U klasických raketových motorů výtokové plyny opouští spalovací komoru vnitřkem výtokové trysky. U raketových motorů s tryskou tvořenou centrálním tělesem (tzv. aerospike) výtokové plyny vytékají ze spalovací komory po vnějšku centrálního tělesa a současně vstupují do volné atmosféry. Přitom je třeba si uvědomit, že výtokové plyny mají nadzvukovou rychlost vzhledem k okolní atmosféře, která se tak chová jako pružná stěna. Proto se předpokládá, že po startu rakety, vybavené touto tryskou, bude tlak okolní atmosféry podél dráhy rakety v rovnováze s tlakem vytékajících plynů, což by mělo přispět k optimalizaci formy vytékajícího proudu plynů. Očekává se tedy, že se po větší část dráhy rakety dosáhne vyšší účinnosti takového raketového motoru. U klasické výtokové trysky je maximální účinnost motoru jen v jednom bodě dráhy.

Výhody raketových motorů s výtokovými tryskami s centrálním tělesem byly zatím známy z teoretických analýz a ze zkoušek na zkušebních stavech. Prvním tělesem, využívajícím teoretických výhod raketového motoru s centrálním tělesem, měl být demonstrátor X-33. Demonstrátor X-33 připravovala organizace NASA pro zkoušení technologií pro vícenásobně použitelnou kosmickou dopravní loď, která měla v budoucnu nahradit kosmické raketoplány. Tento technologický demonstrátor měl být vybaven dvojicí motorů XRS-2200 s lineárním centrálním tělesem. Motory vyvíjela Rocketdyne Propulsion and Power Unit, patřící společnosti Boeing (viz http://www.astronautix.com/engines/xrs2200.htm).

Motor XRS-2200 je odvozen od zdokonaleného motoru J-2S, vyvíjeného v 60. letech minulého století pro zdokonalené rakety třídy Saturn (Foto 1). Motor je poháněn kapalným kyslíkem a vodíkem a má tah 1,192 MN. Specifický impuls v nulové nadmořské výšce činí 3390 Ns/kg. S motory XRS-2200 se prováděly zkoušky na zkušebním stavu Stennisova kosmického střediska v Mississippi od roku 1999. Při zkoušce 6. 4. 2000 pracoval jeden motor XRS-2200 po dobu 250 s.

Organizace NASA nakonec v roce 2001 program vícenásobně použitelného experimentálního kosmického dopravního prostředku X-33 přestala financovat, čímž jej vlastně fakticky zrušila. V té době byla na zkušebním stavu připravována kompletní pohonná jednotka demonstrátoru X-33, tj. dvojice motorů XRS-2200, ke zkouškám za různých letových režimů. NASA nakonec nalezla finanční prostředky jen na tři zkoušky. Všechny tři zkoušky byly úspěšné; při poslední zkoušce dne 6. 8. 2001 pracovala dvojice motorů XRS-2200 na 85 výkonu po dobu asi 90 s. Celkem bylo s motory XRS-2200 uskutečněno 73 zkoušek, při kterých motory pracovaly na 4000 s.

Po ukončení zkoušek s motory XRS-2200 se tedy zdálo, že problematika motorů s centrálním tělesem zůstane zase odložená a bude jen okrajovou záležitostí v rámci univerzitních studijních programů, jako je tomu například na California State University (CSU). Na této univerzitě se problematikou výzkumu konstrukce motoru s centrálním tělesem začali zabývat z toho důvodu, aby studenti získali v této oblasti i praktické zkušenosti. V budoucnu se z nich stanou aerokosmičtí inženýři, kteří se třeba budou zabývat vývojem budoucích pokročilých nosných kosmických prostředků.

Dne 21. 6. 2003 uskutečnil univerzitní tým na zkušebním stavu v poušti Mojave úspěšnou statickou zkoušku svého motoru. Prstencový motor s centrálním tělesem chráněným ablativní tepelnou izolací pracoval s kombinací kapalný kyslík + ethylalkohol a vyvinul tah kolem 5 kN. Univerzita ve spolupráci se společností Garvey Spacecraft Corporation vyvinula nosný prostředek Prospector 2 (P-2), který byl v roce 2002 již využíván ke zkušebním raketovým letům s klasickým raketovým motorem. Do tohoto prostředku byl vyvinutý motor s centrálním tělesem zabudován a využit k letovým zkouškám (Foto 3). Start asi 4 m dlouhé rakety P-2 se uskutečnil dne 20. 9. 2003. Po úspěšném startu však došlo k posunutí špatně upevněného těsnění spalovací komory. Tím došlo ke vzniku asymetrického tahu a raketa se zřítila. Skutečně úspěšný start a let modelu rakety P-4 do výšky asi 1,2 km se uskutečnil až 7. 12. 2003. Pro let byl použit opravený motor z rakety P-2 (viz http://www.csulb.edu/colleges/coe/ae/rockets/).

Dat z letových zkoušek s raketovými motory s tryskou s centrálním tělesem však stále není dostatek a zkoušky motorů jen na zkušebních stavech je nemohou nahradit. Organizace NASA se proto k problematice motorů s centrálním tělesem opět vrátila v rámci výzkumného programu Dryden Aerospike Rocket Test (DART), který řídí Drydenovo letové výzkumné centrum NASA ve spolupráci s Letovým zkušebním střediskem USAF a se společností Blacksky Corporation (Foto 3). V rámci tohoto programu společnost Blacksky Corporation vyrobila menší raketové motory na tuhé pohonné látky s výtokovou tryskou s centrálním tělesem pro získávání letových dat aerospike motorů (viz adresa http://www.spacearchive.info/news-2004-04-19-dfrc.htm).

Koncem března 2004 se uskutečnily první dva starty menších, 3 m dlouhých raket ze zkušebního prostoru u Fort Stockton v Texasu. Tyto rakety s tryskou s centrálním tělesem dosáhly rychlosti 1,5 M a maximální výšky kolem 7,8 km. Podařilo se tak získat data o práci a výkonech aerospike motorů při přechodu z podzvukového do nadzvukového režimu letu. Použití menších raket s aerospike motory tak dává možnost získání letových dat s malými náklady.

Konečně hybridní raketové motory s tryskou s centrálním tělesem (Foto 4) zkouší korporace eAc (Environmental Aeroscience Corporation) (viz http://www.hybrids.com/aerospike.htm).

Studentský tým z Kalifornské státní university v Long Beach (CSULB) ve spolupráci se společností Garvey Spacecraft Corporation (GSC) pokračují ve vývoji další varianty motoru s centrálním tělesem (viz adresa: http://www.csulb.edu/colleges/coe/mae/views/projects/rocket/news_2008/aerospike06252008.shtml). Kolem kuželovitého centrálního tělesa je uspořádáno deset válcových spalovacích komor s obdélníkovým kritickým průřezem a krátkou výstupní tryskou též obdélníkového průřezu (Foto 5), dosedající na centrální těleso tak, aby zde docházelo k další expanzi výtokových plynů. Centrální těleso je vybaveno čidly pro měření tlaku, aby bylo možné po statických zkouškách ověřit numerickou simulací předpokládanou hydrodynamiku výtoku plynů. Spalovací komory jsou vyrobeny firmou Hyperterm High Temperature Composites z keramického kompozitu tak, aby vydržely pracovní teplotu bez chlazení. Motor pracuje se směsí kapalný kyslík+etanol při pracovním tlaku ve spalovací komoře 2,14 MPa a vytváří nominální tah 5,8 kN.

Při první statické zkoušce motoru dne 17. 5. 2008 byl motor připevněn k novému stupni P-10, vyrobenému převážně z uhlíkového kompozitu. Dodávka pohonných látek do spalovacích komor byla zajišťována přetlakovým systémem, využívajícím stlačeného hélia. Při statické zkoušce byla úspěšně demonstrována zážehová sekvence všech deseti spalovacích komor. Motor pracoval 3 s místo plánovaných 4 s neboť došlo k trhlině mezi keramickou spalovací komorou a vstřikovací hlavicí. Poté došlo k požáru a částečnému poškození stupně. Naměřené hodnoty však ukazují, že bylo ve spalovacích komorách dosaženo tlaku 1,4 MPa a tahu motoru kolem 3,6 KN.

Po rozboru příčin vzniku trhliny a po opravě poškozeného stupně bude rozhodnuto, zda se přistoupí k letové zkoušce stupně s tímto motorem. Podle plánů letové zkoušky by měl stupeň dosáhnout nadzvukové rychlosti ve výšce asi 4,5 km, kde ukončí svou činnost. Pak vystoupá do asi 7,5 km a poté přistane na padáku.

Zmíněné experimenty naznačují, že motory s centrálním tělesem (typu aerospike) nejsou zapomenutou možností k pohonu dopravních prostředků do kosmického prostoru.

Podle informací na internetových adresách citovaných v textu zpracoval (lek).

Foto 1: a) Motor XRS-2200.
b) Zkouška XRS-2200.

Foto 2: a) Příprava motoru s tryskou s kuželovým centrálním tělesem na CSU (California State University).
b) Zkušební zážeh aerospike motoru na CSU.
c) Start rakety P-2.

Foto 3: a) Příprava motoru na tuhé pohonné látky s kuželovým centrálním tělesem (program DART).
b) Start rakety v rámci programu DART.

Foto 4: Zkušební zážeh hybridního raketového motoru společnosti eAc, opatřeného tryskou s centrálním tělesem.

Foto 5: a) Montáž stupně P-10 s motorem s centrálním tělesem na zkušební stav.
b) Pohled na motor s centrálním tělesem na zkušebním stavu. Na spalovacích komorách jsou termočlánky pro detekci zážehu komor.
c) Celkový pohled na zkušební stav se stupněm P-10 po zážehu motoru.
d) Detailní záběr motoru po zkoušce.