Hypersonické novinky (4)

Hypersonické novinky (4)
Vizualizace dopravního letadla Mach 5 od Hermeus / Hermeus Corp. (Zvětšit)

V dnešním pokračování volného seriálu představíme hypersonický Air Force One pro amerického prezidenta a řešení tepelného namáhání hypersonických střel.

Hypersonické letadlo Air Force One

Start-up Hermeus vyvíjí dopravní letadla s názvem Mach 5 pro přepravu amerického prezidenta, diplomatů a dalších.

Dnes prezident Spojených států a další vysoce postavení úředníci létají stejně rychle jako ostatní. Nyní americké letectvo, které řídí současnou flotilu vládních letadel Boeing, Bombardier a Gulfstream, zkoumá proveditelnost přidání letadla Mach 5 do své vládní letky.

Start-up Hermeus v srpnu 2020 získal roční kontrakt za 1,5 milionu dolarů od Ředitelství prezidentských a vládních leteckých sil (Air Force Presidential and Executive Airlift Directorate). Cílem je zpracování studie využití konceptu letadla Mach 5 pro vládní úkoly. Společnost Hermeus se dosud zaměřovala jen na civilní vývoj letadel Mach 5.

Každé hypersonické letadlo pro 20 osob získá nezveřejněný počet motorů s kombinovaným cyklem na bázi turbíny TBCC (Turbine-Based Combined Cycle). Při nižších rychlostech každý motor TBCC vyvine stejný tah jako běžný turbínový motor, ale od rychlosti Mach 3 se TBCC přepne do hypersonického režimu.


Hypersonický Air Force One; větší foto / Hermeus

Při rychlosti 5000 km/h a více hypersonické letadlo dokáže drasticky snížit cestovní čas. Například cesta prezidenta Donalda Trumpa do Tokia loni v létě trvala 14 hodin na palubě přestavěného Boeingu 747–200 s volacím znakem Air Force One. S letounem Mach 5 stejná cesta potrvá zhruba 2,5 hodiny.

„Čím méně času stráví úředníci ve vzduchu, tím více času mají na zemi pro důležitá osobní jednání, zvláště pokud jde o diplomacii nebo něco podobného,“ řekl AJ Piplica, zakladatel a výkonný ředitel Hermeus Corp.

Pokud vše půjde podle plánu, premiéra letounu Mach 5 proběhne za osm až deset let. Novou verzi Boeingu 747, jako náhradu stávajícího letadla Air Force One, se přitom plánuje uvést do provozu v roce 2024.

Příští rok inženýři společnosti Hermeus začnou definovat technologické požadavky, aby se letadlo mohlo zařadit do prezidentské a vládní flotily. Piplica věří, že konfigurace delta křídla pojme pokročilé avionické a komunikační vybavení potřebné pro hypersonické letadlo.


Prezentační video společnosti Hermeus

Řešení tepelného zatížení je v nových materiálech

Navzdory sedmi desetiletím výzkumu, který vedl k vývoji systémů tepelné ochrany TPS (Thermal Protection Systems) a dalších tepelně odolných úprav vesmírných lodí, balistických zbraní a nadzvukových letadel, žádný z těchto materiálů neřeší problémy dlouhého hypersonického letu skrz atmosféru.

Při trvalých rychlostech Mach 6 a vyšších se teploty na náběžných hranách hypersonických střel pohybují od 1600 do 2200°C. Nejvyšší tepelný tok je nasměrován jako hořák na relativně malou plochu, což vede k vysokému tepelnému šoku a extrémním teplotním gradientům. Při tak vysokých teplotách se mohou vlastnosti materiálu během letu měnit a může docházet k oxidační a katalytické reakci.

„Je to oblast, kde je spousta příležitostí pro vynalézání,“ říká Van Wie, vedoucí sektoru letecké a raketové obrany z John Hopkinsovy laboratoře aplikované fyziky. „Čím jsou ostré hrany ostřejší, tím více se zahřívají. To je jeden z hlavních problémů materiálů. Ostrost hran zásadně ovlivňuje teploty, s kterými budete pracovat.“

„Materiály odolné vůči vyšším teplotám umožní navrhovat střely s ostřejšími náběžnými hranami, což poskytne vyšší poměr vztlaku ku aerodynamickému odporu pro lepší výkon. Nebo poskytne větší rezervu pro let s vyšší rychlostí a ve vyšší nadmořské výšce“, říká Van Wie. „Zde je velký prostor pro zdokonalování.“

Další významnou a související překážkou je měnící se tepelné prostředí v závislosti na velikostí střely. „Lidé stále nechápou, jak se zvyšují požadavky na materiál v závislosti na velikosti,“ říká Mark J. Lewis, ředitel obranného výzkumu a inženýrství pro modernizaci na americkém ministerstvu obrany. „Například pokud se pokusím danou hypersonickou konfiguraci fotograficky zmenšit, dostanu tvar s mnohem ostřejšími náběžnými hranami. Ty se ale více zahřívají. Takže skončím s kompromisem tupých předních hran, které vytvářejí větší odpor a mají menší aerodynamický výkon.“


Pokročilé tepelně odolné potahy a materiály jsou podmínkou pro zvládnutí intenzivního tepelného zatížení hypersonických střel, zejména v oblastech přechodů mezi laminární a turbulentní mezní vrstvou, jak je ukázáno v této zkoušce citlivosti barvy na teplotu; větší foto / Sandia National Laboratories

„Uvědomili jsme si, že musíme být velmi opatrní při extrapolaci, že pokud něco funguje v určitém měřítku, neznamená to, že můžeme vzít stejnou konfiguraci a použít ji v celé řadě dalších systémů, které jsme se snažili rozvíjet,“ dodává.

Když střela projde atmosférou na rychlost větší než Mach 5, může se změnit samotný vzduch. „Vaše teploty se stanou takovými, že se začne měnit chemické složení vzduchu proudícího kolem střely,“ říká Lewis. „Začne se štěpit (disociovat) kyslík. Potom při ještě vyšších teplotách se může případně začít štěpit dusík. Tento chemický rozklad ovlivňuje proudění vzduchu po povrchu střely.“

Ke štěpení diatomického kyslíku na kyslíkové radikály dochází při teplotách kolem 1700°C, zatímco u dusíku kolem 3700°C.

Disociace, tvorba plazmy při vyšším Machově čísle spolu s účinky vlivem ohřevu vzduchu představují hlavní výzvu pro komunikaci s hypersonickými střelami při vedení, navigaci a řízení GNC (Guidance, Navigation and Control). „Díky tomu je hypersonický výpočet poněkud náročný. Kam umístíte senzor a jak umístíte štěrbinu nebo průhled jakéhokoliv druhu, které musíte zkombinovat se zbytkem tvaru střely?“ ptá se Lewis.

Materiály představují „první a nejdůležitější“ výzvu k úspěšnému vývoji hypersonických střel, uvedl David Hunn, technologický ředitel pro raketové systémy v Lockheed Martin. „Musíme upravit její trajektorii a výkon na základě omezení materiálových systémů, které jsou nyní k dispozici.“

„Jsme v režimech, které byly v minulosti prozkoumány jen omezeně. Jak to tedy vyřešíme?“ zeptal se Hunn. Možnosti se pohybují od vnitřně chlazených konstrukcí s cirkulujícím chladivem až po izolované konstrukce s pasivním, ablativním nebo semiaktivním TPS. Ale celkově se dává přednost radiačně chlazené struktuře.

„Je to jednoduché, nepotřebujete žádné pohyblivé části, jako jsou čerpadla a je to předvídatelné a stabilní. Pravděpodobně také nabízí minimální nároky na prostor, hmotnost a potřebu výkonu,“ dodal Hunn


Karbid hafnia je chemická sloučenina hafnia a uhlíku. / QS Advanced Materials Inc

Nové materiály pro povrchy hypersonických střel

Vzhledem k tomu, že kovy nejsou schopny odolat požadovanému tepelnému toku, je výběr materiálů v současnosti zaměřen hlavně na kompozity z uhlíkových vláken a uhlíkové matrice a také na keramické kompozity.

„Máme naději, že existují materiální řešení, ale ne vždy. Musíme pochopit, že tyto materiály na bázi uhlíku oxidují,“ řekl Hunn. „Takže u vzduchu si musím dělat starosti s chemickými katalytickými reakcemi rozbíjející vzduch na jeho základní prvky, které se mohou slučovat (rekombinovat) s drakem letadla. Jde o endotermickou reakci přidávající více tepla. Také se musím starat o schopnost vyzařování (emisivitu) tepla materiálů. Pokud je příliš nízká, je opravdu horko. Bez ohledu na to, jaké materiály tvoří drak, zřejmě budeme muset vyvinout ochranné potahy pro práci v těchto atmosférických výškách.“

Práce na nových potazích pro teploty přesahující 1700 ° C jsou zaměřeny na nové keramické materiály, jako je tantal s karbidem hafnia nebo zirkonium s hafniem boridu. „Některé z nich jsou materiály na keramické bázi, což jsou docela dobré bariéry proti kyslíku. Existuje spousta výzkumných prací nových potahů na bázi těchto kompozitních materiálů jako krátkodobé řešení pro současné hypersonické draky,“ řekl Hunn s tím, že konečným řešením budou ale zcela nové umělé materiály.

Recenze čínských a ruských výzkumných prací naznačuje, „že skutečně pokročili v navrhování nových materiálů a jejich přizpůsobení hypersonickému prostředí,“ uvedl Hunn. Vědci z moskevské Národní univerzity vědy a technologie například nedávno odhalili testy nové keramické směsi, o které tvrdí, že vydrží typické tepelné zatížení 2000°C u ostré náběžné hrany nebo nosu hypersonické střely. Teplota tání nového materiálu zvaného hafnium karbonitrid ještě není známa. Bylo ale již prokázáno, že je nad 4000°C. Další testy jsou plánovány za hypersonických podmínek.

Dalším problémem v důsledku vnějšího zahřívání je izolace vnitřních prostor střel (letadel). „Máte vnější povrch, který chce být horký, a uvnitř máte elektronické systémy, které nemůžete nechat zahřát,“ říká Van Wie.

Problém tedy zhoršuje izolace zabudovaná do střely, která brání proti přenosu tepla z vnějšku. „Takže, co mám dělat s vnitřně generovaným tepelným tokem od elektroniky střely?“ ptá se Van Wie. „Na tomto problému není nic kouzelného – je to jen výzva technického systému. Existuje celá řada různých způsobů řešení, ale musíte se na to podívat z pohledu celého systému a toho, co má smysl pro konkrétní typ střely s konkrétní misi.“

Zdroje: AerospaceAmerica, AviationWeek

Nahlásit chybu v článku


Související články

Francie vyvíjí hypersonické jaderné střely ASN4G

Francie začala s vývojem nové generace střel vzduch-země ASN4G (Air-Sol Nucléaire 4 Génération) ...

Hypersonické novinky (1)

Dnešním článkem spouštíme volný a nepravidelný seriál o novinkách ze světa hypersonických zbraní. ...

Hypersonické novinky (2)

V dnešním volném seriálu ze světa hypersoniky si představíme test ruské střely Zirkon, patent MBDA ...

Hypersonické novinky (3)

V dnešním pokračování seriálu ze světa hypersoniky představíme čínský hypersonický kluzák DF-17 a ...

Přidávat diskuzní příspěvky a hlasovat pro článek mohou jen registrovaní. Prosím zaregistrujte se nebo se přihlašte!

Komentáře

Zvýraznit příspěvky za posledních:
  • UnionPacific
    21:39 16.12.2020

    Neverím tomu že by americký prezident lietal hypersonikom. Čím rýchlešie lietadlo tým vyšši pravdepodobnosť poruchy. Svojho času mal Obama zákaz lietať aj v V22 Osprey. Proste ...
    Zobrazit celý příspěvek

    Neverím tomu že by americký prezident lietal hypersonikom. Čím rýchlešie lietadlo tým vyšši pravdepodobnosť poruchy. Svojho času mal Obama zákaz lietať aj v V22 Osprey. Proste v bezpečnosti sa podzvukom nič nevyrovná.
    Skrýt celý příspěvek

  • Dunnk
    12:53 16.12.2020

    Dobrý den pane Cimala, chtěl bych se zeptat co si myslíte o možnosti orbitálního bombardování. Před pár dny se poprvé vznesla kompletní SpaceX Starship. Pokud uspějí, dá se ...
    Zobrazit celý příspěvek

    Dobrý den pane Cimala, chtěl bych se zeptat co si myslíte o možnosti orbitálního bombardování. Před pár dny se poprvé vznesla kompletní SpaceX Starship. Pokud uspějí, dá se očekávat velký pokles ceny za vynesení tuny nákladu na oběžnou dráhu. Odhaduje se 1000 kg za 10 000 USD.
    Samozřejmě u střel pohybujících na oběžné dráze rychlostí Mach 23 (pokud zůstaneme u rychlosti zvuku) zůstávají stejné problémy jako u ostatních střel pohybujících se v atmosféře.
    Ekonomika celé věci a možnost prakticky okamžitého zásahu po celé zeměkouli, bez důsledku radioaktivity, by způsobila velkou změnu.
    Skrýt celý příspěvek

    • Marw
      13:14 16.12.2020

      Aj ked niesom povodny adresat otazky, dovolim si reakciu :)

      Dovolim si tvrdit, ze mat zbat na orbite nie je celkom prakticke. Aby bolo mozne posobit takmer okamzite, musela by byt ...
      Zobrazit celý příspěvek

      Aj ked niesom povodny adresat otazky, dovolim si reakciu :)

      Dovolim si tvrdit, ze mat zbat na orbite nie je celkom prakticke. Aby bolo mozne posobit takmer okamzite, musela by byt zbran umiestnena na relativne nizkych orbitach, kde by mala pomerne malu zivotnost. Navyse, aby mala globalny dosah, muselo by byt na obeznu drahu umiestnene obrovske mnozstvo kusov tejto zbrane (alebo jej nosicov).

      Je potrebne si uvedomit, ze zmena inklinacie obeznej drahy je nesmierne narocna na palivo (zvlast na nizkych obeznych drahach), tak ze zbran umiestnena v rovine rovnika bude mat dosah len v obmedzenom pasme okolo rovnika. Naopak, ak je na polarnej drahe, tak ma sice globalny dosah, ale na danu lokalitu moze utocit fakticky len 2x denne v ramci relativne obmedzeneho casoveho intervalu.

      Obavam sa navyse ze ani pokrok v oblasti raketovych nosicov by ceny takejto zbrane prilis nezlacnil. Postavit zbran ktora dokaze prezit prechod atmosferov z rychlosti blizkej orbitalnej a trafit relativne bodovo dany ciel je rozhodne netrivialne a cena takehoto systemu by bola radovo inde ako naklady na terajsiu generaciu "lacnych" satelitov ala Starlink. Cena za samotnu zbran by v tomto pripade bola zrejme vyrazne vyssia ako naklady na jej vynesenia, cize klesajuca cena za vynesenie kg nakladu na obeznu drahu by v takomto pripade nemala az taky vyrazny pozitivny vplyv na ekonomiku prevadzky takejto zbrane.

      Ked to dam dohromady, sucasne klasicke balisticke strely ci uz s klasickou hlavicou alebo hypersonickym klzakom mi pridu vyrazne pruznejsie, menej nachylne na protiopatrenia protivnika a v konecnom dosledku aj lacnejsie (ako system) nez umiestnovanie zbrani na obeznu drahu.

      Samozrejme je to len moj nazor laika, nie som odbornik aktivny v tejto oblasti.
      Skrýt celý příspěvek

    • Lukash
      15:18 16.12.2020

      Trosku nerozumiem tomu okamzitemu zasahu po celej zemeguli bez dosledkov radioaktivity... to ste ako myslel? To je predsa o volbe hlavice, ci pouzijete klasicku alebo jadrovu nie o ...
      Zobrazit celý příspěvek

      Trosku nerozumiem tomu okamzitemu zasahu po celej zemeguli bez dosledkov radioaktivity... to ste ako myslel? To je predsa o volbe hlavice, ci pouzijete klasicku alebo jadrovu nie o tom ci bude vo vesmire alebo nie.
      Skrýt celý příspěvek

      • Dunnk
        16:49 16.12.2020

        Jaderná munice spadá pod smlouvy SALT a další, kde se dohodlo na zákazu umístění zbraní ZHN do vesmíru.

        Teoretický koncept byl projekt Thor, kde se uvažovalo o umístěním ...
        Zobrazit celý příspěvek

        Jaderná munice spadá pod smlouvy SALT a další, kde se dohodlo na zákazu umístění zbraní ZHN do vesmíru.

        Teoretický koncept byl projekt Thor, kde se uvažovalo o umístěním tyčí/sloupů z wolframu na družici a jejich použitím pro kinetické bombardování. V době vzniku projektu to ekonomicky nedávalo smysl. Nevím, jestli by už v té době také dokázali spočítat místo dopadu, aby nebylo nutné použít nějaké navedení. Je o diskuzi jestli takováto zbraň spadá pod ZHN.

        Napadá mě, že jediná výhoda v pozemním umístění balistických střel, bude do budoucna jenom v jejich ukrytí, protože vesmír bude brzo plný pozorovacích satelitů.
        Skrýt celý příspěvek

        • O_Block_Diplomacy
          21:52 19.12.2020

          Ano Dunnk má v podstatě pravdu. Parkování WMDs na orbitu je koncept který vznikl a byl podle dohody SALT II zakázán během studené války.

          Project Thor byl americký koncept, FOBS ...
          Zobrazit celý příspěvek

          Ano Dunnk má v podstatě pravdu. Parkování WMDs na orbitu je koncept který vznikl a byl podle dohody SALT II zakázán během studené války.

          Project Thor byl americký koncept, FOBS (Fractional Orbital Bombardment System) byl sovětský koncept, přičemž PT používal tyče z Tungstenu a tím pádem technicky vzato neprodukoval "nuclear yield". FOBS se snažil mezinárodní smlouvy obejít tím že systém není zaparkován na plném orbitu, ale na částečném orbitu ("Fractional" Orbit) a tím pádem se na něj smlouvy nevztahují. Je to něco podobného jako když dnes státy tvrdí, že jejich nový raketový systém není balistická střela protože technicky vzato nekopíruje balistickou trajektorii.

          A samozřejmě bych se přidal k Dunnkovi a tvrdil, že umístění balistických střel je optimální v atmosféře a né mimo. Asi bych specificky zvolil SLBMs ze všech noh triády. Navíc, uschovávání WMDs ve vesmíru je čára kterou bych doporučil nepřekračovat.
          Skrýt celý příspěvek

    • Karel Cimala
      16:58 16.12.2020

      Zdravím Vás a děkuji za dotaz.
      Pokud to dobře chápu, jde Vám o to, že „nahoru“ mohu vynést větší množství raket.
      První věcí je, proč tahat nahoru rakety, když stačí jen hlavice s ...
      Zobrazit celý příspěvek

      Zdravím Vás a děkuji za dotaz.
      Pokud to dobře chápu, jde Vám o to, že „nahoru“ mohu vynést větší množství raket.
      První věcí je, proč tahat nahoru rakety, když stačí jen hlavice s případným vlastním pohonem. Představte si je jako družice.
      Pak už je to jenom o jejich rychlosti a manévrech na oběžných drahách. Podívejte se zde: https://kosmonautix.cz/2013/02...
      V podstatě Vám odpověděl Marw.
      Mějte se.
      Skrýt celý příspěvek

      • madrabbit
        18:26 16.12.2020

        Projekt Thor je ještě jednodušší - wolrfamové tyče, při dopadu uvolní podpobnou energii jako menší jaderná nálož. A je to trvanlivé, bez elektroniky.

        Projekt Thor je ještě jednodušší - wolrfamové tyče, při dopadu uvolní podpobnou energii jako menší jaderná nálož. A je to trvanlivé, bez elektroniky.

        • satai
          09:46 17.12.2020

          A jak si to bez te elektroniky predstavujes?

          A jak si to bez te elektroniky predstavujes?