X-Planes / Dělníci kosmonautiky (15.díl)

Program amerického letectva START (Spacecraft Technology and Advanced Reentry Tests) byl určen k výzkumu vztlakových těles, která budou schopná řízeného návratu z vesmíru. Za tímto účelem byly spuštěny programy ASSET a PRIME. V minulých dílech jsme se postupně věnovali každému z těchto strojů. Nyní se budeme věnovat dalšímu z pokračovatelů těchto projektů, a to projektu PILOT (Piloted Lowspeed Tests). Předchozí projekty se věnovaly hlavně proveditelnosti takového letu, tzn. volbě odolného materiálu pro tepelné namáhání, aerodynamice a aeroelasticitě během letu, přístrojovému vybavení a jeho precizní funkci a v neposlední řadě i řiditelnosti takového kluzáku. Už během vzniku projektu X-23 došlo k rozjezdu projektu PILOT. Nyní nastal čas na další úkol, kterým byl pilotovaný let takového stroje. Logickou otázkou totiž nyní bylo, jak dokáže člověk pilotovat takovýto stroj ve vysoké rychlosti.

X-24A 1/2

Původ X-24 vychází ještě z dob vývoje jeho předchůdce X-23 PRIME. Společnost Martin Marietta vyvinula na základě upraveného návrhu A3-4 hypersonický kluzák označený jako SV-5. SV-5 vycházel z návrhu německého inženýra Hanse Multhoppa, který pracoval pro společnost Martin. Samotný návrh byl velmi perspektivní a hodil se na další vývojové studie v rámci připravovaného projektu PILOT. Jen pro připomenutí, projekt PILOT byl třetí z projektů v rámci programu START. Myšlenka projektu byla velmi prostá. Po předchozích projektech, které měly za úkol především ověření materiálů, aerodynamiky a celkové proveditelnosti letu, přišla na řadu otázka letu s pilotem na palubě. Účelem bylo především vyškolit piloty, kteří by mohli létat s těmito stroji za hranici vesmíru a zase se vracet klouzavým letem atmosférou zpět. Posádky se měly cvičit na Edwardsově letecké základně v rámci Aerospace Research Pilot School. K letům byl vybrán úspěšný SV-5, což byl výsledek velice náročného programu aerodynamických zkoušek ve větrných tunelech. Pro účely navazujícího projektu PILOT došlo k označení na SV-5P, kdy index P značil PILOTED.

U Hanse Multhoppa si dovolím malou odbočku k tématu. Samotný Hans Multhopp už na počátku výběru nejlepšího tvaru vztlakového tělesa se sám pustil do výzkumu nejlepšího tvaru pro kluzák vracející se z orbitální dráhy. Během rozhovorů, ve kterých obhajoval svůj návrh, argumentoval těmi body:

1. SV-5 bylo ovladatelné vztlakové těleso bez zásadních povrchových komponent, které by byly zničeny při opětovném vstupu zpět atmosféry Země
2. Kluzák měl hypersonický poměr vztlaku a odporu 1,2 nebo lepší, což umožňovalo dolet 1 000 mil
3. Nízko rychlostní aerodynamika SV-5 byla vhodná pro přistání bez použití automatického řízení
4. Objemová účinnost byla co nejvyšší, tvar poskytoval co největší objem dopředu pro ovládání těžiště
5. V tvarovém uspořádání kluzáku bylo zahrnuto kladné prohnutí, které poskytovalo omezenou hodnotu vztlaku při nižších úhlech náběhu a také vysoký podzvukový poměr vztlaku k odporu
6. Viditelnost pilota byla lepší než u M2-F3 a HL-10 díky lepší konstrukci překrytu

Toto byly argumenty Hanse Multhoppa, které padly na úrodnou půdu a vyvinutý koncept byl využit dál v projektu PRIME. Pokud byste se ale zeptali během letů X-24A na Edwardsově letecké základně, kdo je Hans Multhopp, nedostali byste odpověď. Na Edwardsově základně nikdy neslyšeli o Hansi Multhoppovi. Bylo to způsobeno především původem Hanse a také dobou. V té době ještě panovala značná nevole ohledně využívání německých válečných inženýrů v amerických projektech. V důsledku toho se stalo obvyklou praxí držet německé inženýry v pozadí, i když se jednalo o důležité národní programy a tito inženýři v nich hráli důležitou roli. Jednou z mála výjimek byl například Wernher Von Braun, který právě naopak vystupoval z tohoto pozadí. Ještě si dovolím doplnit, že zmíněné stroje M2-F3 a HL-10 byly výsledky vývoje NASA, která měla svůj vlastní program vztlakových těles.

Společnost Martin použila tedy úspěšný tvar X-23, aby postavila větší verzi kluzáku, kterou bylo již možné pilotovat. Hlavním úkolem stroje se stalo létání od podzvukové rychlosti až po nadzvukovou s testováním chování celého stroje během přistání. Dá se tedy říct, že oproti svým předchůdcům se jednalo o „nízko rychlostní“ letoun, který měl létat do rychlosti M=2. Kontrakt na nový stroj byl uzavřen v květnu 1966 a „roll-out“ kluzáku se konal už 11. července roku 1967. Samotný výrobce označil kluzák jako SV-5P, ale USAF ho po převzetí přeznačilo jako X-24A.

Nyní si dovolím ještě malou odbočku. Jedním z velkých fanoušků vztlakových těles nebo-li „lifting bodies“ byl i legendární pilot Chuck Yeager, který v té době velel Edwards Test Pilot School (Škola zkušebních pilotů na Edwardsově základně). Yeagerovo nadšení k této kategorii plynulo z letů se strojem NASA M2-F2, kterých se osobně účastnil. Při jedné z možností se svěřil tehdejšímu řediteli NASA Dryden Flight Research Center, Paulu Biklemu, že by bylo dobré, kdyby jeho škola měla k dispozici pár kusů takových strojů. Účel byl jasný, výcvik budoucích pilotů pro tuto kategorii. Na tuto myšlenku reagovala právě společnost Martin Marietta s nabídkou stavby stroje SV-5J s proudovým pohonem Pratt & Whitney J60-PW-1 pro použití během nízko rychlostních letů v rámci výcviku. V rámci této nabídky byl osloven i zkušební pilot NASA, Milt Thompson. Martin nabídl tomuto pilotovi možnost létat nový stroj jako první, ale Milt Thompson byl zainteresován v programu vztlakových těles NASA a samotná agentura neměla o takový stroj zájem. Druhým důvodem bylo, že NASA provedla rychlou analýzu SV-5J a zjistila, že poměr tahu k odporu stroje je tak nepříznivý, že by stroj sotva stoupal a létání s tím by bylo velmi nebezpečné. Přesto Martin nabídl Miltovi dvacet tisíc dolarů, pokud by se strojem letěl ve svém volném čase. Milt s tím souhlasil, ale pouze s vlastním letovým plánem. Jeho letový plán byl prostý, stačilo dostat stroj do vzduchu pouhým poskakováním při běhu na dráze 2x4m do výšky pár centimetrů. Martin takovýto letový plán, ale neakceptoval a z celé nabídky sešlo.

Než mohl být realizován nový stroj, musel projít několika testy a měřeními v aerodynamickém tunelu při nízko rychlostních měřeních. Důvodem byl způsob provedení letu, kdy narozdíl od letu X-23 měl být proveden let odpoutáním od nosného letounu NB-52 se zažehnutím raketového motoru pro dosažení supersonické rychlosti. Dále pak měl kluzák přistát jako klasický letoun, tedy při podzvukové rychlosti. Obě rychlostní oblasti letu bylo nutné ověřit z hlediska aerodynamického chování stroje. Výsledkem těchto zkoušek se stala mírná úprava tvaru trupu, které vévodil přidaný středový vertikální stabilizátor. Důvodem přidání tohoto stabilizátoru bylo zmírnění vybočení kluzáku při používání řídících klapek náklonu. Další úpravou prošly okrajové vertikální stabilizátory, u který bylo nutné upravit odtokovou část jejich tvaru. Důvodem se stalo odtržení proudnic při vyšším úhlu náběhu, které způsobovalo neúčinnost kormidel. Pro zajímavost uvedu, že ke stejným poznatkům došli i konstruktéři strojů HL-10 a M2-F2.

Samotná konfigurace řízení celého kluzáku byla složena z osmi pohyblivých řídících ploch v zadní části. Pohyb kormidel byl navíc rozdělen do dvou letových oblastí, na podzvukovou konfiguraci řízení a nadzvukovou. Řízení výšky bylo odvozeno ze symetrického vychýlení dvou horních klapek nebo dvou spodních, podle aktuálního letového stavu. Diferenciálním vychylováním klapek pak mohl být řízen náklon. Pro směrové řízení sloužila kormidla na vertikálních stabilizátorech. S postupnou změnou rychlosti a Machova čísla docházelo i automaticky ke změně vychýlení horní klapky. Zjednodušeně řečeno, v zadní části se při pohledu z boku měnil úhel rozevření mezi horními a dolními klapkami. Během snižování rychlosti se tento pomyslný „klín“ zmenšoval, aby bylo možné zachovat co nejlepší poměr vztlak/odpor pro přistání. Tento systém byl zálohován manuálním ovládání z kabiny pilota.

Po zahájení projektu byl vybrán personál, který měl za úkol vést celý projekt od začátku až po letovou fázi. Vybraný tým byl tím nejlepším ve své době, protože vybraný personál působil již na programu X-15 a následně pak na M2-F2. Měl tedy značné zkušenosti s těmito stroji. Za všechny mohu zmínit projektového manažera Jacka Kolfa, který byl už předtím vedoucím plánovačem v programu X-15. Během konstrukce X-24 bylo přistoupeno, jako v mnoha jiných projektech, k použití běžně dostupného hardwaru, jako byly vystřelovací sedačky, pohonný systém, systém hydraulických pohonů atd. Tento způsob značně zrychloval celý proces vývoje a výroby, nehledě na finanční úspory. Jako pohonná jednotka byl použit již osvědčený raketový motor XLR-11, který létal už v legendárním letounu X-1, se kterým je neodmyslitelně spjat i Chuck Yeager. V rámci kontraktu byl vytvořen i druhý duplikát pohonného systému. V praxi se jednalo o stand s nádržemi pohonných hmot a motorem XLR-11. Tento stand značně pomohl především během vývoje a zkoušek, kdy vlivem zpoždění v dodávce vnitřního vybavení mohly být provedeny základní zkoušky bez montáže do skeletu X-24.

V projektu se kromě letectva angažovala i agentura NASA na základě memoranda, které bylo podepsáno už během projektů NASA M2-F2 a HL-10. Roku 1966 bylo do tohoto memoranda o spolupráci zahrnut i kluzák X-24. Tato spolupráce byla nanejvýš užitečná, protože NASA měla už dostatek zkušeností s provozem vztlakových těles a letectvo se svým vývojem také nepatřilo mezi začátečníky. Navíc provoz všech vztlakových těles probíhal na Edwards AFB. Stejný model panoval už v době provozu X-15, kdy v týmu byli zástupci všech zúčastněných stran. U projektu X-24 se už nepodařilo navázat na úzkou spolupráci mezi tandemem USAF/NASA a Martin Marietta, jako v předešlých projektech. Důvod byl poměrně prostý. Výrobní závod společnosti Martin byl v Baltimoru, ale finální sestavení, zkoušky a provoz měl probíhat na Edwards AFB na druhé straně USA. NASA vyslala právě do Baltimoru několik svých techniků, kteří se účastnili výrobního procesu, ale spíše z toho byli frustrovaní. Důvodem byl fakt, že se jim nedařilo přesvědčit výrobce o nutnosti některých změn v systémech, o kterých věděli, že budou muset stejně provést později. Je otázkou, zda to bylo o neochotě či neschopnosti zpětně začlenit změny do konstrukce.

Tak jako každý podobný projekt i X-24 byl podroben pečlivému zkoumání v aerodynamickém tunelu. Stalo se zvykem, že testy byly provedeny ještě před létáním, aby se znovu potvrdily předešlé výsledky. Důvodem byl i první let kluzáku HL-10, u kterého se během letu postupně vyskytly nebezpečné problémy s řízením letounu. Konkrétně neočekávané chování na povely řízení. Dalším důvodem bylo i ověření použití simulované ablativní vrstvy na povrch kluzáku pro získání co nejvíce dat. Simulovaný ablativní povrch byl použit z důvodu získání představy o chování stroje během letu atmosférou, protože základní myšlenkou celé kategorie byly lety do vesmíru s návratem zpět. Za tímto účelem bylo na povrch X-24 naneseno vodou ředitelné lepidlo, do kterého se vložila drátová síťovina s tvarem voštiny. Poté byl na celý povrch nanesen jemný písek, simulující hrubý povrch ablativní vrstvy a po zaschnutí lepidla byla síťovina odstraněna. Během „ofukování“ stroje došlo k závěru, že dochází ke snížení poměru vztlak/odpor až o 20 % a degradaci letové stability. Po tomto zjištění bylo zamítnuto použití této vrstvy a stroj létal už pouze s hladkým kovovým povrchem. Důvodem této zkoušky byla hlavně snaha porovnat výsledky z předešlého projektu PRIME.

Martin Marietta uzavřel kontrakt na stavbu jednoho exempláře X-24. Jak jsem již zmínil v průběhu článku, objevila se jistá myšlenka na proudovou verzi stroje, aby mohla být použita k výcviku pilotů. Kontrakt byl, ale podepsán na jeden stroj, a tak se společnost rozhodla postavit další dva exempláře na vlastní náklady. Tyto verze měly mít proudový motor a Martin doufal, že je dokáže prodat letectvu. Jak to dopadlo s myšlenkou SV-5J jsem již popsal výše.

Opět si dovolím přidat video z letu X-24A pro představu letů s takovýmto typem stroje.

[youtube https://www.youtube.com/watch?v=_RMVT28byRg]

Zdroje informací:
Design Evolution and AHP-based Historiography of Lifting Reentry Vehicle Space Programs, Autoři Loveneesh Rana a Bernd Chudoba, Rok vydání 2016
Wingless Flight, The Lifting Body Story, Autor R. Dale Reed, Rok vydání 1997
Testing Lifting Bodies at Edwards, Autor Robert G. Hoey, Rok vydání 1977
Martin X-24A Lifting Body, Autor Miles Miller, Rok vydání 2012

Zdroje obrázků:
fineartamerica.com/
secretprojects.co.uk
nurflugel.com
reddit.com/m
.enginehistory.org
Design Evolution and AHP-based Historiography of Lifting Reentry Vehicle Space Programs, strana 15
Martin X-24A Lifting Body, strana 55
Testing Lifting Bodies at Edwards, strana 78
Testing Lifting Bodies at Edwards, strana 82
Testing Lifting Bodies at Edwards, strana 83