Létající žehlička bez křídel, která změnila kosmonautiku
Northrop M2-F2 vypadal, jako by někdo odřízl zadní část letounu, zapomněl přidat křídla a pak to stejně zkusil. Přezdívalo se mu „létající žehlička“. 10. května 1967 havaroval na vyschlém jezeře Rogers Dry Lake v Kalifornii, pilot Bruce Peterson přišel o zrak na pravé oko. A přesto bylo toto podivné bezokřídlé těleso jedním z nejdůležitějších leteckých experimentů své doby.
Jak může létat stroj, který nevypadá jako letadlo?
Kde se aerodynamika obrátí proti vám
Vše, co intuitivně víme o létání, říká: potřebuješ křídla. Křídla tvoří vztlak, vztlak drží stroj ve vzduchu. U letadel v běžných výškách a rychlostech to platí spolehlivě.
Jenže co se stane, když se těleso nevrací z výletu, ale z oběžné dráhy?
Při návratu z vesmíru narazí kapsle do atmosféry tak prudce, že vzduch nestačí uhnout. Stlačuje se před ní do rázové vlny a stlačený vzduch se zahřívá. Extrémně. Měření ukazují teploty až 2 800 °C, při nichž hoří i materiály běžně považované za nehořlavé.
A tady přichází záludnost: elegantní, proudnicový tvar, který je při běžném letu výhodou, se při hypersonických rychlostech stane slabinou. Rázová vlna se u štíhlého tělesa drží těsně u povrchu a soustřeďuje žár přímo do stěn a hran stroje.
Čím tupější, tím lepší
V roce 1951 přišli dva inženýři z Výzkumného centra NACA Ames v Kalifornii, Harvey Allen a Alfred Eggers, s výsledkem, který zněl jako nesmysl. Zjistili, že tupý, aerodynamicky odpudivý tvar je při příletu z vesmíru bezpečnější než každá elegantní špičatá konstrukce.
Fyzika za tím je překvapivě přímočará. Plochý, tupý povrch vytvoří před sebou polštář silně stlačeného vzduchu. Tento polštář odtlačí rázovou vlnu od trupu, takže se žár rozptýlí do okolní atmosféry místo toho, aby proudil do stěn stroje. Je to trochu jako bránit se náporu vody otevřenou dlaní: voda se rozstříkne do stran, místo aby ústila do jediného soustředěného proudu.
Objev byl natolik strategicky citlivý, že NACA zprávu utajila jako vojenské tajemství. Zveřejněna byla až v roce 1958.
Absorbovat, nebo odhodit?
Tupý tvar rázovou vlnu odsune od trupu. Jenže i zbývající teplo je obrovské. Jak s ním naložit?
Inženýři vyvinuli dva zcela odlišné přístupy.
První přístup: teplo absorbovat. Tepelné pohlcovače z těžkých kovů, konkrétně mědi nebo berylia, fungují jako zásobník energie. Kov se zahřeje, ale teplo si nechá v sobě a nepustí dál do struktury. Americký program Mercury použil berylové pohlcovače u suborbitálních letů 5. května 1961 (s astronautem Alanem Shepardem) a 21. července 1961 (s Gusem Grissomem).
Druhý přístup: teplo odhodit doslova. Ablativní štíty (z latinského ablatio, tedy „odnášení“) jsou tvořeny vrstvami pryskyřice, která se při zahřívání zuhelnatí a postupně se odlupuje. Každý odpadlý kousek s sebou odnáší část tepelné energie pryč od trupu. Princip tohoto řešení předpověděl americký raketový průkopník Robert Goddard už v roce 1920. Dnes ablativní štíty chrání kosmické lodě SpaceX Dragon, Boeing Starliner i Orion.
Sovětský svaz volil jiný tvar, stejný fyzikální základ: Vostok a Voskhod nesly posádku v jednoduché kouli, Sojuz v polokulové kapsli. Obojí jsou v principu tupá tělesa.
Přežít žár nestačí. Přistát musíte taky.
Tepelné kryty vyřešily přežití průletu atmosférou. Balistické kapsle, které padají po předem dané balistické dráze, ale mají jeden zásadní háček: neumí řídit přistání. Dopadají do oceánu nebo do pustiny a záchranné lodě je musí hledat. Drahý, složitý, nepříliš spolehlivý postup.
Odtud vzešla myšlenka bezokřídlých letounů. Pokud dostanete kapsli tvar, který sám o sobě generuje vztlak, tedy použijete celý trup jako nosnou plochu, může se stroj řízeně klouzat atmosférou a přistát na přistávací dráze. Přesně to měl umožnit vynález Francise Rogalla a jeho ženy Gertrudy z roku 1948: řiditelné plachtové křídlo navržené tak, aby kosmické kapsle mohly přistávat na ranvejích místo v moři. Z programu Gemini se Rogallovo křídlo nakonec v roce 1964 vytratilo ve prospěch klasických padáků, ale inspirovalo celou generaci experimentů s bezokřídlými letouny.
Northrop M2-F2 byl jedním z nich. Po havárii 10. května 1967 ho přestavěli na verzi M2-F3, doplněnou o třetí svislou ocasní plochu pro lepší boční stabilitu. Od prosince 1973 je vystaven ve Smithsonianově leteckém a kosmickém muzeu. Stroj, který havaroval před kamerami, se stal exponátem vysvětlujícím, proč „špatný“ tvar někdy zachrání život.