Gamma č. 068 (Měsíční dobrodružství (VII.))

Autor: Jarda Pecka <gamma(at)oranzovestranky.cz>, Téma: Měsíční dobrodružství, Vydáno dne: 16. 02. 2006

Měsíční dobrodružství (VI.), poč. raketových letů (III.) - raketoplán X-1

Po skončení války v Evropě agenti vítězných mocností - Sověti a Američané - posbírali v Německu ve svých okupačních zónách německou raketovou techniku i experty a odvezli je do svých vlastních vývojových středisek. V Sovětském svazu tamní odborníci kolem Sergeje Koroljova vytěžili ze zajatých Němců maximum informací a brzo už pracovali bez jejich pomoci; raketový výzkum měl v SSSR tradici už od dvacátých let.



Raketoplán X1(klikni) Palubní deska(klikni) X1 pod nosičem(klikni)

Ve Spojených státech se na zkušenosti německých raketových konstruktérů spoléhali mnohem déle - a Wernher von Braun, který se stal šéfkonstruktérem nejsilnější rakety v historii, dovedl Američany až na Měsíc. K tomu ale bylo koncem čtyřicátých let ještě hodně daleko, a nejdřív musela americká raketová technika projít zajímavou mezihrou v podobě několika typů raketoplánů.


V roce 1941 americký NACA ("National Advisory Comittee for Aeronautics" - "Národní poradní výbor pro letectví", předchůdce NASA, který pracoval v letech 1917-1958) navrhl výstavbu vysokorychlostního letadla pro výzkum chování velmi stlačeného vzduchu, s cílem dosáhnout subsonických a eventuálně i supersonických rychlostí. Projekt byl zpočátku označen MX-524 a později MX-653; když se brzo ukázalo, že půjde o stroj zcela převratné koncepce, typové označení bylo ještě v témže roce změněno na XS-1 (eXperimental Supersonic contract #1). V roce 1948 americké letectvo změnilo systém typového značení a imatrikulace byla už definitivně přepsána na prosté X-1, pod kterým je celý projekt znám dodnes.


Raketoplán X-1 byl štíhlý středoplošník s ostrou přídí, dlouhý 9.4 m a o hmotnosti 5800 kg, z čehož téměř polovinu představovalo palivo. Malé, ale mimořádně čiperné letadélko mělo brzo předčit všechny své velké bratry. Klíčem k jeho fenomenálním výkonům byl primitivní čtyřkomorový raketový motor poháněný tekutým kyslíkem a alkoholem. Motor neměl žádnou možnost regulace, bylo pouze možno individuálně zapalovat a zhasínat jednotlivé komory. Zásobování spalovacích komor palivem mělo původně zajišťovat turbočerpadlo, které se ale nepodařilo včas vyvinout; palivo bylo proto vháněno do komor stlačeným dusíkem, jehož nádrž však významně ubrala na prostoru použitelném pro skladování pohonných hmot, takže dvě tuny neseného paliva umožňovaly motoru pracovat po dobu maximálně 2.5 minuty; zbytek letu probíhal v klouzavém režimu. V důsledku tak krátkého trvání motorového letu raketoplán nemohl startovat ze země, protože by spotřeboval všechno palivo k samotnému vystoupání do operační výšky; X-1 byl proto vynášen do vzduchu zavěšen pod křídlem nebo v pumovnici obřího bombardéru B-29 (známého z konvenčních i atomových náletů na Japonsko za 2. světové války); ve výšce 7.5 km byly závěsy uvolněny, raketoplán se propadl do hloubky a pak teprve jeho pilot zapálil raketový motor a vyrazil vzhůru zpod přídě mateřského bombardéru. (V pozdějších fázích programu byl raketoplán vynášen novějším [ač také pístovým] bombardérem B-50 ? nezaměňovat za proudový B-52.)


Do kokpitu pilot nastupoval už na zemi, oděn do téměř kosmonautického obleku, a jakmile se bombardér se zavěšeným raketoplánem odpoutal od země, neměl jinou možnost návratu než se ve stanovené výšce od nosiče oddělit a se svým strojem samostatně přistát. X-1 neměl vystřelovací sedadlo (v zájmu úspory hmotnosti a z důvodů pochybností o proveditelnosti úspěšného vystřelení pilota při subsonických rychlostech) a nebyla připravena ani žádná metoda vystoupení pilota z kabiny za letu vzhledem k blízkosti náběžné hrany bombardéru ke krytu kabiny a nutnosti odmontovat předtím knipl (vnitřek raketoplánu byl mimořádně stísněný).


Raketoplán byl navržen pro extrémní aerodynamické podmínky v režimu prorážení zvukové bariéry; byl proto konstruován pro maximální manévrovací přetížení 18g (oproti 12g běžným u tehdejších nejlepších stíhaček) a místo obvyklé řídicí páky měl pilot ovladač ve tvaru H, aby při razantních zásazích do řízení v turbulentním subsonickém režimu mohl řídit letadlo oběma rukama.


První stroj byl firmou Bell Aircraft Corporation oficiálně předán 27. prosince 1945 na kalifornské letecké základně Muroc, kde probíhaly všechny následující zkušební lety; později následoval ještě druhý stroj. Prvních deset letů raketoplán absolvoval na jaře 1946 jako kluzák, ještě bez zamontovaného motoru, jen pro ověření letových vlastností. 9. prosince 1946 se uskutečnil první motorový let; X-1 při něm dosáhl rychlosti Mach 0.82 (letečtí znalci mi prominou formální nedbalost, s níž v zájmu stručnosti nesprávně používám Machovo poměrné číslo ve smyslu rychlosti) a prokázal, že raketový motor je přes vysokou náročnost obsluhy celkem bezpečný a spolehlivý. 29. srpna 1949 Charles "Chuck" Yeager s prvním prototypem posunul dosaženou rychlost na Mach 0.85. Když se o něco později při Mach 0.94 začaly projevovat účinky sílící zvukové bariéry, ukázalo se, že výškové kormidlo ztrácí účinnost a letadlo se při těchto rychlostech stává neovladatelným. Výškovka byla proto upravena a vůbec poprvé byla provedena jako plovoucí (s pohyblivou celou plochou). 14. října 1947 byl Yeager s tímto strojem vynesen do výšky 6300 m, kde po odhození z pumovnice B-29 dosáhl rychlosti Mach 1.06 (1120 km/h) ve vodorovném letu a jako první člověk překonal rychlost zvuku. Poprvé v historii letectví se vzduchem rozlehlo zahřmění sonického třesku a tajemná zvuková bariéra, v jejíž blízkosti několik dřívějších pilotů přišlo o život, se stala minulostí. (Mezinárodní letecká asociace neuznala tento ani žádný další rekord, dosažený s X-1 ani s dalšími raketoplány řady X, protože žádné z těchto letadel nesplňovalo základní kvalifikační požadavek ? start vlastní silou ze země.)


5. ledna 1949 Yeager provedl jediný pozemní start za celý program; X-1 vystoupal do výšky něco přes 6900 m, kde mu došlo palivo. 8. srpna 1949 Frank Everest při 125. letu programu po obvyklém vynesení do startovní hladiny dosáhl rekordní výšky 21.5 km.


V prosinci 1947 NACA objednal u Bell Aircraft Corp. čtyři další upravené prototypy (dodány byly nakonec tři), o 1.5 m delší a o 1200 kg těžší. První byl dodán stroj označený X-1D, jako jediný konečně vybavený turbočerpadlem paliva; byl však zničen při svém druhém letu, když ho posádka B-50 musela odhodit po explozi během výstupu do letové hladiny. Výbuchem na zemi byl 9. listopadu 1951 zničen i třetí stroj z původní série.


Se strojem X-1A (jedním ze tří dodatečných exemplářů) dosáhl Yeager 12. prosince 1953 dalšího rychlostního rekordu o hodnotě Mach 2.44 (2640 km/h) ve výšce 22.5 km. Během tohoto letu letadlo ztratilo ovladatelnost a propadlo se o 15 kilometrů, než ho Yeager znovu dostal pod kontrolu. Při jednom z dalších letů byl vytvořen výškový rekord v hodnotě 27 100 m; pak byl stroj vrácen do laboratoře NACA, kde se posléze stal obětí výbuchu během letu.


Yeagerův historický X-1 #1 se naposledy vydal do vzduchu 12. května 1950; během pěti let absolvoval 83 startů s deseti různými piloty. O tři měsíce později byl oficiálně vyřazen ze služby a předán Smithsonianskému muzeu ve Washingtonu. Posledním provozním exemplářem programu byl X-1B, který vzlétl 23. ledna 1958 na svůj 23. let.


Dvanáct let trvající výzkumný program přinesl neocenitelné množství informací o nebezpečných nástrahách nadzvukového letu i draze zaplacené zkušenosti s raketovým pohonem. X-1 prorazil zvukovou bariéru a otevřel cestu k hypersonickým rychlostem.


Při letech X-1 došlo k řadě dramatických situací, které několikrát skončily katastrofou. Jedna z velmi efektních příhod však neměla technické příčiny: při jednom z raných přízemních zkušebních letů se Yeager, blížící se zvolna k řídicí věži, ozval z kabiny raketoplánu: ?Dávejte pozor, vy tam dole, teď vám něco předvedu!? ?Nedělej vylomeniny, Chucku!? varoval ho letový řídící, ale Yeager byl rozhodnut nenechat si ujít příležitost k působivému kousku. Těsně před průletem kolem věže rázně přitáhl knipl a zapálil všechny čtyři komory. Raketoplán zvedl příď k obloze, raketový motor zaburácel plným tahem, ve věži všichni zatajili dech v němé hrůze, jak se za Yeagerovými zády v nádržích převalilo několik tun vysoce výbušného paliva, a X-1 poprvé vyrazil kolmo k obloze na ohnivém chvostu jako skutečná raketa. Doprovodná vrtulová stíhačka se marně snažila na plný plyn sledovat dravou siluetu ženoucí se s řevem do nebes; teprve když Yeagerovi po minutě došlo palivo, raketoplán pomalu sklonil příď k zemi, jak gravitace přemohla jeho kinetickou energii, a dlouhým obloukem zamířil k přistávací dráze. Letový ředitel běsnil, Yeager dostal přísnou důtku a málem byl suspendován. Nikdy později už si nic takového nedovolil, ale podle svých slov by těch několik desítek sekund nebyl vyměnil za nic na světě.

Přiložené fotografie

X-1: X-1 v motorovém režimu; pod fotografií je záznam letového tachografu z historického prvního nadzvukového letu
deska: z dnešního pohledu neuvěřitelně primitivní palubní deska X-1
podvěs: X-1 v podvěsu pod B-29, v tomto případě v pumovnici



Dopisy čtenářů

Pavel N.:

Re: Gamma056 , V-1 (příspěvěk k diskusi o malém přebytku rychlosti britských stíhaček pronásledujících střely V-1):
Moc pěkně je popsáno létání s Tempestem ve "Velkém cirkusu" (Claude Clostermann). Po stisku přepínače Emergency, tedy vstřikování vody do motoru, mohl Tempest ještě o dost zrychlit, takže byl schopen sledovat a sestřelit i Me-262. Jediný zádrhel spočíval v tom, že celková doba takového režimu mohla být asi jen jedna hodina, pak byl motor na odpis -- vzhledem k tomu, že tak ale bylo možné uniknout nepřátelskému útoku, se to určitě vyplatilo. Tato vymoženost byla celkem běžná u všech stíhaček s pístovými motory. Konkrétně u ME109 to byla směs vody s metanolem, doba funkce byla závislá na velikosti nádržky s lihem, která vystačila na asi 5 minut. Ta voda, případně podobné směsi ochlazovaly vzduch, nasátý do válců, čímž ho "zahustila" a vešlo se ho víc, expanze pak byla účinnější. Motory se ovšem dostaly za hranici parametrů, na které byly navrženy a životnost pak šla rapidně dolů.

Pavel V.: Re: Gamma062, U-2
Jak to letadlo bez bočních podvozkových koleček přistávalo? To pilot balancoval jako na kole?

V podstatě ano, podobně jako se přistává s větroněm. Však také U-2 s trochou nadsázky nebyl nic jiného než výkonný motorizovaný kluzák, a jelikož díky malé hmotnosti a relativně velké ploše velmi dlouhých křídel mohl přistávat malou rychlostí, při dosednutí na travnaté letiště nehrozila křídlům vážná škoda, ani když s nimi pilot trochu "škrtnul" o drny.

Honza K.: Mnohokrát jsem slyšel větu že jako paliva je použito hydrazinu, co je to vlastně za chemikálii?

Až je mi hanba, jak jsem si s touhle odpovědí dal na čas, ale nebylo to snadné. Hydrazinu jsem se pořád nemohl dostat na stopu, ani na internetu, ani v těch pár chemických učebnicích, co mi zbyly ze školních let, a tak mi nakonec pomohla až moje kamarádka Noemi z Mikrobiologického institutu ČSAV. Díky její trpělivosti, se kterou nedávno na jednom večírku vtloukala do mé natvrdlé hlavy zákonitosti chemických vazeb, si teď můžeme ten zpropadený asymetrický dimetylhydrazin postupně poskládat.

Na začátku je čpavek, jedna z nejjednodušších organických sloučenin. Atom dusíku (N, protonové číslo 7, tj. 7 elektronů v obalu) může být troj- nebo pětimocný, tj. může vytvářet společné dvojice vazebních elektronů s třemi nebo pěti sousedními atomy, podle okolností. V tomto konkrétním případě je dusík trojmocný (souvisí to s těmi všelijakými s2 p6 d10 atd. orbitálními elektronovými konfiguracemi, se kterými nás tolik mořili na středních školách, ale bez toho se pro tuhle chvíli obejdeme). Čpavek se tedy skládá z atomu dusíku, na nějž se váží tři (jednomocné) atomy vodíku: NH3. Strukturálně to vypadá nějak takhle:



Odtrhneme-li z molekuly čpavku jeden atom vodíku, atomu dusíku zbyde jedna volná vazba, tj. jeden volný vazebný elektron. Dva takové radikály -NH2 můžeme složit dohromady a dostaneme hydrazin: NH2 - NH2, neboli:



Dalším stavebním kamenem téhle skládačky je metan neboli CH4, nejjednodušší z uhlovodíků. Uhlík, základní prvek celé organické chemie, je v organických sloučeninách čtyřmocný; zde na sebe váže 4 atomy vodíku:



Odtrhneme-li z molekuly metanu atom vodíku, získáme další radikál s volnou vazbou: -CH3, metyl.

Na tomhle místě stojí za to udělat krátké odbočení do velmi populární oblasti chemie: kdybychom teď k metylu (-CH3) místo chybějícího vodíku přidali hydroxylovou skupinu -OH (dvojmocný kyslík s jednou vazbou na vodík a druhou volnou), získáme metanol neboli metylalkohol:



A když teď vodík vlevo nahradíme další metylovou skupinou, získáme etanol čili etylalkohol nebo prostě špiritus :-)



Ale zpět k hydrazinu:



a metylu:



Nahradíme-li na každé straně hydrazinového páru jeden vodík metylem, získáme symetrický dimetylhydrazin (předpona di- znamená, že metylové skupiny jsou dvě):



A když se obě metylové skupiny sejdou na stejné straně, vznikne asymetrický dimetylhydrazin:



No řekněte sami, není to fešák? Samé volné vazby snadno oxidujících prvků, to musí hořet jak fakule. Není divu, že tahle molekula je miláčkem každého raketového motoráře. Ostatně metanol a etanol, sloučeniny podobně ohnivého temperamentu, se ve starší raketové technice používaly také.