Projekt Suntan – vodíkový pohon

Prvý seriózny návrh použiť vodík ako pohonnú hmotu pre letecké pohonné jednotky sa v USA po prvýkrát objavil v roku 1945 v štúdii uskutočnenej Alexisom Lemmonom. Z výsledkov sa dospelo k záveru, že vodík má z mnohých pohonných látok najväčší merný impulz (množstvo energie uvoľnené z určitej hmotnosti paliva). 24. marca 1954 britský inžinier Randolph Rae navrhol USAF, že vyvinie lietadlo, poháňané ním patentovaným unikátnym motorom na kvapalný vodík s názvom Rex I.

V podstate to bol plynový generátor podobný raketovému motoru, ktorý poháňal turbínu, ktorá ďalej cez reduktor poháňala vrtuľu. Samotné lietadlo autor charakterizoval ako „ľahké pomalé lietadlo s výnimočnými kĺzacími charakteristikami“, navrhnuté pre lety rýchlosťou 805 km/h vo výške 22 800 metrov. Avšak chronické nezhody medzi vojenským letectvom, firmou Garrett a samotným R. Raeom vyústili k zastaveniu projektu. V tom čase však začína v tomto vývojovom smere figurovať firma Lockheed, ktorá uskutočnila štúdie draku pre Raeovo lietadlo. USAF, zakomplexované z druhoradej pozície pri prevádzke lietadiel U-2 CIA, hľadalo zbraňový systém, ktorý by nahradil U-2 a bol by pod správou letectva. Voľba padla na štúdiu nadzvukového lietadla s rýchlosťou Mach 2,5 a prevádzkovou letovou výškou viac než 30 300 metrov, poháňané vodíkom. Program dostal krycie meno Suntan a bol zaradený do špeciálneho stupňa utajenia (vyšší než Top Secret) vzhľadom na to, že ciele jeho akcií by si vyžiadali prelety nad nepriateľským územím. V roku 1956 nadšenie USAF lietadlom, ktoré Lockheed označoval ako CL-400, viedlo ku zmluve, ktorá okrem pôvodných dvoch prototypov a jedného exemplára pre pozemné testy žiadala aj štyri sériové stroje. Dôkladná analýza draku, konštrukcie aj pohonných jednotiek Pratt and Whitney model 304-2 však ukázala, že lietadlo poskytne maximálny dolet iba 4000 km. V roku 1958 na naliehanie samotného Kellyho Johnsona, ktorý lietadlo presadil, a napriek neutíchajúcej podpore USAF (veľmi nezvyčajný postoj) bol projekt zastavený. Príčinu možno hľadať v mnohých faktoroch, medzi nimi najmä v dolete, problémoch s výrobou dopravou a manipuláciou s kvapalným vodíkom a existencia iných, praktickejších možností získavania špionážnych údajov. Projekt však poskytol cenné poznatky americkému kozmickému programu, ktoré boli využité napríklad pri vývoji rakety Centaur. Na ľavom obrázku je vyobrazené lietadlo CL-400 vo verzii 10, na pravom motor PW 304.

Táto často prezentovaná podoba lietadla však bola len jedným zo zhruba pätnástich konceptov, skúmaných počas definičnej fázy projektu. Napríklad verzia CL-400-13 mala mať dĺžku 90,37 metra a vzletovú hmotnosť plných 170 ton.

AJAKS magnetohydrodynamický-plazmo-chemický pohon

Projekt AJAKS vznikol v roku 1993 v petrohradskom Výskumnom ústave hypersonických systémov. Je to štúdia hypersonického experimentálneho lietadla, ktoré ako pohonnú jednotku využíva magnetohydrodynamický-plazmo-chemický scramjet (MPC) respektíve MHD energy bypass. V okolí prednej časti lietadla sa má vysokým napätím alebo vstrekovaním rôznych prvkov, napríklad cézia, vytvoriť slabo ionizovaná plazma (WIG). Aj pri projektovanej rýchlosti Mach 12 až 14 je totiž teplota v prednej časti stroja len asi 4000 stupňov, čo na ionizáciu nestačí. Preto je nutné použiť dodatočné plazmové generátory. Elektrickou indukciou sa v čelnej časti lietadla vytvorí kanál ionizovaného plynu, ktorý sa potom dá ďalej elektromagneticky ovplyvňovať ovládaním medznej vrstvy. Takýmto spôsobom je zároveň možné lietadlo ovládať elektromagneticky a vytvoriť tak virtuálne riadiace plochy. Celý vtip je však v tom, že podstatná časť potrebnej elektrickej energie (rádovo v desiatkach MW) môže byť vygenerovaná v magnetohydrodynamickom generátore, ktorý ju vyrába z plazmy pretekajúcej pohonným systémom. Zároveň zmenšuje rýchlosť vzdušného prúdu pri vstupe do scramjetu. MHD generátor dokáže odobrať časť energie nabitých častíc a takto získaná energia sa dá použiť na ďalšie zvyšovanie výkonu alebo napájanie laserového i mikrovlného dela. Pritom účinnosť premeny doposiaľ dosahuje len 0,1 až 3 %.

Taktiež je možné prehnať výtokové splodiny pri výstupe zo spaľovacej komory scramjetu ďalším magnetohydrodynamickým generátorom, ktorý môže ionizovaný výtokový plyn ešte viac urýchliť. Slabo ionizovaná plazma sa dá použiť aj na výrazné zníženie radarového odrazu, ale to už je iná kapitola. Zároveň priaznivo ovplyvňuje prietok vzduchu pohonným systémom a znižuje aerodynamický odpor. Tým môžu byť výrazne rozšírené letové režimy pevnej alebo obmedzene variabilnej náporovej pohonnej jednotky. Ako palivo sa pravdepodobne použije obvyklý kerozín. Ten sa zmieša s peroxidom vodíka a prejde silne zahrievanými časťami lietadla. Tie sú týmto spôsobom ochladzované a zároveň dochádza ku krakovaniu paliva, ktoré sa mení na oxid uhoľnatý a vodík. Prostriedok AJAKS má slúžiť na dlhodobé hypersonické lety v atmosfére. Vďaka kombinácii niekoľkých veľmi vyspelých technológií by mal mať podstatne lepšie výkony, než porovnateľné konvenčné hypersonické prostriedky. Na realizáciu tohto projektu však bude potrebný značný pokrok v technológiách a dostatok finančných prostriedkov. Diskutabilná je napríklad hmotnosť celej pohonnej sústavy, pričom 80 % z nej pripadá na magnety, či potrebná veľkosť nasávacieho kanála na zabezpečenie optimálnej rýchlosti a energetickej extrakcie.

VASMIR – magnetoplazmový pohon

Američania, konkrétne Laboratóriá pre pokročilý kozmický pohon Johnsnovho kozmického strediska v Houstone pod vedením Dr. F. Changa Diaza sa zamerali na vývoj magnetoplazmového raketového motora VASIMR. Pohonnou látkou je neutrálny plyn, vodík alebo hélium. Ten sa vstrekuje do prvej magnetickej komory, kde je ionizovaný do stavu vysokoteplotnej plazmy vysokofrekvenčným elektromagnetickým poľom, vyžarovaným do plynu helikoidálnou anténou (helicon), umiestnenou okolo komory. Magnetické pole udržuje plazmu v definovanom objeme bez kontaktu so stenami komory. V druhej magnetickej komore dochádza k ďalšiemu zahrievaniu plazmy mikrovlným elektromagnetickým žiarením a plazma tak má dostatočnú energiu, ktorá sa premieňa na kinetickú v elektromagnetickej tryske. Vhodnou geometriou magnetického poľa, tvoriaceho výtokovú trysku, je možné dosiahnuť premenný špecifický impulz a tým aj optimalizáciu výkonu motora. V prípade, že sa magnetické siločiary prudko zakrivia, hmotnejšie kladne nabité ionty s vysokou kinetickou energiou už nemôžu vďaka zotrvačnosti magnetické siločiary sledovať, odtrhnú sa od magnetického poľa a vytečú do priestoru s vysokým špecifickým impulzom. Oblak ľahších elektrónov ich síce sleduje v dôsledku coulombickej interakcie, ale k ich úniku z magnetického poľa dochádza zriedkavejšie a preto môžu na výstupe z trysky spôsobiť deformáciu magnetického poľa. Plazmu je taktiež možné ochladiť vstreknutím chladného neutrálneho plynu, čím dôjde k jeho rekombinácii a z trysky potom prúdi chladnejší plyn s nižším špecifickým impulzom. Prvé testy sa mali uskutočniť na ISS v roku 2004, avšak tento termín nebude dodržaný. Kritici projektu poukazujú najmä na to, že napríklad pre let na Mars by VASMIR potreboval príkon 4 až 6 MW. Takéto množstvo energie môže dodať len atómový reaktor, ktorý zatiaľ pre kozmické aplikácie neexistuje. Aj keď pôvodne chcela NASA celý program zrušiť, nakoniec bolo jeho financovanie iba dočasne zastavené. Vývoj však pokračuje v iných laboratóriách, kde sa riešia podobné problémy spojené s konštrukciou motora.

Lightcraft – laserový pohon

Ďalším spôsobom ako poháňať novodobé, zvlášť kozmické telesá je laser. Princíp je pomerne jednoduchý: pozemná laserová batéria vystreľuje nanosekundový laserový lúč na dokonale odrazivý povrch telesa a to si nesie len pohonnú látku, ktorá je pri lete zo Zeme týmto laserom zahrievaná. Tohto princípu sa chopila súkromná firma Lightcraft Technologies Inc, ktorá s modelom rakety s priemerom 12,2 cm a hmotnosťou 51 gramov začala uskutočňovať pokusy. Na spodnej strane telesa je parabolické zrkadlo, ktoré zachytáva fokusujúci dopadajúci laserový lúč na raketový motor. Vďaka tepelnej energii lúča dochádza k vyparovaniu špeciálnej plastickej hmoty v komore motora a výtokom vznikajúcich plynov je model rakety urýchľovaný. Prvý let modelu sa uskutočnil 2. októbra 2000 na základni White Sands. Tento pohon má perspektívu najmä pri vynášaní družíc na obežnú dráhu.

Ešte viac exotickejšie

Čím budú poháňané lietajúce prostriedky budúcnosti? Už Nikola Tesla v dávnych dobách (letectva) predviedol zariadenie, ktoré na jednej strane smerovalo k vývoju elektrónového mikroskopu, na druhej k vývoju televíznej obrazovky a na tretej k pohonu iontovými časticami. Prečo by sme tento objav nemohli využiť? Najznámejším „exotickým“ motorom je bezpochyby antigravitačný pohon. Nemusí to byť hneď riadená anihilácia hmoty a antihmoty, stačí odstredivá sila centrifúgy (princíp hádzania športového kladiva točením). Taktiež energia elektrónu, ktorý je takmer nehmotný a celá jeho energia je v rýchlosti, sa dá urýchliť v betatróne. Podľa tohto princípu už skonštruoval Thomas Brown malé modely lietajúcich tanierov na elektrostatickom princípe - sú to vlastne špeciálne kondenzátory pod vysokým napätím. Taktiež v NASA sa v rámci programu „Prielom vo fyzike kozmických pohonov“ zamerali na hypotézu ruského vedca E. Podkletnova, ktorý tvrdil, že nameral zníženie veľkosti gravitačného zrýchlenia v blízkosti rotujúceho diskového supravodiča v magnetickom poli asi o 2 percentá (obrázok dole). Hlavnou motiváciou na takýto pokus bol predpoklad, že všetky sily v prírode spolu nejako súvisia a preto existuje i vzťah medzi silou elektromagnetickou a gravitačnou. Bohužiaľ špecialistom NASA sa po piatich rokoch úsilia zatiaľ nepodarilo potvrdiť Podkletonove výsledky, avšak projekt pokračuje ďalej. Najaktívnejšou súkromnou firmou v tomto odbore je SAIC zo San Diega. V poslednom čase prenikli na verejnosť správy, že sa spoločnosť Boeing zaoberá projektom GRASP (Gravity Research for Advanced Space Propulsion), zameraným na využitie efektu modifikácie gravitácie pre pokročilý kozmický pohon. Hovorca spoločnosti tieto informácie korigoval, keďže sa nejedná o nejaký konkrétny projekt, ale rovnako o monitorovanie výsledkov Podkletnova. Ten prednedávnom prezentoval ďalšie zaujímavé pozorovanie: pri elektrickom výboji medzi supravodičom a elektródou, medzi ktorými bol rozdiel potenciálov okolo 2 MV, dochádza v ose výboja k vzniku sily, ktorá odpudzuje hmotné telesá úmerne ich hmotnosti. Sila je lokalizovaná do relatívne úzkeho zväzku a pôsobí na veľké vzdialenosti. Pri výboji bol podľa Podkletnova vytvorený pulz sily zodpovedajúci gravitačnému zrýchleniu až 1000 G. A komu by pripadal antigravitačný pohon príliš šialený, odporúčam mu prečítať si teóriu induktívneho párovania medzi elektromagnetickými a gravitačnými silami. Ďalšou možnosťou je motor fungujúci na princípoch termoakustiky. Zvonka je aerodynamickým ohrevom zahrievaný na takú teplotu, pri ktorej sa vytvorí pohyblivá akustická vlna v héliu vnútri. Výsledný tlak spôsobí rezonancie s hodnotou 80 Hz. Tento zvuk je prevedený na elektrickú energiu (využiteľnú na pohon) zariadením podobným mikrofónu.

Náporový pohon

PDE Pulse Detonation Engine

PDRE – Pulse Detonation Ramjet Engine

MIPC engine – Mass Injection Pre-compressor Cooling

SERJ Supercharged Ejector Ramjet RBCC