Cooper Canyon

Na overenie vojenského potenciálu hypersonických lietadiel závislých na vzduchu typu SSTO a potrebných technológií vznikol v júni 1983 na podnet agentúry DARPA tajný program Cooper Canyon. Zo skromných šiestich miliónov dolárov v roku 1983 sa jeho rozpočet od roku 1985 vyšplhal na stovky miliónov. Medzi rôznymi konceptmi sa objavili vysokorýchlostné strely s plochou dráhou letu, dvojstupňové satelitné nosiče, vysokorýchlostné orbitálne bombardéry a prieskumné lietadlá. V polovici roka 1985 sa o program Cooper Canyon začala zaujímať skupina vyvíjajúca TAV. Kým návrhy prostriedku TAV sa zameriavali výlučne na raketové usporiadanie typu SSTO, Cooper Canyon presadzoval hypersonické lietadlo, závislé na atmosférickom kyslíku. Čoskoro začali obidve skupiny spoločné rokovania so zámerom zvoliť jednu z koncepcií ako základ budúceho amerického vesmírneho plavidla, ktoré by bolo vyvíjané v spolupráci s NASA a ministerstvom obrany. Väčšiu perspektívu malo hypersonické lietadlo s náporovými motormi a tak bol v októbri 1985 vytvorený nový program AAV (Advanced Aerospace Vehicle), aby bol už o mesiac nahradený o niečo civilnejším programom NASP (National Aerospace Plane).

Have Region

Na program Science Realm voľne nadviazali štúdie Have Region, ktoré mali doplniť v tom čase prebiehajúci program NASP. Tieto štúdie vyústili do stavby troch prototypových konštrukcií, vyrobených prevažne z rôznych exotických materiálov, ktoré mali podstúpiť simulované letové testy. Konštrukcia Lockheedu vážila o niečo viac, než sa pôvodne predpokladalo a okrem toho röntgenová inšpekcia odhalila defekty vo zvarovaní, takže pre program NASP sa stala nepoužiteľnou. Napriek tomu sa podarilo úspešne demonštrovať schopnosť vyrobiť kryogénne nádrže na vodík s 3 mm hrubou kovovou vložkou. McDonnell Douglas postavil konštrukciu, ktorá bola zväčšeninou projektu Isinglass zo šesťdesiatych rokov. Aj pri nej bol prekročený hmotnostný limit a navyše pri prvom pevnostnom teste sa porušila štrukturálna integrita s následným výbuchom. Boeing síce udržal hmotnosť v stanovenej miere, ale pri inšpekcii sa zistilo, že prostriedok obsahuje len 95 % požadovaných systémov. Pri testoch sa niektoré časti vonkajšieho tepelného štítu poohýbali. Napriek tomu možno túto konštrukciu hodnotiť ako najúspešnejšiu a podľa všetkého by ešte stále mala byť uložená v továrni Boeingu v Kente. Napriek tomu, že výsledky programu Have Region nemali veľký dopad na program NASP, predsa len pomohli pri konštrukcii a úspešných testoch kryogénnych kompozitových nádrží.

X-30 NASP

Hlavným cieľom programu NASP bolo vyvinúť a postaviť dva prototypové raketoplány X-30 typu SSTO s náporovými motormi s nadzvukovým spaľovaním. Zabudované raketové motory mali byť použité len vo finálnej fáze navedenia na obežnú dráhu a na orbitálne manévrovanie. Na programe boli zainteresované prakticky všetky významné aerokozmické firmy. V októbri 1987 začala Phase 2A, v rámci ktorej boli pre ďalší vývoj zvolené návrhy firiem Lockheed a Boeing, pričom pohonné jednotky mala zabezpečiť spoločnosť General Electric. Optimisticky skoncipovaný vývojový program začali čoraz viac narúšať vzrastajúce technické problémy. Napriek tomu, že limit hmotnosti už v žiadnom prípade nebolo možné dodržať, lietadlo bolo plne schopné hypersonických letov. Do dosiahnutia únikovej rýchlosti mu chýbalo približne 914 m/s. Po skončení „studenej vojny“ a zmene svetového usporiadania začal záujem USAF o NASP čoraz viac upadať. V roku 1989, počas svojho prvého týždňa v kresle ministra obrany, zrušil Richard Cheney účasť USAF na projekte. To znamenalo výpadok takmer osemdesiatich percent financií. Vývojové práce síce pokračovali miernym tempom ďalej, ale pre NASA a súkromný priemysel bolo nereálne získať 15 miliárd dolárov na začatie Phase 3 – letové testy dvoch postavených demonštrátorov a tak bol program NASP v máji 1993 definitívne zrušený.

HySTP

Práce na hypersonickom lietadle NASP však už pokročili príliš ďaleko. Hoci nebol dosiahnutý hlavný cieľ – rutinné vesmírne lety na jednostupňovom raketopláne – v oblasti pokročilých materiálov, technológií a plánovania misií bol dosiahnutý značný pokrok. Preto sa USAF v januári 1995 rozhodlo zhodnotiť poznatky a vyvinuté technológie a vytvorilo ďalší v sérii výskumných programov, tentokrát pod názvom HySTP (Hypersonic Systems Technology Program). Jedným z jeho produktov je aj náporový motor s nadzvukovým spaľovaním Pratt and Whitney Copper Behemoth, vyvinutý pre X-30 NASP. Kvôli svojej hmotnosti na úrovni 906 kilogramov sa nezmestí do žiadneho bezpilotného demonštrátora a tak zrejme ostane naveky uzemnený.

V rámci neho bol vyvinutý v posledných rokoch často diskutovaný typ pohonnej jednotky PDE (Pulse Detonation Engine). Koncepcia motora je značne odlišná od klasických atmosférických motorov, ktoré využívajú Braytonov cyklus. V prípade PDE je do spaľovacej komory v pravidelných krátkych intervaloch privádzané palivo a oxidačná jednotka. Potom nasleduje detonačná a expanzná fáza, ktoré zapríčinia podtlak a opätovné nasávanie paliva v ďalšom cykle. Čím je frekvencia detonačných cyklov vyššia, tým stabilnejší je ťah motora. V polovici deväťdesiatych rokov absolvoval motor letové testy (pričom by ma veľmi zaujímalo, na akom lietadle). Tento typ pohonnej jednotky funguje efektívne do rýchlosti Mach 5 a mohol by slúžiť ako doplnok k náporovým motorom v hypersonických lietadlách.

X-43 Hyper-X

Náporové motory s nadzvukovým spaľovaním mali byť vyskúšané na malom experimentálnom bezpilotnom lietadle Hyper-X. To svojím tvarom pripomínalo posledné verzie raketoplánu NASP. Program mal prebiehať pod hlavičkou NASA a čoskoro bol zaradený do série experimentálnych lietadiel s označením X-43. Firma Micro Craft Inc. bola poverená stavbou troch letových demonštrátorov, ktoré mali po urýchlení raketou Pegasus a naštartovaní náporových motorov dosiahnuť rýchlosť Mach 5 až 12.

Následná verzia X-43B už mala byť plne viacnásobne použiteľná a jej hlavným cieľom bolo otestovať hybridné pohonné jednotky typu RBCC (rocket-based-combined-cycle), TBCC (turbine-based-combined-cycle) a AAR (air-augmented rocket). V motore typu TBCC je turbína umiestnená oddelene nad vysokorýchlostnou náporovou časťou a má svoj vlastný vstupný kanál aj trysku. Najkomplexnejší a najzložitejší je motor AAR. Ten má všetky druhy pohonu koncentrované v jedinom prietokovom kanáli. Počas vzletu prúdi z raketového motora do spaľovacej komory dodatočné palivo s prebytkom kyslíka, čím sa zvýši ťah takmer o 50 %. Po dosiahnutí rýchlosti Mach 2 sa raketový motor vypne a opätovná aktivácia nastáva až pri nedostatku atmosférického kyslíka na obežnej dráhe. Schéma motora AAR a princíp jeho fungovania je vyobrazený dole. Motor RBCC sa svojím princípom podobá AAR, ale dokáže operovať v širšom rozsahu rýchlostí prostredníctvom zmeny geometrie motora. Výhody takejto pohonnej jednotky sú zrejmé. Po minimálnych úpravách, uskutočniteľných počas letu, môže fungovať v raketovom, náporovom, turbonáporovom, maximálnom či prúdovom režime.

Ďalšou v poradí je väčšia verzia X-43C, poháňaná tromi motormi Pratt and Whitney GDE-1, schopnými pracovať v režime podzvukového aj nadzvukového spaľovania. Každý z nich váži len 68 kilogramov. Namiesto vodíka malo byť použité uhľovodíkové palivo. Pri prechode trupom by podstúpilo proces krakovania a zároveň by ochladzovalo termodynamicky namáhané časti konštrukcie tak, ako to bolo pôvodne navrhnuté pre raketoplán NASP. V októbri 2003 bol spoločnosti Allied Aerospace Industries udelený kontrakt vo výške 150 miliónov dolárov na vývoj prvého demonštrátora X-43C. Avšak už o pár mesiacov neskôr bol zastavený v súlade s novou orientáciou NASA. Jeho ďalší osud je otázny.

DARPA FALCON Hypersonic Cruise Vehicle

Program X-30 NASP sa dočkal reinkarnácie. Agentúra DARPA v spolupráci s USAF hľadá vhodných kontraktorov na stavbu hypersonického bezpilotného bojového lietadla, ktoré by bolo schopné zasiahnuť na ktoromkoľvek mieste na Zemi do dvoch hodín. Primárne má slúžiť na bojové operácie, ale je možné, že sa časom vyvinie na jednostupňový, viacnásobne použiteľný vesmírny raketoplán. Lietadlo HCV (Hypersonic Cruise Vehicle) je súčasťou programu FALCON (Force Application and Launch from Continental United States) čo znamená, že má operovať výlučne z územia USA. Očakáva sa od neho dolet 16 668 kilometrov a nosnosť 5443 kg užitočného zaťaženia, ktoré budú tvoriť hlavne hypersonické klzáky X-41 CAV.

HCV má predchádzať zjednodušený a zmenšený demonštrátor SLV (Small Launch Vehicle). Jeho operačné charakteristiky sa majú podobať klasickému lietadlu a má využívať pohonný systém, závislý na atmosférickom kyslíku. Vývojové práce sú rozplánované na roky 2004 až 2009.

Po príslušných úpravách by sa dal prostriedok SLV použiť ako ďalekonosná hypersonická strela s plochou dráhou letu.