A fost o vreme a eroilor aproape mitici. Era vremea în care oamenii porniseră în cursa cuceririi spațiului cosmic. Azi vreau să vă povestesc despre unii dintre ei, care nu au precupețit nimic, nici măcar propria viață, pentru a se lansa în necunoscut, în dorința de a pătrunde dincolo de atmosfera terestră. Ei au folosit un avion experimental superb, care purta numele de X-15. Propulsat de motoare-rachetă acest avion hipersonic era capabil să își transporte pilotul până la altitudini de peste 100 km. Putea atinge o viteză maximă de 6,7 Mach (adică o viteză de 6,7 ori mai mare decât viteza sunetului).
William Dana, unul dintre curajoșii care au zburat cu faimosul avion, îl descria astfel: ”X-15 a fost un avion al accelerațiilor. Când un pilot X-15 se uită înapoi spre zborurile lui cu X-15, acele accelerații și le amintește. Prima dintre aceste senzații a fost accelerația datorată lui B-52, care ridica avionul la altitudinea de lansare. Atunci când pilotul acționa comutatorul de lansare X-15 începea să datorată gravitației Pământului, pe care pilotul o numea drept „cădere liberă” sau „zero g”. Abia când pilotul pornea motorul se adăugau niște „g” pe X-15.
Următoarea impresie din timpul zborului cu X-15 venea în momentul pornirii motorului, la doar câteva secunde după lansare. Avionul de 33.000 de livre (15 tone) era accelerat de un motor de 57.000 lbf (circa 26 tf), rezultând o accelerație de la piept la spate de aproape 2 g. Apoi, pe măsură ce propulsorul funcționa și atmosfera se subția odată cu creșterea altitudinii, accelerația dinspre piept spre spate a creștea și rezistența aerodinamică cauzată de atmosferă scădea. Pentru o misiune la altitudini standard (…) rezulta o accelerație de aproape 4 g dinspre piept spre spate. Corpul uman nu făcut pentru 4 g și senzațiile începeau să devină dureroase. (Cineva) a observat că X-15 era singura aeronavă cu care a zburat vreodată, unde s-a bucurat când motorul s-a oprit.”
Introducere
Prima jumătate de veac de la nașterea zborului propulsat a fost marcată de dorința de a zbura mai sus și mai rapid. La începuturi cei îndrăzneți căutau și găseau soluții pentru a îndeplini aceste obiective. Dar, prin anii 1930, costurile au devenit foarte mari așa că ele au trebuit să fie subvenționate de guvern. Războiul, așa cum este firesc, a accelerat ritmul de dezvoltare. La sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial o nouă provocare a apărut în fața dezvoltării avioanelor: depășirea barierei sunetului. Obiectivul a fost atins de primul avion din seria X (X-1) pe 14 octombrie 1947, atunci când căpitanul Chuck Yeager a zburat cu 1,06 Mach. Apoi lucrurile au evoluat rapid.
X-2, Starbuster, care avea drept obiectiv cercetări asupra zborului la viteze mari, efectua primul său zbor pe 18 noiembrie 1955.
Cu trei ani mai devreme X-3, Stiletto, dedicat cercetărilor asupra zborului prelungit la viteze supersonice și care avea o structură realizată din titan, efectua primul său zbor pe 15 octombrie 1952. Da, nu este o greșeală, X-3 a zburat mai devreme decât X-2!
Avionul X-4, Bantam, efectua și mai devreme primul său zbor, pe 15 decembrie 1948. El era dedicat studierii caracteristicilor aerodinamice a avioanelor lipsite de ampenaj orizontal.
Pe 20 iunie 1951, efectua primul său zbor avionul X-5, cu ajutorul cărora s-au efectuat cercetări asupra aripilor cu geometrie variabilă. Trebuie să vă spun că acesta a fost primul avion dotat cu un asemenea sistem, dar că modificarea geometriei aripii nu se putea efectua în zbor, ci numai la sol.
X-6 nu a zburat niciodată deși făcea parte din programul avioanelor X. El ar fi trebuit să aibă o propulsie nucleară.
În aprilie 1951 efectua primul său zbor avionul X-7, Flying Stove Pipe. Acesta era o platformă de test pentru motoarele statoreactoare.
X-8, X-9, X-10 și X-11 nu erau avioane de test ci vehicule nepilotate cu care se efectuau cercetări în domeniul rachetelor.
Abia X-13, Vertijet, era un avion experimental cu aterizare și decolare verticală, efectua primul său zbor pe 10 decembrie 1955.
Doi ani mai târziu, pe 19 febuarie 1957, X-14, care era tot un avion experimental cu decolare și aterizare verticală, efectua, la rândul său, primul său zbor.
Da, știu că listele sunt tare plicticoase așa că voi merge mai departe, fără comentarii suplimentare.
Dezvoltarea avionului X-15
Pe 8 ianuarie 1952 Robert J. Woods, care a fost puternic implicat în dezvoltarea avioanelor X-1 și X-2 trimitea un memoriu către NACA (National Advisory Committee for Aeronautics, Comitetul Consultativ Național pentru Aeronautică, predecesorul NASA) în care propunea studierea problemelor care apar în timpul zborurilor hipersonice și spațiale. Memoriul era însoțit de un document semnat de Walter R. Dornberger, fost comandant al unității germane de testare a rachetelor de la Peenemünde și care acum era angajat Bell. În document, care stătea la origine entuziasmului lui Woods, erau prezentate cerințele de bază pentru un avion hipersonic cu echipaj uman. ”Avionul de cercetare a ionosferei”, propus de Dornberger, era propulsat de un motor rachetă cu combustibil lichid, care era capabil să zboare cu peste 1.800 m/s la altitudini cuprinse între 80 și 120 km. Din păcate, diriguitori NACA au respins rapid propunerea lui Woods.
Dar Woods nu era omul care să renunțe ușor la o idee pe care o considera foarte bună, așa că la o reuniune a Comitetului pentru Aerodinamică a NACA a revenit cu p altă lucrare în care prezenta zborul hipersonic. El sugera că NACA este organizația care ar trebui să efectueze studiile de bază în controlul și stabilitatea zborurilor spațiale” și că NACA ar mai trebui să înființeze un mic grup „pentru a evalua și analiza problemele de bază ale zborului spațial”. Woods a insistat ca NACA „să se străduiască să stabilească un concept de vehicul de testare cu echipaj adecvat.” Din nou ideile sale au fost respinse Smith J. DeFrance directorul centrului de cercetări Ames a NACA s-a opus cu vehemență ideii formării acestui grup de studiu ”deoarece există întrebări cu privire la importanța acestuia. Există mai multe alte probleme de rezolvat în următorii zece ani, mai presante și mai realiste. (…) nu este justificat un grup de studiu, indiferent de dimensiunea sa.”
Woods tot nu se dă bătut și și-a repetat cererile în fața unei reuniuni din iunie 1952 a Comitetului pentru Aerodinamică. De această dată este adoptată o rezoluție pozitivă, la insistențele ferme ale consilierului științific al Forțelor Aeriene, Albert Lombard. În rezoluție se recomanda ca:
„(1) NACA să-și sporească masiv eforturile pentru programul care se ocupă de problemele zborului fără pilot și cu echipaj în stratosfera superioară la altitudini cuprinse între 20 și 80 km și șa viteze cuprinse între 4 și 10 Mach, și
(2) NACA să dedice un efort rezonabil pentru studierea problemelor asociate cu zborul fără pilot și cu echipaj la altitudini de la 80 km până la infinit și la viteze de la 10 Mach, până la viteza de evadare de sub gravitația Pământului.”
Deși programul avionului hipersonic s-a mai confruntat cu dificultăți, ele au fost depășite o dată cu implicarea directă a forțelor aeriene. În luna octombrie 1953 a avut loc o întrunire a Air Force Scientific Advisory Board (SAB), în care au fost solicitate idei privitoare la cercetări pentru avioanele viitorului și s-a solicitat o colaborare mai strânsă, în acest domeniu, între USAF și NACA. Din acest moment lucrurile au intrat în linie dreaptă. Pe baza studiilor realizate de NACA, pe 30 decembrie 1954 a fost finalizat caietul de sarcini pentru structura avionului, iar, în 4 februarie 1955, cel pentru motorul rachetă.
În final, North American Aviation a primit contractul pentru structura avionului X-15 iar Reaction Motors pe cel privitor la sistemul de propulsie. Primul avion X-15 a ajuns la NASA (fosta NACA) la începutul anului 1959.
Avionul X 15
În ceea ce privește structura, North American Aviation a avut de depășit multe probleme. Cea mai dificilă dintre ele era încălzirea aerodinamică, generată de frecarea cu aerul în faza hipersonică a zborului. Trebuia identificat un material care să reziste, fără să își piardă calitățile mecanice, la temperaturi mai mari de 650 de grade Celsius. A fost ales aliajul Inconel X, un aliaj compus, în principal din nichel, crom, titan și niobiu. Învelișul avionului era realizat din Inconel X, iar cea mai mare parte a structurilor interne erau din titan, cu excepția zonelor supuse la încălziri mari, care erau fabricate din aliajul amintit. Zonele structurale care nu erau supuse la temperaturi mari erau construite din banalul duraluminiu.
În ceea ce privește propulsia ea era asigurată de un motor rachetă cu combustibil lichid, de tip XLR11, cu patru camere de ardere, fabricat de Reaction Motors, care utiliza etanolul drept carburant și oxigenul lichid drept oxidant. Tracțiunea maximă a motorului era de 27 kN. Modelul XLR11 a fost folosit pentru primele 24 de zboruri, după care au fost înlocuite de modelul XLR99, care era mult mai perfecționat. În primul rând el putea genera tracțiune variabilă, cuprinsă între 50 și 100% din tracțiunea maximă, și putea fi oprit și apoi repornit în timpul zborului. El genera o tracțiune maximă de 250 kN. XLR99 folosea amoniacul anhidru drept carburant și oxigenul lichid drept oxidant.
Carlinga avea o structură de aluminiu, în interior, și un înveliș realizat din Inconel X, care asigura protecția termică. Pilotul trebuia să poarte un costum complet presurizat, în timp ce cockpit-ul era presurizat cu azot, folosit pentru a elimina oxigenul care ar fi putut să întrețină un eventual incendiu. Totuși acest azot implica riscuri de altă natură. Unul dintre piloții de încercare ai avionului X-15 povestea că, în timpul unor teste la sol, din greșeală, a decuplat alimentarea cu oxigen a costumului și a inspirat azotul pur din cabină. A leșinat numai după câteva secunde. Spre norocul lui mecanicii de la sol, care asistau la test, au remarcat problema și au deschis carlinga…
Pilotarea avionului X-15 se realiza cu ajutorul suprafețelor aerodinamice de comandă, ca la avioanele clasice, dar asta numai la altitudini la care aerul era suficient de dens. Dincolo de acestea, controlul avionului se realiza cu ajutorul unui sistem reactiv (reaction control system, RCS), care folosea descompunerea apei oxigenate, cu ajutorul unui catalizator, pentru a genera o forță de reacție.
Inițial, în caietul de sarcini al avionului X-15 nu era prevăzut un sistem de salvare de urgență. Totuși, politica USAF s-a modificat și au fost impuse asemenea sisteme. Inițial a fost avută în vedere o capsulă de salvare. Dar ea ridica cel puțin două probleme. Dacă era folosită la viteze foarte mari, atunci deccelerarea ar fi fost atât de mare încât punea în primejdie viața pilotului. Problema putea fi depășită dacă se aștepta reducerea vitezei avionului, înainte de acționarea capsulei de salvare. A doua problemă era de nerezolvat. Instalarea ei ar fi dus la creșterea masei avionului cu mai bine de patru tone. Așa că s-a optat pentru o variantă mai simplă: scaunul de catapultare. Acesta a fost proiectat astfel încât să aibă niște aripi de stabilizare, pentru a împiedica mișcările dezordonate, și putea fi folosit la viteze de până la 4 Mach și altitudini de până la 37 km.
X-15 nu avea un tren de aterizare clasic. El era format dintr-o roată de bot și două tălpici plasate în partea posterioară a fuzelajului. Evident, avionul X-15 nu putea decola ca un avion obișnuit. El era ridicat până la o anumită altitudine, în funcție de profilul de zbor, după care era largat. Dar, decât să vă dau alte detalii tehnice vă invit să zburăm împreună cu un avion X-15.
Zborul
În prima parte a zborului nu sunt prea multe de făcut: se parcurge lista de verificări, se verifică funcționarea comenzilor. Cu opt minute înainte de lansare, avionul purtător, NB-52 demarează un viraj lar către baza Edwards, acolo unde este pista de aterizare și, după patru minute ajunge pe direcția finală. În același timp, pilotul X-15 începe să activeze sistemul de propulsie. Cu două minute înainte de lansare, pilotul X-15 pornește înregistratoarele de date, verifică rapid aparatele de bord și declanșează camere video. Cu un minut înainte de lansare, motorul rachetă XLR99 este setat la prerăcire, iar sistemul de aprindere este trecut pe ralanti. Se fac mai multe verificări pentru a se asigura că motorul este gata de pornire…
Trei, doi, unu, start!… X-15 de desprinde de NB-52 și începe căderea liberă. Cei mai mulți piloți au povestit că aceasta era una dintre cele mai neplăcute faze ale zborului, deoarece o dată cu desprinderea intrau direct în stare de imponderabilitate. În plus, din cauza interferențelor produse de aripile lui NB-52, X-15 avea tendința de a se roti spre dreapta. Piloții aveau dificultăți în a controla această problemă.
Secvența de pornire a motorului XLR99 era deosebit de simplă. Primul pas era presurizarea, cu heliu gazos, a rezervoarelor de combustibil. Apoi sistemul de alimentare cu oxidant era prerăcit, pentru a se asigura rămânerea oxigenului în stare lichidă. Toate aceste operațiuni erau efectuate cu câteva minute înainte de lansare. Imediat după desprindere pilotul efectuează ultimele operații necesare pentru pornirea motorului. În circa 10 secunde după desprindere pilotul pornește turbopompa care trimite combustibilul către prima cameră de aprindere, de unde ajunge în a doua cameră de aprindere și, practic, motorul rachetă intră în funcțiune. Așa cum vă spuneam mai devreme, XLR99, avea tracțiune variabilă, așa că pilotul avea la dispoziție o manetă de gaze (echivalentul pedalei de accelerație la automobile) situată într-o consolă aflată în partea stângă a cabinei. Astfel piloții aveau complet sub control zborul. Trebuie să vă mai spun că piloții au constatat destul de repede că maneta de gaze trebuie să fie împinsă aproape de valoarea maximă pentru a asigura pornirea motorului. Dacă motorul XLR99 nu pornea două două încercări, atunci pilotul trebuia să facă o aterizare de urgență. Același lucru se întâmpla dacă motorul se oprea după mai puțin de 70 de secunde de la desprinderea de avionul purtător, NB-52.
O dată ce motorul funcționa la parametrii nominal, pilotul orienta avionul astfel încât să zboare în plan vertical. În primele momente după pornire pilotul efectua o rotație de 2 g și accelera de la Mach 1 la Mach 2. De îndată ce se obținea unghiul de cabraj programat pilotul nu mai efectua alte manevre aerodinamice, până la momentul reintrării în atmosferă.se
Oprirea motorului XLR99 se făcea cel mai adesea prin metoda numită ”shutdown” Atunci când erau atinși parametri de zbor, pilotul oprea, manual, motorul. În mod normal pilotul se folosea de un cronometru pentru a măsura timpul de funcționare, pe care îl compara cu cel precalculat. După ce NASA a instalat un sistem inerțial pe X-15, pilotul putea folosi valoarea vitezei determinată de acesta pentru a decide momentul opririi motorului. O altă metodă de oprire a motorului se numea ”burnout”. În acest caz, pilotul lăsa motorul în funcțiune până i se termina combustibilul.
Zborurile de mare viteză se efectuau la altitudini relativ mici (relativ, raportat la altitudinea maximă la care putea ajunge X-15, dacă ne-am raporta la avioanele vremii, am vorbi de altitudini uriașe). Pentru aceste zboruri, X-15 se comporta ca un avion; aripile sale generau portanță iar manevrarea se realiza cu ajutorul suprafețelor de control aerodinamic. După pornirea motorului rachetă pilotul orienta vertical botul avionului. Atunci când atingea altitudinea de 21 km, pilotul începea redresarea și la o altitudine cuprinsă între 30 și 35 km avionul trecea la zbor orizontal. Avionul continua să accelereze, trecând de la Mach 5 la Mach 6 în numai 6 secunde. În timpul acestei rotații, sarcina principală de pilotare a fost ajustarea unghiului de înclinare pentru a atinge și menține direcția dorită înapoi la Edwards. Când se apropia de 70.000 de picioare, pilotul a inițiat o împingere ușoară pentru a ajunge la nivel la ceva între 100.000 și 110.000 de picioare. Pe măsură ce avionul a ajuns la nivel, pilotul fie și-a stabilizat viteza la o anumită valoare prestabilită pentru a efectua diverse manevre de cercetare, fie a continuat să accelereze pentru a obține mai multă viteză. X-15 îi plăcea să accelereze; chiar și la capătul de sus, a durat doar 6 secunde pentru a accelera de la Mach 5 la Mach 6.
Zborurile altitudine se desfășurau aproape la fel ca cele de viteză, cu excepția faptului că pilotul continua zborul pe verticală dincolo de limita atmosferei. Motorul se oprea pe traiectoria de urcare și se trecea la un zbor balistic. Înainte de a atinge plafonul maxim, pilotul orienta avionul, cu ajutorul sistemelor reactive de control, astfel încât să îl pregătească pentru reintrarea în atmosferă. În zborurile de mare altitudine piloții erau în stare de imponderabilitate, timp de două până la cinci minute.
După revenirea în straturile mai dense ale atmosferei, controlorii de zbor comparau profilul de zbor real cu cel programat și transmiteau informațiile necesare pentru ajungerea la pista de aterizare. Poate că o să vă pară surprinzător, dar zborurile de mare altitudine necesitau piste de aterizare mai lungi decât cele de mare altitudine. Acest lucru se întâmpla pentru că avionul zbura mulți kilometri în afara atmosferei.
Dacă totul decurgea cum trebuie X-15 ajungea la ”poarta de intrare” a pistei de la baza Edwards la o altitudine de 10.500 m cu o viteză cuprinsă între 470 și 570 km/h. Pe măsură ce se apropia de bază, pilotul golea rezervoarele de carburant și oxidant pentru a reduce greutatea de aterizare și pentru a reduce riscul unei explozii. Pilotul avionului X-15 efectua un viraj de 35 de grade pe stânga. La încheierea virajului, avionul se afla la 6,5 km distanță de pistă, la o altitudine de 5.500 m. Pilotul efectua apoi un tur de pistă, după care se începeau manevrele finale de aterizare. La circa 30 m altitudine, pilotul activa trenul de aterizare. Viteza la contactul cu solul era de 310 până la 340 km/h.
Încheiere provizorie
Îmi cer iertare! M-am întins prea mult cu povestea tehnică și n-am apucat să vă povestesc despre eroii care au strunit această formidabilă mașină. Vă promit că o voi face în curând…
