X-15 og hypersonisk flyvning

Utviklingen av X-15

1950-årene var helt klart tiåret der de store hastigheter var viktig for de amerikanske forskningsmiljøene. U S Air Force og National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) var overbevist om at nøkkelen til luftdominans i fremtiden var å fly fortere enn fienden

Mens bakkemannskapene sikrer det rakettmotordrevne X-15
etter en flyvning gjør moderflyet B-52 som ble brukt til å
løfte X-15 opp til flyhøyde en low fly-by.
Bilde: NASA

Eksperimentflyet X-1 fløy som det første flyet fortere enn lydhastigheten i 1947, og Navy’s D-558-II («D-558 Dash Two») nådde Mach 2 den 20. november 1953. Snart greide andre fly Mach 2,44 (1650 mph eller 2655 km/t) og Mach 3.196 (2094 mph eller 3370 km/t). Disse høye hastighetene ga nye utfordringer for flyutviklerne.

De som studerer lufstrømmer rund et fly kalles aerodynamikere. Selv om vindtunnelene i flere tiår var ett av de beste verktøyene deres kunne ikke disse alltid skaffe frem de dataene de trengte. I 1950 fantes det ingen måte å simulere luftflyten rundt et fly i flere ganger lydhastigheten på. Aerodynamikerne hadde ulike teoretiske modeller, i betydningen et sett med matematiske likninger for å si noe om hvordan ulike fasonger oppførte seg i ulike hastigheter, men for å kunne bekrefte disse modellene måtte de fly et virkelig fly i de aktuelle hastighetene.

I 1952 satte NACA seg som mål å utføre forskning på fly i hastighetsområdet mellom 4 og 10 Mach i høyder mellom 19 og 80 km (12 og 50 miles). Dette hastighetsområdet kalte man ”hypersonisk” (se også egen artikkel Lydhastighet og MACH-tall). Den 30. september 1955 ble North American Aviation tildelt en kontrakt på å utviklet et fly for dette formålet.

Flyet ble kalt X-15 og X-15-prosjektet utviklet et stort antall teknologier for bruk i forbindelse med høyhastighets flyvninger. Disse teknologiene ble senere brukt i fly-, missil- og romforskningsprogrammer. Av det samlede antall på omlag et dusin X-flyprogrammer er X-15 regnet som det klart mest suksessrike fordi det ble brukt lengst og i høy grad flyttet grenser i flyforskningen.

Flyet, som nå fikk navn etter prosjektet, X-15, hadde en lang kropp med korte, butte vinger og en uvanlig halekonstruksjon. En rakettmotor utviklet at Reaction Motors, Inc., kalt XLR99 som ga en statisk skyvekraft på 253 kN (57 000 lb) ble brukt til fremdrift. Motoren ble drevet av ammonium og flytende oksygen som drivstoff, sammen med hydrogenperoksid for å drive turbopumpen som matet drivstoff inn i motoren. Effekten i denne rakettmotoren kunne kontrolleres på samme måte som i et vanlig fly og var den første motor av denne typen som var ”man-rated”, dvs. ansett for sikker å bruke med pilot om bord i flyet.

Siden X-15 ville fly i ekstremt tynn luft i store høyder kunne ikke vanlige kontrollflater som ror og vinger brukes til å styre flyet. Det ble derfor utstyrt med små styrerakettmotorer i nesepartiet på flyet. Dette var det første flyet med en slik styring, og den ble utviklet for bruk på Mercury-romfartøyene samtidig.

Utviklerne av X-15 antok at den største utfordringen ville bli den enorme varmen generert av friksjonen mellom flyskroget og lufta rundt. Øvre del av skroget ville nå temperaturer på mer enn 240°C (460°F), mens andre deler av flyet ville nå temperaturer på ekstreme 666°C (1230°F).

Utviklerne valgte å bruke en høytemperaturlegering kalt Inconel X som til forskjell fra de fleste andre materialer beholder sin styrke ved høye temperaturer. Dette var et vanskelig materiale å arbeide med. Vingene til X-15 ble laget med Inconel X-plater over ribber av titan og de ble skrudd fast direkte på skroget i stedet for å bli montert på en vingebjelke slik man vanligvis gjorde.

Dette bildet viser hvordan X-15 ble fraktet under vingen på et
B-52 «moderfly». Pga. stort drivstof- forbruk ble X-15
løftet til omlag 13.700 m (45.000 fot) og sluppet derfra mens
B-52-flyet holdt omlag 800 km/t (500 mph).
Foto: NASA

 

X-15 fløy første gang den 8. juni 1959 i glideflukt. Det ble sluppet fra et modifisert B-52 ”moderfly”. Den første motordrevne flyvningen skjedde 17. september samme år. Så snart X-15 var kommet klar av B-52-flyet startet piloten Scott Crossfield opp rakettmotoren og fløy opp til moderate 0,79 Mach, men X-15 begynte snart å fly mange ganger lydhastigheten. Flyvningene fortsatte helt til 24. oktober 1968 med i alt 199 flights fordelt mellom tre fly og de satte en mengde nye rekorder.

Allerede gjennom de tidligste flyvningene bekreftet X-15 de hypersoniske matematiske modellene som var utviklet av de amerikanske aerodynamikerne. De samme modellene ble senere brukt til å utvikle andre missiler og romfartøyer som f.eks. romfergen.

Gjennom sin evne til å nå så høye hastigheter og store høyder ble X-15 en godt egnet testplattform for andre eksperimenter. Etter de innledende testflyvningene begynte det å fly med oppsamlingsbeholdere for mikrometeoritter og elementer for bruk til varmeskjold for Apollo-programmet, og andre eksperimenter. Gjennom omtrent de siste seks år av sin brukstid utførte X-15 lite av de egentlige X-fly-testene (”å flytte flyvningens grenser”), men støttet mange ulike teknologiprogrammer som hadde behov for høye hastigheter.

X-15 var først med bruken av ulike materialer spesielt laget for høyhastighetsfly og romfartøyer, sammen med utviklingen av konstruksjonsteknikker for de samme materialene. Rakettmotoren til X-15 var også viktig for senere utvikling av rakettmotorer som f.eks. hovedmotorene til romfergene. Legeringen Inconel X ble også brukt til viktige deler av romfergene.

X-15 var også det første flyutviklingsprogrammet som gjorde utstrakt bruk av ”man-in-loop”-simulatorer for å utforske hvordan et fly vil oppføre seg i fart. En pilot kunne da sitte i en simulator på bakken, utføre vanlige manøvreringsprosedyrer og få et godt inntrykk av hvordan flyet ville oppføre seg når han senere skulle fly det. Dette var den gang en ny bruk av simulatorer, men er i dag vanlig i alle utviklingsprogrammer. I dag vil piloter og ingeniører bruke slike simulatorer lenge før flyet tar av for første gang.

X-15 blir av de fleste luftfartsingeniører ansett for å være det mest suksessrike eksperimentflyet som noen gang har vært bygd. Av de to gjenværende X-15 finnes det end i National Air and Space Museum i Washington, D.C., og det andre i Air Force Museum i Dayton, Ohio.

Artikkelen så langt er skrevet av Dwayne A. Day, oversatt og lett bearbeidet av Sverre K. Myren

X-15-kronologi

  • Juni 1952: NACA’s Aerodynamikk-komite anbefaler økning i forskningsmidler for flyvninger til Mach 10 og høyder mellom 19 og 80 km (12 og 50 miles)
  • September 1952: Foreløpig forskning på romflyvninger og relaterte problemer starter
  • Februar 1954: Møte i NACA Research Airplane diskuterer behov for et nytt forskningsfly for å studere hypersonisk flyvning og romferder.
  • Juli 1954: Forslag til nytt forskningsfly presenteres for Air Force og Navy
  • Desember 1954: Air Force deler ut invitasjoner til å delta i X-15 designkonkurranse til aktuelle tilbydere.
  • September 1955: North American Aviation, Inc. blir valgt som leverandør av tre X-15 forskningsfly
  • Februar 1956: Reaction Motors, Inc. blir tildelt utviklingskontrakt for XLR99 rakettmotor
  • Desember 1956: X-15 mock-up (fullskalamodell) blir ferdig
  • September 1957: Designkonfigurasjonen bestemmes og konstruksjonen starter
  • Oktober 1958: Fabrikkens rollout av fly #1.
  • juni 1959: Første glidetur med fly #1.
  • september 1959: Første motordrevne flyvning med fly #2.
  • 25 mars 1969: Første NASA-flyvning, pilot er Joe Walker.
  • november 1960: Første flyvning med XLR99-motoren
  • mars 1961: Første flyvning til Mach 4
  • 23 juni 1961: Første flyvning til Mach 5
  • oktober 1961: Første flyvning over 200.000 fot, dvs. 61.000 m
  • november 1961: Første flyvning til Mach 6
  • 20 desember 1961: Første flyvning med fly #3
  • juli 1962: Første flyvning over 300.000 fot, dvs. 91.000 m
  • august 1962: Uoffisiell verdensrekord i høyde med 354.200 fot, dvs. 107.960 m
  • januar 1964: Flyvning nummer 100.
  • oktober 1967: Absolutt verdensrekord for fly med vinger på 4520 mph, dvs. 7273 km/t
  • oktober 1968: Siste X-15 flyvning av ialt 199.

Kilde: NASA