Program Dyna Soar neměl na růžích ustláno a rozhodně nelze říci, že by jeho geneze byla lehká, natož přímočará. Přes všechny útrapy a problémy se nicméně ve druhé polovině roku 1961 podařilo ustálit design natolik, že mohla být vyrobena maketa a byly vyřešeny hlavní konstrukční prvky. 11. září pak představil Boeing podobu kluzáku, který měl USAF zajistit vstup do exkluzivního klubu entit, jež dokázaly posílat do vesmíru člověka. A na rozdíl od Sovětů a NASA byl Dyna Soar koncipován jako znovupoužitelný stroj, který měl být schopen k přistání využívat vzletové a přistávací dráhy, jakých je po světě nesčíselné množství. Oproti sovětským Vostokům přistávajícím balistickým způsobem, tedy s rozptylem v řádu minimálně desítek kilometrů, a americkým Mercury, jež využívaly podobný profil návratu a navíc dosedaly do oceánu, představoval Dyna Soar lákavou alternativu jako vystřiženou z dobových sci-fi románů. Možnost přistát na předem určeném letišti, kluzák relativně snadno dopravit na místo, kde měl být znovu připraven ke startu, a to až desetkrát — to je vidina, nad níž se museli rozplývat nejen technicky založení členové personálu a vedení USAF, ale také muži a ženy, jejichž hlavní zbraní byla počítačka a klotové rukávy. Ale jak vlastně měl onen pokročilý kus techniky vypadat?

Seznamte se: 844-2050E

Na vývoj Dyna Soar bylo vynaloženo obrovské úsilí, neméně obrovské množství peněz, ale také obrovské množství času. Jako příklad může posloužit statistika hodin, jež různé modely kluzáku strávily ve větrných tunelech, než se podařilo vyladit variantu, jež měla spatřit světlo světa ve fyzické podobě. 14 000 hodin zní až neuvěřitelně. Z této celkové cifry bylo 8 500 hodin ofukování prováděno v podzvukových režimech, 2 700 hodin v nadzvukových a 1 800 hodin strávily modely při simulaci rychlosti letu větší než Mach 15. Výsledkem práce přibližně 1 600 inženýrů alokovaných na program Dyna Soar byl stroj připomínající ilustrace z knih science-fiction.

11. září 1961 měli zástupci USAF a NASA možnost prohlédnout si plnorozměrovou maketu Dyna Soar. Podle všeho byli účastníci předváděcí akce s výsledkem spokojeni a bylo navrženo pouze několik úprav. Ovšem maketa v žádném případě nemůže nahradit letový kus se skutečnými materiály a systémy. Právě zde se stvořitelé Dyna Soar museli spolehnout na svou schopnost inovace a velkou míru imaginace.

Dyna Soar byl dolnoplošníkem s deltakřídlem o šípovitosti 72,5°. Kluzák na první pohled neoslňoval svými rozměry — na délku měřil 10,78 metru, rozpětí křídel činilo 6,34 metrů a vzletová hmotnost 5 167 kg včetně 450 kg užitečného zatížení. Zmíněné deltakřídlo mělo plochu 32 m² a o směrovou stabilizaci se staraly pevné stabilizátory se směrovými kormidly na koncích. Zajímavý byl fakt, že pro vyšší stabilitu v hyperzvukových oblastech nebyly stabilizátory rovnoběžné, ale rozbíhaly se pod úhlem 10° (původně uvažovaný úhel 8° byl shledán nedostatečným).

Trup kluzáku byl tvořen čtyřmi celky: příďovým úsekem, kabinou pilota, nákladovým úsekem a přístrojovým úsekem. V nehermetickém příďovém úseku bychom našli příďový podvozek, k němuž se později ještě vrátíme. Kabina pilota již byla samozřejmě hermetická, naplněná směsí kyslíku (43,5 %) a dusíku (56,5 %) a natlakovaná na 506,6 hPa. Pilot seděl v křesle, jež vyvinula firma Weber Aircraft Corporation, a které bylo upraveným křeslem původně užívaným v letounech X-15. Ony úpravy přispěly k odlehčení konstrukce křesla a paradoxně také ke zúžení obálky, v jejímž rámci mohlo být použito. Pilot Dyna Soar se na něj mohl spolehnout maximálně do rychlosti Mach 0,9 a při přistání pak do rychlosti nad 130 km/h. Ono osekání možností křesla bylo opodstatněno faktem, že při startu měl Dyna Soar k dispozici záchranný motor na tuhé pohonné látky, jenž měl kluzák odnést do dostatečné vzdálenosti od vybuchující nosné rakety, při návratu do atmosféry zase měla velmi odolná konstrukce kluzáku sama o sobě sloužit jako záchranná kapsle.

Pilot mohl stroj ovládat způsobem, na nějž by byl zvyklý z klasických letounů: pro bočení měl k dispozici klasické pedály, pro náklon a sklon pak řídicí páku. Ta ovšem měla v té době poměrně exotickou podobu, dnes by byla označována jako „sidestick“, tedy páka nikoli mezi nohama pilota, nýbrž po jeho pravici. Onen sidestick ovládal nejen aerodynamické plochy X-20, ale také orientační motorky pracující s jednosložkovým palivem — peroxidem vodíku, jenž se rozkládal na katalytické mřížce.

Ovládání kluzáku mělo čtyři různé módy. Jeden byl čistě automatický, druhý kompletně v režii pilota a dva další módy byly kombinacemi automatického a manuálního režimu. Ovládání, jehož základem byl adaptivní systém řízení MH-96, bylo de facto jakýmsi zárodkem fly-by-wire, veškeré zásahy pilota byly převedeny na elektrické impulsy a ty pak přebíraly servomotory pohybující ovládacími plochami. Totéž platilo pro orientační motorky.

Velmi zajímavé bylo myšlení inženýrů, kterým nedala spát fáze letu od startu po navedení na orbitu. Podle jejich mínění měl mít pilot možnost v případě potřeby korigovat dráhu nosiče, jinými slovy — měl být schopen řídit raketu, jež ho vynášela do vesmíru. Extenzivní simulace na centrifuze ukázaly, že pilot bude schopen i přes přetížení korigovat let nosiče s uspokojivou přesností.

Během letu měl pilot velmi omezený výhled ven. Ke kochání se ubíhající Zemí pod sebou měl k dispozici pouze dvě malá okénka na bocích kokpitu. Hlavní okna kabiny byla zakryta štítem z kolumbia, jenž je měl za úkol chránit před aerodynamickým a hlavně tepelným náporem při vzletu a zejména při návratu do atmosféry. Pilot se tak měl spolehnout hlavně na údaje přístrojů na přístrojové desce. Ta obsahovala klasické přístroje a indikátory, z nichž asi nejdůležitější byl umělý horizont umístěný ve středu desky u jejího horního okraje. Rozsáhlé tablo se světelnými transparenty upozorňovalo pilota na nejdůležitější funkce a potenciální poruchy. Aby měl pilot dobrý přehled o situaci, zejména co se týká úhlu náběhu během nejexponovanějších okamžiků průletu atmosférou, ale také o zásobě potenciální energie, obsahovala přístrojová deska krom běžných přístrojů také EMDI (Energy Management Display Indicator). Našli bychom jej pod umělým horizontem a přes svůj vzhled a funkci se jednalo o relativně jednoduché zobrazovací zařízení. Ve své podstatě to byl prostý CRT monitor o průměru 10 centimetrů, který zobrazoval jeden světelný bod, pohybující se podle pokynů jednoduchého analogového palubního počítače. Na matnici EMDI byly k dispozici dvě transparentní masky, na nichž byly zakresleny limity a nejdůležitější údaje v podobě křivek. Jedna maska (FIO – Flight Integrator Overlay) byla, jak již bylo výše řečeno, využívána pro sledování úhlu náběhu při vstupu do atmosféry, druhá (EMO – Energy Management Overlay) pomáhala určit zásobu potenciální energie při klouzavém letu před přistáním. Masky byly během letu automaticky měněny tak, aby odpovídaly dané fázi letu. Počítalo se s tím, že pro každou misi bude používán lehce odlišný EMO přizpůsobený konkrétní situaci.

Bez zajímavosti nebyl ani podvozek stroje. Je vcelku nabíledni, že tento prvek byl velmi důležitý pro znovupoužitelnost kluzáku, na druhé straně před konstruktéry stál úkol, jež se vymykal všemu, co do té doby znali. Přestože jisté zkušenosti v tomto směru již z vývoje hypersonického raketoplánu X-15 již existovaly, nároky na podvozek Dyna Soar byly řádově vyšší, zejména co se týče odolnosti proti extrémním teplotám. Zatímco u X-15 ližinový hlavní podvozek doplňovalo příďové kolo s pneumatikou, u X-20 si tento luxus konstruktéři dovolit nemohli. Žádný známý materiál, z něhož by pneumatiky mohly být vyrobeny, se nedokázal vyrovnat s podmínkami orbitálního letu a návratu do atmosféry. Předběžné odhady hovořily o teplotě až 425 °C v podvozkových šachtách. Proto nezbylo, než pracovat čistě s ližinovým podvozkem. Ližiny hlavního podvozku byly zhotoveny z plátů slitiny Waspaloy na bázi niklu, přičemž jejich spodní povrch byl pokryt štětinami slitiny René-41, jež byly příčně ohnuty přes podélné tyče. Jednalo se de facto o svébytný drátěný kartáč. Důvodem tohoto řešení byla nutnost vytvořit povrch, který jednak dokáže alespoň lehce kompenzovat případné nerovnosti přistávací dráhy a také zajistit vysoký třecí odpor. Ten byl nutný pro udržení směru doběhu v době, kdy již nebyly účinné aerodynamické plochy, podvozek totiž pochopitelně neměl brzdy. Vývoj hlavního podvozku zajišťovala firma Goodyear. Příďový podvozek v režii firmy Bendix zahrnoval jednu ližinu vykovanou z plátu René-41. Povrch ližiny byl tentokrát hladký, aby zajišťoval menší třecí odpor v porovnání s ližinami hlavního podvozku. Samotná ližina byla upevněna na podvozkové noze pomocí kloubu, jež umožňoval pohyb ližiny ve dvou osách, aby bylo možné překonat menší nerovnosti dráhy.

Podvozek byl vysouván při rychlosti 509 km/h (275 knots) pomocí vysokotlakého pneumatického systému, přičemž na zabezpečení plného vysunutí a zajištění se podílely i aerodynamické síly. Všechny podvozkové nohy moderních strojů oplývají systémem tlumícím ráz při dosednutí. Většinou se jedná o hydraulické tlumiče a nezasvěcený by očekával, že při přistávacích rychlostech 148-426 km/h a poměrně vysokém plošném zatížení křídla, a tím pádem při relativně strmém úhlu přiblížení, bude něčím podobným vybaven i Dyna Soar. Ovšem opět narážíme na již stokrát omletou písničku: termální poměry v podvozkových šachtách vylučovaly využití olejových či plynových tlumičů. Konstruktéři museli opět nechat pracovat svou imaginaci a dobové znalosti v oblasti materiálového inženýrství.

Na pomoc přišel materiál, jež je fanouškům kosmonautiky znám zejména díky svému využití na amerických raketoplánech. Inconel je nikl-chromová slitina, jež má krom stability za vysokých teplot také další neméně interesantní vlastnost: dokáže zvládnout relativně vysoké namáhání v jedné ose, což se projevuje tím, že se struktura natáhne do extrémní délky předtím, než je narušena její integrita. Řečeno polopatě — než se díl z inconelu přetrhne, natáhne se do impresivní délky. A právě této vlastnosti konstruktéři využili pro účely tlumení rázu při dosednutí. Podvozkové nohy byly vybaveny dílem označovaným jako „energy strap“, tedy energetickým pásem právě z inconelu. Ten pohltil energii dosednutí právě svou deformací. Nevýhodou byla nutnost vyměňovat tento pás po každém letu — protažení totiž bylo nevratné.

Největším oříškem byl, vcelku logicky, tepelný štít stroje. Původně se počítalo s aktivním chlazením pláště, nejblíže se k realizaci přiblížilo vodní chlazení. Jenže vynechání suborbitálních skoků sice ušetřilo finance a čas, onen čas byl však životně důležitý pro rozpracování a vycizelování některých komponentů a materiálů. Proto byla idea aktivního chlazení vynechána a konstruktéři se museli vrátit k méně exotickému řešení v podobě „horké konstrukce“.

Pro základ tepelného štítu kluzáku byla zvolena slitina René-41, se kterou přišli v padesátých letech minulého století materiáloví inženýři firmy General Electric. Slitina na bázi niklu se vyznačuje odolností vůči velmi vysokým teplotám, přičemž své vlastnosti si zachovává až do 982 °C. Panely René-41 tak udržovaly vnější tvar kluzáku a pomáhaly tím udržovat aerodynamické vlastnosti a pevnost konstrukce za extrémních podmínek. Na panely René-41 byla nanesena vrstva materiálu Q-felt, někdy také označovaného jako „Dyna Quartz“. Jednalo se o plsť z křemíkových vláken. Samotný povrch pláště kluzáku byl tvořen nově vyvinutým materiálem známým pod označením D-36. Slitinu tvoří Titan (10 %), Zirkon (5 %) a Niob (cca 85 %). Panely D-36 lehce odstávaly od panelů René-41 a vzniklá mezera fungovala jako další vrstva tepelné ochrany. D-36 si vlastnosti zachovává až do teplot okolo 1 300°C. Ovšem predikované teploty na exponovaných místech stroje, jako měly být například náběžné hrany křídel nebo špička trupu, přesahovaly i tyto hodnoty.

Pro náběžné hrany byl použit nový materiál označovaný jako TZM. Jednalo se o slitinu na bázi molybdenu s obsahem zirkonu titanu a karbonu. Tento materiál je schopen odolat poměrně vysokým teplotám v oblastech okolo 1 500 °C. I to však bylo málo pro špičku stroje, u níž konstruktéři předpokládali maximální teplotu kolem 2 200°C, tedy takovou, s jakou se ani TZM nedokázal vypořádat. Zde bylo nutné skutečně přijít s něčím zcela novým a převratným.

Vedení projektu si bylo klíčové role špičky trupu velmi dobře vědomo a nechtělo ponechat nic náhodě. Proto USAF zadalo vývoj designu této části hned dvěma firmám s tím, že jeden z designů bude použit a v případě, že by nakonec nevyhovoval v reálném prostředí, mohl by být realizován druhý design. Kontrakt obdržely firmy Ling-Temco-Vought (LTV) a Boeing. Zdálo by se, že polokoule s poloměrem 19 cm nebude příliš složitým technologickým kusem, opak však byl pravdou. Posledně jmenovaná firma přišla s návrhem monolitického kusu ze zirkonu, s vnitřní pomocnou strukturou z platinovo-rhodiového drátu. Povrch špičky byl pokryt hexagonálními vrypy, jež měly snížit termální namáhání. Tyto vrypy byly vyrobeny vložením papírové voštiny do formy, v níž byla špička tvarována. Papír samotný pak během opracování špičky shořel. Design LTV také pracoval se zirkonem, nicméně základem konstrukce byla vnitřní polokulovitá skořápka z karbonu pokrytá karbidem křemíku. Vnější povrch pak tvořily zirkonové dlaždice, jež ke karbonovému základu poutaly zirkonové kolíky. Jako hlavní design byl vybrán návrh LTV a Boeing se musel tentokrát spokojit se záložní rolí.

Jak vidno, proti žáru, který kluzák obklopoval během vstupu do atmosféry (a částečně také během vzletu), konstruktéři bojovali velmi inovativními metodami. Ovšem jedna věc je vnější tepelná ochrana a věc druhá je zase tepelná ochrana interiéru. Ať chceme, či ne, vnější tepelný štít sice dokázal odolat vysokým teplotám, nicméně jistý díl oné termální energie se přes něj přeci jen dostal v podobě akumulovaného tepla, které hrozilo vážně narušit vnitřní klima a ohrozit zdraví a existenci jak živé posádky, tak přístrojů nutných pro fungování letounu.

Pro udržení přijatelné vnitřní teploty byly využity dva systémy. První z nich využíval faktu, že pomocné zdroje elektrické energie a hydraulického tlaku (APU) vyvinuté firmou Sundstrand využívaly pro svou funkci spalování kryogenního kyslíku a vodíku (mimochodem — byl samozřejmě zvažován i „konvenčnější“ systém na bázi katalytického rozkladu hydrazinu, problémem však byla samotná hmotnost hydrazinu, díky níž by celý systém APU byla zhruba dvaapůlnásobně těžší než kyslíkovodíková varianta). Předtím, než vodík zamířil do spalovací komory APU, zamířil do tepelného výměníku, do něhož směřovala také instalace s náplní směsi vody a etylenglykolu, jež odebírala teplo z interiéru kluzáku.

Druhým systémem byl vynález zvaný „waterwall“, tedy „vodní stěna“. Tento název poměrně přesně vystihoval princip fungování tohoto systému. Ten představovaly panely různé tloušťky (podle toho, na jak tepelně exponovaném místě měly být použity), tvořené dvěma pláty aluminizovaného mylaru, mezi něž byla vložena polyuretanová pěna napuštěná směsí 95 % vody a 5 % látky cyanogum, která mění vodu na gel. Polyuretanová pěna zde figurovala proto, aby vlivem zrychlení během startu a přistání gel nepřetékal z jedné části panelu do druhé. Vodní gel odebíral teplo z okolního prostředí a měnil se na vodní páru. Systém Water Wall dokázal snížit teplotu prostředí z přibližně 900 °C na zhruba 100 °C a díky tomu mohla být hlavní konstrukce vyrobena z hliníkových slitin. Prvotní úmysl využít cirkulaci gelu, respektive par pomocí kondenzátorů narazilo na hmotnostní omezení. Nakonec byl nutný kompromis — systém nebude založen na cirkulaci, ale bude pracovat s částečným odpařením média. Přes opětovnou kondenzaci po přistání bylo tedy nutné počítat s úbytkem gelu po každém letu. To však působilo vrásky na čele konstruktérů. Pokud měla být zachována znovupoužitelnost, bylo by bývalo nutné vymyslet, jakým způsobem vodní gel znovu do panelů doplnit. Po usilovném drbání hlav zainteresovaní připustili, že nejjednodušší bude panely po každém letu jednoduše vyměnit.

Oba systémy našly své místo samozřejmě v kokpitu, v nákladovém prostoru, který byl umístěn hned za kokpitem a také v přístrojovém úseku. Nákladový úsek mohl nést, jak již bylo řečeno, necelých 500 kg vybavení rozmístěného v prostoru o objemu 2,1 m³. Na rozdíl od pozdějšího raketoplánu Space Shuttle nedisponoval tento oddíl vraty, jež by se otevíraly na orbitální dráze, minimálně pro prvotní fázi využití se počítalo s umístěním testovací a zapisovací aparatury, jež by soustřeďovala data o fungování stroje prostřednictvím 1 034 čidel dodávajících celkem 750 parametrů. Tento úsek byl hermetický a natlakovaný čistým dusíkem při tlaku zhruba 690 hPa.

Za nákladovým úsekem se nacházel přístrojový úsek. Nehermetický prostor sloužil pro umístění kryogenních nádrží s vodíkem a kyslíkem, dvě pomocné jednotky APU, primární chladicí okruh s tepelným výměníkem a v neposlední řadě také instalace dvou okruhů malých orientačních motorků. Tyto motorky pracující na principu rozkladu peroxidu vodíku měly za úkol orientovat kluzák při návratu do atmosféry. Celkem 16 trysek bylo umístěno jednak v přístrojovém úseku a také zhruba v polovině délky křídel blízko náběžných hran.

Za přístrojovým úsekem bychom našli přechodový úsek otevřený směrem dozadu. V něm se skrýval motor na tuhé pohonné látky XM-92 vyvinutý firmou Thiokol. Poskytoval tah 18.3 tuny, který bylo možné směrovat prostřednictvím čtyř výkyvných trysek. Motor měl dva úkoly: primárně měl posloužit pro deorbitační zážeh, v druhém plánu také sloužil jako prostředek pro nouzové přerušení startu. Po aktivaci dokázal celý kluzák poměrně rychle dostat pryč od selhávajícího nosiče, v případě nutnosti záchrany z rampy dokázal kluzák dostat do výšky přibližně 300 metrů, odkud by pak stroj půlpřemetem pokračoval na blízkou přistávací dráhu. Počítalo se také s tím, že během shozových testů bude použit k akceleraci kluzáku na rychlost M1,6.

Pro manévrování na orbitální dráze nebyl kluzák samotný koncipován a musela mu být poskytnuta „berlička“. Tou byl horní stupeň Titanu, nazývaný Transtage. Ten měl zajišťovat orientaci kluzáku na orbitální dráze a také veškeré změny trajektorie, které neměly být zrovna malé. Propočty hovořily o schopnosti změnit inklinaci dráhy až o 15,8°, v případě krátkého částečného vstupu do atmosféry dokonce až 20,3°.

7. července 1962 byly schválen návrh, jež určoval definitivní podobu kluzáku. Tato konečná verze nesla označení 844-2050E. Neznamenalo to, že by vše bylo vyřešeno. Na některé otazníky byly větrné tunely a propočty krátké a tak musely přijít na řadu testy v přirozeném prostředí. To bylo samozřejmě známo předem, proto již v roce 1960 začaly práce na programu, jež měl přinést poznatky ohledně materiálů, jež bylo v plánu pro Dyna Soar použít. Paradoxně tento program nakonec přežil zánik svého mateřského projektu a přinesl poznatky, které o dekádu později přispěly ke úspěšné realizaci zcela jiného okřídleného stroje…

(článek má pokračování)

Zdroje obrázků:

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:X-20_Dyna_Soar_prototype.jpg
https://www.afmc.af.mil/Portals/13/190805-F-ZS999-004_1.jpg (kredit: USAF)
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:X20_Dyna-Soar_diagram.png
https://ntrs.nasa.gov/citations/19720063747
https://www.afmc.af.mil/Portals/13/190805-F-ZS999-005_1.jpg (kredit: USAF)
https://i0.wp.com/www.defensemedianetwork.com/wp-content/uploads/2011/09/Air-Force-X-20-Dyna-Soar.jpg?w=800&ssl=1