили 1 млрд рублей, что для руководства СССР, не жалевшего денег на оборонку, показалось чрезмерным.
Последним рывком к атомному самолету стала попытка создания сверхдальнего самолета противолодочной обороны на базе Ан-22 «Антей» с четырьмя атомными турбовинтовыми двигателями НК-14А, завершившаяся в 1972 году.
