X-Planes / Dělníci kosmonautiky (1. díl)

Legenda. Tímto jediným slovem lze popsat hypersonický letoun X-15, který doslova otevřel a prošlapal cestu dalším programům, mířícím za hranice naší atmosféry. Na tomto letounu létali špičkoví zkušební piloti, kteří po překročení hranice se vzduchoprázdnem, sice na malý okamžik, získávali statut pilota-astronauta. Na letoun vzpomínají piloti s láskou, ale zároveň přiznávají, že létání s ním bylo pro namáhavé řízení a přetížení velkou dřinou a dle slov zkušebního pilota Milta Thompsona, to bylo jediné letadlo, u kterého byl rád, že zhasnul motor. Jeden z pilotů, který měl tu možnost sedlat tento stroj, byl i budoucí první člověk na Měsíci – Neil Armstrong.

X-15 1/4 Počátek

V polovině 40. let dvacátého století se výzkumníci začali zajímat o hypersonické rychlosti letů. V této době se jednalo spíše o teoretickou rovinu a vědci neměli k dispozici ani potřebnou techniku. Druhá světová válka ale změnila běh událostí a nyní se s nadějí začalo hledět k raketovým motorům, získaných v Německu po válce. I přes nové technologie se vědci domnívali, že takovýto let bude spíše doménou bezpilotních střel než pilotovaného stroje. Překlad technické zprávy německých vědců Eugena Sangera a Irene Bradt tento názor však úplně změnil. V této zprávě se uvádělo, že raketově poháněné hypersonické letadlo by bylo možné postavit i s tehdejší technologií. Z počátku nebyl až takový zájem ze strany civilního nebo vojenského sektoru o takovýto letoun, i když stále rostlo množství názorů podporující tento nový, neprobádaný směr. První vlaštovkou měnícího se názoru bylo usnesení NACA z roku 1952, kde se píše, aby byla zvýšena podpora programů bezpilotních a pilotovaných letů v horních vrstvách atmosféry, ve výškách mezi 22 km až 90 km, při rychlostech 4 až 10 Machů. Dalším krokem byl vznik skupiny zabývající se identifikací strukturálního ohřevu konstrukce, jako zásadního problému, který musí být vyřešen. Na samotný ohřev konstrukce bylo pohlíženo jako na jakousi bariéru trvalejšího hypersonického letu. V té době běžel i program vývoje ICBM (InterContinental Ballistic Missiles), u kterého bylo možné pohlížet na raketové motory, které by poskytly dostatečný tah pro dosažení hypersonické rychlosti. Byl to počátek zcela nové techniky, kterou do té doby nikdo nekonstruoval, a tak vznikalo stále více otázek okolo konstrukce. Roku 1954 proběhlo setkání výzkumných laboratoří pracujících pod NACA, na kterém se došlo k závěru, že bude třeba zcela nový stroj pro hypersonický let s posádkou a bylo doporučeno, aby se každé výzkumné středisko pod hlavičkou NACA vyjádřilo v podrobné zprávě k tomuto tématu. Nejhlouběji se touto problematikou zabývali ve výzkumném středisku v Langley, kde měli největší zkušenosti s hypersonickými studiemi. Právě v Langley byl v provozu, od roku 1947, 11 palcový větrný tunel, ve kterém se stanovovaly limity hypersonického letu a zkoumal fenomén tepelné bariéry.

U tepelné bariéry se krátce zastavíme. Jedná se o oblast mezi supersonickou a hypersonickou rychlostí, ve které se začínají nepříznivě projevovat vlivy aerodynamického ohřevu. Během obtékání letounu dochází v určitých místech ke zbrzdění proudu vzduchu až na nulovou hodnotu a tím se pohybová energie přemění na tepelnou energii. Jedná se tedy o aerodynamický ohřev. Letoun X-15 bude muset však, kromě aerodynamického ohřevu odolat i ohřevu konstrukce během návratu do atmosféry po výškovém skoku za hranice atmosféry.

V Langley se nezabývali pouze hlubší studií nového letounu. Paralelně s touto studií se věnovali i materiálové části nové konstrukce. Výsledkem studie z Langley byl koncept letounu pro hypersonický let, u kterého byly zahrnuty i výhody vypouštění letounu za letu z podvěsu nosného letounu, jako to bylo například u X-1, který ukázal vhodnost tohoto řešení. V roce 1954 byla aerodynamika hypersonických rychlostí v plenkách a omezený počet větrných tunelů byl určen především pro studie mechaniky kapalin, navíc nebyly schopny simulovat prostředí s vysokými teplotami při obtékání či vysoké R číslo. Výsledkům z těchto tunelů nebylo plně důvěřováno, a tak získal budoucí letoun nelehkou úlohu jakéhosi mostu mezi laboratoří a skutečným letovým prostředím.

V Langley navrhly dva typy letových profilů pro zkušební lety. První zahrnoval konstantní výšku s různými úhly náběhu, manévrovací lety pro výzkum aerodynamiky a termodynamiky. Druhá varianta ovšem zahrnovala výzkum řízeného letu nad hranice atmosféry pomocí dlouhého skoku, a právě druhá varianta letového profilu byla vnímána velmi kontroverzně. Z jiného úhlu pohledu, šlo hlavně o návratový manévr, který byl vnímán jako hlavní problém řízeného letu z hlediska pilotáže a ohřevu konstrukce. Každá nová odpověď přinášela množství dalších a složitých otázek. Bylo nutné přemýšlet i nad stavem beztíže, který nastane při druhém letovém profilu, nad vlivem beztíže na práci pilota a v neposlední řadě nad řízením letounu v prostředí, kde tradiční aerodynamické řídící plochy již nefungují. Zmínil jsem jistou kontroverzi druhého letového profilu, který vycházel především z názoru, že řízené lety do vesmíru jsou vlastně písní budoucnosti, a to až minimálně v 21. století a tím pádem, by měl být takovýto nápad vyškrtnut z programu.

Jeden z problémů, který bylo třeba řešit, než se letoun dostane do stavu beztíže, byl problém letové nestability při určitých rychlostech, se kterým se už setkali piloti letounů X-1 a X-2 při nižších rychlostech, než jaké se plánovali u X-15. V Langley provedli několik měření v tunelech na základě dat dostupných právě z předchozích programů X a došli k závěru, že bude nutné použít pro nový letoun velký vertikální stabilizátor s jiným profilem, místo do té doby používaných užších profilů. Charles H. McLellan, vedoucí výzkumné skupiny v Langley, navrhl se svým týmem, řešení v podobě stabilizátoru s tvarem klínu o 10°, který byl posléze doplněn o varianty s proměnným nastavením, podobné jako měnitelná geometrie křídel, pro obnovu řiditelnosti při vysokých hodnotách rychlosti – tedy stranové stability. Do stabilizátoru byly zabudovány i aerodynamické brzdy na odtokové straně pevné části stabilizátoru. Toto řešení vzdušných brzd může čtenář znát z dob raketoplánů, kde systém vycházel právě z poznatků letounu X-15.

Problémů hypersonické konstrukce není málo. Kromě aerodynamické řiditelnosti bylo velmi důležité řešit i ohřev celé konstrukce, který nebyl nezanedbatelný. Ze studií vyplývalo, že letoun na své spodní části náběžné hrany křídla bude muset snášet teploty okolo 1093 °C, což vyústilo ve dvě varianty konstrukce. První z nich navrhovala konstrukci z klasického lehkého kovu, běžně používaném v letectví, s použitím tepelné izolační vrstvy nebo druhá varianta s použitím teplotně odolného materiálu v celé konstrukci, který zvládne přenos teplot v konstrukci. Roku 1954 byl v letectví ale dostupný materiál, pro teploty do 650 °C, což bylo hluboko pod požadovaným limitem 1093 °C. Myšlenky chlazené konstrukce či tepelné absorpce do konstrukce však přinášely jeden, v letectví zásadní, problém v podobě neúměrného zvýšení hmotnosti letounu. Řešením celého problému se ukázala být slitina kovu Inconel X, která poskytovala požadovanou tepelnou odolnost a po detailní termální a zátěžové analýze se ukázalo, že by měla stačit síla potahu letounu v rozmezí 1,27mm až 2,54 mm pro absorpci tepla. Termální analýza letounu také ukázala velké tepelné rozdíly mezi spodní a horní částí křídla, což bylo řešeno dělenou náběžnou hranou na segmenty. Po prvním letu musely být na dělenou náběžnou hranu, mezi spoje segmentů, přidány smykové dilatační spoje – spony, protože došlo k tepelné deformaci přilehlého potahu na odtokové straně této štěrbiny, která sama o sobě zajišťovala jistou volnost při tepelné deformaci a distribuci tepla dál. Díky segmentové náběžné hraně se podařilo odstranit i tepelnou destabilizaci konstrukce za náběžnou hranou, která snižovala torzní tuhost, protože ohřev náběžné hrany byl mnohem rychlejší, než ohřev ploch za náběžnou hranou a to způsobovalo právě snížení tuhosti sekce.

Celková studie přiměla NACA přijmout stanovisko, že je možné postavit letoun, který dokáže letět hypersonickou rychlostí. Na základě výsledků z Langley poslal Dr. Hugh L. Dryden, v červnu 1954, dopis generál-poručíkovi Donaldu Puttovi, ve kterém píše o zájmu NACA o nový hypersonický letoun pro dosažení oblastí rychlostí a výšek, do té doby nedostupných, a doporučuje, aby proběhla setkání zástupců NACA s USAF a SAB (Scientific Advisory Board), ke kterému generál Putt přizval i zástupce námořnictva. Při společné schůzce vyšlo najevo, že všechny přizvané organizace už v té době nezávisle pracovaly na svých vlastních studiích k podobnému letounu, ale nebyly s výsledky tak daleko jako vědci z Langley. V podstatě jedinou věcí, která byla ve zprávě Langley označena jako nedostatek, byla pohonná jednotka, raketový motor General Electric A3 Hermes, označená jako nevhodná pro uvažovaný letoun. Podle laboratoře pohonných jednotek – Wright Air Development Center (WADC), nebyl motor navržen pro takovýto provoz, myšleno řízeného letounu, ale spíše pro střely. Dalším sporným bodem byla absence regulace tahu. Motor Hermes nebyl ani uvažován pro vícenásobné použití, díky použití ve střelách, a tak ani nebyl na tuto možnost testován. Nicméně tento nedostatek nenarušoval myšlenku studie o proveditelnosti projektu. ARDC (Air Research Development Centre) odsouhlasil návrh NACA 13. září 1954 a měl být zahájen projekt dle podkladů NACA, ale co bylo důležité, že i přes společný projekt NACA, USAF a NAVY byl letoun od začátku považován čistě za výzkumný, bez jakéhokoliv plánu použít letoun jako zbraňový systém. Z kraje listopadu roku 1954 pak bylo podepsáno memorandum mezi všemi začleněnými subjekty do projektu, aby mohlo začít společné financování. V memorandu byly i přesně určeny sféry odpovědnosti a dohledu za jednotlivé fáze projektu mezi jednotlivé členy a stejně tak bylo jasně rozděleno i financovaní mezi jednotlivé členy s podmínkou, že každý člen bude mít svého pilota v programu. Celý projekt byl v memorandu označen jako „Objekt národního významu“. Formálně byl USAF Project 1226 označen jako X-15 17. ledna 1955. Po podpisu memoranda došlo k rozeslání dopisů s výzvou pro letecké výrobce, aby předložili své návrhy na základě předložených parametrů od NACA. Soutěže se už zpočátku odmítly některé společnosti zúčastnit, např. Lockheed a Martin Marrieta, a jiné společnosti odstoupily v průběhu jednání, což bylo způsobeno především stálým upřesňováním dat k požadovanému projektu ze strany zadavatele, a nakonec zůstaly pouze společnosti Bell, North American, Douglas a Republic.

Zůstávala však ještě jedna nedořešená otázka, velmi podstatná, a to výběr motoru. Laboratoř pohonných jednotek WADC vydala seznam s možnými, použitelnými, motory pro letoun, který zahrnoval: Aerojet XLR73, XLR81, NA5400, XLR-10 (včetně variant až po XLR-30) a XLR8 s XLR11. Kontraktorům byla ponechána jistá volnost, co se týče motoru a bylo možné prezentovat, třeba i společně s výrobcem motoru, jiný vhodný typ motoru, který nebyl uveden v seznamu, ale splňoval zadané požadavky. Tato jistá volnost byla způsobena jistou obavou, že po vydání seznamu použitelných pohonných jednotek se okamžitě začnou ozývat další výrobci, protestující proti vyloučení jejich motorů.

Návrhy výrobců obdrželo USAF 9. května 1955 a mohlo se tím pádem rozběhnout kolečko posuzování návrhů jednotlivých výrobců napříč všemi odděleními NACA, USAF a NAVY. V případě NACA prošly návrhy jednotlivými výzkumnými středisky, která se samostatně vyjádřily k návrhům a sestavily žebříček ohodnocení od nejlepšího. Například střediska v Ames a v Langley se vyjádřily pro návrh North American a konečný verdikt za NACA byl tedy North American. Za US NAVY byl vybrán jako nejlepší koncept návrh od Douglase. Následovala schůzka USAF, NACA a NAVY, aby bylo rozhodnuto o vítězném návrhu, kde USAF a NACA prezentovala jako svou volbu North American, se kterým nesouhlasilo námořnictvo, ale jelikož nechtěli blokovat celkové rozhodnutí, odstoupilo od blokování hlasování a vítězem se stala tak společnost North American. Zajímavostí je, že se North Amercan stal vítězem i přes fakt, že jejich návrh značně překračoval původní rozpočet. Například nejlevnější nabídka od Bell byla za 36,3 milionu dolarů a nejdražší nabídka, tedy od North American, byla na 56,1 milionech dolarů. Nutno však dodat, že technický návrh NAA byl nejbližší k představě o novém hypersonickém letounu.

Samo udělení zakázky na vývoj a dodání experimentálního letounu se v případě NAA stalo ještě poněkud pikantní, když bylo USAF, 30. srpna, podána oficiální žádost o odstoupení z kontraktu! Vice prezident NAA, Raymond H. Rice sdělil zástupcům USAF, že díky vítězstvím v dalších tendrech pro vývoj nového bombardéru a dálkového stíhacího letounu spolu se zvýšením úsilí ve vlastním vývoji na letounu F-107, a tím pádem nemá dostatek kapacit, aby ihned započal projekt X-15. Byla to nečekaná zpráva, NAA měla tolik práce najednou, že už neměla kapacity na další zakázku a nabízela dvě možnosti řešení. První z nich bylo přepracování harmonogramu inženýrsko-vývojových  prací, ale to přinášelo posun programu o osm měsíců! V druhém řešení byla možnost bezplatného odevzdání údajů o návrhu do rukou USAF. Dne 12. srpna byla schválena první možnost, tedy prodloužení harmonogramu a tím bylo i umožněno NAA stáhnout svůj dopis o odstoupení z kontraktu. Do 11. listopadu pak NAA zredukovala původní rozpočet z 56 milionů na 45 milionů dolarů.

Finální kontrakt byl podepsán 11. června 1956. V rámci kontraktu měly být dodány tři letouny X-15, provedena přestavba bombardéru B-36 na letový nosič, postavena maketa, vyvinut simulátor, dodán model pro měření v aerodynamickém tunelu a kompletní pozemní obsluha. Datum dodání prvního kusu X-15 bylo stanoveno na 31. října 1958.

(pokračování příště…)

EDIT 20. června 7:51
Přidávám pomůcku pro převod mezi stupnicemi °F a °C po nahlášení chyby čtenářem.

Zdroje informací:
https://history.nasa.gov/
https://history.nasa.gov/
https://www.key.aero/
Monografie Hypersonic Before the Shuttle, Dennis R.Jenkins, rok vydání 2000, NASA Publication
X-15 Research at the edge of space, NASA, rok vydání 1964

Zdroje obrázků:
http://www.fiddlersgreen.net…/North-American-X15/IMAGES/North-American-X15-B52.jpg
https://history.nasa.gov/x15conf/icon-5.jpg
https://history.nasa.gov/x15lect/i-7.jpg
https://history.nasa.gov/x15lect/i-8.jpg
https://vintagespace.files.wordpress.com/2011/08/e616586.jpg
https://images.fineartamerica.com/…-large-5/x-15-aircraft-model-in-wind-tunnel-nasa.jpg
http://3.bp.blogspot.com/…/AAAAAAAAGns/5Xi4nFHrKY0/s1600/XLR-11+2.jpg