Projekt Orient Express

Za projektem vůbec prvního vážně myšleného raketoplánu Single-Stage-To-Orbit na půdě Spojených států amerických stojí armáda a výzkumná agentura DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), která započala práce na něm v letech 1982 až 1985. Na veřejnosti byl raketoplán X-30 známý jako nový Orient Express, jak jej nazval tehdejší prezident Ronald Reagan. Podle dostupných informací se mělo jednat o prostředek, který měl dosahovat rychlost až 25 Machů a přeletět z Washingtonu do Tokia za pouhé dvě hodiny.

Fakt, že se na vývoji podílela výzkumná agentura DARPA však naznačoval, že se nemusí zaručeně jednat o natolik mírumilovný projekt. Nicméně tím podstatným, co se týče dnešního článku, bylo to, že X-30 měl být případně schopen dosahovat oběžné dráhy a stát se tak prvním absolutně použitelným prostředkem pro dopravu na ní.

Samotný raketoplán X-30 měl být dlouhý 95,7 metrů a mít rozpětí 15,8 metru. Kvůli zákonům aerodynamiky byl navržen tak, aby působil minimální čelní odpor, ale aby maximálně při nižších rychlostech využil svůj vztlak a při vyšších rychlostech se takzvaně vezl na vlastní rázové vlně.

Využití rázové vlny nebylo nejen pro Američany ničím novým. V minulosti například vyvíjeli strategický nadzvukový bombardér, jehož experimentální verze nesla označení XB-70 Valkyrie. K využití rázové vlny je třeba přesně letoun navrhnout a bohužel ideální tvar odpovídá vždy určité rychlosti v určité výšce. Principiálně se využívá rázová vlna vzniklá překročením rychlosti zvuku v proudění u daného místa konstrukce, které je zachyceno určitou částí letounu, kde zvyšuje vztlak. Raketoplán se takzvaně "veze na své vlastní rázové vlně".

O pohon se měl starat raketový motor typu SC/RAMJET (Supersonic Combustion RAMJET, dále scramjet), který bychom mohli v češtině popsat jako nadzvukový spalovací náporový motor). Ten je specifický tím, že využívá kyslíku z atmosféry a také tím, že čím rychleji letí, tím vyšší je tah a specifický impuls takového pohonu. Vzduch totiž vstupuje do přední části (tzv. difuzéru, škrtidla) nadzvukovou rychlostí a následně je stlačen a zahřát. Po vstříknutí kapalného vodíku proběhne samovolné vznícení a výtokové plyny vysokou rychlostí opouštějí tryskou raketový motor.

Bohužel raketoplán X-30 narazil na počátku devadesátých let na příliš velkou technickou náročnost, která neúměrně zvyšovala cenu vývoje (podobně na tom mimochodem během vývoje byla i Valkýra). Navíc to bylo v době po konci studené války a Spojené státy americké o tento projekt ztratily zájem. Bez ohledu na to však vývoj bezpilotních prostředků pro výzkum vysokých rychlostí pokračuje dodnes v rámci experimentálního letounu X-43, který je po dohození z nosného letounu urychlován upravenou raketou Pegasus a až následně zapíná svůj motor typu scramjet, o který tady, vedle aerodynamiky a chování objektu při tak vysoké rychlosti, jde především.

Venture Star

Zatímco X-30 nám roku 1993 skončil, v rámci programu Space Launch Initiative, konkrétně RLV (Reusable Launch Vehicle), byl v devadesátých letech minulého století vyvíjen raketoplán Venture Star, který je znám spíše jako zmenšený demonstrátor s označením X-33. Ten však nepočítal s využitím okysličovadla z atmosféry jako X-30 a navíc narozdíl od X-30 neměl k pohonu využívat motory typu scramjet, ale aerospike.

Raketový motor typu Aerospike je typický tím, že výtokové plyny neprotékají uvnitř trysky raketového motoru, ale obtékají centrální těleso a vstupují při tom do atmosféry. Výhodou tohoto řešení je pak především to, že tvar výtokových spalin se ideálně přizpůsobuje okolnímu tlaku prostředí. Jinak řečeno se okolní prostředí chová jako pružná stěna, čímž je dosaženo vyšší účinnosti raketového motoru, protože je tlak okolního prostředí roven tlaku vytékajících plynů. Naproti tomu u klasického raketového motoru ona pružná stěna neexistuje a nahrazuje ji pevná konstrukce trysky raketového motoru, která samozřejmě není efektivní pro všechna rozmezí výšek, respektive tlaku okolního prostředí.

Kontrakt na vývoj raketoplánu X-33 dostal gigant Lockheed Martin. Mezi konkurenty však figurovaly neméně zkušené firmy McDonnell Douglas nebo Rockwell, tedy všechny společnosti, které se v minulosti ucházely i o program raketoplánu Space Shuttle.

Projekt demonstrátoru X-33, respektive jeho uvažované orbitální varianty byl navržen s ohledem na vývoj a ověření nových technologií a bez okolků jej můžeme nazvat revolučním a to po všech stránkách. Vedle pohonu, se kterým do té doby nebylo příliš zkušeností, přišel také s novou konstrukcí, která měla být především z uhlíkových a kompozitních materiálů. Také nákladový prostor měl být umístěn v centrální části a veškeré nádrže měly být kolem něj skryty pod celistvou konstrukcí.

Bohužel právě jedna z kompozitových nádržích nevydržela při zkouškách předpokládanou zátěž a proto by musela být nahrazena nádrží z kovových slitin, což by však rapidně zvýšilo konstrukční hmotnost a negativně se projevilo na výsledné hmotnosti o několik desítek procent. Stejně tak chyběly zkušenosti s raketovým motorem typu aerospike, navíc takového výkonu. Na demonstrátoru X-34 měla být dvojice motorů J-2S s celkovým tahem 1,82 MN, což však bylo zhruba o 2 řády výše, než kde zkušenosti byly. Výsledný orbitální raketoplán Venture Star pak měl mít sedm lineárních raketových motorů RS2200 o celkovém tahu 13,39 MN.

Projekt raketoplánu typu X-33 tak byl v roce 2001 zrušen pro příliš velkou technickou náročnost, ačkoliv právě kvůli snahám o její řešení byl jeho vývoj započat.

Britský projekt HOTOL…

V osmdesátých letech navrhovali Single-Stage-To-Orbit raketoplán také Britové, konkrétně Rolls-Royce a British Aerospace. Prostředek pojmenovaný zkráceně HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing) byl unikátní zejména navrhovaným raketovým motorem, který měl využívat předem zchlazovaného kyslíku z atmosféry a současně umožňovat spalování okysličovadla z interních nádrží.

Raketoplán HOTOL měl být dlouhý 63 metrů, vysoký 12,8 metru a mít pouze 7 metrů v průměru. Uvažovaná bezpilotní varianta měla dokázat dopravit na dráhu ve výšce 300 kilometrů kolem 8 tun nákladu, což sice není mnoho, ale na letoun schopný vícenásobného použití a přistání na 1,5 kilometrů dlouhé dráze to není špatná hodnota. HOTOL měl využívat kyslíku z atmosféry především ve výšce 26 až 32 kilometrů, kde měl dosahovat rychlosti převyšující 7 Machu.

Bohužel se ukázala řada problémů zejména s pohonem, který byl nejen příliš složitý, ale především těžký, což mělo za následek změnu těžiště letounu oproti předpokladům. Při vyšších rychlostech by to problém nebyl, protože tah byl, stejně jako rychlost, ve vyšších výškách mnohem nižší, ale nebylo možné žádnou cestou zajistit stabilitu letounu ve fázi letu těsně po startu a během počátečního stoupání, kdy by záď táhla letoun příliš k zemi a vytvářel by se tak namísto vztlaku spíše odpor. To by pochopitelně zamezovalo dosažení potřebné letové hladiny.

… a jeho nástupce Skylon

Projekt britského raketoplánu Skylon volně navazuje na raketoplán HOTOL. Víceméně navzdory tomuto svému dědictví je právě Skylon tím raketoplánem, který by v případě své realizace skutečně mohl zlevnit dopravu na nízkou oběžnou dráhu. Stejně jako v minulosti navrhované projekty totiž přistává ve stejném stavu, ve kterém startoval, navíc přidává využití kyslíku z atmosféry pro své hybridní raketové motory, čímž snižuje nejen hmotnost neseného paliva, ale především konstrukce.

Skutečným tajemstvím k úspěchu je však v jeho případě právě tzv. hybridní raketový motor, který může pracovat ve dvou režimech. Zatímco v prvním využívá kyslíku s atmosféry, v druhém pracuje jako klasický raketový motor a spaluje pohonné látky z interních nádrží, okysličovadlo a palivo. Raketové motory SABRE jsou navíc umístěny na jakýchsi gondolách a proto je teoreticky možné je mnohem jednodušeji opravovat a kontrolovat, než kdyby byly například umístěny v samotném trupu. Přístup k nim je tak podobný jako například k proudovým motorům u dopravních letadel.

Samotný raketoplán Skylon má být dlouhý 83,3 metru a mít rozpětí zmíněných křídel i s motory na jejich koncích 25,4 metrů. Konstrukční hmotnost raketoplánu přitom činí pouhých 53 tun, po natankování pak má celková hmotnost činit takřka 545 tun. Na konstrukci tak připadá jen desetina celkové hmotnosti a navíc využívá jako okysličovadlo kyslík z atmosféry do cca 30 kilometrů a dosažení rychlosti vyšší než pětinásobek rychlosti zvuku, takže se s Ciolkovského rovnicí vypořádává ve srovnání s jinými Single-Stage-To-Orbit koncepty podstatně lépe.

Skylon je plánován ve dvou variantách: bezpilotní určené výhradně k dopravě užitečného zatížení a pilotované, která by mohla například zásobovat orbitální stanici a navíc pomáhat s výměnou posádek. Na nízkou oběžnou dráhu by přitom Skylon v případě své realizace mohl vynést zhruba 10 tun nákladu. To sice není mnoho (americký Space Shuttle měl nosnost kolem 25 tun), ale je to dobrá hodnota s přihlédnutím k ostatním parametrům prostředku a především předpokládané ceně dopravy jednoho kilogramu na oběžnou dráhu, který má činit 650 dolarů.

Bohužel Skylon naráží na podobný problém jako většina podobných projektů – nezajištěné financování vývoje…