Vellykket hypersonisk flyvning for X-43A

Av Erik Tronstad

En foreløpig gjennomgang av dataene fra prøveflyvningen av X-43A 27. mars 2004 (se X-43A satte fartsrekord for luftpustende motorer (eRomfart 2004-091)) viser at den var svært vellykket. Man har fått data av høy kvalitet fra hele flyvningen med X-43A.

Tegning av X-43A under flukt i atmosfæren, etter at motoren er stoppet. (NASA/DFRC)

Alt nå mener de involverte i prosjektet at man kan konkludere med at scramjetmotorer fungerer. Å få slått fast akkurat det, var et av hovedformålene med X-43A.

I omtrent 40 år har man på bakken eksperimentert med forskjellige varianter av fremdriftssystemer basert på scramjetprinsippet. Med X-43A fløy for første gang fritt et skrog med integrert motor, som ikke var en rakettmotor, i hastigheter rundt 7 mach.

På skrå oppover til venstre i bildet ses de forbrente eksosgassene fra Pegasus XL-raketten, under flyvningen med X-43A 27. mars 2004. Nede til høyre B-52-flyet, som fraktet Pegasus XL/X-43A til rett starthøyde og posisjon. (NASA/DFRC/Jim Ross)

Dataene fra flyvningen viser, ifølge de prosjektansvarlige, at scramjetmotoren i X-43A produserte en skyvekraft som var større enn luftmotstanden. Selv om forhåndsberegninger og prøver i vindtunneler viste at så ville være tilfelle, kunne man ikke være sikre før man faktisk hadde prøvd det. Bare å få fastslått dette, anses som meget viktig i utviklingen av denne teknologien.

Hypersonisk flyvning er flyvning som foregår med hastigheter på over 5 mach, det vil si over fem ganger lydens hastighet i luft. Hittil har all flyvning i dette hastighetsområdet skjedd med rakettmotorer som drivkilde. En stor ulempe med rakettmotorer er at fartøyet de sitter på, selv må frakte med oksidasjonsmiddelet motorene trenger for å forbrenne brenselet og produsere fremdrift.

Et eksempel fra rakettenes verden er romfergen. De tre hovedmotorene bak på selve romfergen får oksidasjonsmiddel, i form av flytende oksygen, og brensel, i form av flytende hydrogen, fra den utvendige drivstofftanken. Total vekt av hele tanken, fylt med oksygen og hydrogen rett før oppskyting, er omkring 751 tonn. Av dette utgjør selve oksygentanken og oksygenet i den hele 622 tonn. Det illustrerer hvilke store besparelser man kunne fått, dersom oksygenet kunne vært sugd inn fra atmosfæren under ferden opp gjennom den, istedenfor å fraktes med om bord.

Poenget med et fartøy drevet med en scramjetmotor er at fartøyet skal være langt lettere enn en rakett, fordi oksygen fra atmosfæren suges inn og brukes til å underholde forbrenningen. Et stort problem er å fange inn luft til dette formålet, uten samtidig å produsers så mye luftmotstand og varme at vinningen går opp i spinningen.

Teknikere foretar de siste kontroller av X-43A, før flyvningen 27. mars 2004. Bildet er tatt fra flydekket i B-52-flyet. (NASA/DFRC/Tony Landis)

Normal forbrenning skjer ved subsoniske hastigheter, det vil si at gasstrømmen beveger seg med hastigheter lavere enn lydhastigheten i luft. Om et fartøy med en vanlig turbojetmotor beveger seg med hastigheter over 5 mach, må hastigheten på luftstrømmen bremses ned til underlydshastighet. Luften blir da brått presset sterkt sammen og samtidig kraftig oppvarmet. Temperaturen blir så høy at en slik motor vil begynne å smelte. Samtidig dissosierer luftmolekylene. Det innebærer at molekylene brytes ned til atomer, noe som stjeler energi.

I en scramjetmotor søker man å unngå disse problemene ved ikke å bremse ned luftstrømmen inn i motoren så mye. Typisk bremses den ned til 30-50 % av mach-tallet til den frie luftstrømmen. Den absolutte hastigheten i meter per sekund reduseres betydelig mindre enn dette. Årsaken er at sammenpressingen og temperaturøkningen i luften ved motoren gir en betydelig økt lydhastighet i dette mediet, noe som reduserer mach-tallet der.

Et problem med å la luften strømme gjennom motoren med overlydshastighet, er at strømningshastigheten blir mye større enn spredningshastigheten på forbrenningsflammen i motoren. Resultatet er at området der forbrenningen foregår, rett og slett «blåses» ut bak motoren. Der gjør den lite nytte som fremdriftskilde.

For å bøte på dette prøver man i en scramjetmotor å få dannet lokale områder med langsommere luftstrøm, der forbrenningen kan underholdes. Ulempen med dette er at det gir økt luftmotstand. Det hele blir en avveining mellom denne ekstra luftmotstanden og tapet i skyvekraft som oppstår ved at forbrenningen i motoren er ufullstendig.

Med X-43A har man løst dette problemet. I deler av de 10 sekundene motoren i X-43A brant, målte man at skyvekraften som ble produsert, var større enn luftmotstanden. X-43A var med andre ord i stand til å akselerere med sin egen motor og øke hastigheten.

Nettoakselerasjonen var meget liten, i absolutte tall. X-43A var ikke bygd av de aller letteste materialer, da hovedformålet var å vise at scramjetmotoren kunne fungere. Et fartøy som var optimalisert med hensyn på vekt, ville oppnådd en høyere akselerasjon.

Hvor stor nettoakselerasjonen var og hvor mye hastigheten ble økt, er hemmeligstemplet. Hvorfor disse dataene er hemmelige, er uklart.

Om det en gang viser seg at det kan bygges praktisk brukbare scramjetmotorer, vil de i første omgang antakelig bli brukt til våpenbærere med hypersoniske hastigheter. Drømmen er imidlertid at denne teknologien skal gi langt enklere og billigere fartøyer for transport fra jordoverflaten til jordbane. Slike fartøyer antas i så fall å ligge 20-50 år inn i fremtiden.

Tegninger som viser X-43A sett ovenfra, forfra og fra siden. (NASA/DFRC/Tony Landis)

Ytterligere en versjon av X-43A og et tilhørende Pegasus XL-trinn er under bygging. Man håper å fly disse i oktober 2004, da opp til en hastighet på 10 mach. Denne utgaven av X-43A er litt forskjellig fra den som fløy 27. mars. Dette markerer slutten på NASAs X-43A-program, som har kostet 230 millioner dollar.

Etter X-43A hadde man planer om en versjon kalt X-43C (X-43B ble det aldri noe av). X-43C ble imidlertid nylig kansellert, som et bidrag til å skaffe penger til NASAs nye mål i rommet, med bemannede ferder til Månen (se President George W. Bush: Tilbake til Månen, så til Mars (eRomfart 2004-018)).

X-43C var et samarbeidsprogram med det amerikanske flyvåpenet. Teknologien fra dette programmet videreføres i et program som utføres av det amerikanske flyvåpenet og det amerikanske forsvarets organisasjon for avansert forskning.