X-Planes / Dělníci kosmonautiky (28.díl)

V minulém díle jsme otevřeli trilogii o programu RLV (Reusable Launch Vehicle), který se dělil na tři různé stroje. Zásadní vliv na vznik RLV měla studie Access to Space, která definovala další vývoj vesmírné techniky. Snahou bylo vyvinout novou techniku, která přinese výrazné snížení nákladů na let a významné zvýšení bezpečnosti letu. Jako první stroj, který jsme probrali byl demonstrátor DC-X Delta Clipper, u kterého si mnohý čtenář při pohledu na zkušební lety může říct, že to vlastně zná. I když se Delta Clipper nikdy nedostal za hranice zemské atmosféry, pomohl v rozvoji technologie RLV. Dalším strojem, kterým se budeme zabývat, bude X-33, který se však nedostal z fáze prototypu, který byl asi z 85 % hotov.

X-33 VentureStar

V roce 1993 zahájila NASA interní studii o vývoji plně opakovaně použitelného raketového dopravního prostředku s jedním stupněm na oběžnou dráhu (SSTO), a to včetně posádky. Korespondovalo to s probíhající studií Access to Space a programem RLV. Jedním z bodů, který se objevil ve studii bylo doporučení NASA, aby nový systém byl v komerčním vlastnictví a provozován komerčně. Program RLV označený jako X-33, pod vedením NASA, byl rozdělen na tři postupné fáze:

• Fáze I zahrnovala definici a návrh koncepce, která byla zahájena v březnu 1995 a měla trvat 15 měsíců, během nichž měla být prokázána vyspělost celé řady navrhovaných technologií
• Fáze II zahrnovala výrobu a letové zkoušky stroje X-33, které měly být zahájeny koncem roku 1996 a dokončeny do konce desetiletí
• Fáze III byla plánována jako skutečný komerční vývoj kosmického nosného systému nové generace, který by vedl k vývoji provozuschopného RLV do roku 2005

V první fázi programu byly vybrány tři konstrukční návrhy od společností Lockheed Martin, Rockwell International a týmu společností McDonnell Douglas-Boeing. Každá ze společností pak předložila svůj návrh budoucího RLV. Významnou podporu během této a druhé fáze pak poskytovalo všem zúčastněním středisko v Langley, které provádělo přezkum návrhů a jejich optimalizaci. Jak je zobrazeno na přiloženém obrázku, koncepty se značně lišily, přičemž uskupení McDonnell/Boeing se vydalo cestou VTO-VL (Vertical Take-Off – Vertical Lading). U návrhu společnosti Lockheed Martin byl pak použit jako pohonný systém Aerospike.

V červenci roku 1996 bylo viceprezidentem Albertem Gorem oznámeno, že návrh společnosti Lockheed Matin byl vybrán k postupu do druhé fáze programu, tzn. byl určen jako hlavní dodavatel nového RLV pro zkoušky. Za studií společnosti Lockheed stála pak známa skupina Skunk Works.

Nyní se na chvilku zastavíme u zmíněné skupiny Skunk Works. Jedná se o pseudonym pro Lockheed Martin Advanced Development Programs (ADP). Toto oddělení má za sebou řadu velmi úspěšných návrhů, jako jsou P-38 Lightning, U-2, SR-71 Blackbird, F-117 Nighthawk, F–22 Raptor a F-35 Lightning II. Pro zajímavost uvedu, že název Skunk Work pochází z komiksu Liʼl Abner, ze kterého byl převzat a upraven název továrny Skonk Oil. Dále je pak možné se dozvědět, že toto označení se používá obecně i pro skupiny, které mají v rámci své organizace vysoký stupeň autonomie, tzn. bez byrokratických překážek. Ve zmíněném komiksu byla zchátralá továrna Skonk Oil, která denně mlela mrtvé skunky a opotřebované boty do destilačního přístroje, pro nespecifikovaný účel a stáčela do sudů Big Barnsmell. Během projektu YP-38 došlo k dočasnému přesunu projektu do jiné budovy, která předtím sloužila ke skladování staré whiskey společnosti 3G Distillery. To bylo samozřejmě znát v podobě nakyslého zápachu, jak uvedl Kelly Johnson, jeden ze zakladatelů skupiny. To nebylo poprvé, co byla skupina inženýrů pracujících na tajném projektu umístěna do méně příjemného prostředí. Další a mnohem důležitější stěhování pak přišlo během projektu P-80 Shooting Star. V té době se Johnsonův tým nacházel hned vedle továrny na zpracování plastů, což také nebylo příliš „voňavé“ místo. Podle vzpomínek se jednoho dne objevil v kanceláři inženýr Irv Culver s plynovou maskou, kterou tak vyjadřoval svůj postoj k zápachu, ale podle mnohých i k utajení, které obnášel probíhající projekt. Samotní zaměstnanci společnosti Lockheed byli už během velmi tajného projektu upozorněni, aby dobře vážili co budou odpovídat na případné telefonáty, které by teoreticky mohly zjišťovat jejich pracovní náplň. Tady pak nastupuje na scénu opět inženýr Irv Culver, který s oblibou, podle zmíněného komiksu, odpovídal na příchozí telefonáty větou „Skonk Works, inside man Culver“. Tento humor však vedl i k jistému nedorozumění, když se snažil zástupce ministerstva námořnictví spojit se společností Lockheed. V tu chvíli došlo k chybnému přesměrování hovoru, a to rovnou k inženýru Culverovi, který se držel své odpovědi na příchozí telefonát. Samozřejmě zástupce ministerstva vůbec nechápal, co se děje a na opakované dotazy, kam se dovolal dostal vždy odpověď „Skonk Works“. Když se to dozvěděl vedoucí Kelly Johnson, tak se řevem oznámil Culverovi, že má vyhazov. Jak vzpomínal sám Culver, tak si z toho nic moc nedělal a druhý den přišel do práce, protože tuto větu slyšel od Johnsona i dvakrát denně. Název se tak plně ujal, ale stále to nebyl ten, který známe dnes. Nyní se tak dostáváme k tomu, jak vznikl dnešní oficiální název, Skunk Works. Bylo to z důvodu žádosti od tvůrců zmíněného komiksu, kteří byli držiteli autorských práv, aby skupina změnila svůj název na „Skunk Works“.

Nyní se opět vrátíme k samotnému projektu X-33. V návrhu se jednalo o vztlakové delta těleso poháněné dvěma lineárními motory Aerospike a čtyřmi vertikálními stabilizátory, přičemž dva byly umístěny v krajních pozicích a dva v horní části trupu. Při pohledu na základní nákres si tak můžeme všimnout, že krajní stabilizátory, které svírají úhel vzepětí 20°, odpovídají svým nastavením úhlu náběhu výsledkům zjištěných během letů vztlakových těles ze 60. let. Ve spodní odtokové části pak můžeme najít tzv. body flaps zajišťující řiditelnost stroje. Celkově X-33 svým uspořádáním vzdáleně připomíná X-24B. Termální ochrana spodní části trupu, na návětrné straně, pak byla tvořena kovovými panely TPS (Thermal Protection System), které slibovaly více výhod oproti keramickému TPS použitém na raketoplánu. Náběžné hrany stabilizátorů byly z uhlíku. První X-33 měl být demonstrátor ve zmenšené velikosti, přibližně 53 % z plánované plnohodnotné verze. Vnitřní část byla tvořena dvěma kompozitními nádržemi pro tekutý vodík a jednou nádrží pro kapalný kyslík, vyrobenou ze slitiny hliníku, umístěnou v přední části stroje. Jak bylo zmíněno, pohon obstarávaly dva experimentální lineární motory typu aerospike označené jako XRS-2200.

Motor XRS-2200 vyvíjela společnost Rocketdyne Propulsion and Power Unit. Jedná se o motor s centrálním tělesem jako výtokovou tryskou, kde výtokové plyny vytékají ze spalovací komory po vnější části centrálního tělesa a současně vstupují do volné atmosféry. Motor je odvozen od zdokonaleného motoru J-2S. Motory byly zkoušeny na zkušebním stavu Stennisova kosmického střediska v Mississippi až do zrušení celého program X-33. Celkově vykonaly motory XRS-2200 sedmdesát tři zážehů s kumulativní dobou běhu 4000 sekund.

Do programu X-33 promlouval svým provozem i projekt DC-XA Delta Clipper prostřednictvím své kompozitové nádrže. Díky použití kompozitové nádrže došlo k úspoře 1200 kg hmotnosti při zachování stejné pevnosti. Celá konstrukce X-33 počítala s využitím kompozitních materiálů, už pro jejich nesporné hmotnostní výhody se zachováním pevnosti.

Tak jak jsme viděli již v minulých programech, především v podání inženýra Dalea Reeda, postavili v roce 1998 inženýři ze střediska Dryden (FRC sídlící na Edwards AFB) malý model X-33, na kterém byly ověřovány charakteristiky stroje během nízkých rychlostí letu. Nebylo to samozřejmě jediné ověřování či výzkum v rámci projektu. V dalším zkoumání materiálové části, použité na konstrukci X-33 pokračovalo středisko v Langley. Nejednalo se jen o vlastnosti materiálů, ale i možnosti jejich opravitelnosti a dále pak jejich životnost. Systém, kterému byla věnována značná pozornost, byl TPS (Thermal Protection System), který byl zkoušen za letu v podvěsu letounu F-15B Aerodynamic Flight Facility. TPS systém byl složen ze tří vrstev tzv. „horké struktury“ skládající se z vrstev uhlík/uhlík pro rychlosti Mach=25, které měly odolávat nejvyššímu tepelnému namáhání. Další vrstvou byla slitina inkonelu a niklu odolávající do rychlosti M=6, použitá například u letounu X-15. Třetí vrstvou byl titan pro nejnižší tepelné namáhání (použitý například v konstrukci SR-71). Hlavní snahou bylo vyvinout systém, který by dokázal odolat minimálně 100 letů s řádově nižšími požadavky na údržbu a kontrolu ve srovnání s TPS raketoplánu. Samotný raketoplán byl do vývoje X-33 zapojen také, i když nepřímo. Během mise STS-77, s raketoplánem Endeavour, byly na raketoplán připevněny vzorové inconelové a titanové panely.

V rámci testování byl využit i letoun SR-71, tzv. LASRE (Linear Aerospike SR-71 Experiment). Jednalo se o malý, poloviční model vztlakového tělesa X-33 s osmi sekcemi motoru Aerospike, otočený o 90 stupňů a namontovaný na zadní straně SR-71. Úkolem bylo ověření ovlivnění aerodynamiky tvaru vztlakového tělesa s pracujícím motorem během startu. Především pak v rychlostních oblastech okolo 750 mil/h (1207 km/h). Dalším přínosem pro společnost Lockheed Martin bylo ověření a vyladění výpočetních nástrojů sloužících k predikci letů. Po splnění těchto letů došlo k dalšímu bodu letového programu, a to zkouška motoru za letu, lépe řečeno provozní zkouška a ověření systému dodávky paliva. Bylo v plánu i „ostré“ zažehnutí motoru s použitím kapalného kyslíku, které se nakonec neuskutečnil kvůli únikům kyslíku. Letoun vykonal celkově sedm letů.

Program X-33 prošel kladně i celkovým přezkoumáním, na jehož základě začala vznikat na základně Edwards samostatná odpalovací oblast nazvaná Area 1-54. Jednalo se o plnohodnotný odpalovací komplex s rampou, plnícím zázemím, tankovacím úsekem a řídicím střediskem.

I když celkové hodnocení programu bylo pozitivní, tak se program setkával s mnoha problémy, které se stávaly závažnějšími. Prvním z nich byly kompozitové nádrže, které měly problémy s vytvrzováním, navíc se společnost Lockheed snažila neustále urychlovat celý proces. Dalším problémem bylo například oddělení od rámu nebo delaminace. Celkové problémy se zpracováním kompozitů způsobovaly zákonitě časové posuny celého vývoje. Dalším bodem, který také přispěl ke zpoždění programu byl i samotný motor XRS -2200. Všechny tyto problémy vedly ke zpoždění cca šestnáct měsíců, tedy do roku 2000 a následně pak až do roku 2003. Výsledkem problémů nebylo jen zpoždění, ale celkově navyšující se hmotnost, která negativně ovlivňovala výkon stroje.

V řeči peněz to znamenalo jediné, navyšování nákladů. Pověstným hřebíčkem do rakve pak bylo další selhání nádrže, přesně v listopadu roku 1999. Na to konto se společnost Lockheed rozhodla pro změnu a použití hliníkových nádrží. To se však už nelíbilo agentuře NASA, která odmítla dále financovat program. Náklady v té době už dávno dosahovaly vysokých částek, jak na straně NASA, tak i u společnosti Lockheed. Dne 1. března 2001 tak NASA oznámila, že nebude nadále financovat program X-33. Společnost Lockheed doufala, že s pomocí komerčních investorů bude možné dokončit vývoj X-33 a uvést na trh první komerční vesmírnou loď VentureStar. I přes různá stádia studií o využitelnosti však nedošlo k realizaci a samotná společnost usoudila, že bez externí finanční podpory nebude dále pokračovat ve vývoji. Podle mnohých se jednalo o ambiciózní program využívající velké množství nových technologií. Během zrušení programu byl demonstrátor X-33 dokončen z cca 85 % a startovací komplex byl zcela dokončen.

Než však ukončíme dnešní díl, budeme se ještě věnovat letové části programu, i když nikdy nenastala. V zásadě se počítalo s postupným přístupem, tzn. postupné prověření strukturálního zatížení, tepelného namáhání, Aerospike pohonu, aerodynamiky, stability a řízení. V první fázi se tak počítalo se třemi suborbitálními lety, které by plně obsáhly tyto prověrky. V další sérii letů pak měla být prověřena rychlá znovu použitelnost, tzn. obrat stroje na nový let během jednoho týdne. V plánování se počítalo se dvěma místy pro přistání. Prvním místem bylo letiště Michael Army Airfield v Dugway ve státě Utah. Na tomto letišti měl X-33 přistávat po 14 minutovém letu. Další lokací bylo letiště Malmstrom Air Force Base ve státě Montana s dobou letu okolo 24 minut.

O tom, že byl projekt velmi ambiciózní už tu byla zmínka. Vše pokračovalo v duchu hesla „rychle, lépe, levněji“. Na program byly kladeny vysoké nároky, a to především ekonomické, které vycházely z plánovaného rychlého znovu použití. V dobových materiálech se doslova píše:

Náročný časový plán vývoje a rozpočet byl vzhledem k cílům velmi omezený. Pro technické potíže nebo selhání existovala jen malá rezerva. Zpětný pohled ukazuje, že program se jednoduše snažil dosáhnout příliš mnoho s nedostatečnou rezervou v nákladech a harmonogramu. Od programu se očekávalo, že bude plnit úkoly dvou strojů/vesmírné lodi, ale byl financován pouze pro jeden. Očekávalo se, že bude fungovat jako stroj X (tj. řešit technologická rizika), ale i jako stroj Y (tj. řešit nákladová rizika).

 (X-33 Reusable Launch Vehicle Demonstrator)

[youtube https://www.youtube.com/watch?v=0jfbMBQEC34?feature=shared]    [youtube https://www.youtube.com/watch?v=juYzW7TiBMo?feature=shared]

Zdroje informací:
X-34 TECHNOLOGY DEMONSTRATOR, Audit report IG-00-029, Autor NASA, Rok vydání 2000
ACCESS TO SPACE STUDY, Summary Report, Autor NASA, Rok vydání 1994
NASA Aeronautics book series, Promise Denied, Rok vydání 2020, Autor Bruce I. Larrimer
Review of X-33 Hypersonic Aerodynamic and Aerothermodynamic Development, Autor Richard A. Thompson, Rok vydání 2000
REUSABLE METALLIC THERMAL PROTECTION SYSTEMS DEVELOPMENT, Autor Max L. Blosser, Rok vydání 2000
https://history.nasa.gov/presrep96/Presrp96/ch4c.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Single-stage-to-orbit
it.wikipedia.org/
mek.kosmo.cz/

Zdroje obrázků:
nasa.gov/
it.wikipedia.org/
archive.org/
en.wikipedia.org/wiki/
en.wikipedia.org/wiki/
NASA Aeronautics book series, Strana 47
NASA Aeronautics book series, Strana 51
X-33 se základními parametry konstrukce a rozpisem použitých materiálů
Review of X-33 Hypersonic Aerodynamic and Aerothermodynamic Development, strana 2
REUSABLE METALLIC THERMAL PROTECTION SYSTEMS DEVELOPMENT, strana 2