SpaceLiner to koncepcja, nad którą pracuje Niemiecka Agencja Kosmiczna. Za ćwierć wieku przypominająca wyglądem amerykańskie wahadłowce i prawie dwa razy od nich większa maszyna ma zabierać na pokład pięćdziesięciu pasażerów. W czasie pionowego startu SpaceLiner wynoszony ma być przez rakietę na wysokość 90 km. Po odłączeniu rakiety nośnej będzie leciał, używając własnych silników, z prędkością 25 razy większą niż prędkość dźwięku – czyli Mach 25. Czas między startem a ostatecznym wyłączeniem silników będzie wynosić tylko siedem minut! Przez resztę drogi samolot będzie opadać i szybować do celu z hipersoniczną prędkością.

Podróż z Europy do Australii (15 tys. km) ma zajmować zaledwie półtorej godziny. Wydaje się to niewiarygodne, a jednak... – Silnik rakietowy jest w stanie rozpędzić maszynę do prędkości Mach 25, na razie jest to jedyny rodzaj napędu, który jest do tego zdolny – mówi prof. Piotr Strzelczyk z Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej. – Choć przy takiej prędkości problemem będzie na pewno nagrzewanie aerodynamiczne poszycia samolotu.

Nagrzewanie to nie jedyny problem, jaki muszą rozwiązać niemieccy inżynierowie. SpaceLiner ma być napędzany wyłącznie silnikami rakietowymi, a to oznacza, że musi zabrać z sobą dużo ciekłego tlenu jako paliwa. Do startu będzie mu niezbędna rakieta nośna z potężnym zbiornikiem. Sam wehikuł ma ważyć tylko 123 tony – a z rakietą i paliwem ponad 1300 ton.

Aby loty były opłacalne, konieczne jest też odzyskiwanie rakiety nośnej, a to duże wyzwanie inżynieryjne. Pozostaje też kwestia komfortu pasażerów. W czasie startu odczuwane przez nich przeciążenie będzie dochodzić nawet do 2,5 g, czyli dwa i pół razy więcej niż wynosi normalne przyciąganie ziemskie.

Pocisk hipersoniczny X-51. Powyżej: makieta podczas testów anten. Po lewej: nieuzbrojony pocisk podwieszony pod skrzydłem samolotu B-52 podczas testów nad Oceanem Spokojnym. Pocisk osiągnął prędkość Mach 5.

Potrójna hybryda

Te problemy może rozwiązać inny pomysł. Opracowany przez Europejski Koncern Lotniczo-Rakietowy i Obronny ZEHST (Zero Emission High Supersonic Transport) nie jest tak szybki jak SpaceLiner, ale i tak znacznie szybszy niż jakikolwiek współczesny samolot.

Osiągana przez ZEHST czterokrotna prędkość dźwięku ma pozwolić na podróż z Tokio do Paryża (9,5 tys. km) w 2,5 godziny. Samolot ma mieć trzy rodzaje napędu. W czasie startu mają pracować zasilane biopaliwem standardowe silniki turboodrzutowe, rozpędzając pojazd do prędkości 0,8 Macha i pozwalając mu wznieść się na wysokość 5 km. Na tym pułapie uruchamiane będą trzy silniki rakietowe na ciekły wodór i tlen. Za ich pomocą osiągana jest prędkość Mach 2,5  i pułap 23 km. W tym momencie do akcji wkracza zasilany wodorem i powietrzem atmosferycznym silnik strumieniowy. Samolot przelatuje większość dystansu na wysokości 32 km. Przed dotarciem do celu szybuje w dół, aby na czas lądowania ponownie uruchomić silniki turboodrzutowe.

Kluczowy w całym systemie jest napęd strumieniowy. Jest to rodzaj silnika odrzutowego, w którym nie ma elementów ruchomych (wentylatora, sprężarek i turbin): powietrze ulega sprężaniu w tzw. dyfuzorze wlotowym.

Do pracy takiego silnika konieczne jest jego wcześniejsze rozpędzenie do dużej prędkości. – Silniki strumieniowe, tzw. ramjet, można obecnie wykorzystać do prędkości Mach 6 – mówi prof. Strzelczyk. ZEHST ma osiągać prędkość przelotową Mach 4. Pozwoli to na utrzymanie przyzwoitej prędkości przy zachowaniu komfortu podróży. Na pasażerów będzie działać siła nieprzekraczająca 1,2 g.

Dwa silniki odrzutowe, trzy rakietowe i dwa ramjety – to również wydaje się mocno skomplikowane.

A gdyby tak zbudować jeden silnik, który mógłby pracować w każdych warunkach? To trudne zadanie. Podczas gdy ramjet potrzebuje do pracy wysokich prędkości, silnik turboodrzutowy ma przeciwne wymagania. Jeśli prędkość będzie zbyt duża, temperatura powietrza wzrośnie na tyle, że stopi łopaty sprężarki. Ale zadanie trudne nie znaczy niewykonalne.  

– W latach 80. w brytyjskim programie HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing) powstała koncepcja silnika, który może pracować w różnych trybach – odrzutowym, strumieniowym i rakietowym – opowiada prof. Strzelczyk. Z tego pomysłu wyewoluowały silniki Sabre opracowane przez brytyjską firmę Reaction Engines, założoną przez współtwórcę projektu HOTOL – Alana Bonda. Kluczem do sukcesu był wyjątkowy system chłodzenia wykorzystujący  ciekły wodór – który jednocześnie stanowił paliwo. Układ potrafi w ciągu 1/100 sekundy obniżyć temperaturę wlatującego powietrza z 1000 stopni Celsjusza do minus 150!

W ten sposób ulepszony turboodrzutowy silnik może pracować do prędkości sięgającej Mach 5. Nadwyżka wodoru wykorzystanego do chłodzenia powietrza, która nie ulega spalaniu w głównej komorze, trafia do niedużych modułów ramjet. Silniki Sabre potrafią się też przestawić na tryb typowo rakietowy, czerpiąc tlen ze zbiornika. Inżynierowie z Reaction Engines chcą, aby dwa takie silniki napędzały samolot kosmiczny Skylon, który z pasa startowego będzie mógł dolecieć aż na orbitę. Bezzałogowy kosmolot ma w przyszłości stosunkowo niskim kosztem wynosić w przestrzeń satelity oraz dostarczać sprzęt, zapasy i ludzi na kosmiczne stacje i do orbitalnych hoteli. Będzie startował i lądował jak samolot, tyle że na specjalnie utwardzonym pasie.