forum.kosmonautix.cz

Ahoj všem,
začínám nový seriál, který plánuji vydávat na blogu a dnes bych sem dal první díl.
Budu rád když se k tomu vyjádříte, abych věděl zda pokračovat.

X-Planes / Dělníci kosmonautiky

V historii techniky známe pár obdivuhodných strojů, které posunuly člověka za nové hranice poznání. Dá se říct, že za každým takovýmto strojem stála v pozadí celá řada menších strojů, které svou tichou, ale vytrvalou činností dávaly základ právě pro budoucí legendy. Tyto stroje se většinou skrývaly za nic neříkajícím X a člověk mohl pouze tušit, že nejde i nic běžného. Jakoby samotné určení X-plánů přitahovalo, protože několik ze slavných astronautů prošlo právě službou u těchto létajících aparátů.



Úvod

Po druhé světové válce pokračoval vývoj nově objevených technologií, ať už z domácího výzkumu, či z kořistních programů získaných v poraženém Německu. V padesátých letech se otevíraly nové a nové dveře vývoje techniky, které přinášely i nejeden problém. Alfou a omegou všeho byl především vývoj zbraňových systémů v nově vyvíjené oblasti raket a raketových pohonů. Tato technologie přinášela neuvěřitelnou možnost, z pohledu armády, dopravit na území jakéhokoliv protivníka bojovou hlavic, a jelikož se bavíme o době padesátých let, tak se jedná hlavně o studenou válku mezi USA a SSSR. Právě vývoj balistických raket, které by byly schopny donést bojovou hlavici na velkou vzdálenost, otevíral nové otázky, co se týče dopravy, ale i přežití nákladu při opětovném návratu do atmosféry. Návrat do atmosféry patří k velmi náročným manévrům, který klade velké požadavky na techniku v oblasti namáhání konstrukce a tepelného zatížení. Jednou z hlavních otázek bylo přežití bojových hlavic při návratu do atmosféry, zde se ukazovalo, že zásadní bude jejich tvar. Start mimo zemskou atmosféru i návrat zpět do ní je v podstatě ukázkou brutální síly v kombinaci s přesností nutnou pro zasažení cíle na velikou vzdálenost v autonomním režimu. Otázkou dynamiky a termodynamiky návratových těles se začal v padesátých letech zabývat inženýr Harvey J. Allen, budoucí ředitel Ames Research Centre. U štíhlého tvaru, podobného kulce, který byl zvažován pro nadzvukový let, bylo zjištěno, že by nepřežil intenzivní tepelné namáhání při návratu do atmosféry. Při výzkumu této oblasti H. J. Allen zjistil, že při použití„tupých tvarů“ se před tělesem tvoří rázová vlna, která rozptyluje teplo. Výhodou štíhlého tvaru je malý odpor, ale se zvýšením tepelného namáhání s, tzn. připojenou rázovou vlnou. U tupého tvaru je však rázová vlna oddělená a rozptyluje tepelné namáhání, i když s větším odporem, než je tomu u štíhlého tvaru. Toto zjištění vlastně umetlo cestu dál pro návrhy ablativních tepelných štítů. Na své teorii tupého tělesa spolupracoval H. J. Allen spolu s Alfredem J. Eggarsem, kterého přivedla teorie na další myšlenku ke tvaru těles, kdy při úpravě tělesa s tupým tvarem do vhodné podoby může generovat určitý vztlak a v podstatě ze sebe udělá vztlakové těleso, u kterého stačí přidat řídící plochy a může být řízeno na sestupu atmosférou. Dá se s klidem říct, že tyto výzkumy a následující vývoj v této oblasti otevřel dveře i pro budoucí americký raketoplán. Zajímavostí je, že objev H. J. Allena a A. J. Eggerse byl zpočátku považován za vojenské tajemství, ale roku 1958 byl nakonec publikován.

Velkou výzvou bylo navrhnout stroj, který bude schopen i s posádkou přežít návrat do atmosféry, kdy na konstrukci takového stroje měly vliv tři základní faktory:

1/ Intenzivní tepelné namáhání vzniklé třením stroje o atmosféru  

2/ Vysoké zrychlení s výsledným zatížením G při rychlé ztrátě rychlosti během sestupu

3/ Výběr a řízení počátečního vstupního úhlu do atmosféry, který určuje tepelné a G zatížení

Z toho vyplývá určitá směs kompromisů, kterou museli konstruktéři volit pro danou oblast techniky s ohledem na účel.


Koncepty tvarů návratových těles

V padesátých letech bylo provedeno několik teoretických studií vztlakových těles pro návrat do atmosféry s možností řízení. Většinou se však jednalo o studie či maximálně testy ve větrném tunelu a samotným hardwarem se až do roku 1957 nikdo nezabýval. Prvním z programů, který došel do vyšší fáze rozpracovanosti, byl program X-20 Dyna Soar. Díky atmosféře padesátých let nebyl problém u USAF prosazovat alternativy k balistickým raketám a jejich nákladu, protože samo letectvo si uvědomovalo potenciál řízeného tělesa s možností přistání na domovské základně. Obecně se dá mluvit o dvou vznikajících ideových proudech v rámci USAF, zabývajících se vztlakovými tělesy. Prvním proudem, byla divize ARDC (Air Research and Development Command) inklinující k projektu BOMI od Bell Aircraft, ze kterého vzešel následně Dyna Soar a druhým proudem byla divize SSC (Space Systems Command), která se přikláněla spíše k Eggarsově řešení označeném jako M1. Obě tyto divize si notně konkurovaly, což bylo vidět už v době X-20 versus SAINT II. Nutno dodat, že projekty obou divizí byly podobné a jednalo se především o řízené těleso schopné operovat ve vesmíru, především průzkum či ničení nepřátelských satelitů, s řízeným návratem na základnu pomocí klouzavého letu. Jednou ze zajímavostí je, že SSC zahrnula v roce 1961 svůj koncept vztlakového vesmírného tělesa i do návrhu prvního výstupu na Měsíc v rámci programu LUNEX. Ve vesmírném závodě, který se naplno rozhořel mezi USA a SSSR, panovala v USAF všeobecná obava z převahy sovětů a bylo jasné, že bude nutné zrealizovat technologicky náročný úkol v dobývání vesmíru, aby svět, a hlavně SSSR pochopil, kdo má jasnou převahu. V projektu LUNEX se jednalo o start dostatečně silné rakety schopné vynést kosmickou loď k Měsíci, vztlakové těleso podobné M1, kde by došlo k tzv. přímému sestupu, tedy přistání na povrchu Měsíce bez předchozího rozdělení na dvě samostatné lodě, následovaného při návratu z povrchu opětovným spojením. Tedy přímé přistání jedné kosmické lodě, která se nakonec vrátí zpět na Zemi. Projekt LUNEX, z roku 1958, předpokládal přistání na měsíci do roku 1968 s postupnými fázemi zakončených základnou pro dvacet jedna kosmonautů.


LUNEX

V dalších pokračováních se budeme postupně věnovat jednotlivým x-plánům.

Posílám další pokračování. Tentokrát to budu v rámci jednoho článku dělit na více částí.

X-Planes / Dělníci kosmonautiky



Legenda. Tímto jediným slovem lze popsat hypersonický letoun X-15, který doslova otevřel a prošlapal cestu dalším programům, mířícím za hranice naší atmosféry. Na tomto letounu létali špičkoví zkušební piloti, kteří po překročení hranice se vzduchoprázdnem, na malý okamžik, získávali statut pilota-astronauta. Na letoun vzpomínají piloti s láskou, ale zároveň přiznávají, že létání s ním bylo pro namáhavé řízení a přetížení velkou dřinou a dle slov zkušebního pilota Milta Thompsona, to bylo jediné letadlo, u kterého byl rád, že zhasnul motor. Jeden z pilotů, který měl tu možnost sedlat tento stroj, byl i budoucí první člověk na Měsíci – Neil Armstrong.

X-15 1/4

V polovině 40. let dvacátého století se výzkumníci začali zajímat o hypersonické rychlosti letů. V této době se jednalo spíše o teoretickou rovinu a vědci neměli k dispozici ani potřebnou techniku. Druhá světová válka, ale změnila běh událostí a nyní se s nadějí začalo hledět k raketovým motorům, získaných v Německu po válce. I přes nové technologie se vědci domnívali, že takovýto let bude spíše doménou bezpilotních střel než pilotovaného stroje. Překlad technické zprávy německých vědců Eugena Sangera a Irene Bradt tento názor však úplně změnil. V této zprávě se uvádělo, že raketově poháněné hypersonické letadlo by bylo možné postavit i s tehdejší technologií. Z počátku nebyl až takový zájem ze strany civilního nebo vojenského sektoru o takovýto letoun, i když stále rostlo množství názorů podporující tento nový, neprobádaný směr. První vlaštovkou měnícího se názoru bylo usnesení NACA z roku 1952, kde se píše, aby byla zvýšena podpora programů bezpilotních a pilotovaných letů v horních vrstvách atmosféry, ve výškách mezi 22 km a ž 90 km, při rychlostech 4 až 10 Machů. Dalším krokem byl vznik skupiny zabývající se identifikací strukturálního ohřevu konstrukce, jako zásadního problému, který musí být vyřešen. Na samotný ohřev konstrukce bylo pohlíženo jako na jakousi bariéru trvalejšího hypersonického letu. V té době běžel i program vývoje ICBM (InterContinental Ballistic Missiles), u kterého bylo možné pohlížet na raketové motory, které by poskytly dostatečný tah pro dosažení hypersonické rychlosti. Byl to počátek zcela nové techniky, kterou do té doby nikdo nekonstruoval, a tak vznikalo stále více otázek okolo konstrukce. Roku 1954 proběhlo setkání vnitřních výzkumných laboratoří NACA, na kterém se došlo k závěru, že bude třeba zcela nový stroj pro hypersonický let s posádkou a bylo doporučeno, aby se každé výzkumné středisko pod hlavičkou NACA vyjádřilo v podrobné zprávě k tomuto tématu. Nejhlouběji se touto problematikou zabývali ve výzkumném středisku v Langley, kde měli největší zkušenosti s hypersonickými studiemi. Právě v Langley byl v provozu, od roku 1947, větrný tunel, ve kterém se stanovovaly limity hypersonického letu a zkoumal fenomén tepelné bariéry.

U tepelné bariéry se krátce zastavíme. Jedná se o oblast mezi supersonickou a hypersonickou rychlostí, ve které se začínají nepříznivě projevovat vlivy aerodynamického ohřevu. během obtékání letounu dochází v určitých místech ke zbrzdění proudu vzduchu až na nulovou hodnotu a tím se pohybová energie přemění na tepelnou energii.

V Langley se nezabývali pouze hlubší studií nového letounu. Paralelně s touto studií se věnovali i materiálové části nové konstrukce. Výsledkem studie z Langley byl koncept letounu pro hypersonický let, u kterého byly zahrnuty i výhody vypouštění letounu za letu z podvěsu nosného letounu, jako tomu bylo u X-1, který ukázal vhodnost tohoto řešení. V roce 1954 byla aerodynamika hypersonických rychlostí v plenkách a omezený počet větrných tunelů byl určen především pro studie mechaniky kapalin, navíc nebyly schopny simulovat prostředí s vysokými teplotami při obtékání či vysoké R číslo. Výsledkům z těchto tunelů nebylo plně důvěřováno, a tak získal budoucí letoun nelehkou úlohu jakéhosi mostu mezi laboratoří a skutečným letovým prostředím.



V Langley navrhly dva typy letových profilů pro zkušební lety. První zahrnoval konstantní výšku s různými úhly náběhu, manévrovací lety pro výzkum aerodynamicky a termodynamiky. Druhá varianta ovšem zahrnovala výzkum řízeného letu nad hranice atmosféry pomocí dlouhého skoku, a právě druhá varianta letového profilu byla vnímána velmi kontroverzně. Z jiného úhlu pohledu, šlo hlavně o návratový manévr, který byl vnímán jako hlavní problém řízeného letu z hlediska pilotáže a ohřevu konstrukce. Každá nová odpověď přinášela množství dalších a složitých otázek. Bylo nutné přemýšlet i nad stavem beztíže, který nastane při druhém letovém profilu, nad vlivem beztíže na práci pilota a v neposlední řadě nad řízením letounu v prostředí, kde tradiční aerodynamické řídící plochy již nefungují. Zmínil jsem jistou kontroverzi druhého letového profilu, který vycházel především z názoru, že řízené lety do vesmíru jsou vlastně písní budoucnosti, a to až minimálně v 21. století a tím pádem by měl takovýto nápad vyškrtnut z programu.

Jeden z problémů, který bylo třeba řešit, než se letoun dostane do stavu beztíže, byl problém letové nestability při určitých rychlostech, se kterým se už setkali piloti letounů X-1 a X-2 při nižších rychlostech, než jaké se plánovali u X-15. V Langley provedli několik měření v tunelech na základě dat dostupných právě z předchozích programů X a došli k závěru, že bude nutné použít pro nový letoun velký vertikální stabilizátor s jiným profilem, místo do té doby používaných užších profilů. Charles H. McLellan, vedoucí výzkumné skupiny v Langley, navrhl řešení v podobě stabilizátoru s tvarem klínu o 10°, který byl posléze doplněn o varianty s proměnným nastavením, podobné jako měnitelná geometrie křídel, pro obnovu řiditelnosti při vysokých hodnotách rychlosti – tedy stranové stability. Do stabilizátoru byly zabudovány i aerodynamické brzdy na odtokové straně pevné části stabilizátoru. Toto řešení vzdušných brzd může čtenář znát z dob raketoplánů, kde systém vycházel právě z poznatků letounu X-15.




Problému hypersonické konstrukce není málo. Kromě aerodynamické řiditelnosti bylo velmi důležité řešit i ohřev celé konstrukce, který nebyl nezanedbatelný. Ze studií vyplívalo, že letoun na své spodní části náběžné hrany křídla bude muset snášet teploty okolo 1093 °C, což vyústilo ve dvě varianty konstrukce. První z nich navrhovala konstrukci z klasického lehkého kovu, běžně používaném v letectví, s použitím tepelné izolační vrstvy nebo druhá varianta s použitím teplotně odolného materiálu v celé konstrukci, který zvládne přenos teplot v konstrukci. Roku 1954 byl v letectví, ale dostupný materiál, pro teploty do 650 °C, což bylo hluboko pod požadovaným limitem 1093 °C. Myšlenky chlazené konstrukce či tepelné absorpce do konstrukce však přinášely jeden, v letectví zásadní, problém v podobě neúměrného zvýšení váhy letounu. Řešením celého problému se ukázala být slitina kovu Inconel X, který poskytoval požadovanou tepelnou odolnost a po detailní termální a zátěžové analýze se ukázalo, že by měla stačit síla potahu letounu v rozmezí 1,27mm až 2,54 mm pro absorpci tepla. Termální analýza letounu také ukázala velké tepelné rozdíly mezi spodní a horní částí křídla, což bylo řešeno dělenou náběžnou hranou na segmenty. Po prvním letu musely být na dělenou náběžnou hranu, mezi spoje segmentů, přidány smykové dilatační spoje – spony, protože došlo k tepelné deformaci přilehlého potahu na odtokové straně této štěrbiny, která sama o sobě zajišťovala jistou volnost při tepelné deformaci a distribuci tepla dál. Díky segmentové náběžné hraně se podařilo odstranit i tepelnou destabilizaci konstrukce za náběžnou hranou, která snižovala torzní tuhost, protože ohřev náběžné hrany byl mnohem rychlejší než ohřev ploch za náběžnou hranou a to způsobovalo právě snížení tuhosti sekce.

Adan: Super, určitě pokračuj!

Zdenecek píše: 17.5.2023 18:31 Adan: Super, určitě pokračuj!

Mockrát děkuji.
Zítra vydám druhou část.

druhé pokračování X-15

X-Planes / Dělníci kosmonautiky
X-15 2/4



Celková studie přiměla NACA přijmout stanovisko, že je možné postavit letoun, který dokáže letět hypersonickou rychlostí. Na základě výsledků z Langley poslal Dr. Hugh L. Dryden, v červnu 1954, dopis generál-poručíkovi Donaldu Puttovi, ve kterém píše o zájmu NACA o nový hypersonický letoun pro dosažení oblastí rychlostí a výšek, do té doby nedostupných, a doporučuje, aby proběhla setkání zástupců NACA s USAF a SAB (Scientific Advisory Board), ke kterému generál Putt přizval i zástupce námořnictva. Při společné schůzce vyšlo najevo, že všechny přizvané organizace už v té době nezávisle pracovaly na svých vlastních studiích k podobnému letounu, ale nebyly s výsledky tak daleko jako vědci z Langley. V podstatě jedinou věcí, která byla ve zprávě Langley označena jako nedostatek, byla pohonná jednotka, raketový motor General Electric A3 Hermes, označený jako nevhodný pro uvažovaný letoun. Podle laboratoře pohonných jednotek - Wright Air Development Center WADC, nebyl motor navržen pro takovýto provoz, myšleno řízeného letounu, ale spíše pro střely. Dalším sporným bodem byla absence regulace tahu. Motor Hermes nebyl ani uvažován pro vícenásobné použití, díky použití ve střelách, a tak ani nebyl na tuto možnost testován. Nicméně tento nedostatek nenarušoval myšlenku studie o proveditelnosti projektu. ARDC (Air Research Development Centre) odsouhlasil návrh NACA 13. září 1954 a měl být zahájen projekt dle podkladů NACA, ale co bylo důležité, že i přes společný projekt NACA, USAF a NAVY byl letoun od začátku považován čistě za výzkumný, bez jakéhokoliv plánu použít letoun jako zbraňový systém. Z kraje listopadu roku 1954 pak bylo podepsáno memorandum mezi všemi začleněnými subjekty do projektu, aby mohlo začít společné financování. V memorandu byly i přesně určeny i sféry odpovědnosti a dohledu za jednotlivé fáze projektu mezi jednotlivé členy a stejně tak bylo jasně rozděleno i financovaní mezi jednotlivé členy s podmínkou, že každý člen bude mít svého pilota v programu. Celý projekt byl v memorandu označen jako „Objekt národního významu,,. Formálně byl USAF Project 1226 označen jako X-15, 17. ledna 1955. Po podpisu memoranda došlo k rozeslání dopisů s výzvou po letecké výrobce, aby předložili své návrhy na základě předložených parametrů od NACA. Soutěže se už zpočátku odmítly některé společnosti zúčastnit, např. Lockheed a Martin Marrieta, a jiné společnosti odstoupily v průběhu jednání, což způsobilo především stálé upřesňování dat k požadovanému projektu ze strany zadavatele, a nakonec zůstaly pouze společnosti Bell, North American, Douglas a Republic.

Zůstávala však ještě jedna nedořešená otázka, velmi podstatná, a to výběr motoru. Laboratoř pohonných jednotek WADC vydala seznam s možnými, použitelnými, motory pro letoun, který zahrnoval: Aerojet XLR73, XLR81, NA5400, XLR-10 (včetně variant až po XLR-30) a XLR8 s XLR11. Kontraktorům byla ponechána jistá volnost, co se týče motoru a bylo možné prezentovat, třeba i společně s výrobcem motoru, jiný vhodný typ motoru, který nebyl uveden v seznamu, ale splňoval zadané požadavky. Tato jistá volnost byla způsobena jistou obavou, že po vydání seznamu použitelných pohonných jednotek se okamžitě začnou ozývat další výrobci, protestující proti vyloučení jejich motorů.

Návrhy výrobců obdrželo USAF 9. května 1955 a mohlo se tím pádem rozběhnout kolečko posuzování návrhů jednotlivých výrobců napříč všemi odděleními NACA, USAF a NAVY. V případě NACA prošli návrhy jednotlivými výzkumnými středisky, která se samostatně vyjádřily k návrhům a sestavily žebříček ohodnocení od nejlepšího. Například střediska v Ames a v Langley se vyjádřily pro návrh North American, konečný verdikt za NACA byl tedy North American. Za US NAVY byl vybrán jako nejlepší koncept návrh od Douglase. Následovala schůzka USAF, NACA a NAVY, aby bylo rozhodnuto o vítězném návrhu, kde USAF a NACA prezentovala jako svou volbu North American, se kterým nesouhlasilo námořnictvo, ale jelikož nechtěli blokovat celkové rozhodnutí, odstoupilo od blokování hlasování a vítězem se stala tak společnost North American. Zajímavostí je, že se North Amercan stal vítězem i přes fakt, že jejich návrh značně překračoval původní rozpočet. Například nejlevnější nabídka od Bell byla za 36,3 milionu dolarů a nejdražší nabídka, tedy od North American, byla na 56,1 milionech dolarů. Nutno však dodat, že technický návrh NAA byl nejbližší k představě o novém hypersonickém letounu.

Samo udělení zakázky na vývoj a dodání experimentálního letounu se v případě NAA stalo ještě poněkud pikantní, když bylo USAF, 30. srpna, podána oficiální žádost o odstoupení z kontraktu! Vice prezident NA, Raymond H. Rice sdělil zástupcům USAF, že díky vítězstvím v dalších tendrech pro vývoj nového bombardéru a dálkového stíhacího letounu spolu se zvýšením úsilím ve vlastním vývoji na letounu F-107. Byla to nečekaná zpráva, NAA měla tolik práce najednou, že už neměla kapacity na další zakázku a nabízela dvě možnosti řešení. První z nich bylo přepracování harmonogramu inženýrských prací, ale to přinášelo posun programu o osm měsíců! V druhém řešení byla možnost bezplatného odevzdání údajů o návrhu do rukou USAF. Dne 12. srpna byla schválena první možnost, tedy prodloužení harmonogramu a tím bylo i umožněno NAA stáhnout svůj dopis odstoupení z kontraktu. Do 11. listopadu pak NAA zredukovala původní rozpočet z 56 milionů na 45 milionů dolarů.



Finální kontrakt byl podepsán 11. června 1956. V rámci kontraktu měly být dodány tři letouny X-15, provedena přestavba bombardéru B-36 na nosič, postavena maketa, dodán model pro měření v aerodynamickém větrném tunelu a kompletní pozemní obsluha. Datum dodání prvního kusu X-15 bylo stanoveno na 31. října 1958.



Opálení po letu 6.7M

Moc dobré čtení, tohle by si zasloužilo překlopit na blog!

vai777 píše: 18.5.2023 11:23 Moc dobré čtení, tohle by si zasloužilo překlopit na blog!

Souhlas

Pospíšil píše: 18.5.2023 11:25

vai777 píše: 18.5.2023 11:23 Moc dobré čtení, tohle by si zasloužilo překlopit na blog!

Souhlas

Díky pánové, takové pochvaly si vážím.
Na blog to půjde také, v trochu jiné formě, až dokončím X-15 a začnu pracovat na dalším X-plánu tak budu postupně vydávat.

Přidávám další pokračování o X-15. Do pátku snad stihnu přidat i část o motoru.

X-Planes / Dělníci kosmonautiky



X-15 3/4 Vývoj

Po podpisu kontraktu mezi North American Aviation a uskupením NACA, USAF, a NAVY zbývaly tři roky do dodání prvního kusu X-15, z celkových tří kusů. Ačkoliv dostala NAA obsáhlé podklady, které zpracovali ve výzkumném středisku v Langley, stále se nejednalo o nijak jednoduchou záležitost. K počátku vývoje letounu se váže i jedna, v té době pro mnohé nepochopitelná událost, spojená se zkušebním pilotem Scottem Crossfieldem, který opustil řady NACA a odešel právě k NAA. Pro mnohé to bylo naprosto nepochopitelné, přece jen se tím vyřadil z budoucích výzkumných letů. Sám Crossfield toho ovšem nikdy nelitoval a své rozhodnutí považoval za správné.


Scott Crossfield

„Jsem inženýr a vzděláním konstruktér. I když bych se rád podílel na výzkumném letovém programu, jsem přesvědčen, že můj vstup do vývoje X-1 a mé podněty přispěly ke zlepšení vývoje a tím pomohly k úspěchu programu X-15. Byl jsem u každého kroku, od koncepce, výkonnostní specifikace až po letový provoz.“

Nutno dodat, že za devět let společné cesty se dá říct, že X-15 bylo Crossfieldovo dítě. Pro příklad Crossfieldových podnětů do návrhu X-15 uvedu, že to byl on, kdo přesvědčil USAF o nepraktičnosti použití zapouzdřeného katapultovacího systému, vystřelovací kapsle, který zvyšoval cenu i váhu. Crossfield byl bezesporu nejvlivnějším pilotem letounu, ale nebyl jediný pilot, který v programu figuroval. Programu i vývoje se aktivně účastnili i původně vybraní piloti pro program, kteří se věnovali jednotlivě určeným systémům. Jednou z důležitých pomůcek programu byl simulátor, na kterém se mohli kromě výcviku studovat i různé problémy, u kterých se věřilo, že mohou představovat problémy. Byl tedy postaven simulátor s plně funkčním kokpitem a řídicím systémem, který jako celek putoval na leteckou základnu Edwards. Kromě vývoje samotného letounu musela NAA provést i vývoj výroby a montáže slitiny INCONEL X, použité v konstrukci letounu spolu s titanem.

Mezi zadavateli a NAA probíhalo několik společných schůzek, aby byli vždy vyřešeny zásadní otázky při vývoji. Jednou z hlavních otázek bylo uspořádání řízení, protože díky nutnosti aerodynamicky čistého křídla, nebylo praktické použití konvenčních křidélek a jejich pohony, které by mohli díky velikosti vystupovat nad profil, už tak úzkého křídla, a tím by musely dostat aerodynamické kryty, které výrazně naruší proudění a zvýší aerodynamický ohřev. Řízení bylo přesunuto na zadní horizontální plochy, které pracovali diferenciálně pro řízení klonění a symetricky pro řízení klopení, což umožnilo vyřadit křidélka a ponechat na křídle pouze klapky pro přistání. V angličtině je toto uspořádání označeno jako„Rolling tail“. Zkušenosti s tímto uspořádáním získala NAA ve svém projektu letounu YF-107 A. Co však dělalo NACA starosti, bylo použití vnějšího vedení instalací, zakrytého aerodynamickými kryty, podél nádrží v trupu, protože panovala obava z tvoření nežádoucích vírů, které by mohli ovlivnit vertikální stabilizátor. Bylo navrženo co nejkratší vedení, a to v prostoru před křídlem, což bylo testováno v několika větrných tunelech. Důvodem vedení po vnějším plášti bylo použití skořepinových nádrží na pohonné hmoty ve střední části a díky tomu už nebylo místo na ostatní instalace.  



Pro osvětlení skořepinové konstrukce. Jedná se o konstrukci, kde hlavní m prvkem je nosný potah, který přenáší namáhání. Potah je tedy hlavní konstrukční prvek, kde přepážky tvoří požadovaný tvar. Výhodou tohoto řešení je nízká váha, zvýšený vnitřní objem a vysoká pevnost.

Všechna měření, v aerodynamických tunelech s modely, vedly NACA k názoru, že je možné svolat průmyslovou konferenci, která se nakonec konala 25. až 26. října 1956, v Langley. Konference se kromě zástupců zadavatelů účastnili i zástupci několika univerzit a společně hodnotili výsledky. Jedním z bodů, byla podélná nestabilita způsobená vnějšími kanály pro vedení instalací, jak se obávala NACA. Díky jejich zkrácení došlo ke značnému zmenšení této nestability, což bylo testováno i v aerodynamických tunelech. Samo řešení s řízením letounu pomocí zadních ovládacích ploch, nebylo po vůli některým aerodynamikům, kteří by upřednostnili použití klasických křidélek a tím byl koncept NAA podroben dalšímu výzkumu, který ukázal, že rolling tail dokáže zajistit dostatečnou stranovou stabilitu. Měření v aerodynamických tunelech té doby, padesátých let, byla ještě stále ne zcela přesná a výsledky použité z programů X-1 a X-2 nebyly úplně použitelné pro program X-15. Dalším z bodů konference se stal aerodynamický ohřev a použitý materiál – INCONEL X, především jeho odolnost v jednotlivých letových fázích s velkým dynamickým a tepelným namáháním. Například náběžná hrana křídla, segmentově dělená, byla z bloku INCONELu, aby odolala teplotě 1093 °C a zároveň měla funkci i jako chladiče. Konstrukce byla tedy tvořena z INCONELU jako potahového materiálu titanové vnitřní konstrukce a dále pak byl použit v místech s předpokládaným velkým tepelným zatížením. Právě podrobná měření tepelného zatížení prokázala dostatečnou pevnost tohoto uspořádání.

Letoun byl plánován i pro malé skoky za hranice atmosféry, kde již tradiční aerodynamické plochy nefungují. Letoun musel být pro tento případ opatřen dvěma systémy řízení, zcela nezávislými. Obecně panovala i obava, jak budou zvládat pilotáž letounu při přetížení 5G, z pohledu použití klasického středového kniplu, což působilo nejistě vzhledem k přetížení působící na pilota a jeho končetiny. To vedlo konstruktéry k myšlence použití zdvojeného systému aerodynamického řízení, kdy byl letoun opatřen druhou řídicí pákou na pravém bočním pultu i s opěrkou pro stabilizaci ruky při přetížení. Toto uspořádání se měnilo i během provozu, na základě připomínek pilotů, kteří preferovali postupně čím dál víc boční řídicí páku a středový knipl byl nakonec vyřazen. Druhým systémem byly tzv. balistické trysky reaktivního systému, které zajišťovaly ovládání ve velkých výškách, na hranici s vesmírem. Řídicí páka tohoto systému byla umístěna na levém bočním pultu. Pro tento systém bylo v letovém manuálu speciálně uvedeno varování ke způsobu řízení. Při použití trysky reaktivního systému, si vyvolaný pohyb zachová svou hybnost i po návratu páky řízení do neutrální polohy a bude nutné provést pohyb proti tomuto pohybu, aby došlo k zastavení. Tato poznámka byla nutná, protože v době vzniku X-15 ještě nikdo neměl praktické zkušenosti v prostředí, kam se X-15 chystal. Celý tento systém byl důkladně zkoumán pro stanovení nejlepšího vztahu mezi řídícím tahem, silou, a pohybem řídicí páky. Další důležitou otázkou, bylo stanovení množství potřebných pohonných hmot pro reaktivní systém, který využíval jako palivo hélium. Inženýrům bylo od začátku jasné, že bude nutné věnovat systému stálou pozornost a piloti budou muset projít rozsáhlým výcvikem na simulátoru pro získání citu a návyků při řízení.



Vývoj přináší stále mnoho otázek k řešení a další z celé řady byla otázka zobrazení úhlu náběhu AOA (Angle of Attack) a bočního skluzu. Takové řešení musí být umístěno před letounem, aby nedošlo k ovlivnění od proudů vytvořených aerodynamikou samotného letounu, a musí odolat vysokému tepelnému namáhání tím, že bude v přední části, která je silně tepelně namáhaná. Řešením se stal systém známý jako Q-Ball. Jedná se o šestipalcovou (15,2cm) kouli z INCONELu ve špičce letounu. Systém je dvouosově hydraulicky poháněný s elektrickým řízením, kde na samotné kouli jsou 4 otvory. Každý pár připadá na jednu osu pohybu. Dva otvory tedy pro úhel AOA a dva pro úhel bočního skluzu. Snímané tlaky, které jsou rozdílné, prochází otvory v kouli k převodníkům, převádějící snímané rozdíly na elektrický signál pro zesilovač, který zesílí povelový signál pro hydraulický pohon. Hydraulický pohon následně nastaví kouli tak, aby došlo k vyrovnání tlaků na nulu. Zjednodušeně se vyrovná rozdíl mezi tlaky natočením koule do správného směru a tím získá pilot, prostřednictvím přístrojů, informaci o aktuálním AOA a bočním skluzu letounu, protože nastane rozdíl mezi kurzem letounu a vyrovnáním Q-Ball.


Q-BALL

Scott Crossfield, jak jsem uvedl na začátku, se významně zasadil o použití klasické vystřelovací sedačky, místo vystřelovací kapsle. Analýza nebezpečí letu ukázala, že vzhledem k vyčerpání paliva a nízkému aerodynamickému zatížení byl potenciál nehod v mezních rychlostech a výškách okolo dvou procent. Dřívější testy ukázaly navíc u systému vystřelovací kapsle, že jsou nestabilní a náchylné na rotace o velké úhlové rychlosti. Vystřelovací sedadlo bylo tedy použitelné do rychlosti M=4 a výško cca 37 km v jakékoliv poloze letounu. Při letech, kdy dochází k tepelnému zatížení konstrukce, je nutné i chlazení přístrojové části, tak i prostoru pro pilota. U X-15 se o toto staral tekutý odpařovaný dusík, kdy 98,5 % neseného množství připadlo pro chlazení přístrojového vybavení a zbytek pro pilota. V samotné kabině pilota mohlo být nanejvýš 65 °C, což byl teplotní limit zařízení na palubě. Pilot sám o sobě měl ventilovaný, přetlakovaný oblek, který zajišťoval kromě teplotního komfortu i přežití pilota, kdyby nastala porucha hermetizace kabiny.

Dodatek k vývoji X-15

X-Planes / Dělníci kosmonautiky
X-15 3/4 Motor

Srdcem každého letounu je motor, a právě nalezení vhodného motoru pro X-15 bylo problematické. Už v počáteční studii upozornilo středisko WADC (Wright Air Development Center), že nedostatkem je pohonná jednotka z původního návrhu NACA. WADC nevěřilo, že by momentálně byl dostupný vhodný motor, a i když bude přijat jakýkoliv motor, bude vyžadovat dostatečný čas k vývoji. WADC přesto vydala seznam motorů, které stály za zvážení, i když panovali obavy, že se okamžitě ozvou výrobci, jejichž motor nebyl uveden do tohoto seznamu. Celkový názor WADC na celou situaci byl takový, že by bylo nejlepší, aby odpovědnost za vývoj vybraného motoru převzal stát a následně poskytl tento motor dodavateli X-15 jako státem zařízené vybavení. Roku 1954 byly nastíněny základní požadavky pro motor, který měl být schopen bezpečného provozu v celém rozsahu letových podmínek bez jakýkoliv omezení. Nebyl kladen tak velký požadavek na životnost motoru, ale bylo zcela zásadní, aby motor byl schopen s proměnlivým tahem s opakovanými restarty. 



Vybraný motor nebyl nakonec ani v seznamu vydaném WADC. Během diskusí s firmou Reaction Motors byla však nastíněna možnost o použití většího motoru – XLR30. XLR-30 mohl být dle odhadů WADC vyvinut do dvou let s cenou okolo 5 milionů dolarů. Motor pro X-15 byl tedy oficiálně vybrán a s ohlášením vítěze soutěže o dodání X-15 s motorem XLR-30, byli informováni i v Reaction Motors. Po podpisu smlouvy s Reaction Motors, 1 prosince 1955, došlo k zajímavé situaci, kdy se náhle ozval zástupce úřadu pro letectví (BuAer), organizace spadající pod US NAVY. V dopise bylo uvedeno, že vzhledem k výběru motoru XLR-30, by bylo vhodné přenést odpovědnost za další vývoj právě pod US NAVY, protože organizace se vývoji tohoto motoru věnovala už tři roky. BuAer věřil, že bude schopen urychlit vývoj, ale jeho nabídka byla 3. ledna 1956 zamítnuta s odůvodněním, že odpovědnost za vývoj motoru převezme jediná agentura, aby vlivem střetu zájmu nedošlo ke zpoždění projektu. Dalším odůvodněním bylo, že BuAer podceňuje čas a úsilí, které bude potřeba k vývoji XLR-30. Dne 24. ledna 1956 obdržel WADC finální technický návrh motoru, který byl nyní značen jako XLR-99-RM-1. Motor XLR-99 měl být schopen měnit svůj tah v rozsahu od 66. 72 kN do 253. 55 kN ve výšce 12 km při použití kapalného amoniaku a kyslíku jako paliva. Regulace tahu měla probíhat regulací otáček turbo čerpadla. U kapalného amoniaku došlo k diskusi, zda by nebylo možné ho nahradit jiným druhem paliva, kvůli toxicitě při vysoké koncentraci, ale po zjištění, že by to znamenalo posun harmonogramu vývoje o dalších šest měsíců, byla tato otázka vyřešena. Při konferenci roku 1956 došel zástupce Reaction Motors k závěru, že vývoj XLR-99 bude obtížným úkolem, což se v budoucnu plně ukázalo.

Jedním z důležitých rozhodnutí, které bylo přijato bylo doplňování LOX pro X-15 přímo z nosného letounu, B-52, kde bylo možné zásoby LOX udržovat chladnější, než by bylo možné na palubě X-15 před startem. Navíc doplňovaný LOX z B-52 by ochlazoval ten, který je již v nádržích X-15 a snižoval by odpaření před startem. Dne 10. července 1957 společnost Reaction Motors oznámila USAF, že bude nutné, aby vláda přistoupila na devítiměsíční odklad a zvýšení rozpočtu z 15 milionů na 21 milionů, aby mohl být vyvinut motor splňující podmínky. Nutno dodat, že to nebylo poprvé a naposled, kdy Reaction Motors posunula harmonogram a požadovala navýšit rozpočet. Dne 11. prosince 1957 ohlásila totiž Reaction Motors další skluz, což ale už ohrožovalo celý program X-15 a tak byla společnost vyzvána, aby předložila podrobný harmonogram s možnostmi řešení. Finální harmonogram, který obdrželi v WADC, naznačil zpoždění o dalších pět měsíců s navýšením rozpočtu až na 34 milionů! USAF tedy doporučilo navýšit rozpočet a rovnou vybrat náhradní řešení, tedy provizorní instalaci pro první lety. Pro tento účel byl vybrán motor XLR-11, instalovaný ve dvojici v tandemu nad sebou. Toto všechno přitáhlo značnou pozornost ke společnosti Reaction Motors, kterou začali navštěvovat vládní delegace jako na běžícím páse. Během roku 1958 byl už vývoj celkem uspokojivý, i přes selhání motoru při kterém došlo k destrukci motoru, ale příčinou byly součásti, které již procházeli přepracováním. 



Test letové kvalifikace byl dokončen do 1. září 1959 a poté byl první motor dodán na základnu Edwards AFB. I přes dodání celkem desítky motorů stále přetrvávali jisté problémy v provozu, v čele s vibracemi v určitých výkonových hladinách nebo kratší životností komory, než se předpokládalo. Na těchto problémech se, ale neustále pracovali na zkušebních motorech, i na letových kusech. Pro zajímavost k tahu motoru uvedu, že NAA nepovažovala odpor letounu za tak důležitý faktor, jako by tomu bylo u klasického proudového letounu. Tento přístup byl způsoben především velkým přebytkem tahu motoru, kdy 10 % stačilo na překonání odporu, 20 % na překonání samotné váhy letounu. Zbylých 70 % tahu bylo pro samotnou akceleraci X-15.