Silnik rakietowy
W 20-latach XX wieku, konstruktorzy zwrócili uwagę na silnik rakietowy. Napotkano jednak na duze problemy, które udało się rozwiązać dopiero z końcem 30-lat. Ostatecznie jednak silnik rakietowy w zespole napędowym użyto w samolotach eksperymentalnych (na przykład słynna seria Amerykańskich samolotów serii X) lub jako dodatkowy napęd w samolotach bojowych, które ostatecznie nie trafiły do uzbrojenia (amerykańskich, francuskich i radzieckich). Jedynym samolotem o napędzie rakietowym, który został zastosowany bojowo był niemiecki Messerschmitt Me 163 Komet.
Silnik rakietowy należy do silników odrzutowych. Jeden silnik rakietowy lub zespół silników rakietowych to jedyny napęd, który pozwala na osiąganie wielkich prędkości oraz umożliwił opuszczenie atmosfery ziemskiej i podbój kosmosu. Używając słowa rakieta w domyśle mamy obiekt latający lub pocisk napędzany silnikiem (silnikami) rakietowym. Obiekty te działają na zasadzie wrzutu gazów spalinowych, zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona. (Jeśli ciało A działa na ciało B siłą F (akcja), to ciało B działa na ciało A siłą (reakcja) o takiej samej wartości i kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie.).
Czym różni się silnik rakietowy od silnika turboodrzutowego, strumieniowego lub motorjet? Wszystkie wymienione silniki działają na zasadzie spalania paliwa przez utleniacz. Dzieje się to w trakcie reakcji chemicznej, zwanej utlenianiem. Najprostszym przykładem jest łączenie wodoru i tlenu: 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g). Przy czym wydziela się energia. Każdy ze statków powietrznych zabiera ze sobą paliwo: kerozyna (nafta lotnicza), olej napędowy, benzynę, wodór lub inne. Utleniaczem jest tlen zawarty w powietrzu. Silnik rakietowy nie czerpie utleniacza z powietrza, tylko zabiera go ze sobą w kolejnych zbiornikach. Dzięki temu, jak żaden inny silnik, silnik rakietowy może pracować poza atmosferą ziemską.
Podział silników rakietowych jest różny i zależy od ich zastosowań. Nas interesuje silnik rakietowy napędzający samolot. W tym przypadku występują dwa rodzaje silników: silniki rakietowe napędu podstawowego i silniki wspomagające. W pierwszym przypadku są to samoloty z napędem rakietowym, jak na przykład X-1, X-15. W drugim przypadku są to przyspieszacze rakietowe. Mogą one wspomagać start samolotu (przyspieszacze startowe) lub wspomagać osiąganie przez samolot chwilowej maksymalnej prędkości. Zarówno w jednym jak i w drugim przypadku silniki rakietowe mogą być na paliwo stałe lub paliwo ciekłe.
Silniki rakietowe na paliwo stałe.
Pierwsze rakiety na paliwo stałe pojawiły się w Chinach w XIII wieku i Europie w XIV wieku. Do ich napędu używano prochu. Silniki na paliwo stałe cechuje prosta budowa i duża niezawodność. Praktycznie składa się one z komory spalania, w której umieszczono paliwo i utleniacz w postaci stałej, odpowiednio sprasowanych i ukształtowanych ładunków. Oraz z dyszy wylotowej, która jest w kształcie dyfuzora, stożkowego lub łukowatego. Stałego paliwa i utleniacza dla silnika rakietowego nie należy utożsamiać z drewnem, torfem lub węglem. Wadą silników na paliwo stałe jest brak możliwości regulacji ciągu, stosunkowo krótki czas pracy oraz mniejszy niż w silnikach na paliwo ciekłe stosunek ciągu do masy paliwa. Zaletami są natomiast prosta konstrukcja i łatwość użycia. Jednak, każdy silnik rakietowy należy do wysokich technologii, gdyż muszą one wytrzymywać wysokie temperatury i ciśnienia, bo w przeciwnym wypadku dochodzi do eksplozji i zniszczeń.
Lippisch Ente (Opel RAK.1) to pierwszy statek latający wyposażony w silniki rakietowe. Był to w zasadzie szybowiec Ente (Kaczka) w układzie kaczka, który nadawał się do zamontowania silników rakietowych. Szybowiec zaprojektował Alexander Lippisch. Lippisch, wspólnie z Fritz von Opel i firmami pirotechnicznymi podjęli się programu budowy takiej konstrukcji. W końcu kadłuba umieszczono cztery rakiety prochowe. Silniki rakietowe były uruchamiane przez pilota zgodnie z jego życzeniem. Każda rakieta działała przez 30 sekund. Statek powietrzy otrzymał oznaczenie Opel RAK.1. Ten statek powietrzny odbył lot 11 czerwca 1928 roku. W drugim locie, jedna z rakiet eksplodowała i szybowiec spłonął. Dalszych prac nie prowadzono.
W 1936 roku, program szybowców z silnikiem rakietowym podjęto w CCCP przez Siergieja Korolowa i Walentyna Głuszkę. Jednak w 1938 roku, obaj konstruktorzy zostali aresztowani i zesłani do gułagu. Dopiero po kilku latach wrócili do swojej pracy.
Silniki rakietowe na paliwo ciekłe.
Silniki rakietowe na paliwo ciekłe są nieco bardziej skomplikowane niż silniki rakietowe na paliwo stałe. Silnik taki musi posiadać ciśnieniowe zbiorniki paliwa i utleniacza, pompy do ich przetaczania, komorę spalania, w której dochodzi do reakcji chemicznej oraz dysze wylotową, która ma kształt dyfuzora.
Heinkel He.176 to pierwszy na świecie samolot z napędem rakietowym na paliwo ciekłe. Pierwszy lot wykonano w dniu 20 czerwca 1939 roku. Cały program był prywatnym przedsięwzięciem firmy Heinkel. Brak jednak wiarygodnych danych odnoście efektów programu. Podawaną przez niektórych prędkość lotu w granicach 750 km/h możemy włożyć między bajki. Prototyp i zebrane dane uległy zniszczeniu podczas drugiej wojny światowej.
Z chwilą wybuchu drugiej wojny światowej w armii niemieckiej wzrosło zainteresowanie wojskowymi samolotami bezogonowymi, który oceniano jako najlepszy układ dla samolotu bojowego. Wykorzystano dotychczasowe prace Alexander Lippisch nad układami delta bez usterzenia poziomego. Powstała seria samolotów oznaczonych DFS. Z początkiem 1939 roku, zespół Aleksander Lippisch został przeniesiony do firmy Messerschmitt. Samolot DFS-194 otrzymał silnik rakietowy Walter R I-203. Testy prowadzono w Peenemünde. W 1940 roku, samolot osiągnął prędkość 550 km/h. To pozwoliło na uruchomienie programu Messerschmitt Me 163, który był samolotem bojowym użytym operacyjnie w czasie drugiej wojny światowej. Oblot Messerschmitt Me 163 Komet nastąpił w 1941 roku. W lipcu 1944 roku podczas lotów testowych samolot osiągnął prędkość 1 130 km/h. Zbudowano ponad 350 sztuk. Ale Messerschmitt Me 163 Komet okazał się nieskuteczny w roli samolotu przechwytującego. W dodatku jego obsługa była bardzo niebezpieczna, zwłaszcza w chwili tankowania.
W 1944 roku, Niemcy jeszcze zbudowali dwa lub trzy samoloty z napędem rakietowym. Wszystkie one były bardzo podobne do samolotu Messerschmitt Me 163 Komet. Jednak konstrukcje te nie odegrały żadnej roli w historii lotnictwa.
Podobne konstrukcje rakietowych samolotów bezogonowych opracowywano podczas drugiej wojny światowej w Japonii.
W trakcie drugiej wojny światowej także w CCCP rozwijano samolot z napędem rakietowym. Był nim Bereziak-Isajew BI-1. Samolot został zbudowany w OKB-293 w układzie klasycznym. Samolot oblatano w dniu 15 maja 1942 roku. Silnik RD-A-150 (D-1-A-1100) zaprojektował Leonid Duszkin przy wskazówkach Siergieja Korolowa. Silnik osiągnął ciąg na poziomie 10,80 kN, choć spodziewano się ciągu 13,50 kN. Samolot Bereziak-Isajew BI-1 powstał w ciągu 35 dni, bo tak życzyła sobie władza, która już wówczas myślała o pociskach rakietowych wzorem armii niemieckiej. Samolot zbudowali meblarze, bo był wykonany głównie z drewna. Testy samolotów prowadzono na Uralu. Nie szły one dobrze. Jako utleniacz stosowano kwas solny, który łatwo wywołuje korozję i jest niebezpieczny dla człowieka. Podczas jednej z prób na stanowisku badawczym, w dniu 20 lutego 1942 roku, silnik eksplodował. Kwas oblał pilota. Na szczęście mechanicy zadziałali błyskawicznie zalewając samolot roztworem węglanu sodowego. Twarz pilota była żółta, a jego oczy uratowały okulary lotnicze. Aby chronić pilota za fotelem umieszczono płytę pancerną. Pierwszy lot wykonano w dniu 15 maja 1942 roku i był on udany. Osiągnięto prędkość 400 km/h. Zbudowano kilka prototypów samolotu Bereziak-Isajew BI-1. W dniu 27 marca 1943 roku, pilot Grigorij Bachcziwandżi zginął podczas jednego z lotów testowych, gdy samolot rozbił się o ziemię. Wypadek położył kres programowi.
Samoloty z napędem rakietowym w USA.
Po drugiej wojnie światowej tendencja do budowy bojowych samolotów z napędem rakietowym została zahamowana. Powodem był rozwój silników turboodrzutowych, które gwarantowały samolotom dużo większy zasięg, zadowalającą prędkość, a przede wszystkim dużo wyższy poziom bezpieczeństwa załóg i personelu naziemnego. Zdawano sobie jednak sprawę z potencjału prędkości jaką dawał statkowi powietrznemu silnik rakietowy.
W 1942 roku, w Anglii prowadzono prace studyjne nad szybkim samolotem. Jego kadłub był kształtu pocisku karabinowego, do którego przymocowano skrzydła i usterzenie. Projekt trafił do USA w ramach wymiany doświadczeń militarno-technicznych. Nad teorią szybkich lotów w USA pracowała agencja NACA, ta sama która opracowała profile skrzydeł dla różnych prędkości i wielkości statków powietrznych. W 1945 roku, agencja NACA i USAF podjęły wspólny program, którego celem było testowanie nowych technologii. Zmaterializował się on w postaci samolotu o oznaczeniu XS-1 (eXperimental Supersonic), które wkrótce zmieniono na X-1. Samolot zbudowała firma Bell. Zespołem napędowym był silnik rakietowy XLR11-RM3 o ciągu 26,70 kN. Zbudowano kilka egzemplarzy samolotu, które różniły się szczegółami. Pierwszy lot wykonano w dniu 19 stycznia 1946 roku. W dniu 14 października 1947 roku, w 31 locie samolot osiągnął prędkość 1 126 km/h (Ma-1,06) na wysokości 13 115 metrów.
Efekty programu samolotu Bell X-1 był bardzo ważne. Utorowały one drogę ku lotom z prędkościami naddźwiękowymi. Udowodniono, że możliwy jest lot za mityczną do tej pory barierą dźwięku.
Bell X-2 Starbuster to kolejny samolot z napędem rakietowym z rodziny X. Samolot otrzymał silnik Curtiss-Wright XLR25 o ciągu 67 KN. Celem eksperymentu było zbadanie charakterystyk lotnych w zakresie prędkości 2-3 Ma i poznanie bariery cieplnej. Samolot w stosunku do Bell X-1 otrzymał skośne skrzydła. Testy prowadzono od 1952 roku do 1956 roku. Osiągnięto prędkość max 3 370 km/h (Ma 3,196) oraz pułap 38 466 m. Podczas testów nie wszystko szło dobrze. Oba prototypy utracono.
Z końcem 50-lat ruszył program samolotu rakietowego North American X-15, który był napędzany silnikiem Thiokol XLR99-RM-2 o ciągu 313 kN. Zbudowano trzy samoloty, które testowano od 1959 roku do 1968 roku. Osiągnięto prędkość 7 274 km/h (Ma 6) i pułap 108 000 m.
Samoloty z napędem mieszanym.
Wszystkie programy serii X korzystały z samolotów nosicieli, które wynosiły samoloty rakietowe na stosowny pułap i nadawały im początkową prędkość. Taki układ nie mógł być przyjęty przez lotnictwo komercyjne, a nawet przez wojsko. Dlatego dużo ciekawsze były programy lotnicze, typowo wojskowe, gdzie do napędu wykorzystywano silnik turboodrzutowy i silnik rakietowy jednocześnie.
Douglas D-558-2 Skyrocket.
Pierwszym tego typu samolotem był Douglas D-558-2 Skyrocket, który pierwszy lot zanotował w dniu 4 lutego 1948 roku. Program samolotu Douglas D-558-2 Skyrocket był realizowany przez US NAVY i NACA. Celem programu było stworzenie samolotu o prędkości naddźwiękowej, który w przyszłości miałby przerodzić się w samolot bojowy. Ponieważ silnik turboodrzutowy tamtego okresu nie dysponował wystarczającym ciągiem, dlatego zdecydowano o użyciu mieszanego zespołu napędowego: silnik turboodrzutowy Westinghouse J34-WE-40, o ciągu 13,4 kN + silnik rakietowy Reaction Motors XLR-8-RM-5, o ciągu 26,7 kN.
Początkowo samolot miał otrzymać skrzydła proste, ale z różnymi profilami aerodynamicznymi. Tak powstał Douglas D-558-1 Skystreak, który pierwszy lot wykonał w dniu 14 kwietnia 1947 roku. Samolot miał tylko silnik turboodrzutowy. Samolot osiągnął prędkość dźwięku w locie nurkowym. Wówczas nastąpiła druga faza programu Douglas D-558-2, w którym samolot otrzymał skośne skrzydła. Planowano także trzecią fazę, w której samolot miał być uzbrojony. Planu tego nie zrealizowano.
Druga faza programu, czyli samolot Douglas D-558-2 Skyrocket postanowiono nie tylko wyposażyć w skośne skrzydła, ale także wyposażyć go w dwa silniki. Kadłub samolotu był za wąski, dlatego go przebudowano. W październiku 1948 roku samolot Douglas D-558-2 Skyrocket osiągnął prędkość Ma=1. W maju 1949 roku, zdecydowanie przekroczono prędkość dźwięku. W celu dalszego podnoszenie prędkości postanowiono zdemontować silnik turboodrzutowy, a w jego miejscu umieszczono dodatkowe zbiorniki paliwa. W efekcie samolot startował tylko z samolotu nosiciela. W dniu 20 listopada 1953 roku, samolot jako pierwszy na świecie przekroczył dwukrotną prędkość dźwięku, osiągając Ma 2,005 (2 078 km/h). Łącznie zbudowano trzy egzemplarze samolotu Douglas D-558-2 Skyrocket z różnymi zespołami napędowymi.
Program nie przerodził się w pełnowartościowy samolot bojowy, ponieważ w związku z dużym postępem w budowie silników turboodrzutowych można było zrezygnować z silników rakietowych.
Republic XF-91 Thunderceptor.
W tym czasie, także USAF prowadziła prace nad samolotem bojowym z mieszanym układem napędowym. Program zmaterializował się w postaci samolotu Republic XF-91 Thunderceptor. Początkowo był oznaczony jako XP-91. Samolot budowała firma Republic Aviation, a finansowanie prowadziło dowództwo USAF. W locie głównym silnikiem miał być silnik turboodrzutowy. Silnik rakietowy miał służyć wyłącznie do szybkiego dojścia do przeciwnika.
Konstrukcja samolotu została oparta na myśliwcu Republic F-84 Thunderjet. W tym czasie na bazie samolotu Republic F-84 Thunderjet prowadzono dwa programy. Jednym był program Republic XF-91 Thunderceptor, a drugim, nieco późniejszym był Republic F-84F Thunderstreak. W obu programach samoloty otrzymały skośne skrzydła i skośne usterzenie.
W tym czasie dużym problemem dla skrzydeł skośnych był uślizg powietrza na górnych powierzchniach skrzydeł w kierunku ich końcówek. W efekcie większa jest siła nośna przy kadłubie, niż na końcach skrzydeł. Wówczas nos samolotu zostanie jeszcze wyżej podniesiony. Cały samolot zacznie się kołysać, a pilot tarci nad nim kontrolę. Zjawiska tego szczególnie doświadczyli piloci samolotów North American F-100 Super Sabre, który zaczęto nazywać „Sabre Dance” (tańcząca szabla). Taki przypadek został uwieńczony w dniu 10 stycznia 1956 roku, w bazie Edwards AFB, na kamerach przygotowanych do filmowania innego testu. Wówczas to pilot F-100 lądował awaryjnie. Pilot próbując zachować kontrolę nad samolotem leciał na dużym kącie natarcia. Niestety, samolot poszedł na skrzydło, uderzył w ziemię i eksplodował grzebiąc pilota. Aby rozwiązać ten problem, w samolocie Republic XF-91 Thunderceptor cięciwa profilu skrzydła zwiększa się w kierunku końcówek płata. Takie rozwiązanie pozwala generować więcej siły nośnej na końcach płata przy dużych kątach natarcia. Ubocznym skutkiem takiego rozwiązania jest większa pojemność skrzydła dalej od kadłuba. Tam też umieszczono podwozie w układzie tandem z osobnymi goleniami dla każdego koła.
Samolot Republic XF-91 Thunderceptor otrzymał stację radiolokacyjną, dlatego został przebudowany nos samolotu na taki jaki znamy z F-84F. Na samolotach prototypowych testowano także usterzenie typu Rudnickiego. Uzbrojeniem są cztery działka kal 20 mm.
Zbudowano dwa prototypy Republic XF-91 Thunderceptor. Oblotu dokonano w dniu 9 maja 1949 roku. Pierwszy z nich, jako pierwszy na świecie myśliwiec przekroczył prędkość dźwięku w grudniu 1951 roku. Podczas testów osiągnięto Ma 1,71. Testy trwały przez pięć lat i maszyna nie została skierowana do produkcji seryjnej. Mimo, że samolot mógł działać w każdych warunkach pogodowych i w nocy. Era myśliwców dziennych już odchodziła do lamusa. Jednak osiągnięcia samolotu Republic XF-91 Thunderceptor zostały szybko przyćmione innymi samolotami. Prawda jest też taka, że Republic XF-91 Thunderceptor miał czas lotu około 25 minut, co praktycznie czyniło go bezużytecznym na dużych obszarach USA.
SNCASO Trident.
SNCASO Trident (oznaczenie SO-9050 Trident-II) to konstrukcja francuska, która z założenia była opracowana z mieszanym zespołem napędowym. Do napędu wykorzystano dwa silniki turboodrzutowe, które umieszczono w gondolach na końcach skrzydeł oraz silnik rakietowy umieszczony w końcu kadłuba. Samolot od razu był projektowany jako system obrony przeciwlotniczej, a to oznaczało, że dla samolotu nie był istotny zasięg, ale szybkość wznoszenia się i osiąganie prędkości większej od napastników.
Pierwszy lot wykonano w dniu 2 marca 1953 roku. Samolot już na samych silnikach turboodrzutowych był w stanie osiągać prędkość dźwięku. Samolot osiągał prędkość Ma 1,8 i pułap ponad 24 300 m. Zbudowano 12 maszyn, których jednak nie wcielono do służby. Program anulowano w 1957 roku.
Silnik rakietowy jako utleniacza wykorzystywał kwas azotowy. Paliwem była furalina. Kiedyś przypadkowo paliwo zmieszało się z utleniaczem i eksplodowało. To było przyczyną jednej z katastrof w której zginął pilot doświadczalny.
SNCASE SE.212 Durandal.
SNCASE SE.212 Durandal jest drugim francuskim samolotem bojowym z napędem mieszanym. Zbudowano dwa prototypy. Pierwszy lot wykonano w dniu 20 kwietnia 1956 roku. Samolot miał jeden silnik turboodrzutowy Snecma Atar 101F o ciągu 43 kN (9 700 lbf) z dopalaniem oraz silnik rakietowy SEPR 75 o ciągu 7,35 kN (1 653 lbf). Uzbrojeniem samolotu miał być jeden kierowany pocisk rakietowy klasy p-p lub dwa działka kal 30 mm lub 24 niekierowane pociski rakietowe. Program nie został doprowadzony do końca i został anulowany w 1958 roku. Do czasu zakończenia programu osiągnięto prędkość 1 444 km/h bez silnika rakietowego i 1 667 km/h z silnikiem rakietowym.
Mirage III C z silnikiem SEPR.
W Francji silnik rakietowy typu SEPR do samolotów bojowych nadal rozwijano. Powstała odmiana silnika SEPR 841, która mogła być montowana do samolotów Mirage III C. Silnik montowano pod tylną częścią kadłuba za pomocą połączeń śrubowych.