Devadesátá léta přinášela nové projekty v rámci strojů s označením X. V minulých dílech jsme se zabývali stroji, které měly sloužit především jako záchranné čluny pro plánovanou vesmírnou stanici Freedom a následně pak pro Mezinárodní vesmírnou stanici. Jednou ze sekundárních možností bylo i využití, jako servisního plavidla či pro samostatnou, krátkodobou misi. V tomto případě se bavíme o stroji HL-20, kdy jeho odkaz žije dál v podobě stroje Dream Chaseru, který se chystá na svou první misi již příští rok. Čistě záchranným člunem se pak stal stroj X-38, který díky škrtům v rozpočtu nedostal šanci vzletět za hranice atmosféry. Nyní se podíváme na program NASA, Reusable Launch Vehicle (RLV). Tento program zahrnoval tři samostatné stroje, které si postupně v jednotlivých dílech popíšeme. Celý program NASA pak vzešel ze studie Access to Space.

Reusable Launch Vehicle

Raketoplán Discovery při startu na misi STS-120
Zdroj: en.wikipedia.org

Devadesátá léta přinášela nové otázky tykající se dalšího vývoje vesmírného transportního systému. Bylo jasné, že program raketoplánu zdaleka nenaplní původní cíle programu a vznikaly tak úvahy o vývoji menšího stroje schopného operovat na orbitální dráze s výrazným snížením nákladů. Než se tedy začneme zabývat samotnými stroji, jako X-34 a dalšími zástupci kategorie RLV, bude nejdříve nutné se zabývat celkovou atmosférou 90. let, která vedla až ke vzniku projektů v rámci jednoho programu pro dosažení vícenásobně použitelných dopravních systémů. Jak bylo uvedeno v úvodu, na začátku stála studie Access to Space. Tato studie vznikla v roce 1993 a provedl ji Úřad pro rozvoj kosmických systémů v reakci na pokyn kongresu. To vše v rámci zákonu o rozpočtových prostředcích pro FY 1993, kde se uvádělo:

„Identifikace dlouhodobých zlepšení vedoucích k architektuře kosmické dopravy, která by snížila roční náklady vlády USA na starty do vesmíru nejméně o 50 %, řádově (desetkrát) zvýšila bezpečnost letových posádek a výrazně zlepšila celkovou provozuschopnost systému“

V rámci této studie byly zkoumány tři možné alternativy:

1. Modernizace stávajícího raketoplánu, jako opakovaně použitelného stroje s tehdejší flotilou ELV (Expendable Launch Vehicle) do roku 2030
2. Vývoj nového ELV s využitím nejnovějších technologií a zahájení přechodu od raketoplánu a starších ELV od roku 2005
3. Vývoj nového opakovaně použitelného vyspělého technologického systému nové generace, který by zahájil přechod od starší flotily raketoplánů a ELV počínaje rokem 2008

Výsledkem této studie bylo určení třetí možnosti, jako nejperspektivnější varianty, tzn. vyvinutí nových jednostupňových nosných raket (tzv. Single-Stage-To-Orbit – SSTO), které by byly kompletně znovupoužitelné. Během výběru třetí varianty došlo ke shodě mezi NASA a DoD (Department of Defense), že:

„Využívání vyspělých technologií bude muset doprovázet změna kultury ve vývoji, certifikaci a řízení provozu nosných raket, aby bylo možné je využít v co největší míře“

Tým provádějící studii použil ke svému tvrzení modifikovanou databázi o civilních potřebách z roku 1990, kde by přibližně 90 % všech budoucích nízko orbitálních užitečných nákladů mělo mít menší hmotnost, cca 9 tun s přibližnou délkou 6 m. Toto mělo pak vliv na určení požadavku o velikosti užitečného nákladu budoucího stroje. Na základě všech informací pak tým stanovil tři koncepční návrhy, které měly dostatečnou škálu rozsahu pro možné kandidátské návrhy.

1. Raketový pohon s jedním stupněm na oběžnou dráhu (SSTO-R)
2. Kombinace proudového (proudový motor) a raketového pohonu s jedním stupněm pro dosažení oběžné dráhy (SSTO-A/R)
3. Kombinace proudového a raketového pohonu s dvěma stupni pro dosažení oběžné dráhy (TSTO-A/R)

Výsledkem celé studie Access to Space pak bylo nařízení NSTP (National Space Transportation Policy) podepsané roku 1994 prezidentem Billem Clintonem. Pro NASA to tak znamenalo vyvinutí znovupoužitelného prostředku v rámci nového programu označeného jako RLV (Reusable Launch Vehicle). De facto dokument znamenal blízkou spolupráci mezi NASA, USAF a komerčních partnerů na vývoji celého systému opakovaně použitelných nosných raket s jedním stupněm na oběžnou dráhu (SSTO). Nový program se pak dále dělil na tři podprogramy zahrnující:

• DC-XA – vertikálně startující a přistávající raketa SSTO
• X-33 – vztlakové těleso
• X-34 – okřídlený RLV

Ukázka strojů v rámci RLV: Vlevo X-33 VentureStar, uprostřed DC-XA a vpravo X-34
Zdroj: en.wikipedia.org

Delta Clipper DC-X

Jako první stroj, který probereme v rámci této trilogie, bude Delta Clipper Experimental, který byl testován Ballistic Missile Defense Organization (BMDO), jako součást programu SSTO (single-stage-to-orbit). Mělo se jednat o třetinovou verzi plánovaného suborbitálního stroje DC-Y pod vedením SDIO (United States Strategic Defense Initiative Organization). Nutno dodat, že X znamenalo Experimental, ale označení Y už znamenalo sériové nasazení. Program se dělil na tři postupné fáze:

1. Udělení kontraktu na studii různých typů potenciálního stroje SSTO
2. Udělení kontraktu na stavbu DC-X
3. Udělení kontraktu na stavbu a letový program DC-Y

Účelem programu bylo prokázání provozuschopnosti, praktického použití a nákladové efektivity pro plně opakovaně použitelnou jednostupňovou raketu. Program měl také sloužit k prokázání proveditelnosti celé kategorie RLV pro suborbitální a orbitální lety s přípravou na další let do tří dnů.

Nyní si dovolím malou odbočku k pojmenování celého programu. Kontrakt na stavbu DC-X získala společnost McDonnell Douglas Space Systems. V rámci odkazu na svou úspěšnou minulost vycházel název DC-X z velmi úspěšných letounů řady DC-1, který se dále rozvíjel v DC-2 a DC-3 Dakota.

Vpravo ukázka DC-XA. Vpravo je ukázka letové trajektorie i s de-orbitačním manévrem a přistáním
Zdroj: en.wikipedia.org

Jak bylo uvedeno, kontrakt na stavbu získala společnost McDonnell Douglas, která na stavbě spolupracovala s SDIO (United States Strategic Defense Initiative Organization). Společnost měla v rámci první fáze programu provést studii ve které bude zvolen nejlepší způsob startu a celkové proveditelnosti SSTO. Ve své studii označila možné způsoby, přičemž se sama přiklonila ke třetí variantě, která představovala nejnižší náklady na pořízení a provoz.

• Horizontální vzlet a přistání (HTOL)
• Vertikální vzlet a horizontální přistání (VTO-HL)
• Vertikální vzlet a přistání (VTOL)

Fáze letu by podle studie měla probíhat vertikálně. Po splnění mise by stroj provedl řízený návrat přídí napřed, tzn. pomocí orientačního systému by změnil polohu, aby vstoupil špičkou do atmosféry, kde by následně došlo k přetočení zpět do polohy s motorovou částí proti vzduchu, aby bylo možné zase vertikálně přistát. Po přistání pak mělo být možné provést nutnou inspekci, dotankování paliva a uskutečnit další start. Pozorný čtenář si jistě všimne, že podobný koncept už někde viděl. V rámci vývoje mělo být provedeno i několik testů ověřujících tento koncept. Nutno dodat, že s DC-X se nepočítalo, jako se suborbitální raketou. Místo toho měl stroj sloužit, jako demonstrátor proveditelnosti RLV. V rámci kontraktu bylo přistoupeno k rychlému návrhu prototypu a stavbě experimentálního kusu stroje s přihlédnutím k nejnovějším technologiím. Stavba byla zahájena v roce 1991 v Huntington, přičemž na stavbě spolupracovala i společnost Scaled Composites, která konstruovala opláštění stroje. S touto společností jste se mohli setkat už v díle o X-38. Na stavbu stroje bylo použito mnoho celků, které už byly využívány v jiných projektech. Jako příklad mohu uvést navigační systém, který byl použit z letounu F-15 společně s dalšími komponenty z letounu F/A-18, jako byly například akcelerometry. Pohonný systém pak obstarávaly čtyři raketové motory RL-10A5 s možností řízení tahu v rozsahu od 30 % do 100 % a s hydraulickým nakláněním motorů v rozsahu ±8°. Pro ovládání polohy v prostou byly využity čtyři trysky o tahu 440 liber.

DC-X v příčném řezu s ukázkou vnitřního uspořádání
Zdroj: quora.com

První let se uskutečnil 18. srpna roku 1993 v trvání 59 sekund ve White Sands Missile Range. Další zkoušky pak následovaly v dalším měsíci i za přítomnosti astronauta Peta Conrada, který plnil roli pozemního kontrolora. Po těchto prvních krátkých letech došlo k ukončení podpory programu ze strany SDIO, která stála na začátku programu. Dalšího financování a pokračování se tak ujmula agentura NASA a ARPA (Advanced Research Projects Agency), stále však pro USAF  a letový program pokračoval od 20. června 1994. Letový program pokračoval až do roku 1995. Během těchto letů došlo 27. června 1994 k menšímu výbuchu za letu. DC-X ale dokázal úspěšně provést přerušení a automaticky přistál. To ale nebyla jediná nehoda stroje, a právě na posledním letu došlo během tvrdého přistání k prasknutí vnějšího pláště. Tato nehoda přišla přesně ve chvíli, kdy docházelo k omezení rozpočtu a na opravu tak již nebyly finance. Během těchto letů dosáhl DC-X nejvyšší výšky letu 2500 m. Celý letový program byl velmi úspěšný, protože dokázal demonstrovat diferenciální řízení tahu motorů během letu, samotné řízení polohy v prostoru. Asi největší úspěch byl i zmiňovaný výbuch na palubě stroje, kdy se stroj dokázal v pořádku vrátit.

Tím to však celý program neskončil. Díky administrativním změnám došlo k převedení celého programu plně pod agenturu NASA v roce 1995, zatímco Ministerstvo obrany se dále zabývalo ELV (Expendable Launch Vehicle). Po převzetí stroje se NASA rozhodla provést několik vlastních vylepšení pro testování nových technologií. Navíc byl stroj poškozen po posledním letu, takže bylo nutné provést i opravu stroje po tvrdém přistání. Jedním z příkladů změn v konstrukci může být změna kyslíkové nádrže, která byla nahrazena novou verzí z lehkých materiálů, přesněji slitinou 1460, dodanou z Ruska. Další změnou prošla i vodíková nádrž, u které byl použit kompozitní materiál. Nový stroj byl pojmenován jako DC-XA, tedy Delta Clipper Advanced. Po slavnostním představení v březnu 1996 dorazil stroj do zkušební oblasti White Sands, kde měly probíhat opět letové testy. Dne 18. května proběhl první let. Do čtvrtého letu probíhaly testy v pořádku. To se změnilo čtvrtým letem, kdy se během přistání nevysunula jedna z přistávací vzpěr. Následovalo nevyhnutelné převrácení celého stroje s proražením nádrže a přívodního potrubí zakončené sérií explozí. Po této totální nehodě byla ustanovena vyšetřující komise, jejímž předsedajícím se stal astronaut Vance Brand. Brandově skupině zabralo vyšetřování pět měsíců a své závěry zveřejnila v roce 1997.

DC-XA po fatální nehodě, která vedla ke zrušení programu
Zdroj: secretprojects.co.uk

„Hlavní příčinou nehody rakety bylo, že potrubí pneumatického systému helia pro podvozkovou vzpěru č. 2, protože nebylo připojeno. Toto nepřipojené podvozkové potrubí znemožnilo, aby byl podvozkový mechanismus pod tlakem a vzpěra se uvolnila, což mělo za následek, že se vzpěra č. 2 nevysunula. Stroj se při přistání stal nestabilním, převrátil se na bok, explodoval a shořel.“

Následky této nehody se poté promítly i do dalších projektů NASA, protože nyní byl v provozu jediný kus DC-XA, tzn. zničením jediného kusu dochází automaticky ke zrušení programu. Nebyly to jediné diskuse okolo této události, na povrch postupně vycházely další body. Jedním z velmi „horkých“ bodů bylo obvinění pozemního personálu, který pracoval v prostředí, kde se stále řešilo zrušení projektu a špatné financování. Dalším bodem byla i nespokojenost tohoto personálu, který pokračoval na projektu už z dob patronace SDIO, s byrokratickým procesem NASA.

Program DC-XA po této nehodě již nepokračoval vzhledem ke zničení jediného kusu. Samotná agentura NASA se k projektu, podle všeho stavěla velmi chladně, protože se mělo jednat o konkurenční program pro X-33 VentureStar. Jedním z hlavních důvodů upřednostňování X-33 bylo i plánované horizontální přistání stroje, které prosazovali někteří inženýři NASA.

Závěrem pak dodám, že mnoho inženýrů pracujících na tomto projektu postupem času přešli ke společnosti Blue Origin. Podle mnohých mohl DC-XA poskytnou komplexní řešení pro přistání na Marsu a Měsíci. Pokud by se totiž podařilo dotáhnou projekt do konce i s obraceným scénářem, tedy nejdříve přistáním a pak vzletem, což je profil pro přistání na cizí planetě, poskytl by řešení pro zamýšlené mise s posádkou.

Ukázka jednotlivých komponent DC-XA
Zdroj: secretprojects.co.uk

EDIT 21. prosince 12:40
Pro čtenáře přidávám přehledné dělení experimentálních strojů

Přehled X-plánů a projektů RLV
Zdroj: Design Evolution and AHP-based Historiography of
Lifting Reentry Vehicle Space Programs

Zdroje informací:
X-34 TECHNOLOGY DEMONSTRATOR, Audit report IG-00-029, Autor NASA, Rok vydání 2000
ACCESS TO SPACE STUDY, Summary Report, Autor NASA, Rok vydání 1994
history.nasa.gov/
thedrive.com/
cs.wikipedia.org/
en.wikipedia.org/
en.wikipedia.org/

Zdroje obrázků:
Design Evolution and AHP-based Historiography of Lifting Reentry Vehicle Space Programs, strana 25
spp.fas.org/
en.wikipedia.org/wiki/
s3.amazonaws.com/
en.wikipedia.org/wiki/
en.wikipedia.org/
astronautix.com/
en.wikipedia.org/wiki/
quora.com/
secretprojects.co.uk/