Další velký skok letectví

Navzdory své auře jako špičkového průmyslu letecký a kosmický průmysl po desetiletí stagnuje. V komerčních a vojenských letech stále převládají stejné typy proudových letounů, které šly do provozu v 60. letech. Ve Spojených státech neexistuje žádný významný nový program raketových motorů od doby, kdy byl před 20 lety vyvinut hlavní motor raketoplánu. Nic na Boeingu 777 by nezmátlo konstruktéry letadel z Eisenhowerovy éry.

Dnes by však dostupnost spolehlivých, opakovaně použitelných raketových motorů mohla umožnit další velký krok v letecké dopravě: raketoplán. Raketová letadla kombinují raketový pohon s letectvím, což umožňuje letadlům, která startují a přistávají z konvenčních letišť, létat nahoru a ven z atmosféry. Raketová letadla sníží náklady na vypouštění satelitů, urychlí doručování balíků a v konečném důsledku poskytnou lidem způsob, jak se dostat z jedné strany světa na druhou za hodinu nebo tak. I když se tato vize může zdát přitažená za vlasy, technologie je po ruce.

Myšlenka raketového letadla není nová. První takový letoun – německý Heinkel He-176 – vzlétl v roce 1939. Právě v raketově poháněném X-1 Chuck Yeager před 50 lety loni v říjnu poprvé prolomil zvukovou bariéru. Během 80. a počátkem 90. let spolupracovala NASA a Ministerstvo obrany USA na projektu National Aerospace Plane Project – úsilí, které bylo od té doby zrušeno, vyvinout technologie, které by umožnily, aby vozidlo, které by vzlétlo jako běžné letadlo, urychlilo na oběžnou dráhu kolem. Zemi, pak se vraťte atmosférou k přistání na dráhu.

Ale nedávné pokroky v technologii – od účinnějších raket po spolehlivější a robustnější tepelné štíty – posunuly raketoplán blíže praktické realitě. Zároveň roste trh se službami, které by takové vozidlo mohlo nabízet. Potřeba ekonomického vypouštění satelitů může poskytnout první stimul pro vývoj raketoplánu. V budoucnu však může hlavní každodenní využití těchto hypersonických vozidel spočívat v rozvozu cestujících a cenných zásilek po celém světě.
Není žádným tajemstvím, proč konstruktérům letadel trvalo tak dlouho, než přijali technologii raketových motorů. Za prvé, rakety jsou neefektivní, spotřebovávají palivo sedmkrát rychleji než proudové motory na plný výkon. A zatímco proudový motor dýchá vzduch z atmosféry, aby spálil své palivo, rakety jsou navrženy tak, aby pracovaly ve vakuu vesmíru, a tak musí nést nejen palivo, ale také oxidant – obvykle ve formě kapalného kyslíku. Tento požadavek klade větší hmotnostní zátěž na raketu než na proudové letadlo.

Za druhé, rakety obecně neprokázaly, že jsou tak spolehlivé jako motory s plynovou turbínou. Tato nespolehlivost částečně pramení ze skutečnosti, že tyto motory pracují při extrémně vysokých teplotách. Letečtí konstruktéři a inženýři mají navíc relativně málo zkušeností s raketami ve srovnání s jejich miliardami hodin zkušeností s proudovými motory.

Ale rakety mají určitou vyrovnávací výhodu. Přestože hltají palivo, váží jen zlomek toho, co dělají plynové turbíny. Nejlepší proudové motory, které jsou nyní ve vývoji, generují asi 9krát větší tah než je hmotnost motoru. Naproti tomu i velmi těžký raketový motor vytváří poměr tahu k hmotnosti 50. Navíc se současnou technologií může pouze raketa dosáhnout rychlosti 25 Machů potřebné k překonání gravitace a vstupu na oběžnou dráhu Země. (Mach 1 je rychlost zvuku ve vzduchu – zhruba 740 mph, neboli 1200 kilometrů za hodinu.) I ten nejrychlejší proudový motor dýchající vzduch má rychlost jen asi 4 Mach.

Vstávání do divoké černé tamto

Komerčně úspěšné raketové letouny budou záviset na vývoji dvou klíčových technologií: spolehlivého, opakovaně použitelného raketového motoru a robustního systému tepelné ochrany, který zabrání poškození při opětovném vstupu. V obou případech jsou po ruce pokročilá řešení.

Američtí výzkumníci se soustředili na zlepšování komponentových technologií a pokročilých materiálů, nikoli na výrobu skutečných produktů raketových motorů. V bývalém Sovětském svazu však výzkumníci pokračovali ve vývoji rodin raketových motorů. Zejména sovětský program raketoplánů vedl k nové generaci pokročilých opakovaně použitelných raketových motorů poháněných petrolejem (tj. konvenčním leteckým palivem), vodíkem nebo kombinací obou. Například znovu použitelný RD-120, motor spalující petrolej vyvinutý jako motor horního stupně pro posilovač Zenit, byl certifikován svým americkým dovozcem Pratt and Whitney jako vhodný pro 10 letů plus dalších 10 po generální opravě.

Letečtí inženýři také uznávají, že systém tepelné ochrany na raketoplánu není vhodný pro skutečně robustní vozidlo. Přestože je raketoplán opakovaně použitelný, jeho tepelný štít se snadno poškodí. Navíc běžné povětrnostní podmínky, jako je déšť a prach hnaný větrem, tepelný štít poškozují. Po každém přistání musí raketoplán projít nákladnou a časově náročnou rekonstrukcí zahrnující toxické chemikálie a speciální postupy, aby se nahradily ztracené a poškozené destičky, aby mohla kosmická loď opět bezpečně vystoupat na oběžnou dráhu.

Úsilí NASA napravit tyto problémy přineslo působivé výsledky. Designéři mají mnohem širší výběr dlaždic, přikrývek, kovových povrchů a pokročilých kompozitů a keramiky, z nichž všechny mohou vytvořit raketové letouny nové generace schopné odolat větru a počasí, které by během několika minut sundaly z raketoplánu tepelný štít. Jeden z nových materiálů – tepelná ochranná deska AETB-TUFI-C vyvinutá výzkumným střediskem NASA Ames Research Center – přežil bez poškození zkušební let na F-15. Tento výsledek byl o to pozoruhodnější, že stíhačka proletěla bouřkou, která smazala barvu z jejího povrchu.

Takové pokroky posílily vyhlídky na stavbu opakovaně použitelného raketového letadla. Než se však takové řemeslo stane praktickým, zbývají další designové otázky. Za prvé, aby bylo možné využít biliony dolarů existující letištní infrastruktury, musí být raketoplán schopen vzlétnout a přistát konvenčním horizontálním způsobem.

Navíc raketový motor nejlépe funguje ve vakuu vesmíru; čím je vzduch hustší, tím více paliva musí raketa spálit, aby vyvinula stejný tah. Hustá vzduchová polévka v atmosféře také ukládá penalizaci odporu, což nutí raketu plýtvat obrovským množstvím paliva. Letadlo poháněné raketou tedy potřebuje nějaké jiné prostředky pohonu, aby je zvedlo ze země do horních částí atmosféry; jakmile raketa dosáhne okrajů atmosféry, mohla by se zapálit a pohánět loď do vesmíru.

Letečtí inženýři vyvinuli tři hlavní schémata, jak toho dosáhnout. V jednom je raketoplán připevněn k břichu proudového letadla, které startuje a letí do velké výšky. Poté raketoplán spadne, aby dokončil svůj let. Chuck Yeager použil tuto techniku ​​v roce 1947 k dosažení prvního lidského cestování nadzvukovou rychlostí.

V moderní variantě tohoto přístupu tryskové letadlo vleče raketoplán do velké výšky pomocí popruhu, podobně jako konvenční letadla vypouštějí kluzáky. Toto schéma je vyvíjeno v Kelly Space and Technology v San Bernardinu v Kalifornii. Letadlo Kelly’s Eclipse je taženo Boeingem 747 do výšky asi 14 kilometrů. Tam Eclipse spustí svůj raketový motor, odpojí se od vlečného lana a vystoupá asi do 150 kilometrů. Eclipse poté klouže na bezmotorové přistání.

Výhodou těchto dvou technik je, že samotný raketoplán potřebuje pouze jeden motor – raketu. Na druhou stranu každé vozidlo, které závisí na jiném letadle, aby jej vypustilo, má vážnou nevýhodu. Pokud například raketoplán přistane na špatném místě, bude muset počkat na přílet přepravního nebo vlečného letadla, než se znovu vznese. Kromě toho by vzlet v takové tandemové konfiguraci vyžadoval delší a širší dráhy než ty na stávajících letištích. Navíc pokud by se po odpojení od nosného letadla nerozsvítil raketový motor, raketoplán by byl pravděpodobně ztracen.

Naše společnost – Pioneer Rocketplane – upřednostňuje jiný systém pomoci při startu. Při přiblížení Pioneer by letoun Pathfinder vzlétl konvenčním způsobem a vyšplhal do devíti kilometrů s výkonem konvenčních proudových motorů s turbodmychadlem. Tam by se setkalo s velkým podzvukovým letadlem, jako je transportní KC-135 nebo Boeing 747, které by sloužilo jako létající tanker. Aby se připravila na druhou fázi letu, raketoplán by zakotvil s tímto tankerem a vysál z něj asi 290 000 kilogramů kapalného kyslíku. Takové přesuny jsou běžnou praxí ve vojenském letectví, i když pohybující se pohonnou látkou je spíše tryskové palivo než kapalný kyslík.

Po odpojení od tankeru by letadlo zapálilo svůj raketový motor a vystoupalo na 150 kilometrů, přičemž by dosáhlo rychlosti 12 Mach. Raketový letoun by pak putoval nad nejvzdálenější okraje atmosféry, přičemž během této doby by satelit připojený k horní části malé rakety stupeň by mohl být uvolněn k přenosu na oběžnou dráhu. Letoun by poté sestoupil zpět do atmosféry. Po zpomalení na podzvukovou rychlost by se motory s turbodmychadlem restartovaly a poháněly letadlo na přistávací plochu. Vzhledem k tomu, že by mohl vzlétnout z jakéhokoli středně velkého letiště, raketový letoun Pioneer by poskytoval velkou flexibilitu ve výběru místa startu a možností přerušení.

Jízda na raketoplánu pro zábavu a zisk

První věc, která mnohým lidem přijde na mysl při přemýšlení o raketových letadlech, je potenciál pro rychlé osobní cestování. I když tato možnost existuje, jiné aplikace slibují stabilnější tok příjmů a pravděpodobně se vyvinou jako první.

vypouštění družic: Navzdory zdravému byznysu s vypouštěním vládních a komerčních družic trpěl mezinárodní průmysl vypouštění do vesmíru v posledních dvou až třech desetiletích obdobím téměř úplné technologické stagnace. Většina nyní používaných odpalovacích systémů – včetně Delta, Atlas, Titan, Sojuz, Molniya a Proton – již létala ve víceméně ve své současné podobě v polovině 60. let. Zatímco v uplynulých desetiletích bylo zavedeno několik dalších systémů, jako je European Ariane, technologická vylepšení byla tak malá, že starší systémy jsou stále konkurenceschopné. V důsledku toho zůstávají sazby za přepravu ze zemského povrchu na oběžnou dráhu přibližně 10 000 až 20 000 USD za kilogram – stejně jako v 60. letech 20. století. Tyto trvale vysoké náklady vážně brzdí komerční rozvoj vesmíru.

Vytvoření nového vesmírného průmyslu

Vzhledem k tomu, že raketové letouny jsou krátkodobou technologií s širokým komerčním uplatněním, mělo by být možné financovat jejich vývoj především soukromými investicemi. Nicméně vývoj nových letových systémů vždy zahrnuje významné obchodní riziko, které by mohlo být zmírněno účastí vlády.

Odkaz na naši současnou éru jako vesmírný věk je nesprávné označení 10. let 20. století věkem vzduchu. S výjimkou armády svět skutečně nepocítil dopad letecké dopravy, dokud se tato technologie nestala rutinou, samozřejmostí a dostupnou pro více než jen pár elit. Stejně tak, pokud má nastat skutečný vesmírný věk, musí existovat trh pro technologii raketových vozidel, která bude podporovat výrobu součástí kosmických lodí ne v mnoha jednotkách nebo dvou, ale ve stovkách nebo tisících.

Výrobci těchto letadel budou muset začít používat výrobní metody běžné v komerčním letectví spíše než nákladné techniky malosériové výroby, které dnes dominují vesmírnému průmyslu. Navíc budeme potřebovat celosvětovou startovací infrastrukturu, která nebude podporovat stovky letů ročně, ale stovky letů denně. Jedinými dostatečně velkými trhy na to, aby stimulovaly investice do takové výrobní kapacity a spouštěcí infrastruktury, jsou doručování balíků na dlouhé vzdálenosti a přeprava cestujících.

Ze stejného důvodu, jako vojenská a poté poštovní letadla předcházela osobní letadla, budou nepochybně předcházet osobní raketové letouny vypouštění satelitů, vojenské rakety a raketové letouny s rychlým doručováním balíků. Nicméně jistě přijde den, kdy svět denně křižují tisíce raketoplánů, které budou sloužit obchodním a dovolenkovým cestujícím z New Yorku do Tokia – možná i na oběžnou dráhu.

skrýt