Х–15 е експериментална програма на НАСА и USAF за осъществяване на хиперзвуков полет на големи разстояния и големи височини. За целта е конструиран ракетоплан, част от експерименталните летателни апарати серия Х на USAF, USN и НАСА, включваща още Bell X-1B и Douglas X-3 Stiletto. Програмата е с продължителност дванадесет години и обхваща периода между 1958 и 1970 г. От предвидените 200 изпитателни полета са осъществени 199, за 9 години – от 1959 до 1968 г. През 2012 г. Норт Американ X– 15 А е официално признат от FAI за най-бързия летателен апарат пилотиран някога от човек.
История
Идеята за построяването на самолет с ракетен двигател, пилотиран от човек се заражда през 1947 г., а се оформя окончателно към края на 1952 г. Главен идеолог на ракетоплана е д-р Валтер Роберт Дорнбергер (6 септември 1895 – 27 юни 1980 г.) – германски учен, привлечен на работа в корпорацията Bell. Именно в неговото конструкторско бюро на 30 декември 1954 г. е представен проектът за хиперзвуковия ракетоплан, а на 4 февруари 1955 г. – този за ракетния двигател. Финансирането на Програмата се осъществява от USAF (95%) и USN (5%). През ноември 1955 г. North American Aviation печели контракт за построяването на три машини. Ръководител на проекта е инженер Чарлз Харисън. Фирмата Reaction Motors Inc. си осигурява договор за производство на ракетния двигател. Още на следващата 1956 г. е готов двигателя XLR99 и са започнати стендовите му изпитания. Първият екземпляр слиза от поточната линия на завода в Ингълуд, Калифорния на 17 октомври 1958 г. Първия полет по Програмата е извършен на 8 юни 1959 г. от Скот Кросфийлд, фирмен тест пилот. Полетът е безмоторен – планиране след отделяне от самолета – носител. На 17 септември 1959 г. отново той извършва Полет 2, който се приема за официално представяне на ракетоплана. Този полет вече се извършва с тягата на собствения двигател (ракетен XLR11). На 15 ноември 1960 г. е извършен първия полет с ракетния двигател XLR99. Пилот на този полет е Скот Кросфийлд. Достигната е скорост Мах 2,11 (2532 км/час). Последния полет 199 е осъществен на 24 октомври 1968 г. от Бил Дана. Полет 200 (по програма последен) с пилот Пийт Найт е бил предвиден за 21 ноември 1968 г., но поради технически проблеми с ракетоплана е отлаган шест пъти и на 20 декември 1968 г. е окончателно отменен. Цялата Програма Х-15 е прекратена през декември 1970 г. Между 1959 и 1968 година ракетоплана установява голям брой скоростни и височинни рекорди, ненадминати и до днес, достига (при два от полетите дори надминава) границата с космоса и осигурява ценни данни, които са използвани за проектиране на по-късни самолети и космически кораби.
Хронология
Юни 1952 – Комисията по аеродинамика на НАСА взема решение за конструиране на ракетоплан способен да достигне хиперзвукови скорости до Мах 10. Септември 1952 – В НАСА започват първоначални проучвания свързани с новата задача. Декември 1954 – НАСА кани компании от аерокосмическата индустрия, които да представят свои разработки на база основните изисквания. Ноември 1955 – North American Aviation печели контракт за построяване на три машини. Февруари 1956 – Reaction Motors Inc. е избран за субконтрактор на ракетния двигател. Септември 1957 – North American Aviation приключва с етапа на проектиране и започва производството на първия ракетоплан Х–15 А–1. Октомври 1958 – Произведен е Х–15 А–1. Април 1959 – Произведен е Х–15 А–2. Юни 1959 – Първи безмоторен планиращ полет за изпитание на системите за управление на малка височина. Пилот на този полет е Скот Кросфийлд. Септември 1959 – Първи полет на Х–15. Пилот Скот Кросфийлд. Март 1960 – Джо Уокър осъществява първия полет на Х–15 под егидата на НАСА. Ноември 1960 – Първи полет с използване на двигателя Thiokol XLR 99-RM-2. Пилот на този полет е Скот Кросфийлд. Март 1961 – Първи полет на Мах 4. Пилот Робърт Уайт. Юни 1961 – Първи полет на Мах 5. Пилот Робърт Уайт. Октомври 1961 – Първи полет над 61 км. височина. Ноември 1961 – Първи полет на Мах 6. Пилот Робърт Уайт. Декември 1961 – Произведена е последната машина Х–15 А–3. Юли 1962 – Първи полет над 91.5 км. височина. Август 1963 – Суборбитален космически полет. Пилот Джо Уокър. Януари 1964 – Полет №100 в Програмата Х–15. Пилот на юбилейния полет е Робърт Рашуорд. Юни 1964 – Първи полет след ремонта и реконструкцията на Х–15 А–2. Октомври 1967 – Световен рекорд по скорост за крилата машина; 7274 км/час постигнати от Пийт Найт. Ноември 1967 – Първа и единствена катастрофа с човешка жертва в Програмата Х–15. Октомври 1968 – Мисия №199 в Програмата Х–15. Последен полет на ракетоплана с пилот Бил Дана. Декември 1968 – Последния полет №200 в Програмата Х–15 е отменен окончателно. Декември 1970 – Край на Програмата Х–15.
Дизайн и разработка
Подобно на повечето летателни апарати от серията Х, Х-15 стартира във въздуха от пилон на бомбардировач B-52, първоначално предназначен за изпитание на голяма крилата ракета Hound Dog. Самолетът, наречен носител, има за цел да издигне ракетоплана над земната повърхност, където съпротивлението на въздуха е по-малко и тягата на ракетния двигател позволява достигането на много високи скорости. Обикновено изстрелването се осъществява на височина 8,5 мили (13.7 км) при скорост на самолета носител от 500 мили в час (805 км/час). Приземяването се извършва върху две ски (за пестене на тегло и опростяване на конструкцията е избегната колесната схема) и носов колесник. При приземяването се счупва долния вертикален кил, който се заменя с нов за всеки следващ полет. Това е единствения детайл с еднократна употреба в цялата конструкция на ракетоплана. При развитието на конструкцията в началото на 60–те години долния вертикален кил се отстрелва с помощта на пиропатрони от пилота непосредствено преди приземяването и се спасява за следваща употреба с помощта на малък парашут.
Аеродинамика и фюзелаж Фюзелажа на X–15 е дълъг и цилиндричен, със задни обтекатели, дебели опашни стабилизатори и долен вертикален кил. Части от фюзелажа са направени от специална топлоустойчива никелова сплав (Inconel – X 750), способна да понася температурни натоварвания от порядъка на 700 °C. В конструкцията са използвани масово титан и стомана за постигане на по-голяма здравина и повишаване на термичната устойчивост. Носовия колесник е прибиращ се, а задното шаси е максимално опростено и представлява две ски. Дебелата клиновидна опашка на ракетоплана осигурява висока стабилност на хиперзвукови скорости. При по-ниски скорости е аеродинамично неефективна поради твърде голямото съпротивление. Вертикалния кил е направен с площ, равна на 60% от площта на крилото, с цел повишаване на попътната устойчивост на Х–15. При хиперзвукова скорост ракетоплана се стабилизира допълнително и от страничното опашно оперение, проектирано също с относително по-голяма площ. Въпреки тези особености на конструкцията при изпитанията в аеродинамичен тунел е установено, че Х–15 има относително съпротивление равно на това на изтребителя F-104 Старфайтър, който по това време е еталон за аеродинамика и аеродинамично съвършенство.
Двигатели и гориво
При първите полети на ракетоплана е използван двигателя Reaction Motors XLR11 с тяга 250 kN. Този двигател използва за гориво етилов алкохол, а за окислител – течен кислород. Двигателят е с много добра тяга, но е твърде неикономичен – може да изгори 6804 кг. гориво за 80 сек. Натоварва по-малко цялата конструкция, поради което е предпочетен в началния етап от програмата. От края на 1960 г. конструкторите използват оригинално създадения за Х-15 двигател XLR99 с тяга 313 kN и оптимизирано подаване на горивната смес. По-точно, в ракетоплана се монтира втората подобрена версия на този двигател – Thiokol XLR 99-RM-2, тъй като първия вариант се използва само при стендовите изпитания. Двигателя работи с гориво амоняк и окислител – течен кислород. Турбо-помпите му се задвижват от водороден прекис. Достига максимална тяга на височина над 30 км, поради което скоростните рекорди са установявани във височинния диапазон 30 – 40 км. Освен основния двигател, Х-15 има и дванадесет по-малки двигатели за маневриране и ориентация, които се използват във високите слоеве на атмосферата. Те се намират на върха на конструкцията и всеки един от тях е с променлива мощност, която варира в границите 8 – 12 кгс. Тези двигатели работят с водороден прекис. На борда на ракетоплана има още два резервоара за хелий и течен азот, използвани като охладители на различни бордови системи.
Интерфейс човек – машина
Взаимодействието „човек – машина“ е в основата на успеха или провала на всяка една от мисиите на ракетоплана Х–15. Управлението на такъв летателен апарат в стратосферата е толкова сложно, че учените от проекта смятат ръчния контрол на машината за невъзможен. В крайна сметка управлението на ракетоплана става възможно благодарение на съчетаване на две системи на управление – ръчна и автоматична. При първата (т. нар. SAS), двигателят за ориентация се управлява ръчно с помощта на един джойстик (в първия вариант – три). При втората (т. нар. RAS) – двигателят за ориентация се управлява автоматично в продължение на три минути, след което системата се изключва сама. Обикновено автоматичният режим се използва за стабилизиране на апарата на много големи височини. За успешното обучение на пилотите е създаден специален симулатор, връх на инженерната мисъл по това време. Изпитателите прекарват стотици часове на симулатора, всеки един полет се моделира в продължение на месеци. Конфигурацията на уредите за управление е променяна според желанието на пилотите и всеки един от тях разполага със собствен полетен инженер (подобно на пилотите от Формула едно), който отговаря за подготовката на ракетоплана за полет. Илюминаторите на пилотската кабина са изработени от специално термоустойчиво стъкло с вградени нагреватели против обледеняване. Голям проблем се оказват и претоварванията, на които са подложени пилотите. При нито един от всичките 199 полета, пулсът на пилота – изпитател не паднал под 145 удара в минута. Обичайно при полет стойностите се колебаят между 160 и 190, но при не малка част от тях достигат и над 200 удара в минута. Телесната температура на пилотите се покачва над 39 °C. Полетите се извършват със скафандри, подобни на тези при космическите кораби. На височина над 10 700 м. налягането в кабината е 0,24 атм. Пилотите дишат смес от азот и кислород. Катапултното кресло е със специален подглавник за понасяне на ускорението и може да се използва до височина 36 600 м. и скорост от 120 км/час до Мах 4 (около 4800 км/час).
Спецификации и изпълнение на ракетоплана Х–15
Спецификации на ракетоплана Х–15 Екипаж – 1 човек; Дължина – 15,45 м.; Разпереност на крилата – 6,8 м.; Обща площ на крилата – 18,6 м².; Височина – 4,12 м.; Маса: * празен – 6620 кг.; * максимална – 15420 кг. Двигател – 1 Thiokol XLR 99-RM-2, ракетен, с течно гориво и тяга 313 kN на височина 30 км.
Изпълнение на ракетоплана Х–15 Максимална скорост – Мах 6.72 (4520 мили в час, 7274 км/час); Максимална далечина на полета – 450 км. (до 540 км за рекоструирания X-15 A-2 – 56 – 6671); Максимална височина на полета – 67 мили (108 км); Набиране на височина – 18 288 метра/минута; Ускорение – 39 метра/секунда; Продължителност на полета – около 12 минути; Термично натоварване – до 650 °C; Максимално понесено претоварване – около 17 g. Съотношение тяга/тегло – 2.07
Летателни апарати
Пет летателни апарата са използвани в Програмата X-15: три ракетоплана Норт Американ X–15 А и два специално модифицирани от НАСА тежки стратегически бомбардировача Боинг B-52 „Стратофортрес“:
* X-15 A-1 – 56 – 6670, 82 самостоятелни полета; намира се в Националния музей на въздухоплаването и аеронавтиката във Вашингтон, Федерален окръг Колумбия, САЩ. * X-15 A-2 – 56 – 6671, 53 самостоятелни полета; намира се в Националния музей на USAF в авиобазата Райт Патерсън, близо до град Дейтън, Охайо, САЩ.