North American X-15
„Hiperszonikus majdneműrhajó”
Tervezés:
A repülőgép-fejlesztés egyik fő iránya hosszú időn át a sebesség növelése volt. Az 1910-es évek első repülőgépei 100-150 km/h-s végsebességgel rendelkeztek, amit a háború végére 200 km/h fölé sikerült növelni. Az 1920-as években egyre nagyobb szerepet kapott az áramvonalazás, amely a légellenállás csökkentésével növelte a végsebességet - az ilyen, tisztán fém építésű (általában kétfedelű) típusok már 300 km/h-t meghaladó sebességgel is haladhattak.
A következő lépést az 1930-as évek második felében debütáló vadászgépek jelentették: ezek 1000 lóerő körül teljesítményű hajtóműveikkel, egyfedelű kialakításukkal és zártható pilótafülkéjükkel, valamint behúzható futószáraikkal már 500 km/h feletti végsebességet szavatoltak. A második világháború alatt e típusokat még tovább fejlesztették: a háború végi modellek 2000 lóerő feletti dugattyús motorjaiknak köszönhetően már 700 km/h-s végsebességgel rendelkeztek. Ennél lényegesen nagyobb sebességet légcsavaros repülőgéppel már nem lehetett elérni, ezért több átmeneti, vegyes meghajtású típust követően a gázturbinás sugárhajtóművek elterjedése adott újabb lendületet a sebesség hajszolásának.
Mivel a röviden sugárhajtóműnek nevezett erőforrás és áttételesen a repülőgépek sebességét már látszólag csak a hajtóművek által leadott teljesítmény befolyásolta, megkezdődött a verseny az álomhatárnak tekintett hangsebesség (1 Mach) elérésére. A korai sugárhajtóművek azonban bonyolultságuk ellenére relatív alacsony teljesítményre voltak képesek, ezért az Amerikai Egyesült Államokban (az angoloktól szerzett adatokra támaszkodva) a Bell vállalat megépítette Model 44-es prototípust, amelyet egy egyszerű, de jelentős tolóerőt biztosító rakétahajtóművel hajtottak meg. E típus, amely később a Bell X-1 nevet kapta, ugyan minimális hatótávolsága miatt képtelen volt az önálló felszállásra (ezért egy Boeing B-29-es bombázóról indították), de 1947-ben sikeresen átlépte az egyszeres hangsebességet.
Az amerikai védelmi minisztérium ezt követően külön repülőgép-sorozatot rendelt meg (X-gépek), amelyek egyrészt új, kísérleti technológiákat teszteltek (pl.: nyilazott szárny, függőleges felszállás, emelőtest), de a legfontosabb fejlesztési irány továbbra is a minél nagyobb végsebesség és magasság elérése volt.
A Bell X-1-est több lépcsőben (X-1, X-1A, B, C, D, E) továbbfejlesztették, fokozatosan növelve a sebességet: az utolsó X-1E az 1950-es évek közepén már 2,21 Mach (2704 km/h-s) sebességet ért el (felülmúlva a 2-szeres hangsebességgel repülő Douglas D-558-2 „Skyrocket”-et), amelyet tovább kívántak növelni. A következő Bell X-2-essel még tovább, 3,2 Mach (3370 km/h-ra) sikerült növelni a sebességet és bár a sugárhajtóműves Douglas X-3 „Stiletto” teljes kudarc volt (a repülőgép még az 1-szeres hangsebességet sem ért el), továbbra is kérdéses volt, hogy mi a repülőgépek gyakorlati végsebességének felső határa.
Az 1950-es években az X-1-es és X-2-es mellett megjelent a pilótanélküli, torlósugaras hajtóművet tesztelő X-7, majd (több alternatív célú X-gépet követően) a pilótás X-15-ös, amely az említett kérdésre kereste a választ. A leendő típusra 1954-ben írtak ki pályázatot, amely két külön céget választott ki: magát a repülőgépet a North American fejlesztette, míg a hajtóműért a Reaction Motors felelt, amely korábban a Bell X-1-es és a Skyrocket rakétahajtóműveit is építette.
Konstrukció:
Az X-15-ös programot az NACA (a NASA elődje), a USAF (az amerikai légierő) és a US Navy (amerikai haditengerészet) közösen finanszírozta, célja pedig egy hiperszonikus (5-szörös hangsebességre képes) repülőgép megalkotása volt, ezért a North American X-15-ös (gyári jelzéssel NA-240-es) minden megoldása ezt a célt szolgálta.
A repülőgép 15,45 m hosszú, megközelítőleg kör keresztmetszetű törzset kapott. Az elnyújtott fülkében a pilóta speciális katapultülésben kapott helyet, amelyet maximum 4-szeres hangsebességen történő katapultálásra volt képes. A rakétahajtómű alkalmazásának előnyös következménye volt az X-15-ös letisztult, egyszerű elrendezése, mivel nem volt szükség beömlő nyílásokra.
Az atmoszférában történő kiemelkedően nagy sebességű repülés során a típust rendkívüli hőterhelés érte, ezért kiemelt feladat volt a hulladékhő kontrollálása. A repülőgép törzse Inconel-X 750-ösből (egy speciális nikkel ötvözetből) készült, amely elvezette a hőt a legnagyobb terhelésű pontokról (az orrcsúcsról és a szárnyak belépőéleiről), emellett a későbbiekben fehér leégő hővédő festéket is használtak, elfedve a típus fekete alapszínét. Ezek használatával a repülések során a gép törzse 300 C fokra hevült fel, de még a kritikus pontokon is sikerült elfogadható (700 C fok alatti) hőmérsékletet biztosítani.
Az 1950-es évek közepén még nem ismerték a területszabályt (a hangsebesség feletti repülés során a törzs keresztmetszetének végig azonosnak vagy fokozatosan változónak kell lennie, beleértve a szárnyakat tartalmazó szekciót is, mert ennek hiányában életveszélyes vibráció léphet fel), azonban az X-15-ös apró, trapéz alakú szárnyai kiküszöbölték ezt a problémát.
Magukra a szárnyakra pusztán stabilitási okból és a leszálláshoz volt szükség, gyakorlatilag a típus egy rakéta volt, amely szinte teljes mértékben a hajtómű tolóerejére épített. Az X-15-ös apró szárnyai mellett alacsony függőleges vezérsíkot kapott, amelyet egy második, alsó stabilizátor-lappal és két apró vízszintes vezérsíkkal egészítettek ki. A függőleges vezérsík háromszög alakú volt, amely hátrafelé jelentősen kiszélesedett, ami kisebb sebességen óriási légellenállást generált, hiperszonikus sebesség-tartományban viszont megfelelő stabilitást garantált.
A repülőgép lelkét a rakétahajtómű adta. A típust kezdetben két darab Reaction Motors XLR11-es folyékony hajtóanyagú (etil alkoholt és folyékony oxigént használó) rakéta hajtotta meg (egyetlen ilyen erőforrás mozgatta korábban a Bell X-1-est is), 1958-ban viszont a Reaction Motort beolvadt a Thiokol vállalatba, így az új XLR99-es egységet már a Thiokol építette.
Ez utóbbi egy teljesen új erőforrás volt, amely vízmentes ammóniát és folyékony oxigént használt, rendkívüli tolóerőt biztosítva: a Bell X-1-es 27 kN-os, valamint a két XLR11-es 71 kN-os teljesítményével szemben maximum 254 kN-t. Az XLR99-es további előnye volt, hogy (a nagy teljesítményű rakétahajtóművek között elsőként) részben szabályozható volt a teljesítménye (50-100 % között), ráadásul vészhelyzetben le lehetett állítani, majd újra lehetett indítani. E hajtómű egyetlen hátrányos eleme a rakétahajtóművek közös problémája volt: az erőforrás maximum 279 másodpercig működött és teljes teljesítményen mindössze másfél percig üzemelt.
Az X-15-öst különösen nagy magasságú repülésekre szánták, ahol a hagyományos kormányfelületek a ritka légkörben már hatástalanok voltak és a hajtóműből kiáramló gázsugarat nem lehetett kitéríteni, ezért a repülőgép orrába és szárnyaiba hidrogén peroxiddal működő fúvókák kerültek (hasonlóan az űrrepülőgépekhez).
Az X-15-ös belső elrendezését tekintve is egy rakétára hasonlított. A repülőgép keskeny orrában kapott helyet a két kerékből álló első futószár, mögötte az irányítást végző pilótával, a gép többi részét (a leghátsó rakétahajtóművet leszámítva) viszont az üzemanyag-tartályok teljes mértékben kitöltötték. Ennek köszönhetően a főfutók nem kerülhettek a törzsbe, de a szárnyakba sem, mivel azok túlságosan vékonyak voltak, ezért végül egy-egy csúszótalp került a törzs végébe.
Az X-15-öst a hajtómű rövid égési ideje miatt a levegőből indították: egy Boeing B-52-es teljes sebességen (kb. 800 km/h-nál), 13 km-es magasságban indította a típust, amely a tesztrepülést követően a csúszótalpain ért földet. Mivel a típus alsó függőleges vezérsíkja a futómű alá ért, ezt leszállás előtt lerobbantották (az elem külön ejtőernyővel ért földet). Az X-15-öst kizárólag tesztrepülésekre szánták, ezért semmilyen fegyverzetet nem hordozott, de a típussal kísérletképpen többlet üzemanyag-tartályokat és torlósugaras kísérleti terhet is szállítottak.
Szolgálatban:
Az X-15-ös 1959. június 8-án emelkedett először a levegőbe (ekkor a hajtóműveket még nem kapcsolták be, csak a landolást tesztelték). Ahogy fentebb is olvasható, a gépet egy B-52-es bombázóról indították; miután az X-15-ös levált az anyagépről, beindította hajtóműveit és emelkedve gyorsított. A rakétahajtóművek másfél perc alatt maximális sebességre gyorsították a típust, amely ezt követően már csak siklórepülésben haladt, de a ballisztikus pálya révén kiért a világűrbe, majd néhány percnyi súlytalanságban eltöltött időt követően visszatért a légkör sűrűbb, alsó rétegébe. Az utolsó szakaszban az X-15-össel vitorlázva közelítették meg a leszállópályát, fokozatosan felélve a sebességét, hogy a földet érés kellően alacsony sebességen történjen.
Maga a landolás rendkívül veszélyes manővert takart, mivel az X-15-ös hajtóművei már nem üzemeltek, ezért a pilóta csak egyszer próbálkozhatott, ráadásul a pilótafülkéből rendkívül rossz volt a kilátás, és az apró szárnyakon minimális felhajtóerő ébredt, ami lomhává tette a kísérleti típust és növelte a leszálló sebességet (ugyanezt az eljárást használták később az amerikai űrsiklók is). Mindezt elfogadható kompromisszumnak tartották, mivel a sebesség maximalizáláse mindennél fontosabbnak számított.
Három hónappal az első sikló-repülést követően Scott Crossfield az első hajtóműves repülésen kétszeres hangsebességre gyorsult, 1959. november 9-én viszont az X-15-ös hajtóműve menet közben kigyulladt, a pilóta (ismét Crossfield) sikeresen katapultált, de a gép a becsapódástól kettétört (egyszerűsége miatt a típust sikerült kijavítani, mert a törés gyakorlatilag csak a törzset és az üzemanyag-tartályt érintette). 1960 közepéig 27 repülést hajtottak végre az X-15-össel (még az XLR11-es hajtóművekkel), ahol 3,5-szörös hangsebességet sikerült elérni (a két XLR11-es rakétahajtóművel szerelt X-15-ös felismerhető a hajtóművenként négy-négy kiömlő-nyílásról és kettős gázsugaráról).
Ezután kezdődtek a kísérletek az XLR99-es hajtóművel felszerelt X-15A-kal. A Joe Walker pilóta vezette modell már jól mutatta a jármű hihetetlen teljesítményét: 1962. június 27-én 6605 km/h-ra sikerült felgyorsulni, egy évvel később (1963. augusztus 22) pedig a típussal 107960 m magasságba emelkedtek (ezt a rekordot csak 2004-ben múlta felül a Scaled Composites SpaceShipOne űrrepülőgépe).
Egy újabb kényszerelszállást követően a második gépet X-15A-2-vé alakítottak át (beépítettek egy törzstoldatot, módosították - még kisebbre - a kabin üvegezését és két külső kiegészítő üzemanyag-tartály szereltek fel). Az áttervezést (természetesen) a még nagyobb sebesség elérése indokolta. Az új gép a színében is különbözött az elődöktől: a hővédő burkolat fehér színe éles ellentétben állt a korábbi fekete borítással (a jobb alsó fotón egy ilyen X-15A-2-es látható).
Az X-15A-2-essel 1967. október 3-án William J. Knight berepülő pilóta rendkívüli, 7297 km/h-s sebességet ért el (a baloldali fényképen ő látható az X-15A-2 előtt, 1965-ben). A repülés kis híján katasztrófával végződött, mert menet közben átégett a hajtóművet tartó konzol, emiatt Knight-nak kényszerleszállást kellett végrehajtani (csakhogy ekkor a gép tömege még meghaladta a biztonságos leszállósúlyt), ezért a pilóta katapultált. Knight túlélte a balesetet, a második prototípus azonban megsemmisült.
Az X-15-össel számos további, a pilótás repülés korlátait feszegető repülést hajtottak végre, azonban a három elkészült gépből az utolsó is balesetet szenvedett - az 1967-ben a levegőben darabjaira szakadó gép megölte a fedélzeten tartózkodó Michael Adams pilótát. A kísérleteket ennek ellenére folytatták - az utolsó, 198. repülésre 1968. október 24-én került sor.
A sebesség-határ kitolása mellett az X-15-ös fontos szerepet játszott a mezoszféra felső határának és a világűrnek az emberi testre gyakorolt hatásának vizsgálatában. A program egyben az emberes űrrepülés egyik korai úttörőjének is számított. Rövid ideig tervezték egy X-15 alapú űrrepülőgép indítását is (egy SM-64 „Navaho” rakéta orrára szerelt X-15B repülővel), amelyet ugyan az ekkor alapított NASA Mercury programja javára töröltek, de a géppel végrehajtott tesztek étékes adatokat biztosítottak az amerikaiak számára (az X-15-ös 12 pilótája közé tartozott a később az első holdra lépő Neil Alden Armstrong is).
Az X-15-össel a sebesség növelésének igénye gyakorlatilag megszűnt, mert a gyakorlatban már a 3-szoros hangsebességre képes ember vezette repülőgépek nem váltották be a hozzájuk fűzött reményeket (gyakorlatilag nem rendelkeztek manőverező képességgel és teljes sebességen nem használhatták fegyverzetüket, miközben a még gyorsabb légvédelmi rakéták elől a sebesség önmagában már nem jelentett védelmet).
Az X-15-ös máig a leggyorsabb ember vezette repülőgépnek számít, de külön kategóriában tartják számon, mivel önerőből képtelen volt a levegőbe emelkedni. A rakéták és űrhajók mellett az Amerikai Egyesült Államokban később is végeztek nagy sebességű pilóta nélküli repüléseket: ezek közé tartozott a Lockheed X-17-es, a NASA X-43 „Hyper-X”, valamint a Boeing X-51 „Waverider”.
Műszaki adatok:
Név: North American X-15A-2
Típus: nagy sebességű (kísérleti) rakétahajtású repülőgép
Fizikai jellemzők:
Hossz: 15,45 m
Fesztáv: 6,80 m
Magasság: 4,12 m
Szerkezeti tömeg: 6.620.kg
Max. felszálló tömeg: 15.420.kg
Motor: rakétahajtóműves, 1 db, 313 kN-os (Thiokol XLR99-RM-2)
Személyzet: 1 fő
Fegyverzet: nincs (lehetőség üzemanyag póttartályok rögzítésére)
Teljesítmények:
Végsebesség: 7297 km/h
Csúcsmagasság: 107.960. m
Emelkedőképesség: 18288 m/perc
Hatótávolság: 450 km