Kosmický letoun budoucnosti Skylon: Nový motor výrazně usnadní cesty do vesmíru

Stavba orbitálních nosičů je velmi nákladná, a tak se prakticky každá kosmická společnost snaží najít způsob, jak ceny snižovat. Zřejmě nejlépe se to daří SpaceX, která umí části svých raket zachránit a opětovně použít. Není přitom žádným tajemstvím, že dlouhodobý cíl kosmonautiky představuje transportní systém fungující na principech letecké dopravy. 

S jedním stupněm do vesmíru

Sny o letadle, které by dokázalo cestovat do kosmu, jsou opravdu dávné. Během druhé světové války přišel raketový inženýr s českými kořeny Eugen Sänger s myšlenkou kosmického bombardéru Silbervogel neboli „stříbrný pták“, nápad však nikdy neopustil rýsovací prkna. 

Podařit by se to ovšem mohlo konceptu vesmírného letadla Skylon z dílny britské společnosti Reaction Engines. Unikátní stroj zvládne dosáhnout oběžné dráhy bez jakýchkoliv přídavných či pomocných motorů. Jedná se tedy v podstatě o jednostupňový systém (Single Stage to Orbit, SSTO), který se v dosavadní historii kosmonautiky zatím nepovedlo realizovat. Situace by se však mohla relativně brzy změnit: Vývojový program prvního raketového motoru na světě, jenž pracuje na náporové technologii a kyslík dokáže čerpat z okolní atmosféry, učinil další významný krok vpřed. Otevřel tak cestu k sérii hlavních testů, jež budou probíhat v následujících letech. 

Základem je chlazení

Synergetický, vzduch nasávající reaktivní raketový motor pojmenovaný SABRE je navržen tak, aby v počáteční fázi letu čerpal atmosférický vzduch. Po dosažení rychlosti mach 5, tedy pětinásobku rychlosti zvuku, a výšky asi 25 km se přepne do čistě raketového režimu. Poté již začne odebírat okysličovadlo z přídavných nádrží ve střední části trupu, aby se mohl bez problémů dostat do kosmu. Jenže to není tak snadné, jak by se mohlo zdát. Inženýři už léta řeší chlazení nasávaného vzduchu, který může být při rychlostech přesahujících mach 5 teplejší než 1 000 °C. Tudíž jej nelze pustit do motoru, protože by žár poškodil například lopatky turbočerpadla či stěny jádra pohonné jednotky. 

Existují tedy dvě možnosti: Postavit motor z odolných, ale těžkých materiálů, například z niklu – což by ovšem drasticky zvedlo hmotnost a tím by klesla účinnost. Druhou variantou je pokusit se horký vzduch ochladit. K tomu má sloužit předřazená chladicí jednotka, tzv. pre-cooler, se stěnami tenčími než vlas. Pro obrovské a rychlé změny teploty vzduchu využívá cirkulaci vysokotlakého helia v bludišti tenkostěnných trubiček, které v jednom bloku měří celkem 50 km. O správnou teplotu látky v systému se stará výměník HX3, jenž má za úkol teplo odvádět. Helium se pak chladí pomocí kapalného vodíku, který slouží jako palivo. 

Zchladit, stlačit, roztočit

Detaily společnost Reaction Engines zatím nezveřejnila, což je pochopitelné, jelikož se jedná o novou technologii. Přesto si zkusíme celý cyklus zjednodušeně vysvětlit. Motor nasaje vzduch přes speciálně navržený vstupní kužel, který ho zpomalí. Část pak putuje do předchladiče, kde se prudce zchladí na −140 °C. Kromě snížení teploty musí tepelný výměník zabránit tvorbě nebezpečného ledu. 

Turbokompresor, podobný těm z konvenčních proudových motorů, předchlazený vzduch stlačí a pošle ho do komory předspalování, kam se spolu s ním přivádí kapalný vodík z nádrží. Plyn vzniklý po vznícení roztočí turbínu pohánějící čerpadla a kompresory; poté pokračuje do hlavní spalovací komory raketového motoru, smísí se s dalším vodíkem a proběhne úplné spalování. Vzduch, který neprošel předchladičem, spalovací komoru obejde a přes nízkotlaký kompresor se dostane do komory náporového motoru neboli ramjetu. Ten pak vytvoří další, přídavný tah. Podle dostupných informací pohání zmiňovaný turbokompresor plynová turbína, pracující s odpadním teplem z heliového okruhu.

Zázrak techniky

Právě předchladič, který má za úkol chladit nasávané plyny tak, aby žár nepoškodil stěny motoru, představuje klíčový prvek a jeho správná funkce pak malý technický zázrak. Jakákoliv novinka ohledně daného zařízení proto vzbuzuje patřičnou pozornost. Nejinak tomu bylo po oznámení dalšího testu: Společnost Reaction Engines nedávno inovativní jednotku zdárně odzkoušela, a to rovnou při teplotách proudění vzduchu odpovídajících rychlosti 1 715 m/s, což jsou podmínky při mach 5. Vzduch o teplotě přes 1 000 °C se na požadovanou hodnotu podařilo zchladit za méně než 50 milisekund. 

Zmíněný úspěch představuje další významný milník ve vývoji přelomového motoru SABRE. Jak prohlásil Mark Ford, vedoucí sekce Evropské kosmické agentury (ESA) pro pohonné inženýrství: „Není to jen vynikající úspěch sám o sobě, ale také důležitý krok, který nás přiblížil k prokázání proveditelnosti celé koncepce motoru SABRE.“

O krok blíž kosmickému letadlu

Zkušební jednotka předchladiče byla vyrobena ve Velké Británii a poté ji společnost poslala na testy do svého zařízení v americkém Colorado Air and Space Port. Na zkouškách se tam od roku 2017 podílí také agentura DARPA. Pro celý projekt a jeho pokračování přinesl poslední dosažený úspěch odpověď na otázku, zda jsou motory SABRE skutečně proveditelné. Stačí si jen uvědomit, že nic podobného nikdy předtím nevzniklo. Například nejrychlejší nadzvukový dopravní letoun Concorde se pohyboval až dvakrát pomaleji, než je plánovaná provozní rychlost u motorů SABRE, a požadovaným hodnotám se nepřiblížil dokonce ani legendární SR-71 Blackbird.

Zkušební jednotka předchladiče:

V budoucnu by mohl SABRE posloužit jako základ opakovaně použitelného kosmického letounu, známého doposud pod názvem Skylon. (Společnost ovšem uvedené označení z nejasných důvodů již delší dobu nepoužívá.) Díky počáteční fázi letu, kdy stroj zvládne vyvinout pětinásobek rychlosti zvuku a vystoupat do 25 km, bude potřebovat mnohem méně těžkého kapalného kyslíku pro dosažení oběžné dráhy. Oproti konvenčním raketám se srovnatelnými parametry by systém mohl mít až o polovinu nižší hmotnost. Výhoda tkví například v redukování finančních nákladů, větší kadenci vzletů či ve startu i přistání prakticky odkudkoliv. 

Nejambicióznější projekt

ESA investovala do rozvoje motoru SABRE deset milionů eur, dalších 58 milionů dostala společnost Reaction Engines od Britské kosmické agentury (UKSA). Jejím jménem také ESA vykonává technický dohled. V březnu 2019 pak obě organizace přezkoumaly a schválily předběžný návrh demonstračního jádra motoru, který firma použije k pozemním zkouškám ve svém zatím nedokončeném testovacím zařízení TF1 v britském Westcottu. 

TIP: Nový přírůstek do rodiny raketoplánů: NASA dává zelenou pro Dream Chaser

Spoluzakladatel Reaction Engines a hlavní technologický ředitel Richard Varvill zdůraznil, že posledním úspěchem vyvrcholilo víc než třicet let úsilí: „Jde o významný moment pro Reaction Engines i ve vývoji motoru SABRE, který má potenciál způsobit revoluci jak v přístupu do vesmíru, tak ve vysokorychlostním létání“ (viz Přes půl světa). Ke startu demonstračního stroje s motory SABRE však povede ještě dlouhá cesta. První letové zkoušky se očekávají okolo roku 2025 a zřejmě k nim dojde spíš o něco později. Ovšem koncept opětovně použitelného hypersonického letounu schopného dostat se do vesmíru dnes představuje jednoznačně nejambicióznější projekt v letectví a kosmonautice starého kontinentu.