Obsah > Nosiče > SpaceShipOne > První let do výšky 100 km (L+K 8/2004)

SpaceShipOne dosáhl hranice kosmického prostoru

SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne
SpaceShipOne

Pro soutěž o Cenu X Ansari připravila společnost Scaled Composites podle návrhu konstruktéra Burta Rutana raketový letoun SpaceShipOne (SS1). Při jeho zkušebním letu se dne 21. 6. 2004 podařilo dosáhnout výšky kolem 100 km, což je uznávaná hranice kosmického prostoru. Letoun SS1 je hlavní součástí systému, se kterým chce Scaled Composites získat Cenu X, a proto bude zajímavé seznámit se nejprve podrobněji s jeho technickou koncepcí. Dále se budeme věnovat průběhu zkoušek.

Konstruktér Burt Rutan vyšel ve svém projektu z koncepce raketoplánu X-15 organizace NASA. Připomeňme, že raketoplán X-15 byl vynášen v závěsu pod křídlem upraveného bombardéru B-52 do výšek kolem 13,5 km. Zde byl odhozen a pak zapínal svůj raketový motor. S X-15 byly prováděny buď rychlostní zkoušky nebo dosahování vysokých výšek. Do výšky nad 100 km se s raketoplánem X-15 podíval zkušební pilot Joe Walker hned dvakrát. Dne 19. 7. 1963 vystoupal do výšky 106 km a při dalším letu dne 22. 8. 1963 dosáhl s X-15 rekordní výšky 108 km. Tím se Joe Walker zapsal do seznamu kosmonautů, ve kterém jsou uvedeni všichni, kteří vzlétli do výšek nad 100 km.

Podobně jako X-15 je i raketový letoun SS1 vynášen do výšek kolem 14-15 km pomocí nosného proudového letadla White Knight. Nosný letoun White Knight má rozpětí 25 m a je poháněn dvojicí proudových motorů J-85-GE-5 s celkovým tahem 34,3 kN. Letoun SpaceShipOne má rozpětí 5 m a je vyroben z kompozitního materiálu na bázi uhlíkových vláken. Posádka letounu SS1 je umístěna v tlakové kabině o maximálním průměru 1,5 m. K výhledu z kabiny slouží na 18 menších kruhových oken. Tím se sníží mechanická zatížení konstrukce letounu ve srovnání s velkým oknem. Okénka jsou rozmístěna tak, aby pilot měl dobrý výhled a v kterékoliv fázi letu mohl sledovat horizont. Z bezpečnostních důvodů jsou okénka zdvojená. Posádka nemusí mít kosmické skafandry. Kabina SS1 je podobná kabině nosného letounu White Knight. Do letounu SS1 může posádka vstoupit po jeho upevnění pod nosný letoun White Knight buď předkem kabiny, od které je oddělena její nosová část nebo vstupním poklopem na levé straně letounu. Po nástupu posádky je nosová část opět připevněna a SpaceShipOne je připraven k letu.

Na vrcholu suborbitální dráhy je letoun stabilizován stlačeným CO2. Před sestupem zvedne pneumatický systém zadní a boční části křídel opatřené výškovkami. Tím se zvýší aerodynamický odpor letounu a současně je let stabilizovaný celkem bez nutnosti použití řízení. Maximální teploty nepřesáhnou 260°C. Přesto jsou nosová část letounu, náběžné hrany křídel a výškovek pokryty tepelně izolačním materiálem.

SS1 je poháněn hybridním raketovým motorem. Palivem hybridního raketového motoru je kaučuk (polybutadien HTPB s polymerními řetězci zakončenými skupinou OH) a jako okysličovadlo je použit snadno dostupný N2O (tzv. "rajský plyn"). Okysličovadlo je umístěné v kompozitní nádrži, kterou si vyrobila společnost Scaled Composites. N2O je v nádrži ve zkapalněném stavu, ale rychle se vypařuje a tak může vstupovat do spalovací komory pod potřebným tlakem. To je výhodné, neboť tak odpadlo náročnější použití turbočerpadla pro jeho dopravu do spalovací komory. Jelikož se N2O rozkládá při teplotě nad 296°C, je s ním bezpečná manipulace. Pro zážeh motoru je třeba nejprve zahřát povrch paliva, který bude ohořívat a teprve pak dojde k vlastním zážehu vstřikem okysličovadla. Produkty hoření jsou ekologické, neboť jde o vodní páru, kysličník uhličitý či dusík.

Společnost Scaled Composites si vyrobila i spalovací komoru hybridního motoru, zakončenou zúžením pro montáž výtokové trysky. Tryska od firmy AAE Aerospace má ablativní pokrytí. Palivo pro motor, ventil pro přívod okysličovadla a vstřikovač vyvinula a dodává společnost SpaceDev, která převzala technologie hybridních raketových motorů od zaniklé společnosti AMROC, která se specializovala na vývoj hybridních raketových motorů. Přetížení za chodu motoru může dosáhnout po dobu 20 s hodnot nad 4 g, maximálně 5 g. Tah motoru ani jeho specifický impuls nebyly zatím zveřejněny.

Pro dosažení výšek asi 128 km se spalovací komora raketového motoru plní 272 kg kaučuku a do nádrže pro okysličovadlo se tankuje 1370 kg N2O.

Pro ovládání motoru má pilot dva spínače. První je bezpečnostní pojistka a druhým se spouští zažehovač. Kritické parametry motoru před startem a za jeho chodu jsou zobrazovány na displeji a současně monitorovány řídícím střediskem.

Použití hybridního raketového motoru pro pilotovaný suborbitální let je tedy premiérou. Úspěch s tímto typem motoru tak může zvýšit zájem o tento typ motorů. Motor je použitelný buď pro několik letů s krátkým chodem motoru neboť pro jeden let s dlouhým zážehem. Počítá se, že pro výškové lety bude vždy použita nová spalovací komora a tryska. To je v souladu s propozicemi Ceny X, které dovolují při přípravě k dalšímu letu kromě doplnění pohonných hmot ještě výměnu 10% suché hmotnosti dopravního prostředku.

Plán letu na suborbitální dráhu předpokládá, že po oddělení od nosného letounu ve výšce 15 km by měl být SpaceShipOne s tříčlennou posádkou urychlen raketovým motorem a po asi 60 - 80 s jeho chodu by měl dosáhnout rychlosti vyšší než trojnásobek rychlosti zvuku (3-3,5 M). Setrvačností pak vystoupá SS1 do výšky kolem 100 km. Tato část letu, kdy se posádka bude nacházet v beztížném stavu, potrvá 3 min. Po dosažení maximální výšky letoun přejde do návratové konfigurace s maximálním aerodynamickým odporem a začíná klesat. V této konfiguraci pokračuje let asi 1 min a po atmosférickém zbrždění pak letoun sklopí křídla do vodorovné polohy a pokračuje z výšky asi 24 km klouzavým letem po dobu 17 min. Přistání se uskutečňuje na téže dráze, ze které vzlétl White Knight se zavěšeným SS1. Doba celého letu měla trvat celkem 90 min.

Na projektu raketového letounu SS1 a jeho nosného letadla White Knight začal B. Rutan a společnost Scaled Composite pracovat v roce 2001. Ve svém úsilí byl podporován P. Allenem, spoluzakladatelem firmy Microsoft, který sponzoroval projekt více než 20 mil. USD. Dne 18. 4. 2003 byla novinářům na letišti v Mojave v Kalifornii představena sestava letadel White Knight a SpaceShip 1 a společnost Scaled Composites oznámila, že se pokusí o získání Ceny X. Pro provádění letových zkoušek dostal raketový letoun SS1 osvědčení od Federálního úřadu pro letectví (FAA) jako "experimentální výzkumný a vývojový kluzák". Letoun bude používán pro letové zkoušky a pro určení operačních nákladů. Není vyloučeno, že po odzkoušení se přistoupí k vývoji letounu pro až 10 osob, který bude pro kosmickou turistiku na komerční bázi výhodnější. Je zřejmé, že 10 mil. USD případně získané Ceny X cenu vývoje letounu nezaplatí, ale přinese společnosti patřičnou publicitu mezi veřejností, což umožní rychlejší návratnost investic. Po dalším zdokonalení technologií by jeden let na hranici kosmu mohl zájemce stát kolem 10 000 USD či méně.

Zkoušky letounu SpaceShipOne byly zahájeny v druhé polovině roku 2003. Dne 7. 8. 2003 vystoupalo nosné letadlo White Knight do výšky kolem 14 km, kde se odpoutal letoun SpaceShipOne. Odpoutání i další klouzavý let proběhly bez potíží, letový profil odpovídal výsledkům, získaným počítačovými simulacemi. Druhý klouzavý let byl uskutečněn 27. 8. 2003. Po odpoutání opět ve výšce 14 km se zkoušela návratová konfigurace letounu. Letoun do ní přešel asi ve výšce 13 km, přitom se jeho výškovky a odtokové hrany křídel nastavily do téměř vertikální pozice. K hladkému přistání letounu SpaceShipOne došlo 10,5 min po odpoutání od nosného letounu. Třetí zkouška klouzavého letu letounu SpaceShipOne se uskutečnila 23. 9. 2003. Stejně jako u předchozích dvou zkoušek seděl za řízením letounu SpaceShipOne zkušební pilot Mike Melvill. Cílem zkoušky bylo ověřování stability letounu v počáteční fázi volného pádu, měření dynamických napětí na konstrukci letounu po jeho oddělení a jeho manévrovací schopnosti. Kromě toho se testovaly podvozkové dveře, jejich těsnost ve velkých výškách a zdokonalený systém vysunování podvozku.

Zkouška začala odpoutáním letounu od nosiče White Knight stejně jako u předchozích pokusů ve výšce 14 km, ale v počáteční fázi klesání došlo k neočekávané nestabilitě, kdy se nos letounu začal zvedat a tak se zhoršily aerodynamické charakteristiky sestupu oproti počítačovým simulacím. Bylo proto nezbytné upravit zadní část letounu SS1 a po úpravách se dne 17. 10. 2003 přistoupilo k dalšímu klouzavému letu. Chování letounu SpaceShipOne bylo celou dobu zkoušky sledováno TV kamerou v reálném čase. Po zkoušce bylo konstatováno, že se úpravy letounu osvědčily. Dalším cílem zkoušky bylo testování systému zažehování hybridního motoru letounu, i když motor ještě za letu zažehnut nebyl. Pro jistotu se úpravy letounu SS1 zkoušely při klouzavých letech ze 14. a 19. 11. 2003. Jinak v tiskovém prohlášení společnosti Scaled Composites z 29. 11. 2003 byly dementovány pověsti o tom, že by se při příležitosti stého výročí letu bratří Wrightů měl uskutečnit první let letounu SS1 na hranici kosmu. Přesto však stále kolovaly spekulace, že by se letoun, poháněný hybridním raketovým motorem, měl v nejbližší době pokusit překonat rychlost zvuku.

Další, 7. zkouška, uskutečněná dne 4. 12. 2003 se podobala předchozím zkouškám, jen řízení převzal místo Mike Melvilla zkušební pilot Brian Binnie. Kromě toho byl za klouzavého letu uskutečněno kompletní přezkoušení pohonného systému, kdy hybridním motorem proudil chladný N2O. Tato zkouška naznačovala, že se skutečně blíží první motorová zkouška letounu SS1.

Nikoliv náhodou bylo pro první motorovou (celkově osmou) zkoušku zvoleno datum 17. 12. 2003, na které připadlo 100. výročí letu bratří Wrightů. Po odhození od nosného letounu White Knight nad pouští Mojave v Kalifornii ve výšce kolem 14 km zažehl pilot B. Binnie hybridní raketový motor a letoun SpaceShipOne začal strmě stoupat. Po 9 s již překročil rychlost zvuku. Po 15 s letu byl motor vypnut a letoun se pohyboval rychlostí kolem 1,2 M a pokračoval ve stoupání pod úhlem 60°. Letoun vystoupal setrvačností až do výšky asi 20,4 km a pak začal klesat. Pilot přestavil aerodynamické prvky letounu do tvaru s maximálním aerodynamickým odporem a v této konfiguraci klesal asi další minutu. Pak přešel opět do klouzavého letu a po 12 minutách zahájil přistání na přistávací dráze na Mojave. Přistání však nebylo úplně hladké. Po dosednutí na dráhu povolilo levé přistávací kolo podvozku a letoun vybočil z přistávací dráhy doleva a dráhu opustil. Naštěstí poškození letounu bylo malé a jednoduše opravitelné.

V každém případě se během tohoto letu podařilo dosáhnout plánovaného cíle, tj. vyzkoušení raketového motoru za letu a překonat zvukovou bariéru. To ocenil i sponzor tohoto projektu, Paul Allen.

Při druhém motorovém letu 8. 4. 2004 pak dosáhl SS1 dvojnásobné rychlosti zvuku a vystoupal do výšky 31,5 km. Společnost Scaled Composites též dne 1. 4. 2003 obdržela od Oddělení komerční kosmické dopravy FAA povolení k provádění suborbitálních letů na jeden rok. Třetí motorový let raketového letounu SS1 se uskutečnil dne 13. 5. 2004. Motor letounu pracoval 55 s a byl vypnut ve výši 45 km při rychlosti 2,5 M. Setrvačností pak letoun vystoupal do výšky kolem 64,4 km.

Po tomto letu se tedy dalo očekávat, že se při dalším letu uskuteční pokus o dosažení výšky 100 km, která je v podmínkách Ceny X Ansari stanovená jako minimální pro získání této ceny.

Skutečně události nabraly na tempu. Burt Rutan na rozdíl od minulých zkoušek tentokráte již vsadil na publicitu. V prohlášení, zveřejněném 2. 6. 2004 oznámil, že se pokus o dosažení výšky 100 km uskuteční 21. 6. Nemělo se však ještě jednat o jeden ze dvou letů v rámci soutěže, neboť letoun nenesl mimo pilota další dva cestující nebo jejich ekvivalentní hmotnost, ale šlo o další kvalifikační let letounu SpaceShipOne. Podle plánu se při tomto letu měl zkoušet kompletní let, který by se později měl zopakovat se dvěma pasažéry již podle soutěžních pravidel Ceny X Ansari. Plán letu předpokládal, že bude letoun SS1 vynesen nosným letadlem White Knight do výšky kolem 14 km, kde bude shozen. Po odhozu se zapne hybridní raketový motor letounu SpaceshipOne a letoun začne strmě stoupat pod úhlem 85°. Motor by měl hořet asi 65-80 s (maximální přetížení 3 g), což by mělo stačit k tomu, aby letoun pak setrvačností dostoupal do výšky asi 108 km.

Jak již bylo několikráte zmíněno, starty letounu White Knight se zavěšeným raketoplánem SS1 se uskutečňovaly z civilního zkušebního letiště v Mojave (Mojave Civilian Flight Test Center). Tohoto letiště používá ke zkouškám svého raketoplánu EZ-Rocket společnost XCOR Aerospace. Raketoplán EZ-Rocket je demonstrátorem technologií pro vývoj budoucího raketoplánu XERUS společnosti XCOR, který chce společnost XCOR v budoucnu využívat též pro kosmickou turistiku na suborbitální dráhu. Proto se manažer letiště Stuart Witt rozhodl požádat FAA o získání statutu civilního kosmodromu. Po překonání řady administrativních obtíží nakonec 17. 6. obdržel od FAA licenci k používání letiště v Mojave jako "kosmodromu pro horizontální starty vícenásobně použitelných kosmických lodí". Letiště v Mojave se tedy stalo prvním nefederálním kosmodromem (Mojave Space Port). Stuart Witt si od oficiálního přiznání statutu kosmodromu slibuje, že tak na letiště v Mojave přitáhne další komerční aktivity, spojené s civilní kosmickou turistikou.

Dne 21. 6. bylo tedy vše připraveno k předem oznámené zkoušce letounu SS1, v pořadí již patnácté. Kolem startovní dráhy č. 30 civilního kosmodromu v Mojave se shromáždilo desetitisíce diváků, aby mohli sledovat tento historický let s cílem dosažení kosmického prostoru soukromým dopravním prostředkem. Pokus začal po východu Slunce v Mojave (13.47 UT), kdy pilot Brian Binnie, který řídil nosný letoun White Knight se zavěšeným SS1, odstartoval. S letounem White Knight odstartovaly ještě doprovodné letouny, dokumentující jeho let. Nosnému letounu trvalo asi hodinu, než vystoupal do výškové hladiny 13 800 m, ve které byl plánován shoz letounu SS1. Po většinu doby, po kterou nosný letoun stoupal do plánované výšky shozu, neměl pilot SS1 Mike Melvill toho mnoho na práci. S přípravami k vlastnímu letu SS1 začal, až když dosáhl nosný letoun výšky 12 900 m. Nastavil aerodynamické prvky letounu a jeho vyvážení tak, aby zajistil správnou orientaci letounu při zapnutí jeho raketového motoru a odstranil plombu bezpečnostní pojistky, zabraňující předčasnému startu. Po krátkém odpočítávání byl letoun SS1 odhozen ve 14.50 UT. Hned po shozu sepnul Melville téměř součastně bezpečnostní pojistku a spínač zažehovače motoru. V okamžiku zážehu motoru dosáhlo přetížení hodnoty asi 4 g, které pilota vtlačilo do sedačky. Téměř současně začal letoun vykazovat určitou nestabilitu a začal se otáčet doleva asi o 90°. To se při předchozích motorových letech nestalo. Pilot zareagoval téměř okamžitě, letoun zastavil otáčení, ale stále byl nestabilní a měl tendenci otáčet se doprava. V těchto chvílích pilot váhal, zda by neměl motor vypnout. Podařilo se mu však letoun stabilizovat a orientovat jej do téměř vertikálního stoupání. Během stoupání ještě slyšel pilot zvláštní ránu z oblasti motoru. (Po letu se nejprve myslelo, že rána byla způsobena zjištěnou deformací krytu překrývajícího napojení trysky k motoru. Později se zjistilo, že došlo ke chvilkovému ucpání trysky motoru kusem pohonné látky, která se za chodu motoru odloupla). Zbytek letu probíhal klidně až do okamžiku, kdy byl spotřebován již všechen kapalný N2O a v nádrži byl již jen plynný N2O. Tah motoru začal oscilovat a pilot se v tom okamžiku musel soustředit na udržování letounu ve správném kurzu. Motor hořel 76 s a po skončení jeho činnosti se SS1 nacházel ve výšce 54 km a pohyboval se rychlostí 2,9 M. Setrvačností pak letoun pokračoval až k vrcholu své dráhy. V této části letu došlo k selhání jednoho z ovladačů vyvažování letadla, což znovu vedlo k rotační nestabilitě letounu. Naštěstí byl k dispozici záložní systém ovládání vyvažování a tak bylo možné uvést letoun na sestupné části dráhy do správné orientace, kdy bylo třeba otočit konce křídel o 65° vzhledem k ose trupu, což je návratová konfigurace s maximálním aerodynamickým odporem. Při návratu působilo na pilota přetížení až 5 g. Ve výšce kolem 17 km pak pilot změnil konfiguraci letounu opět do tvaru kluzáku. Sestup pak již proběhl bez problémů a Melvill mohl po 20 min vychutnávat klouzavý let zpět na kosmodrom v Mojave. SS1 přistál na dráze č. 30 více než hodinu (v 15.14 UT) po zahájení letu.

Po přistání se Mike Melvill podělil s novináři o své dojmy z letu. Zaujal ho pohled na barevnou Zemi se světle modrou barvou jejího zakřiveného horizontu, který kontrastoval s tmavou oblohou. Během asi 3,5 minuty, co se nacházel v beztížném stavu, sledoval, jak se kolem něj vznáší čokoládové bonbóny v pestrobarevných obalech, které si sebou vzal do kapsy kombinézy.

B. Rutan ocenil Melvillovy zkušenosti, které mu umožnily zvládnout vzniklé obtížné situace a tak dotáhnout let do úspěšného konce. Pro problémy s rotační stabilitou letounu SS1 v počátku motorického letu, které nedovolily ihned stoupat v optimálním úhlu, se nepodařilo dosáhnout plánované výšky 108 km. Dosažená výška 100,12 km však dostačuje k tomu, aby se Melville stal novým kosmonautem. K tomu mu hned blahopřál Buzz Aldrin, který ho uvítal v klubu astronautů.

Než se podařilo M. Melvillovi zvládnout rotační nestabilitu v maximu dráhy, dostal se SS1 mimo plánovaný kurs letu a tak vstoupil do atmosféry s odchylkou asi 35 km. Ovšem letoun SS1 byl schopen v průběhu klouzavého letu tuto odchylku zkompenzovat a přistát na letišti v Mojave, odkud se k letu startovalo. B. Rutan dále konstatoval, že nejzávažnějším problémem letu bylo selhání ovladače vyvažování letounu. Potrvá patrně ještě nějakou dobu, než se provede analýza této poruchy. Podle toho se rozhodne, bude-li další let SS1 ještě další zkouškou nebo zda se již poletí v rámci letu o Cenu X. Zdeformovaný kryt výtokové trysky nepovažuje B. Rutan za tak důležitou záležitost. Při tomto letu se poprvé použilo větší trysky a kryt měl za úkol pouze trochu zlepšit aerodynamiku letu.

Po letu přicházela další blahopřání, mezi jiným od NASA ústy jejího generálního ředitele S. O´Keefeho a astronauta M. Finckeho z paluby Mezinárodní kosmické stanice. Předseda Ceny X Ansari Peter Diamandis ocenil tento let jako zahájení nové éry kosmického cestování, které se tak stane dostupné širší veřejnosti.


Elbert L. "Burt" Rutan (61 let) V roce 1963 ukončil studia leteckého inženýrství na Kalifornské technické universitě, potom pracoval na projektech USAF na základně Edwards AFB. V roce 1974 založil vlastní leteckou továrnu, ve které vznikla řada zajímavých letounů včetně známého letadla Voyager, vyrobeného z kompozitů. S letounem Voyager jeho bratr Richard a Jeana Yeagerová oblétli bez přistání a tankování paliva svět za 9 dní. V roce 1982 založil společnost Scaled Composites, ve které je dodnes generálním ředitelem. Jeho letecké konstrukce byly oceněny řadou cen a medailí.

Michael W. Melvill (63 let) Je zástupcem generálního ředitele společnosti Scaled Composites a současně jejím zkušebním pilotem. Jako zkušební pilot má nalétáno na 6950 letových hodin na různých typech experimentálních letounů. Sám je konstruktérem dvou modelů letadel, která si sám zalétal. V roce 1999 byl oceněn za svou práci na výškovém letounu Proteus.

Brian Binnie Je obchodním manažerem a zkušebním pilotem společnosti Scaled Composites. Vystudoval letecké inženýrství a má licenci dopravního pilota. Nalétal na 4600 letových hodin.

(lek)

Publikováno v časopise Letectví a kosmonautika 80 (2004) č. 8, s. 720.


Aktualizováno : 10.02.2006

[ Obsah | Rakety a kosmodromy | SpaceShipOne | Doprovodná PPT prezentace (14 MB) | X Prize ]

Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.