X-Planes / Dělníci kosmonautiky (9.díl)

V roce 1963 ukončil ministr obrany Robert McNamara program X-20 Dyna Soar a upřednostnil projekt MOL. Výzkum vztlakových hypersonických těles s možností operovat za hranicí zemské atmosféry přinášel mnoho technických otázek, které bylo třeba vyřešit. I při znalosti vlivu tzv. „tupého tvaru“ návratového tělesa na tepelné namáhání stroje bylo třeba provést i praktické zkoušky. Zkoušky se netýkaly jen samotného tvaru tělesa, ale i materiálů, které budou schopny odolat vysokým teplotám během návratu do atmosféry, mechaniky letu a navádění. Odpovědí na tyto otázky se staly projekty 1366 (Aerodynamics and Flight Mechanics) a 1368 (Structural Configuration Concepts for Aerospace Vehicles). Oba tyto projekty byly součástí programu 750A (Mechanics of Flight) v rámci Applied Research Program. Jednalo se tedy o zkušební stroje, které se vydají za hranice atmosféry a poté se vrátí, aby prokázaly vědecká měření nebo poukázaly na nové problémy. Právě tyto stroje měly přinášet užitečné informace už pro program X-20 a i když ten byl zrušen, jejich práce neskončila.

ASSET 1/3

Počátek projektu ASSET se datuje do roku 1959, jako součást tzv. x-plánů. Takovéto stroje nastupují svou službu ve chvíli, kdy již není možné ověřit všechny parametry nových studií díky nedostatečnému pozemnímu testovacímu zařízení. V takových případech přichází na řadu stroje X, které získají potřebná data provedením zkušebních letů. Výhodou těchto experimentálních letů je i to, že mohou upozornit na problémy, které nebylo možné odhalit pozemním měřením a testováním. Aerothermodynamic Elastic Structural Systems Environmental Tests nebo-li ASSET byl projekt, který měl zodpovědět otázky okolo návratu vztlakového tělesa zpět do zemské atmosféry. Myšlenka projektu ASSET přišla z FDL (Flight Dynamics Laboratory), sídlící na Wright-Pattersonově letecké základně v Ohio. Tato laboratoř spadala přímo pod WADC (Wright Air Development Center) a tím pádem byla součástí struktury USAF. Už samotný název laboratoře napovídá o jejím účelu v rámci struktury WADC. FDL se zabývala teorií návratu vztlakových těles, která budou opět použitelná pro další let. Mohu zmínit, že další z projektů, kterými se FDL zabývala a realizovala, byl například kluzák SV-5D Prime nebo-li X-23 a následník X-24. Jak jsem v úvodu zmínil, projekt ASSET sestával ze dvou částí, kde každá část měla určen specifický zájem výzkumu. První část byl tzv. ASV (Aerothermodynamic Structural Vehicle), který měl za úkol zkoušky materiálu použitého na tepelnou ochranu během návratu do atmosféry. Přesněji řečeno měl ASV za úkol určení povrchové teploty draku, tepelného toku a rozložení tlaku při hypersonickém letu.

Druhá část byl tzv. AEV (Aerothermoelastic Vehicle) určený pro průzkum charakteristiky flutteru (chvění) na náběžné straně a oscilačních tlaků na klapce, která byla součástí tvaru trupu. Pro lepší představu připomenu raketoplán, který právě využíval řídící aerodynamickou klapku, tzv. Body flap. Program ASSET měl začít roku 1959, ale tento první pokus nevyšel. Důvodem bylo, že v prvních plánech bylo počítáno s využitím rakety Scout, jako nosiče, ale problém byla kompatibilita s dalšími nosiči, které byly plánované jako další stupně nosného systému. Druhý pokus z roku 1960 byl už úspěšnější a program s opravdu dlouhým názvem se rozběhl. Vývoj použitého nosiče měl poměrně zajímavý průběh, když roku 1961 plánovači projektu udělali průzkum mezi nosiči dostupnými v té době. Zjistili, že kromě uvažované rakety Scout přichází v úvahu i výkonnější nosič Thor od firmy Douglas a Thor-Delta. V té době navíc docházelo k návratu raket Thor (IRBM – Intermediate Range Ballistic Missiles) z Velké Británie, kde sloužily jako „nukleární hlídka“. Právě parametry rakety a kompatibilita s možnými dalšími stupni rakety předurčila Thor, jako hlavní nosič pro ASSET.

Základní konfigurace ASSET byla delta křídlo o šípovitosti 70° s vysoce zaoblenými náběžnými hranami. Náběžná strana trupu posazeného na delta křídlo byla plochá a měla 10-stupňový sklon zhruba ve dvou třetinách délky trupu. Základní tvar se tedy podobal Dyna Soar, ale nutno dodat, že účelem ASSET nebyla primárně podpora vývoje Dyna Soar, který v té době ještě probíhal a tvary obou strojů nebyly úplně identické. FDL použila tvar podobný Dyna Soar, protože to byl cíl zájmu a podobnost s Dyna Soar napomáhala  schválení projektu. Navíc výsledky ASSETu byly využitelné i pro X-20. ASSET navíc pokračoval i po zrušení Dyna Soar, což korespondovalo se snahou USAF pokračovat dál ve vývoji tzv. lifting bodies. Původní plán FDL počítal se sedmi kusy, ale nakonec došlo k ustálení na šesti kusech. Celkový počet zahrnoval obě varianty stroje, tedy AEV a ASV, přičemž AEV měl být vyroben ve dvou kusech a ASV ve zbývajících čtyřech exemplářích. Kontrakt na stavbu strojů ASSET získala firma McDonnel Aircraft Co. a kontrakt na dodávku modifikovaného naváděcího systému pro ASSET firma Honeywell Co.

V roce 1962 došlo ke schválení změny nosné rakety z první uvažované varianty Scout na Thor. Pro vynášení ASV i AEV byly přitom použity rakety Thor, ale i upravená modifikace Thor/Delta. Thor/Delta byla upravená varianta rakety, kde DSV-2F/Delta představovala druhý stupeň, který vynášel stroje ASV. Kontrakt na úpravu nosné rakety, získala společnost Douglas. Zde si dovolím jen upřesnit, že firmy McDonnel a Douglas se spojily do jedné společnosti v roce 1967, od té doby byla známa jako McDonnel Douglas.  Tým FDL, který měl na starosti ASSET doufal, že bude v první fázi použita raketa Scout, která slibovala první let dříve než Thor. To se však nestalo a první let systému se uskutečnil o celých devět měsíců později. Na celém projektu se kromě FDL podílely i další organizace v rámci USAF. Pro příklad uvedu divizi SSD (Space System Divison), která poskytla zázemí pro provoz ASSET prostřednictvím Atlantic Missile Range na Cape Canaveral. Dále byla využita jednotka 6555th Aerospace Test Wing na základně Patrick Air Force Base,  kde také probíhaly starty programu z rampy LC-17. Tato rampa byla právě určena pro starty raket Thor a posléze Delta. Další z organizací zapojených do programu byla i AFMTC (Air Force Missile Test Center), která zajišťovala telemetrii, tedy řídící středisko pro lety. Organizace AFMTC spadala přímo pod divizi USAF Air Research and Development Command (ARDC).

Samotný program si stanovoval tři základní body výzkumu:

1. Hodnocení konceptů strukturální konfigurace a poskytnutí informací o konstrukčním návrhu v letovém hypersonickém prostředí, které by mohly být použity pro návrh stroje/letounu použitelného pro vojenské účely
2. Poskytnout průřez dat o flutteru a údaje o oscilačním tlaku na odtokové hraně v hypersonickém prostředí, která poslouží pro koordinaci s teorií
3. Prozkoumat aerodynamické a aerotermodynamické jevy a vyhodnotit výkonnostní parametry pro vojenské návratové systémy při nízké hustotě okolního prostředí

U prvního bodu se jednalo o postupnou evoluci, která začala už u letounu X-2 a následně pokračovala přes X-15. Každý z těchto letounů používal jiný konstrukční materiál a řešení v závislosti na dosahovaných výkonech a především tepelném namáhání. Druhý bod řešil dlouhodobý problém hypersonické aeroelasticity, flutter, který se projevoval už u X-15 při rychlosti nad M=2,4 a musel být řešen zesílením konstrukce v dané části. Při hypersonických rychlostech dochází ke zvyšování teploty celé konstrukce, což výrazně přispívá ke snížení strukturální tuhosti konstrukce a tím zvyšuje náchylnost na tento jev. Během vývoje X-20 bylo v jeho konstrukci vnějšího pláště okolo 80% paneláže řešeno tak, aby dokázala překonat právě flutter.  Pochopení rozložení tlaků na trupu a určení oscilací na řídících plochách byl také jeden ze stěžejních bodů programu už kvůli tomu, že bylo nutné doplnit teorii o praktickou znalost pro budoucí konstrukce. Třetí bod cílil především na tvar přední části, konkrétně na nosovou část, která byla kritická během návratu do zemské atmosféry i z hlediska ohřevu a rozložení teplot po konstrukci.

V konstrukci ASSETu bylo využito více různých, v té době nových materiálů. Tyto materiály byly použity v různých částech konstrukce a celý stroj byl tak sbírka více materiálů, čímž se zvyšovala efektivita zkoušek. Samotný stroj zahrnoval šest podsystémů, kterými byly: systém řízení a navádění, systém snímání dat, telemetrie a komunikace, trasování, systém záchrany/obnovy po vstupu do atmosféry a systém vlastní destrukce. Systém navádění, který měla na starost společnost Honeywell, vycházel ze systému použitém na raketě Scout. Systém kromě navádění a řízení malého kluzáku poskytoval i polohová data pozemním stanicím a řízené časování s přepínáním funkcí v závislosti na fázi letu. Celý tento systém spolupracoval se systémem RCS (Reaction Control System), který prováděl změny polohy na základě povelů navigace prostřednictvím reaktivních trysek. Cely systém trysek byl umístěn v zadní části celého kluzáku.  Jako pracovní médium sloužil vysoce koncentrovaný peroxid vodíku, který se při kontaktu s katalyzátorem rozkládá na vysokoteplotní směs páry a kyslíku bez zbývající kapalné vody.

Kluzák ASSET měl rozsáhlý systém snímání dat rozmístěný po celé konstrukci stroje. Verze ASV sestávala z mnoha termočlánků, snímačů tlaků, akcelerometrů a tenzometrů. Tato sestava senzorů snímala celkově 133 fyzických parametrů, z toho bylo čtyřicet termočlánků na povrchu konstrukce, čtrnáct termočlánků snímající vnitřní část konstrukce a vybavení a třicet tři snímačů tlaku. Další sadou snímačů byly akcelerometry v osách kluzáku a snímače vnitřního vybavení a energetického systému. U verze AEV k tomuto setu patřilo ještě vybavení měřící vibrace a vše okolo oscilací a flutteru na aerodynamické klapce ve spodní části trupu. Na palubě ASV byl navíc umístěn systém nahrávání na magnetickou pásku, který zaznamenával prvních pět set sekund letu. Data z této pásky se navíc dala odeslat přes systém PDM/FM (Pulse Duration Modulated/ Frequency Modulated system) po překonání výpadku spojení během návratu. Další rozdíl mezi AEV a ASV byl systém telemetrie, kde u AEV nebylo zapotřebí mít druhý systém, který pracuje v pásmu X a je nutný u lodí, které se vrací do atmosféry a jsou vystaveny velkému tepelnému namáhání, kdy dochází k výpadku komunikace. Systém trasovaní zajišťovaly radary FPS-16 pozemní sledovací sítě v rámci Atlantic Missile Range.

Dalším z důležitých bodů celého programu byl návrat ASSETu zpět na Zemi bez destrukce. To znamená návrat z náročných termodynamických podmínek ve stavu, který by umožnil plně prozkoumat celou konstrukci a stav po návratu. Na základě těchto prohlídek šlo pak stanovit nové poznatky a problémy, které nebyly objeveny během pozemních měření. U strojů AEV se nepočítalo se záchranou po vstupu do atmosféry a skončily v oceánu. Celý systém záchrany/obnovy stroje byl složen ze systému padáků, kdy první byl vytažen menší stabilizační padáček a pak následoval hlavní nosný padák. Padákový systém byl umístěn v zadní části celého stroje a byl ovládán pomocí dvou barometrických snímačů, které uvolňovaly padáky. Navíc k systému patřilo vypuštění signálního barviva, které více zvýraznilo polohu a k tomu všemu byla odhozena tzv. Sofar bomb (Sound Fixing And Ranging bomb). Tento systém určování polohy s dlouhým dosahem využívá impulzivní zvuky (SOFAR channel) nesoucí se oceánem, umožňující lokalizaci lodí, havarovaných letadel nebo v našem případě vesmírných lodí.

ASSET byl, jak již bylo zmíněno, vybaven systémem autodestrukce. Tento systém byl na palubě, aby zasáhl pokud by ASSET vybočil z plánovaného kurzu. Samotný systém byl automatický, protože pozemní středisko by nebylo schopné zasáhnout během návratu, kdy byl kluzák v komunikačním stínu. Pokud gyroskop zaznamenal odchylku o 30° doprava nebo o 90° doleva na více než 5 sekund, inicioval autodestrukční sekvenci. Jako výbušnina systému byl použit Aerex. Prakticky byl tento systém využit pouze u letu ASV-3. Celý systém byl po úspěšném dosednutí do oceánu po čtyřech hodinách „koupání“ neutralizován.

(pokračování příště…)

Ještě si dovolím opět vložit převodní pomůcku mezi stupni °F a °C.

Zdroje informací:
Eight Case Studies in the Hsitory of Hypersonic Technology, Autor Richard P. Hallion, rok vydání 1987
http://www.astronautix.com
https://www.whiteeagleaerospace.com
https://en.wikipedia.org
https://en.wikipedia.org/

Zdroje obrázků:
https://www.whiteeagleaerospace.com/
https://upload.wikimedia.org/wikipedia
http://www.b14643.de/
http://www.lunarcabin.com/
https://www.designation-systems.net/
Eight Case Studies in the Hsitory of Hypersonic Technology, strana 469
Eight Case Studies in the Hsitory of Hypersonic Technology, strana 471
https://www.wikihow.com