Zapálit sirku v tornádu a udržet ji hořet při rychlosti šest tisíc kilometrů v hodině. Přesně tak inženýři popisují největší výzvu hypersonického letectví. Zatímco běžné proudové motory spoléhají na kompresory a turbíny, náporový motor s nadzvukovým spalováním známý jako scramjet nemá uvnitř jedinou pohyblivou součástku. Přesto dokáže hnát střely i letouny rychlostí převyšující Mach pět.
Lidská touha po překonání hypersonické hranice, definované jako pětinásobek rychlosti zvuku, provází letectví už od padesátých let minulého století. Výzkumníci z agentury DARPA v rámci programu vývoje hypersonických střel s atmosférickým sáním potvrdili, že proudění vzduchu v těchto rychlostech vyžaduje zcela jiné fyzikální principy než klasické létání. Historickým průkopníkem se stal legendární raketový letoun North American X 15, jehož originální konstrukci uchovává Smithsonian National Air and Space Museum. Tento experimentální stroj v šedesátých letech dosáhl rychlosti Mach 6,7, avšak jeho motor spaloval kapalný kyslík z vlastních nádrží. Právě nutnost vézt těžké okysličovadlo byla po celá desetiletí hlavní překážkou pro vytvoření lehkých a obratných hypersonických zbraní s dlouhým doletem.
Past klasických motorů a fyzikální strop turbín
Proč armády jednoduše nepoužijí běžné proudové motory? Důvod spočívá v termodynamice. Běžný proudový motor, jaký pohání dopravní letadla či stíhačky, nasává vzduch a stlačuje ho pomocí rotujících lopatek kompresoru. Jenže jakmile letoun zrychlí nad trojnásobek rychlosti zvuku, samotný nápor vzduchu v nasávacím kanálu začne plyn dramaticky stlačovat a zahřívat ještě dříve, než dorazí k motoru. Při rychlosti kolem Mach 3,5 teplota stlačeného vzduchu překročí osm set stupňů Celsia. Pokud by takto rozžhavený vzduch vstoupil do kompresoru a následně shořel v komoře, výsledný žár by okamžitě roztavil lopatky turbíny z niklových slitin.
Zde se otevírá prostor pro klasický náporový motor neboli ramjet. Ten turbínu ani kompresor vůbec nepotřebuje, protože ke stlačení vzduchu využívá pouhou geometrii vstupního kuželu při vysoké dopředné rychlosti. Jenže i ramjet má svůj neúprosný strop, který končí zhruba na hranici Mach pět. Aby v něm palivo mohlo spolehlivě shořet, musí vstupní ústrojí přiváděný vzduch prudce zbrzdit na podzvukovou rychlost. Při rychlostech nad Mach 5 vyvolá takto razantní zpomalení obrovské rázové vlny a teplota vzduchu vyskočí přes dva tisíce stupňů Celsia. Při takto extrémním žáru se začnou molekuly kyslíku a dusíku rozpadat na ionty. Místo aby hoření uvolňovalo kinetickou energii pro tah, spotřebovává se většina tepla na rozbíjení chemických vazeb vzduchu. Motor ztrácí tah a jeho stěny čelí okamžité destrukci.
Nadzvuková vichřice ve spalovací komoře
Řešením tohoto fyzikálního paradoxu je scramjet, celým názvem Supersonic Combustion Ramjet. Základní myšlenka zní neuvěřitelně drze. Vzduch proudící motorem se na vstupu nezpomalí pod rychlost zvuku. Do spalovací komory vtrhne nadzvukovou rychlostí Mach dva až Mach tři, přestože samotný letoun se pohybuje rychlostí Mach 6.
Právě zde nastává technické peklo. Vzduch prolétá spalovací komorou dlouhou pouhý metr za méně než jednu tisícinu sekundy. V tomto mikroskopickém zlomku času musí palivový systém vstříknout palivo, dokonale ho promíchat s molekulami kyslíku, zapálit směs a umožnit její vyhoření dříve, než plyn opustí výstupní trysku. Pokud by došlo k sebemenšímu zpoždění, palivo by shořelo až za motorem a nevytvořilo žádný tah. Pokud by naopak tlak ve spalovací komoře vzrostl příliš rychle, rázová vlna by vystřelila dopředu ven z nasávacího otvoru. Tento jev inženýři nazývají unstart. Pro letoun znamená katastrofu, protože během setiny sekundy ztratí tah, začne nekontrolovatelně rotovat a aerodynamický nápor ho roztrhá na kusy.
Jízda na rázové vlně a palivo jako štít
Hypersonický scramjet nelze postavit jako samostatný motor zavěšený v gondole pod křídlem. Celé tělo letounu musí tvořit nedílnou součást pohonné soustavy. Přední spodní část trupu funguje jako první stupeň kompresoru, který před vstupem do motoru tvaruje náběžné rázové vlny. Spalovací komora je integrovaná přímo v břiše stroje a zadní profilovaný spodek trupu slouží jako obří expanzní tryska. Tomuto aerodynamickému konceptu se říká Waverider neboli jezdec na rázové vlně. Stroj doslova klouže po stlačeném polštáři vzduchu, který sám před sebou vytváří.
Obrovskou otázkou zůstávala volba paliva. Rané pokusy NASA s experimentálním strojem X 43A využívaly stlačený plynný vodík. Vodík reaguje s kyslíkem bleskově a hoří velmi čistě. Pro skutečné vojenské nasazení je však vodík noční můrou. Vyžaduje obří kryogenní nádrže a složitou infrastrukturu, kterou nelze provozovat na běžné letadlové lodi ani na polním letišti.
Průlom přinesl stroj Boeing X 51A Waverider, který poprvé použil běžné letecké uhlovodíkové palivo JP 7. Jenže těžší uhlovodíky hoří mnohem pomaleji než vodík. Inženýři proto vyvinuli takzvané endotermické chlazení. Palivo před vstříknutím do komory nejprve protéká mikrokanálky ve stěnách motoru a náběžných hranách, kde odebírá brutální teplo dosahující patnácti set stupňů Celsia. Tím nejen ochrání konstrukci před roztavením, ale samo se ohřeje na teplotu, při níž se těžké molekuly kerosenu rozštěpí na jednodušší plyny, jako je ethen a methan. Do komory tak vstupuje směs připravená k bleskovému vznícení.
Proč hypersonická střela potřebuje raketový start
Ačkoliv scramjet představuje vrchol aerodynamického inženýrství, nese si jednu zásadní operační nevýhodu. Z principu své fyziky nedokáže vyvinout tah při nulové rychlosti. Aby se v nasávacím kanálu vytvořily potřebné rázové vlny a komprese, musí se stroj pohybovat rychlostí nejméně Mach 4,5.
Vojenská hypersonická střela proto musí mít vícestupňovou konstrukci. Z křídla bombardéru či z odpalovacího sila nejprve odstartuje s těžkým raketovým urychlovačem na tuhé palivo. Ten během několika desítek sekund vynese střelu do výšky kolem dvaceti kilometrů a udělí jí počáteční hypersonickou rychlost. Teprve v tomto okamžiku se odhodí vyhořelý raketový stupeň, otevře se kryt nasávacího traktu scramjetu a palivový systém zahájí vstřikování endotermického paliva.
Americký program HACM vyvíjený společnostmi Raytheon a Northrop Grumman ukazuje budoucí podobu těchto zbraní. Na rozdíl od balistických raket letí střela s motorem scramjet v hustších vrstvách atmosféry, kde může pomocí aerodynamických ploch neustále měnit směr letu. Pro současné systémy protivzdušné obrany představuje noční můru. Radarové stanice ji zachytí výrazně později než vysokou balistickou trajektorii a její kurz se nedá předpovědět běžnými balistickými kalkulátory. Čas na reakci obránců se smrskne na desítky sekund.
Scramjet dokázal, že oheň lze spolehlivě udržet i ve vichřici, která mnohonásobně překračuje rychlost zvuku. Přechod z experimentálních prototypů do sériové vojenské výroby však stále brzdí extrémní cena speciálních slitin, keramických kompozitů a náročnost termální kontroly. Jedno je však jisté: éra, kdy rychlost zvuku představovala nepřekonatelnou bariéru pro atmosférické sání vzduchu, definitivně skončila.
