SpaceLiner to koncepcja, nad którą pracuje Niemiecka Agencja Kosmiczna. Za ćwierć wieku przypominająca wyglądem amerykańskie wahadłowce i prawie dwa razy od nich większa maszyna ma zabierać na pokład pięćdziesięciu pasażerów. W czasie pionowego startu SpaceLiner wynoszony ma być przez rakietę na wysokość 90 km. Po odłączeniu rakiety nośnej będzie leciał, używając własnych silników, z prędkością 25 razy większą niż prędkość dźwięku – czyli Mach 25. Czas między startem a ostatecznym wyłączeniem silników będzie wynosić tylko siedem minut! Przez resztę drogi samolot będzie opadać i szybować do celu z hipersoniczną prędkością.
Podróż z Europy do Australii (15 tys. km) ma zajmować zaledwie półtorej godziny. Wydaje się to niewiarygodne, a jednak… – Silnik rakietowy jest w stanie rozpędzić maszynę do prędkości Mach 25, na razie jest to jedyny rodzaj napędu, który jest do tego zdolny – mówi prof. Piotr Strzelczyk z Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej. – Choć przy takiej prędkości problemem będzie na pewno nagrzewanie aerodynamiczne poszycia samolotu.
Nagrzewanie to nie jedyny problem, jaki muszą rozwiązać niemieccy inżynierowie. SpaceLiner ma być napędzany wyłącznie silnikami rakietowymi, a to oznacza, że musi zabrać z sobą dużo ciekłego tlenu jako paliwa. Do startu będzie mu niezbędna rakieta nośna z potężnym zbiornikiem. Sam wehikuł ma ważyć tylko 123 tony – a z rakietą i paliwem ponad 1300 ton.
Aby loty były opłacalne, konieczne jest też odzyskiwanie rakiety nośnej, a to duże wyzwanie inżynieryjne. Pozostaje też kwestia komfortu pasażerów. W czasie startu odczuwane przez nich przeciążenie będzie dochodzić nawet do 2,5 g, czyli dwa i pół razy więcej niż wynosi normalne przyciąganie ziemskie.
Pocisk hipersoniczny X-51. Powyżej: makieta podczas testów anten. Po lewej: nieuzbrojony pocisk podwieszony pod skrzydłem samolotu B-52 podczas testów nad Oceanem Spokojnym. Pocisk osiągnął prędkość Mach 5.
Potrójna hybryda
Te problemy może rozwiązać inny pomysł. Opracowany przez Europejski Koncern Lotniczo-Rakietowy i Obronny ZEHST (Zero Emission High Supersonic Transport) nie jest tak szybki jak SpaceLiner, ale i tak znacznie szybszy niż jakikolwiek współczesny samolot.
Osiągana przez ZEHST czterokrotna prędkość dźwięku ma pozwolić na podróż z Tokio do Paryża (9,5 tys. km) w 2,5 godziny. Samolot ma mieć trzy rodzaje napędu. W czasie startu mają pracować zasilane biopaliwem standardowe silniki turboodrzutowe, rozpędzając pojazd do prędkości 0,8 Macha i pozwalając mu wznieść się na wysokość 5 km. Na tym pułapie uruchamiane będą trzy silniki rakietowe na ciekły wodór i tlen. Za ich pomocą osiągana jest prędkość Mach 2,5 i pułap 23 km. W tym momencie do akcji wkracza zasilany wodorem i powietrzem atmosferycznym silnik strumieniowy. Samolot przelatuje większość dystansu na wysokości 32 km. Przed dotarciem do celu szybuje w dół, aby na czas lądowania ponownie uruchomić silniki turboodrzutowe.
Kluczowy w całym systemie jest napęd strumieniowy. Jest to rodzaj silnika odrzutowego, w którym nie ma elementów ruchomych (wentylatora, sprężarek i turbin): powietrze ulega sprężaniu w tzw. dyfuzorze wlotowym.
Do pracy takiego silnika konieczne jest jego wcześniejsze rozpędzenie do dużej prędkości. – Silniki strumieniowe, tzw. ramjet, można obecnie wykorzystać do prędkości Mach 6 – mówi prof. Strzelczyk. ZEHST ma osiągać prędkość przelotową Mach 4. Pozwoli to na utrzymanie przyzwoitej prędkości przy zachowaniu komfortu podróży. Na pasażerów będzie działać siła nieprzekraczająca 1,2 g.
Dwa silniki odrzutowe, trzy rakietowe i dwa ramjety – to również wydaje się mocno skomplikowane.
A gdyby tak zbudować jeden silnik, który mógłby pracować w każdych warunkach? To trudne zadanie. Podczas gdy ramjet potrzebuje do pracy wysokich prędkości, silnik turboodrzutowy ma przeciwne wymagania. Jeśli prędkość będzie zbyt duża, temperatura powietrza wzrośnie na tyle, że stopi łopaty sprężarki. Ale zadanie trudne nie znaczy niewykonalne.
– W latach 80. w brytyjskim programie HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing) powstała koncepcja silnika, który może pracować w różnych trybach – odrzutowym, strumieniowym i rakietowym – opowiada prof. Strzelczyk. Z tego pomysłu wyewoluowały silniki Sabre opracowane przez brytyjską firmę Reaction Engines, założoną przez współtwórcę projektu HOTOL – Alana Bonda. Kluczem do sukcesu był wyjątkowy system chłodzenia wykorzystujący ciekły wodór – który jednocześnie stanowił paliwo. Układ potrafi w ciągu 1/100 sekundy obniżyć temperaturę wlatującego powietrza z 1000 stopni Celsjusza do minus 150!
W ten sposób ulepszony turboodrzutowy silnik może pracować do prędkości sięgającej Mach 5. Nadwyżka wodoru wykorzystanego do chłodzenia powietrza, która nie ulega spalaniu w głównej komorze, trafia do niedużych modułów ramjet. Silniki Sabre potrafią się też przestawić na tryb typowo rakietowy, czerpiąc tlen ze zbiornika. Inżynierowie z Reaction Engines chcą, aby dwa takie silniki napędzały samolot kosmiczny Skylon, który z pasa startowego będzie mógł dolecieć aż na orbitę. Bezzałogowy kosmolot ma w przyszłości stosunkowo niskim kosztem wynosić w przestrzeń satelity oraz dostarczać sprzęt, zapasy i ludzi na kosmiczne stacje i do orbitalnych hoteli. Będzie startował i lądował jak samolot, tyle że na specjalnie utwardzonym pasie.
Wadą silników Sabre jest krótka żywotność – tylko 55 godzin, co wystarcza na 200 lotów. Na potrzeby samolotów pasażerskich potrzebne jest 10 tys. godzin. Tym wymaganiom ma sprostać nieco zmieniony model nazwany Scimitar. Pozbawiono go opcji rakietowej i dostosowano do długich lotów z prędkością Mach 5. Silniki Scimitar mają napędzać samolot A2 zaprojektowany w ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu LAPCAT (Long-term Advanced Propulsion Concepts and Technologies).
Zabierając na pokład 300 pasażerów, ma on umożliwić lot z Europy do Australii w 4,5 godziny przy konkurencyjnych cenach. A2 ma czuć się równie komfortowo przy poddźwiękowych, jak i hipersonicznych prędkościach. Samolot doskonały? Jeśli powstanie, będzie chyba mocnym kandydatem do tego miana. Nie bez podstaw może być stwierdzenie Alana Bonda, że opracowanie Sabre oznacza rewolucję porównywalną z wynalezieniem silnika odrzutowego.
Grom z jasnego nieba
Reaction Engines z bardzo obiecującymi wynikami testuje już swój system chłodzenia w laboratorium.
Jeszcze bardziej zaawansowane testy hipersonicznej technologii prowadzi wojsko. Rozpoczynając program Prompt Global Strike, Amerykańskie Siły Zbrojne postawiły sobie za cel skonstruowanie statku powietrznego, który będzie mógł dostarczyć konwencjonalną broń w dowolne miejsce na świecie w ciągu godziny. Jednym z rozwiązań, które mogą to umożliwić, jest zastosowanie silnika typu scramjet – czyli silnika ramjet (strumieniowego) do spalania paliwa w powietrzu przepływającym z naddźwiękową prędkością.
– Takie silniki mogą pracować przy Mach 10 – mówi prof. Strzelczyk. Korzystając z tej technologii, eksperymentalny samolot NASA X-43 w 2004 roku pobił rekord prędkości dla samolotów rozpędzając się na krótko do Mach 9,6. Teraz Siły Powietrzne USA testują hipersoniczne loty z pomocą napędzanego scramjetem Boeinga X-51A WaveRider. Mała, bezzałogowa maszyna, wyglądająca jak połączenie pocisku i bolidu Formuły1, została zbudowana, aby osiągać prędkość Mach 6. Jak dotąd jeszcze się to nie udało. W 2010 r., po tym jak X-51 został wyniesiony przez bombowiec B-52 na wysokość 15 km, udało mu się uzyskać pięciokrotną prędkość dźwięku na stosunkowo długi czas 200 sekund. Później nastąpiła awaria. Kolejne dwa podejścia również zakończyły się przed osiągnięciem zakładanej prędkości. Jednym z problemów było podtrzymanie spalania paliwa.
Mimo prostego schematu konstrukcji typu scramjet, dopracowanie wszystkich parametrów jest bardzo trudne. Utrzymanie niezaburzonego spalania paliwa w naddźwiękowym strumieniu powietrza porównywane jest z próbami podtrzymania płomienia zapałki w czasie huraganu. Przeprowadzone próby – mimo częściowego tylko sukcesu – dostarczyły wielu danych, których nie udałoby się zdobyć w inny sposób.
Armia USA bada też system podobny do tego, jaki proponują pomysłodawcy SpaceLinera. W ramach prowadzonego przez DARPA programu Falcon powstał HTV-2, czyli Hypersonic Technology Vehicle. Przeprowadzono dwa testy, w czasie których hipersoniczny szybowiec wynoszony był na skraj atmosfery przez rakietę Minotaur IV. W obydwu próbach udało się na kilka minut uzyskać prędkość bliską Mach 20. Niestety w obu przypadkach lot przewidziany na pół godziny zakończył się po około 9 minutach, pokazując, z jakimi przeciwnościami muszą jeszcze zmierzyć się projektanci. Za pierwszym razem gwałtowne ruchy boczne pojazdu wprowadziły go w niemożliwe do opanowania obroty. W czasie drugiego eksperymentu powietrze odarło samolot z poszycia.
HTV-2 podczas testów wyniesiony został przez rakietę Minotaur IV, po której odczepieniu osiągnął prędkość bliską Mach 20. Niestety konstrukcja pojazdu nie wytrzymała takiej prędkości i próby nie zakończyły się sukcesem.
Pełnym sukcesem zakończył się natomiast test szybującej bomby o nazwie Advanced Hypersonic Weapon. Po ustawieniu jej na kursie przez rakietę nośną pokonała dystans 3800 km z Hawajów do Atolu Kwajalein w archipelagu Wysp Marshalla. Armia nie podała dokładnej prędkości, jaką udało się uzyskać.
Wyścig zbrojeń?
Każdy kraj posiadający tak szybkie bombowce i pociski będzie dysponował niezaprzeczalną przewagą militarną. Czy więc nastąpi hipersoniczny wyścig zbrojeń?
Wicepremier Rosji Dmitrij Rogozin zapowiedział niedawno chęć budowy bombowca przekraczającego prędkość Mach 5 do końca dekady (niezależni eksperci twierdzą, że w tak krótkim czasie to nierealne). Nad podobną technologią pracują Chiny. Tak czy inaczej jednak nowe technologie najczęściej w pierwszej kolejności trafiają do armii. – Myślę, że wojsko pierwsze zacznie korzystać z hipersonicznych samolotów. Później trafią one do użytku cywilnego, choć trudno dokładnie powiedzieć kiedy, moim zdaniem za 20–25 lat. Takie podróże będą droższe od zwykłych lotów, więc przynajmniej na początku będzie to transport elitarny – uważa prof. Strzelczyk. Ziemia stanie się więc jeszcze mniejsza. W ciągu półtorej godziny będzie można przelecieć na inny kontynent. To znacznie krócej niż trwa dojazd do wielu międzynarodowych lotnisk.