Project Suntan, az '50-es évek hidrogénhajtású kémrepülőgépe (2/1. rész)

2021. július 30. 07:11 - Maga Lenin

Nem csak a blogon számtalanszor megénekelt ’60-as évek hozott egészen fantasztikus teljesítményű és képességű repülőgépeket. Ez a folyamat már az ’50-es években megkezdődött, amikor a tervezőasztalon még előremutatónak tűnő konstrukciók is ­– kis túlzással – elavultak a rendszeresítésük idejére. És egyáltalán nem elégedtek meg az alig évtizedes múltra visszatekintő sugárhajtás akkoriban elérhető technológiájával. Immár azt az energiaforrást kívánták lecserélni, ami még közös volt a dugattyús motorokban és a gázturbinákban is. A kőolaj helyett felbukkant a növelt energiatartalmú üzemanyagok ötlete, a nukleáris meghajtás, és a manapság megint csak előtérbe kerülő hidrogén is. Ezúttal utóbbinak az U-2 kémrepülőgép utódkeresésében játszott szerepéről lesz szó.

 

A hidrogén, mint üzemanyag

Amint arról a szovjet Spirál katonai űrrepülőgép ismertetőjében már volt szó, a hidrogénnek, mint üzemanyagnak a használata nem csak rakétamotorokban, hanem a légköri oxigént használó gázturbinákban is előnyös lehetett. Az energiasűrűsége ugyanis körülbelül a háromszorosa a hagyományos, kőolaj alapú kerozinnal szemben. Gázként azonban több száz bar nyomáson (repülőgépeknél jelenleg 350 bar körülre teszik ezt) kell tárolni, ami nagyon erős, azaz nehéz tartályt jelent. Folyadékként viszont, mivel -253°C alatti hőmérsékletet kell biztosítani, erősen szigetelni kell a tartályt. Ez utóbbi vákuumos megoldással lesz megoldva várhatóan, de az ’50-es években ezt csak a hajtómű felé tartó vezetékeknél lehetett volna kivitelezni. Az óriási térfogatú tárolótartályoknál inkább hagyományosabb szigetelésekre lehetett gondolni.

A pontos forráspont, tehát ami alatt teljes mértékben folyékony a hidrogén, -252,87°C (légköri nyomáson). Az egyszerűség kedvéért végig kerekítve, -253°C-ként szerepel az érték. Összehasonlításként, ez csak 20°C-kal több, mint az abszolút nulla fok.

 

Az Egyesült Államokban már a második világháború alatt elkezdtek foglalkozni a folyékony hidrogénnel (LH2 a szokásos, angol eredetű megnevezése), mint rakétahajtóanyaggal, és persze elméleti szinten felmerült, mint gázturbinák üzemanyaga is. A kezdetleges technológia, az infrastruktúra hiánya, és az előbb bemutatott hátrányok viszont távol tartották a dolgot a megvalósulástól. Csakhogy, az ’50-es évektől igény mutatkozott a nagyon nagy magasságban is használható repülőgépekre. Amíg pár évvel ezelőtt igazából a 10 km is ilyennek számított, ekkor már ennek a duplájáról, esetleg még többről volt szó hirtelen. Az itt uralkodó, igen alacsony légnyomásban, a légkör kis sűrűsége mellett a kerozin már nagyon a működőképességének határán volt az akkori hajtóművekben. Ezzel szemben viszont a hidrogén igen jól keveredett el a levegővel, és nagyon jól égett a teljes, immár szóba jövő magasságtartományban. Olyan jól, hogy egy gázturbinában az addiginál sokkal rövidebb égéstérre volt csak szüksége. Ezekre tekintettel, már a NACA is foglalkozott az LH2 alkalmazásának hátterével. Az hamar kiderült, hogy még 30,5 km magasságban is kiválóan ég el a hidrogén, miközben az aktuális hajtóműveknél ez a limit 13,7 km volt csupán. Az előbbi magasságban viszont olyan ritka a levegő, ami csekély légellenálláshoz vezet, még úgy is, hogy igen nagy szárnyakra van szükség, létrehozandó a kellő felhajtóerőt. Tehát, egy 30,5 km-en repülő szerkezet szükségképpen igen nagy, ami részben eleve megteremti a hidrogén óriási térfogatigénye miatt kellő méreteket. Igaz, itt inkább a szárnyak kihasználható térfogatára gondoltak, ami a hangsebesség alatti tartományra képes sárkányszerkezetnél lehetséges is volt. Kapóra jött a jobb égés miatti, kisebb hajtóművek lehetősége is, ami szintén hozzájárult a relatíve alacsony szerkezeti tömeghez. Ekkor azonban még a bórtartalmú üzemanyagok voltak az érdeklődés homlokterében.

1954-ben a USAF is minden lehetőségre kiterjedően kezdte vizsgálni a lehetséges hajtóanyagokat, beleértve a bevezetőben felsorolt verziókat, és mostmár a hidrogént is. Közben a NACA is dolgozott, és felismerték, hogy a fő kérdés a megfelelő tartály kialakítása az LH2 számára. Úgy gondolták, hogy a rakétafejlesztésből – és egyébként a ’20-as évekből – származó ötletet veszik elő, azaz, hogy a tartály merevségét nem annak erős szerkezete, hanem a benne lévő nyomás fogja megadni. Ugyanezt az elvet használták fel a később sikeresnek bizonyuló Atlas ballisztikus rakétánál is. Az első számítok szerint egy szubszonikus felderítőgép 24 km magasan tudna haladni, akár 13.500 km-re is elrepülve. Össztömege 40 tonna lenne, és szükség szerint akár póttartályokkal is ellátható. Ugyanakkor, ennek a szuperszonikus párja 25%-kal könnyebb lenne, és 2,5 Mach volna az utazósebessége, de cserébe már csak az előzőnél 80%-kal kisebb távot tudna lerepülni. Ennek az volt az oka, hogy a szuperszonikus szárnyprofilba már nem fértek tartályok, miközben a légellenállás – és így a fogyasztás – jelentősen megnőtt, akármilyen kis sűrűségű is volt az utazómagasságban a légkör. 1955 augusztusában a NACA tanulmánya a légköri nyomás kétszeresén javasolta tárolni a hidrogént egy 175 m3 térfogatú tartályban, 5,7 cm vastag, extrudált polisztirolhab hőszigeteléssel. Úgy gondolták, hogy a minden kiegészítőjével együtt 1588 kg-os tartály 11.340 kg folyékony hidrogént tud tárolni. 27°C-os, külső hőmérséklet mellett 2 és 3/4 órán át állhat a földön anélkül, hogy a párolgás miatti nyomásemelkedés következtében el kellene belőle engedni valamennyi hidrogént. Tehát, beavatkozás nélkül ennyi ideig állhatott készenlétben mondjuk egy bombázón, ami az indulási parancsot várja.

p100.jpg

(forrás)

A fentiekben leírt, szubszonikus, nagy hatótávú és repülési magasságú felderítőgép elvi kialakítása. Nagy mértékben számoltak a szárnyban lévő, kis átmérőjű, de hosszú tartályokkal. Az utazósebességet 0,75 Mach-ban adták meg. Lent a gép modelljének korabeli fotója. Megjegyzendő, hogy egy szárnynak meglehetősen rugalmasnak kell lennie, azaz, jelentős alakváltozást kell elviselnie, ami elsősorban a legnagyobb dimenziója, tehát a fesztávolság mentén mutatkozik meg. Ez nem könnyíti meg az ilyen irányban álló tartályok beépítését

subsonic_bomber_model.JPG

(forrás)

supersonic_bomber_model.JPG

(forrás)

A NACA-féle, hidrogénhajtású, szuperszonikus bombázó

p99.jpg

(forrás)

A NACA által 1955-ben javasolt tartály. 25 m hossz, 3 m átmérő, 11,3 tonna kapacitás

A titkos minősítésű Project Bee-t 1955 legvégén indította el a NACA, aminek a keretében egy Martin B-57B-t módosítottak úgy, hogy hidrogént is tankolhatott. A jobb oldali J65 hajtóművét nagy magasságban ezzel táplálták meg, de alkalmas maradt a JP-4 kerozin használatára is; azzal szállt fel és le a gép. A NACA 1959-ig folytatta a repüléseket ezzel a géppel, miközben számos, további részkutatást is elvégzett, és felvázolt különféle hajtóműmegoldásokat, repülőgép-kialakításokat, de ez már nem érintette közvetlenül az USAF és a Lockheed programját. Az átépített bombázóról röviden ITT lehet olvasni a blogon.

 

A Rex hajtóművek és a Lockheed CL-325

Amint arról szó volt az imént, a légierő 1954-től vizsgálta behatóbban a hidrogént is. Erre erősített rá, hogy 1954. március 24-én bemutatta a haderőnemnek az ezzel működő hajtómű-tervezetét, a Rex-1-est a brit Randolph Samuel Rae is. Ez egy közös tengelyre dolgozó, három turbinából álló, légköri helyett folyékony oxigént – és persze hidrogént – használó gépezet volt, és célja egy 24 km-en 800 km/h-val haladó repülőgép légcsavarjának a meghajtása. E kialakítással megoldható volt a magasságtól független teljesítményleadás, azonban, a légcsavar hatásfoka már persze igencsak függött a levegő sűrűségétől. Ezt rögtön kiszúrták a légierőnél, de mégis, nagy lelkesedéssel fogadták a javaslatot. Amellett, hogy vizsgáltak hidrogén és oxigén üzemanyagú rakétával hajtott turbinás sugárhajtóműveket („turbórakétákat”, angolból tükörfordítva), és Rae ötlete sem volt egészen előzmény nélküli, mégis, a legjobbkor állított be vele. Az USAF ugyanis növelni kívánta repülőgépei utazómagasságát, hogy így legyenek védettek az ellentevékenységtől. Hamarosan arra is rájöttek, hogy az Lockheed U-2 programjának (Aquatone) CIA általi vezetése miatt kicsúszott a kezükből egy nagy magasságban működő felderítőgép rendszeresítésének lehetősége, de ekkor még nem volt reális, hogy mégiscsak szolgálatba állítsák az U-2-est.

A végső megállapodás arról, hogy a CIA vezeti az U-2 programot, 1954. november 19-én köttetett meg, amint arról a blog nagyívű U-2 ismertetőjében is szó van (a poszt vége felé). Nyilván, a dolog nem aznap dőlt el; mire idáig jutottak az egyeztetések, már érződött, hogy az USAF-nak csak támogató szerepe lesz a programban, tehát már volt értelme keresni a saját megoldásukat. Ezen kívül, mint fentebb szerepelt, akkoriban általában is a repülési magasság növelése volt a cél, tehát mindenképp érdekesnek tűnt a hidrogénes megoldás.

Rae 1954 végére rájött, hogy az addigi partnere, amellyel előző munkája során került kapcsolatba, a Summers Gyroscope, túl kicsi és ismeretlen cég egy ilyen, különleges projekthez, mint a Rex-1. Azonban, volt kapcsolata a már elismertebb játékosnak számító Garrett Corporation alelnökével, aki meggyőzte főnökét, hogy érdemes beszállni a dologba. Végül is 1955 márciusában vette át a Garrett a Summers-től a Rex-1 jogait. Eközben már a légierő kiírt egy sor, hidrogénnel foglalkozó pályázatot, melyek egyike egy hagyományos gázturbina hidrogénüzeműre átalakítása volt. Ezt a United Aircraft (ma: United Technologies) nyerte, azaz, annak egyik cége, a Pratt & Whitney. Eközben Rae megalkotott három, újabb verziót a hidrogén alapú sugárhajtásra. A Rex I (római számmal) a Rex-1 (arab számmal) gázturbinás sugárhajtóművé alakítása volt, de megtartotta a folyékony oxigénes megoldást. Ennek és lényegében egy utánégetőnek az egyesítése volt a Rex II. A Rex I-ből ugyanis hidrogénben gazdag keverék távozott égéstermékként, és ezt be lehetett még gyújtani, extra tolóerőt nyerve. Ez tehát alapvetően az említett turbórakétának felelt meg. A legfontosabb, a Rex III immár légköri oxigénre váltott. A hátulról érkező LH2-t egy hőcserélőn vezették át, ahol a hajtómű égésteréből érkező, forró közeg alakította gáz halmazállapotúvá. Ez a gáz a Rex-1-estől örökölt módon, három fokozatban hajtott meg három turbinát, majd elégették. Így létrejött a hőcserélőre érkező égéstermék, miközben a meghajtott turbinák egy kompresszort forgattak meg, ami a külső levegőt nyomta össze, akárcsak egy közönséges gázturbinában. A hátrafelé áramló, még hidrogénben gazdag gázkeverék egy utánégetőnek megfelelő fokozatban újra égésen esett át, további tolóerőt nyerve általa.

p132.jpg

(forrás)

Rae egy kísérleti, folyékony hidrogént tároló tartály előtt fotózva (1955 körül)

p130.jpg

(forrás)

Fent a Rex I és II vázlatos működése, lent a Rex III-é. Utóbbinál jól látható a három, egymás után kapcsolt turbina

p131.jpg

(forrás)

A három, újabb Rex hajtómű megjelenésétől viszont a nem beavatottak számára úgy tűnt, hogy a korszakban vizsgált, többi, meredek ötlethez csatlakozott a hidrogénes sugárhajtás is, mert látszólag folytatás nélkül eltűnt a színről. Ezen senki sem csodálkozott a számos, papíron elemzett javaslat kavalkádjában.

 

Azonban, a valóság más volt. A 123 cm átmérőjűre tervezett Rex III-ra alapozva a Garrett hozzálátott egy nagy magasságú repülőgép, mégpedig egy felderítő megtervezéséhez – amely iránt az USAF közvetlenül érdeklődött. 1955 októberében azonban az egyébként alkatrészeket és kisebb hajtóműveket gyártó Garrett felismerte, hogy egy ilyen járművet maga nem tudna létrehozni. Ennek részben a vállalat – és Rae – ötletei és lehetőségei, illetve a légierő ezektől eltérő igénye volt az oka. Az eredeti, légcsavaros Rexnél ugyanis kb. 20 cm-es turbinákról volt szó, ami jelezte, mekkora teljesítményre gondolt Rae. Ilyen kategóriában volt otthon a Garrett is, és ezzel egy szubszonikus repülőgépet lehetett létrehozni. A katonák azonban már egy szuperszonikusat akartak, ami a nagy sebességért cserébe feláldozta a nagy(on nagy) hatótávot. Bár az újabb Rexek kezelhették ezt a problémát, magát a repülőgépet illetően megmaradt az alternatív megoldás igénye. Ezért a Lockheedot kereste fel, hogy készítse el az immár tehát szuperszonikus sárkányszerkezetet. Ezt a lépést az USAF is pártolta, mert ők is alkalmatlannak vélték a kisebb céget egyszerre egy forradalmian új hajtómű, és hozzá a repülőgép megépítésére. Ugyanakkor viszont a Lockheed Kelly Johnson vezette különleges részlege, a Skunk Works bizonyította az U-2 által, hogy képes speciális igényeket nagyon gyorsan és hatékonyan kielégíteni. Itt márpedig abszolút erről volt szó. A gyorsaságot a korabeli fejlődési ütemen kívül egy konkrét probléma is aláhúzta, mint fontos feltételt a programban. Az USAF ugyanis tökéletesen tisztában volt vele, hogy mennyire gyakori az U-2-esnél a nagy magasságban bekövetkező égésmegszakadás. Ilyenkor bőven a légvédelem hatómagassága alá kellett ereszkedni a géppel, hogy újraindíthassák a hajtóművét. Bár a J57-esen a legkorábbi fejlesztések is már ennek megoldására, a probléma csökkentésére irányultak, azért a hajtómű-üzemanyag kombináció így is a határon dolgozott sokáig, tulajdonképpen a J75-ösre váltásig. Egyébként is világos volt, hogy előbb-utóbb az U-2 sebezhető lesz, ezért – és az említett, CIA általi programfelügyelet miatt – is valami új, jobb, megbízhatóbb, és persze saját megoldással kívánt továbblépni a légierő. Ezekre a kérdésekre márpedig a hidrogén választ ad, úgy tűnt. 1956 januárjára, tehát nagyjából 3 röpke hónap alatt elő is állt a Lockheed CL-325-1.

Az U-2 kapcsán folytatott kutatásokban a hidrogén használata mellett a metáné is felmerült, és annyiból előnyösebbnek is tűnt, hogy nagy mennyiségben rendelkezésre állhatott. Azonban a tűzveszélyessége miatt mégsem mellette döntöttek.

A CL-325-1 a NACA korábbi tanulmányaira is hasonlított, de egyben Kelly 2 Mach-os vadászgépére, a „szárnyas rakétára”, az F-104-esre is. Már csak ezért is, igen egyszerű vonalvezetést kapott: orsószerű, hegyes orrú és farkú törzs, a Starfighterre igencsak emlékeztető szárnyak és T vezérsík hátul, de szárnyvégi hajtóművekkel kombinálva. Ezeket közben még nagyobbra, 150 cm-esre kellett venni, mert a Lockheed számításai szerint a 123 cm-esre növelt Rex III-hoz képest is több tolóerő kellett. Ezt felszállásnál egyenként 2 tonnára becsülték, viszont még 30,5 km magasan is 1,7 tonna körülire. Ez egyáltalán nem sok, de persze akkora magasságban alig volt légellenállás.

Ezt érdemes összevetni azzal, ami az U-2 ismertetőjének 2. részében szerepel. Az eredetileg a típushoz szánt hajtóművek 22,9 km magasságban már csak a tengerszinten mért tolóerejük 4-4,5%-át adták le, míg a Rex III további 7 km-rel magasabban is még a 85%-át! A magasságnál ráadásul figyelembe veendő, hogy a légkör sűrűsége jó közelítéssel exponenciálisan csökken, tehát, ez a plusz 7 km rengeteget jelent a sűrűség szempontjából.

A törzs elég vastagra hízott középen, amire a döntő többségét elfoglaló hidrogéntartály miatt volt szükség főleg. A CL-325-1 egyetlen egy ilyet használt. A vékony, erősen negatív V állású szárnyakban már esély sem volt hidrogént elhelyezni. A terveken 46,73 m-es hossz, 24,35 m-es fesztáv, 8,71 m-es magasság, valamint 13352 kg üres és 20731 kg felszállótömeg szerepelt, és utóbbiból 6553 kg volt a hidrogén és 680 kg a felderítő eszközök tömege. Építőanyagként nagyrészt alumíniumot jelöltek meg, ami elegendő volt a 2,25 Mach-ra várt utazósebességhez. Ez még mindig egybevágott a korábbi elképzelésekkel, mert azoknál a fő cél a nagy repülési magasság volt, és nem elsősorban a többszörös hangsebesség elérése. Hatósugárnak 2800 km-t számítottak, ami egyáltalán nem volt sok. Egyidejűleg elkészült a CL-325-2 is, mely azonos volt az -1-gyel, de nagyméretű, szárny alatti póttartályokat kapott, amik miatt kisebb lehetett a törzse. Azonban a hidrogéntartályok ledobása nem olyan egyszerű ügy volt, mint a kerozinos tankoknál. A tartályok nagy mérete és szigetelése egyáltalán nem tette őket olcsóvá, ami igencsak kedvezőtlenül hatott a CL-325-2 teljes költségvonzatára.

cl-325-1.jpg

(forrás)

A CL-325(-1) korabeli rajza

A Garrett ekkor még, 1956. február 15-én, saját tanulmányának mellékleteként adta le az általa kidolgozott javaslatokat és a Lockheed két tervezetét, de ez – várakozásukkal ellentétben – a programból való kiesésükhöz vezetett. A légierő ugyanis úgy látta, hogy nem hogy a sárkánnyal, a hajtóművel se fog megbirkózni a cég, mivel sokkal egyszerűbb megoldásokat vártak volna. A Rex III akkorára nőtt, sőt, nagyobbra, mint a korabeli gázturbinák, így már egyáltalán nem volt egyszerűnek tekinthető, mint a korai Rex-1 a maga, kicsi és egymáshoz hasonló alkatrészeivel. A megjelenő hőcserélő is teljesen ismeretlen technológiát adott hozzá a rendszerhez. A CL-325 mint repülőgép is túl nagy és komplex volt, tehát a Skunk Works innovatív hozzáállására volt szükség – gondolták az USAF-nál. Így aztán, noha a Garrett még 1958-ig kapott pénzeket a Rex III és a technológia tanulmányozására, de ez volt a maximum, amit elért a hidrogénhajtású repülőgép projektjében.

 

A nagy gyártók átveszik a feladatot: a CL-400 és a P&W 304

Már ’56 januárjában, tehát a Garrett anyagának leadása előtt a General Electric-et, és a korábban is megkeresett Pratt & Whitney-t kérték fel a hajtóművek megtervezésére, illetve először február végére azok koncepciójának benyújtására. Ez a Rex III elvetését jelentette. Az eddig nem használt technológia miatt a kormányzat – és a katonaság – úgy érezte, hogy a jól bejáratott, nagy tapasztalatú beszállítóikra kell bízni a dolgot. A két, leadott tervezetből a P&W 304 jelű, egyébként a Rex III-ra igencsak hasonlító ötletét választották. Májusban ez a cég, és a Lockheed is megkapta a maga, vonatkozó szerződését, hogy kettejük együttműködéséből előálljon az U-2 légierős utóda, az immár nem csak magasan, de gyorsan is repülő felderítő. A projektet a filmekből ismerős, beyond top secret kifejezéssel illették, és valóban, a teljes anyagot csak kb. 25-en ismerték akkoriban. Abból a szempontból is sikeresek voltak a titoktartást illetően, hogy majdnem 20 évig (1973-ig) nem is tudott róla a nyilvánosság. Ekkor került elő a Suntan (Napégés) kódnév is – elvégre a Nap is hidrogént égetve nyerte az energiáját… A Lockheed a CL-400 számon folytatta tovább a tervezést, de persze a 325-ösből kiindulva, és vállalta, hogy jóváhagyás – azaz az anyagiak biztosítása – esetén 1,5 éven belül legyárt két prototípust. Mai szemmel nézve, igencsak merész vállalás volt ez. Egyébként, az USAF-nak, bár tetszett a hidrogén alapú technológia, általánosabb célja volt: egy, az U-2-esnél jobb, és főleg gyorsabb felderítőt akart, 2-3 éven belül. Ha ez nem a Suntan lesz, tehát nem LH2 alapon fog létrejönni, számára az sem volt igazából probléma, „csak” a rá ekkor feleslegesen elköltött pénz miatt. Ezért a Suntan is hasonló könnyítéseket kapott a beszerzéseknél, beszállítói szerződéseknél, mint anno az U-2-esnél történt, csak ott talán még nagyobb mértékben valósult ez meg, a CIA közreműködésének köszönhetően.

 

A CL-400 tehát az elődre hasonlított, de látványosan változott a szárnya. A negatív V állást megszüntették, és helyette egy behajtható, alsó pótvezérsíkot telepítettek a törzsvégbe. A törzs az orsó alak helyett hagyományosabb, hengeresebb formájú lett. A futómű tandem elrendezésű volt, a szárnyvégi hajtóműgondolák nyilvánvaló helyet nyújtva a támasztókerekeknek. Hogy ne zavarják meg a nyomástartó hidrogéntankok alakját, a törzs tetején egy jókora gerinc futott végig, minden kábelt és egyebeket tartalmazva, megteremtve a vezérlés összeköttetését a farokrészen és a szárnyakon lévő kormányfelületekkel. Amíg a CL-325 egyfős volt, a CL-400 már a pilótán kívül egy operátorral (RSO, reconnaissance systems officer) repült. Tekintettel arra, hogy továbbra is alumínium (és nyilván részben acél) építéssel számoltak, a sebesség maradt a korábbi. A 2,25 Mach-nál fellépő felmelegedés mellett elég nagyméretű, átlátszó felületet kaphatott a kabintető, bár az RSO-nak már csak kicsi oldalablakok jutottak. A fülke mögött egy jókora, valószínűleg két, az U-2-eséhez mérhető kamerát befogadni képes hasznos tér foglalt helyet. Ezt követően a hidrogéntartályok töltötték ki a törzset, de ezúttal már három darab. Ez lehetséges, hogy csak a CL-400 jobb kidolgozottságának köszönhető, idővel talán ilyesmi lett volna a CL-325 elrendezése is, ha eljut odáig az a terv. A három tank közül a középső egy kisebb, de így is 15142 literes (4200 amerikai gallonos) kifogyasztótartály volt, míg előtte és mögötte a két, fő tartály 67380 és 53904 literes volt (17800 és 14240 us gal). Ez a hármas felosztás természetesen rosszabb térfogatkihasználást eredményezett, mint az egyetlen, egységes kialakítás, de sokkal jobban kontrollálhatóvá tette a gép súlypontját. Ez márpedig egy ilyen gyors és hosszú repülőgépnél nagyon lényeges volt, tekintettel a szuperszonikus aerodinamika diktálta igényekre. Az is lehetségessé vált, hogy a két, fő tartályt nagyobb nyomáson tartsák (19 psig, abszolút értékre átszámítva és átváltva SI-be: 232 kPa [2,32 bar]), míg a kifogyasztótartályt kisebben (17 psig/218 kPa [2,18 bar]). Ezáltal elég volt alacsonyabb teljesítményű szivattyúkat beépíteni. A teljes feltöltést 9740 kg LH2-re becsülték. A hajtóművekhez vákuumszigetelt vezetékek futottak, amikbe viszont már 446 kPa-on (50 psig/4,46 bar) nyomták az erre szolgáló szivattyúk a hidrogént, 1457 liter/perccel. A két, Pratt & Whitney 304-2 (valószínűleg munka-)jelű hajtóművet 4,3 és 2,75 tonna tolóerejűre becsülték tengerszinten, illetve 29 km magasan, 2,5 Mach sebességnél. Tömegük darabonként 2850 kg.

p145a.jpg

(forrás)

A CL-400 első változatának rajzai, amiket a nyilvánosság először láthatott (1973-ban, lásd később). A felszállótömeg 31760 kg, a hidrogén nélküli 22025 kg, a hasznos teher 681 kg, a szárny felülete 223 m2, karcsúsága 2,5. Leolvasható, hogy a hossz 50,24 m (a T vezérsík kissé túllógott a törzsvégen), a fesztáv 25,53 m, a magasság 9,14 m

p145b.jpg

(forrás)

A CL-400 referencia bevetése. Látható, hogy a cél felett 2,5 Mach sebességgel és 29,8 km-es magasággal számoltak; út közben, ahogy könnyebbé vált a gép, 600 m-t nyert a kezdeti magassághoz képest. A cél távolságára 2037 km van megadva

 

Amíg a CL-400 első verziója papírra került, foglalkozni kellett a projekt más aspektusaival is. Ezt a Skunk Works jól tudta, hiszen az U-2 számára is a normáltól eltérő üzemanyagra volt szükség, vagy például a szokásosnál jóval nagyobb tartományban működő magasságmérőkre. Itt természetesen a hidrogénellátás volt a kulcskérdés. A tervezett hatósugár miatt a Szovjetunióhoz közeli reptereken kellett előkészíteni az infrastruktúrát, tehát, vagy helyben kellett gyártani a folyékony hidrogént, vagy oda kellett azt szállítani. Ezért Kelly 1956 márciusában egy külső tanácsadó céget kért fel, hogy készítsen megvalósíthatósági tanulmányt napi 45, 135 és 225 tonna LH2 gyártására (egyelőre az USA területén). A CL-400 projektben fontos szerepet töltött be Kelly későbbi utódja, Ben Rich is, akinek a meghajtással és az LH2 kezelésével egyaránt foglalkoznia kellett. A kettő már csak azért is összefüggött, mert az újsütetű üzemanyag párolgási hőmérséklete és a villámgyorsan száguldó repülőgép súrlódástól felhevülő elemei között 650°C-nyi volt a különbség. Addig ráadásul az LH2-t csak laborokban használták, kis mennyiségben, tehát semmilyen tapasztalat nem volt sem a nagyobb volumennel, sem a katonai alkalmazás adta problémákkal, pláne nem egy forró repülőgépben való tárolásával. Ezért a Skunk Works maga fogott kísérletekbe, amire egy világháborús óvóhelyet jelöltek ki. Az ide telepített, az előállításhoz kellő, és minden egyéb, kísérleti eszközt egy bizonyos Robertson felügyelte, úgyhogy meg is kapta a hely a Fort Robertson nevet. Az alkatrészek próbáit (szelepek, csapágyak, szigetelések) egy 9 liter/óra LH2 kapacitású rendszer szolgálta ki, míg a tartályokét Boulderből hozott, 2200 literes adagok biztosították. Teszteltek a valóshoz képest feleakkora tartályokat, és később elkészült, és átadtak a P&W-nek egy teljes méretű, a hajtóművekhez hidrogént továbbító, Pesco gyártmányú szivattyút is. Szükség volt tűz- és robbanásveszélyességi próbákra is, amik bizonyították, hogy az LH2 kockázata nem nagyobb, mint a keroziné. A szivárgó hidrogén okozta tűz kisebb volt, mint a keroziné, és robbanást is csak két komolyabbat produkáltak, ilyenkor is nagy mennyiségű, tiszta oxigén jelenlétében. Ez nyilván irreális körülmény volt még tengerszinten is, nem hogy 30 km magasan. Közben elkészült a gyártási tanulmány, ami a 45 tonnás kapacitást tartotta a legjobbnak. Ehhez napi (!) 1 millió köbméter földgázra volt szükség, amiből kivonták a hidrogént, majd a föld alatt tárolták. Egy ilyen üzem költségét 45 millió dollárra tették, és 0,386 dollár/kg-ra a benne előállított LH2 fajlagos árát.

A poszt nem tér ki rá részletesen, de a Suntan program a fentieknél is jóval bővebben foglalkozott az LH2 ipari léptékű előállításával, szállításával, tárolásával, kezelésével, és ezek biztonsági vonzataival. Az anyag az SF-1 fedőnevet kapta (talán a special fuel szavakból). Egyetlen példa arra, hogy milyen, abszolút nem várt gondok adódtak. A – talán nem véletlenül… – U-1-esnek nevezett, „SF-1-et” szállító tartálykocsi akkora volt, mint a benzint vivő társai, de ugye sokkal könnyebb azoknál. Ezért a mindig optimalizáló mérnökök természetesen egyetlen tengellyel látták el. Emiatt a közúti súlyellenőrzéseken folyton gyanút keltett a szerelvény. Amikor egyszer véletlen túllépte valamicskével a limitet, egész az állam kormányzójáig kellett telefonálnia a légierőnek, hogy ne akarják már valahogy leengedni azt a pár kilogrammnyi többletet (amire sem módja, sem a titkosság miatt engedélye nem volt a sofőrnek). Egyébként is csak a „gyúlékony folyadék” felirat szerepelt a kocsin. A következő vontatmány, az U-2 már ismét kéttengelyes lett, és rögtön nem volt annyira feltűnő.

cl-400_mockup_0001.jpg

(forrás)

Ez a három kép itt egy blokkban mutatja, nagyjából meddig is jutott el a CL-400: fent az orrának a teljes méretű, lent a szárnyának az egyharmadra kicsinyített a próbadarabja. Egyes beszámolók szerint a két, eredetileg szerződött példány majdnem el is készült, de ez egyáltalán nem hihető. A Skunk Works nem volt nagy, tehát, ha ekkora repülőgépeket összeszereltek volna valamelyik épületében, biztosan fennmaradt volna több beszámoló és fotó is

sun2b.JPG

(forrás)

sun1b.jpg

(forrás)

Egy hidrogéntartályt illesztenek be a CL-400 törzsközéprészét imitáló szerkezetbe

 

A tartályokon kívül a CL-400 legfontosabb komponense mindenképpen a két Pratt & Whitney 304 hajtómű volt, melyeket a hidrogén elégetésére optimalizáltak. A cég átalakított egy J57-est is házon belül, és bár az eredmények kiválóak voltak, de az is kiderült, hogy az igazán jó paramétereket – nem meglepő módon – egy, kifejezetten hidrogénüzemre tervezett hajtómű hozhat. A 304 nagyon hasonlóan működött a Rex III-hoz, viszont, mivel csak egyetlen hőcserélőt tartalmazott, annál jóval egyszerűbb is volt. Ez utólag nézve tekinthető úgy, hogy Rae a Rex sorozattal feltalálóként viselkedett, és mindent ki akart hozni az ötletéből, optimális megoldásokra törekedve. A tömeggyártással is foglalkozó P&W viszont adott az egyszerűsítésre is. A hidrogénszivattyúkon és a hőcserélőn kívül ráadásul minden, szükséges szakértelme megvolt házon belül. A szivattyút illetően olajkenésű megoldással dolgoztak, noha a hidrogén miatt jobb lett volna az egyébként már akkor kidogozott, olajmentes megoldás – de erről valószínűleg nem volt információjuk. A hőcserélő 182 cm átmérőjű volt, és 48 mm-es, rozsdamentes acél csatornákat használtak benne, méghozzá 2240 darabot; összesített hosszukat tekintve 8 km-nyit. A hőmérsékletváltozás óriási volt: a hidrogén -253-ról 727°C-ra melegedett benne (980°C különbség), míg a rajta átáramló, elölről érkező, ezt a hőenergiát biztosító gáz 1227°C-os volt (ezek kelvinben kerek értékek). A hőcserélő számított teljesítménye így nem kevesebb, mint 21 MW volt. A hidrogénüzemű turbina a legnagyobb tárcsánál 45 cm-es volt, és 18 fokozatú, amiből 12 volt a nagynyomású rész (vö. a Rex-1 három, különálló turbinájával, amik összesen szintén jó sok fokozatot jelentettek). Ezzel 8,95 MW, azaz 12.000 lóerő teljesítményt nyertek, amivel egy négyfokozatú kompresszort hajtottak meg. Bár hosszra még mindig rövidebb lehetett, mint egy kerozinnal üzemelő gázturbina, a 304 hatalmas volt. A korábbi, 150 cm körüli értékekkel szemben a legnagyobb átmérő már elérte a 203 cm-t. A teljes hajtóműgondola 2722 kg volt, 10,7 m hosszal. A tolóerőt 2,2 tonnának adták meg 30,5 km-en.

A működési elvet a szovjet Spirál űrrepülőgép hordozójának szánt GSzR-nél már bemutatta a blog, annak szó szerinti idézése következik tehát. Az LH2-t egy szivattyúval juttatták be a tartályból egy hőcserélőbe, mely a turbina mögött helyezkedett el. Itt erősen felmelegedve gáz halmazállapotúvá vált, hiszen a következő állomása a turbina volt, amit mégsem lehetett -250 fokra hűteni, és persze nem is ez volt a cél. Az áramló hidrogéngáz nyomása hajtotta meg a turbinafokozatokat, ezért itt egy sokfokozatú turbinára volt szükség, ellentétben az általában 1-2 fokozatú, normál (katonai) sugárhajtóműves turbinákkal. A hidrogén egy része innen a csőhálózaton át kiáramlott a turbina köré, ahol az égése megtörtént az elölről érkező, légköri levegő oxigénjével. A maradék hátra lett vezetve, ahol az utánégetőként működő hátsó traktusban került elégetésre, pontosan ugyanazon az elven, mint a megszokott utánégetőknél. A turbina ezúttal is össze volt kötve a legelöl lévő kompresszorral, és forgatta azt, de ezen felül egy reduktoron át a hidrogénszivattyút is meghajtotta – ezzel a kör bezárult.

p155.jpg

(forrás)

A P&W 304 működése, kétféle, sematikus rajzon. A fenti az alapvető működést mutatja be, a lenti viszont több részlettel szolgál a tényleges megvalósításról, és fordulatszámokat (RPM), nyomásokat (psi) és hőmérsékleteket is megad (a kiváló Réaumur fokban, aminek a 0,8-szeresét kell venni a Celsiusba való átszámításhoz). 1957. augusztus 18-ára, azaz 16 hónappal a projekt megkezdése után állt készen az első próbapéldány. Kezdetben problémák léptek fel a kenési rendszerben, de orvosolták őket

sun9.jpg

(forrás)

2ef8f53bfc0fb8d6f44598f1c97338ed.jpg

(forrás)

Egy modern grafikát is készítettek pár éve a P&W 304-esről, aminek a színezése sokat segít. Ezen a rajzon a CL-400-asba berajzolt üzemanyagvezeték valószínűleg nem jó, mert a belépőélben vagy annak közelében futó vezetéket említenek egyébként, lásd korábban

p156b.jpg

(forrás)

Fent: a hőcserélő kiépítve. Ilyet a normál gázturbinákban természetesen nem találni, de itt mindenképpen szükséges volt a megfelelő hidrogénhőmérséklet eléréshez. Lent: a 304 kiömlője, illetve kissé beljebb láthatóak az utánégetőnek megfelelő fokozatba hidrogént bejuttató fúvókák. Amíg egy kerozinos hajtómű utánégetője elég hosszú, itt láthatóan szó sincs erről

p157b.jpg

(forrás)

sun3.jpg

(forrás)

És mindez egyben, azaz a P&W 304 egyik példánya. A fenti fotón a kábelek egy része középtájt a teszteléshez továbbít adatokat

suntan_304b.jpg

(forrás)

 

A források a következő részben lesznek megadva. Annak tartalmából: hatalmasra nőtt CL-400 változatok és a Suntan program végkifejlete. A folytatás ITT olvasható.

8 komment

A bejegyzés trackback címe:

https://modernwartech.blog.hu/api/trackback/id/tr9516627316

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

Drag 2021.07.30. 18:42:37

Teljesen amatőr kérdésem volna:

Ha emlékeim nem csalnak, akkor a hidrogén égetésekor víz keletkezik.
Ez nem okozott volna problémát a rendszerben, és azon kívül?(pl. fagyás, vagy ilyenek)

Maga Lenin 2021.07.31. 11:27:20

@Drag: A hajtóműben elég meleg van, utána meg legfeljebb kondenzcsík keletkezik, úgyhogy nem gond. (Bár utóbbi nem előnyös persze egy elvileg rejtve haladó katonai repülőgépnél.)

Bubaru 2021.07.31. 12:19:09

hűdefura,hogy előbb van a turbina,mint a tüzelőtér.
Köszönet az érdekes cikkért,mindenképp végigolvasom,hogy miért nem lett elterjedtebb!

at900 2021.07.31. 20:17:32

Mindig rendkívül érdekes témákat találsz! Köszönöm a cikket! Ezt a hőcserélő hajtotta kompresszor megoldást többször is el kellett olvasnom, annyira furcsa volt nekem. A hagyományos gázturbináktól elég eltérő megoldás, ezért volt nekem annyira idegen, de biztos célszerű volt. A Réaumur fok alkalmazásán nagyot néztem. :)

Maga Lenin 2021.07.31. 23:44:28

@at900: Nem a hőcserélő hajtotta a kompresszort, hanem a turbina. Ez utóbbiba került be a hidrogén a folyékony->gáz átalakulás után, ez hajtotta a turbinát. A szöveg szerint: "Az áramló hidrogéngáz nyomása hajtotta meg a turbinafokozatokat, ezért itt egy sokfokozatú turbinára volt szükség, [...]"
Végső soron nem bizonyult célszerűnek :)

at900 2021.08.01. 19:35:18

Csak sikerült félreértenem. :) Valahogy elnéztem, azt hittem, hogy a turbina a hőcserélő része volt, pedig a szövegből és a képekről is egyértelmű a kialakítás. Köszönöm a pontosítást!

gigabursch 2021.08.03. 06:43:02

Így olimpiai időszakban, ráadásul K-1 1000 m győzelem időpontjában ilyen cikkre akadni...
Nem sportszerű...
:-)

De hogy a cikkhez is szóljak valamit, illetve kérdezzek:
Ez a hosszúkás törzs az én szememben már az A12/SR71 megalapozása, alakjában.

A hidrogén kiterjedése, mint hőelvonás mennyire segíti a "löttyöt" hidegen tartani?

Maga Lenin 2021.08.05. 12:34:26

@gigabursch: Nem terjed az ki sehova, nyomás alatti, zárt tartályban van. Ha a melegedés miatti párolgástól nő a nyomása, azt meg el kell engedni, nehogy a tartályban a lehetségesnél nagyobb nyomás legyen.
A megalapozásban tökéletesen igazad van, lásd a 2. részt.
süti beállítások módosítása