Hypersonické novinky (1)

Novinky:

• Test hypersonické rakety předvedl šestipalcovou přesnost; 
• Studie DARPA navrhuje vizi výrobního závodu pro střely „scramjet“;
• Vědci čelí bariérám při testech hypersonických zbraní;
• Požadavky na vysokorychlostní aerodynamiku.
   

Test hypersonické rakety předvedl šestipalcovou přesnost

Tajemník americké armády (United States Secretary of the Army) Ryan McCarthy 13. října uvedl, že přesnost hypersonických raket, které jsou nyní ve vývoji, je do šesti palců (15,24 cm) od cíle.

McCarthyho poznámky během hlavního projevu na videokonferenci výročního zasedání Asociace americké armády (Association of the U.S. Army) potvrzují dříve neohlášené výsledky přesnosti z letového testu FE-2 (Flight Experiment-2) z 19. března 2020. Test FE-2 Block 0 CHGB (Common Hypersonic Glide Body) byl prvním a jediným testem hypersonického kluzáku od testu námořnictva FE-1 z listopadu 2017.

Víceplatformová hypersonická bojová hlavice CHGB; větší foto / ASTRO

„Hypersonické rakety zasahují své cíle s odchylkou pouhých šesti palců,“ řekl McCarthy. Tento komentář je mírně v rozporu s obecnými údaji o přesnosti z testů hypersonických raket, které uvedl prezident Donald Trump v proslovu ve West Pointu v červnu 2020. Trump popsal „hypersonickou raketu, která letí sedmnáctkrát rychleji než nejrychlejší aktuální raketa dostupná na světě a může zasáhnout cíl vzdálený 1000 mil do 14 palců od středu“.

Televize CNN následně potvrdila, že hypersonickou raketou, o které se Trump zmiňoval, byla CHGB, což je hypersonický kluzák (bojová hlavice) pro vyvíjené armádní raketové zbraně LRHW (Long Range Hypersonic Weapon) a námořní IRCPS (Intermediate Range Conventional Prompt Strike). Nikdy nebylo jasné, co Trump myslel tím, když uvedl, že raketa je „sedmnáctkrát rychlejší“ než nejrychlejší raketa. Pravděpodobně měl na mysli podzvukově řízenou střelu.

I přesnost 15 cm je ale působivá pro zbraň dlouhého dosahu, která je schopna manévrovat v atmosféře nadzvukovou rychlostí. Může také naznačovat, že zbraň nemá klasickou tříštivo-trhavou hlavici schopnou způsobit velké poškození nebo zničení. Z tohoto důvodu může být požadována vysoká úroveň přesnosti zásahu.

Armáda plánuje postavit funkční prototyp LRHW ve fiskálním roce 2023. Další letový test, naplánovaný na příští rok, spojí CHGB s nově navrženým raketovým nosičem o průměru 34,5 palců (87,63 cm).

Koncept továrny HPAF; větší foto / ASTRO

Studie DARPA navrhuje vizi výrobního závodu pro střely scramjet

Nová vize hromadné výroby tisíců náporových motorů scramjet vyplynula z dvouleté studie DARPA financované organizací ASTRO (Applied Science & Technology Research Organisation). Studie byla zveřejněná v září 2020 a hledala odpovědi na otázky, jak dohnat pokrok Ruska a Číny ve výrobě hypersonických zbraní, tedy:

• Kdo by měl zaplatit počáteční náklady na vybudování výrobní infrastruktury a testovací zařízení nezbytné k výrobě střel?
• Bude vyhovovat zvolená infrastruktura rychlému tempu změn v hypersonickém vývoji a umožní rychlou výměnu výrobního zařízení?

Odpovědi přinášejí zejména stroje pro aditivní výrobu (nejznámější je 3D tisk) vysokoteplotních materiálů potřebných pro pohonnou jednotku scramjet.

Thomas Bussing, bývalý viceprezident pro pokročilé raketové systémy společnosti Raytheon potvrdil, že aditivní výroba sehraje klíčovou roli při výrobě scramjetové střely. „Nemůžete vyrobit scramjet s vnitřním vzduchovým chlazením pomocí tradičních metod,“ řekl Bussing v rozhovoru v červnu 2019. „Také větší segmenty, přívody a obtokové kanály, všechny tyto věci se v zásadě provádějí pomocí aditivní výroby“.

HPAF je podstatě integrovaný výrobní systém fyzicky umísťující pod jednu střechu vše, od vývoje, výroby, demonstrace až po manažerské procesy. Na obrázku demonstrátor X-43A s motorem typu scramjet; větší foto /  U.S. Air Force

„Pokud si Lockheed Martin koupí stroj na výrobu kovových součástek pomocí 3D tisku, půjde o cenu mezi třičtvrtě až milionem dolarů,“ říká Maher, technologický ředitel společnosti ASTRO. „Nedělají tuto investici snadno, a když ano, snadno ji neopustí.“

Studie ASTRO navrhuje budoucí závod HPAF (Hypersonic Production Accelerator Facility) financovat převážně z nefederálních zdrojů, jako jsou místní a regionální vlády nebo pomocí partnerství veřejného a soukromého sektoru.

Tyto subjekty se stanou vlastníkem HPAF, poté pronajmou přístup ke strojovému zařízení ministerstvu obrany, které rozběhne výrobu daného programu. Následně Pentagon převede stroje a zařízení do procesu výroby scramjetů.

Test demonstrační střely X-42A Waveraider, aka střely typu scramjet využívající fenoménu rázové vlny.

Cíl tohoto přístupu je dvojí. Po téměř čtyřech desetiletích start-stop cyklů ve vývoji hypersonicky, jsou podniky skeptické a mají obavy z investic do prvotního výrobního zařízení. Kromě toho průmysl a armáda takto získají motivaci k investicím do nových aditivních strojů a procesů. „Pokud si koupíte vybavení, které vás uzamkne v daném časovém rámci [pro návratnost investice], leasing vám umožní být mnohem flexibilnější,“ říká Maher.

Studie ASTRO u HPAF navrhuje, aby celý dodavatelský řetězec od návrhu, testování a výroby byl umístěn uvnitř závodu, včetně systémového integrátora projektu (toho, co vše řídí) a manažera programu letectva. Další snahou armády je udržet konkurenci i mimo vývojový proces, přičemž o roční výrobní zakázky zabojuje více dodavatelů.

Pro dlouhodobou konkurenci HPAF získá čtyři fyzické výrobní zóny, což umožní třem výrobcům OEM (Original Equipment Manufacturer, prvotní výrobce dílů) a jejich dodavatelskému řetězci obsadit jednu oblast. Čtvrtá zóna se stane demonstračním místem, kde lze předvést nové výrobní technologie a použít je pro experimenty. „Cílem je také přimět vývojáře v jejich dodavatelském řetězci k práci v bezpečném prostředí s ochranou jejich duševního vlastnictví,“ doplňuje mluvčí Pentagonu.

(a) Klasický turbínový (proudový motor), (b) náporový motor ramjet (s podzvukovým spalováním) a (c) náporový motor scramjet (s nadzvukovým spalováním); / GreyTrafalgar, CC BY-SA 3.0

Vědci čelí bariérám při testech hypersonických zbraní

Po desetiletích tápání nastává doba funkčních hypersonických střel a konceptů. První generace útočných zbraní „boost-glide“ (hypersonické kluzáky) a střel „waverider“ (využívající fenoménu rázové vlny) jsou ve vývoji a budou nasazeny během několika let.

Klouzavého letu tělesa boost-glide v atmosféře je dosaženo poměrem mezi jeho vztlakem a aerodynamickým odporem, jež musí být vyšší než gravitační síla působící na těleso. Do této kategorie lze zařadit hlavice HGV (Hypersonic Glide Vehicle), jako například ruský Avangard nebo americkou hlavici CHGB.

Tělesa waverider jsou charakteristická svým letem v atmosféře na rázové vlně, jež se vytváří na čele tělesa při rychlosti letu plus Mach 5. Obecně je můžeme rozdělit na dvě skupiny:

Tělesa bez vlastního pohonu

Požadované rychlosti je dosaženo pomocí raketového urychlovače. Sem lze zařadit americký demonstrátor HTV-2 (Hypersonic Technology Vehicle 2), střelu AGM-183A ARRW (Air-Launched Rapid Response Weapon), případně čínskou DF-17.

Tělesa s vlastním pohonem

Sem můžeme zařadit střely s kombinovaným cyklem na bázi turbíny TBCC (Turbine-Based Combined Cycle). Letu na rázové vlně je zpravidla dosaženo pomocí čelního kužele. Druhou variací jsou střely scramjet, kde let na rázové vlně je založen na příďové náběžné hraně.

Specifický impuls vs. rozsah rychlostí jednotlivých typů motorů. Graf nám ukazuje, že pomocí klasických proudových motorů nedosáhneme rychlost, kde můžeme zapnout motor typu scramjet; větší foto / Kashkhan, CC BY-SA 3.0

Požadavky na vysokorychlostní aerodynamiku

Testy hypersonických klouzavých střel s raketovým pohonem a testovací střely s náporovým motorem typu scramjet dnešním vývojářům poskytly pevný základ z hlediska hlavních požadavků na vysokorychlostní aerodynamiku a pohon. Cílem přitom není jen konstrukce hypersonických zbraní, ale také bojových i dopravních letadel, které mohu danému státu poskytnout obrovskou strategickou výhodu (nejen ve vojenství).

„Dobrou zprávou je, že nyní není pochyb o tom, že scramjet může být postaven a může vyprodukovat čistý pozitivní tah,“ říká Mark Lewis, ředitel obranného výzkumu a inženýrství pro modernizaci amerického ministerstva obrany. „Naplnit však konečnou vizi použitelných hypersonických letadel bude vyžadovat obrovské úsilí. Potřebujeme pohonný systém, který nás dostane od Mach 0 až po Mach 5 nebo 6 a pak zpět dolů na Mach 0. Na tom stále pracujeme.“

Velkou otázkou je, zda půjde o motor s kombinovaným cyklem (proudový / náporový / raketový) nebo více různých motorů. Jelikož se horní provozní limit pro turbínové motory pohybuje kolem Mach 3 až 4 (viz graf výše), zaměřili se vývojáři náporových systémů na vývoj motorů typu TBCC, které integrují do jediné pohonné jednotky vysokorychlostní proudové a náporové motory (ramjet, scramjet).

Cílem není stavět jen hypersonické zbraně, ale i letadla. Na obrázku koncept hypersonického letadla SR-72; větší foto / Lockheed Martin

Zatím ale neexistuje žádná definitivní shoda na nejlepší cestě vpřed pro integrovaný vysokorychlostní pohon.

Scramjety, i když jsou koncepčně jednoduché bez pohyblivých částí, jsou totiž složité z hlediska provozní fyziky. Mechanická komprese proudových motorů je nahrazena rázovou kompresí, která ve formě rázových vln vstupujících do motoru musí účinně stlačovat vzduch na vstupu a v izolátoru, kde se palivo se vzduchem promíchá a reaguje za méně než jednu milisekundu. Dokonce za použití nejrychlejšího proudového motoru J58 Pratt & Whitney ze 60. let (poháněl SR-71 Blackbird) nelze dosáhnout podmínky pro zapnutí motorů scramjet.

„Výzvou je navrhnout spalovací komoru s optimální celkovou geometrií a tvarem ploch, geometrií a prostorovým rozložením vstřikovacích trysek,“ říká Kevin Bowcutt, vrchní vědecký pracovník hypersoniky v Boeingu, který řídil koncept designu X-51A.

Navzdory desetiletím práce na vývoji scramjetu se však stále objevují konkurenční koncepce pohonu. Jsou scramjety nutně stále správná odpověď? „Řekl bych, že stále jsou,“ říká Lewis. „Jednou z našich výzev je být dostatečně otevřený abychom si mysleli, že možná existují i jiné způsoby, jak se prohánět vysokou rychlostí. Nechtěl bych zúžit naše technologické možnosti. “

To je pro tentokrát vše. Průběžnými dalšími články se pokusíme představit nejnovější poznatky vyplývající z prováděných testů hypersonických střel. 

Půjde o následující oblasti:

• požadavky na vysokorychlostní aerodynamiku;
• pohony střel;
• tvarování draku střel;
• fyzika namáhání draku;
• vývoj nových materiálů;
• navrhování elektroniky.