Rocketing into the Future The History and Technology of Rocket Planes Michel van Pelt Rocketing into the Future The History and Technology of Rocket Planes Published in association with PR ~ Praxis Publishing Springer Chichester, UK Michel van Pelt Space Analyst Lei den The Netherlands SPRINGER-PRAXIS BOOKS IN SPACE EXPWRATION ISBN 978-1-4614-3199-2 ISBN 978-1-4614-3200-5 (eBook) DOl 10.1007/978-1-4614-3200-5 Springer New York Heidelberg Dordrecht London library of Congress Control Number: 2012932254 © Springer Science+B usiness MediaNe w York 2012 This work is subject to copyright. 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The publisher makes no warranty, express or implied with respect to the material contained herein Cover design: Jim Wilkie Project copy editor: Christine Cressy Typesetting: BookEns, Royston, Herts., UK Printed on acid-free paper Springer is a part of Springer Science+Business Media (www.springer.com) Contents mustratioos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vll Author's preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii 1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Rocket planes, rocket trains and rocket automobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Monster rockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 The perfect spaceplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2. A crash course in rocket plane design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Rocket engines .. 29 0 ••• 0 ••• 0 ••• 0 ••• 0 ••• 0 ••• 0 ••• 0 ••• 0 ••• 0 ••• 0 • Orbits ................................................... 35 Lift and drag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Aeroplane anatomy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Rocket + plane = rocket plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3. Germany's wonder weapoos 57 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Germany gets serious . 57 0 ••• 0 ••• 0 ••••••• 0 ••••••• 0 ••••••• 0 • • • • • Von Braun's vertical take-off rocket interceptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Heinkel's He 176, the first real rocket plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Messerschmitt's lethal Power Egg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Bachem's budget interceptor 90 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Last stand rocket planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4. Non-German wartime rocket fighters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Japan: too little too late . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Russia's troubled start ................................. 119 0 • • • • UK and USA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5. The rise and fall of the rocket interceptor . . . 141 0 • • • 0 • • • 0 • • • 0 • • • 0 • • • 0 The last rocket fighter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Mixed up; combined jet/rocket interceptors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Zero-length launch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 v vi Contents 6. Breaking the barrier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Chasing the demon in the air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Russian roulette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 7. Rocket plane spaceffight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 X-15, higher and faster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 The NF-104A AeroSpace Trainer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Rocket propelled lifting bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Shuttles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 8. Fntnre spaceplanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Silbervoge1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Fiction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Spaceplane revival. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 Modem concepts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 Business case. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 9. Joyriding a rocket plane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 10. Man versos robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 11. Conclnsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Appendix: Aircraft maximum velocity and altitude evolution . . . . . . . . . . 343 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Index ................................................... 357 mustrations Chapter 1 Fritz von Opel in the RAK-2 rocket car .............................. 3 Von Opel drives his RAK-2 rocket car ............................... 4 An Ente replica in the German Sailplane Museum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 The two rocket motors at the back of the Ente replica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Trajectory of Valier's transatlantic rocketplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Fritz von Opel at the back of the RAK-1 rocketplane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Opel's replica of the rocket-propelled aircraft RAK-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Fritz von Opel in front of the wrecked RAK-1 rocketplane. . . . . . . . . . . . . . . 11 William Swan flies the American rocketplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Goddard's rocketplane concept. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 A captured German V-2 rocket fired by the British in 1945. . . . . . . . . . . . . . . 18 Saturn Von the launch pad ....................................... 21 Skylon on the runway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Chapter 2 Rocket principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Solid propellant rocket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Solid propellant grain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Space Shuttle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Orbit principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Soyuz rocket flight proflle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Lift principle 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Lift principle 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 U2 aircraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 SR-71 aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Airplane parts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Rotational axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Dihedral wings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 A turbojet engine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 A Trent 1000 turbofan engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 An X-15 after hard landing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 An AV -8B Harrier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 vii viii illustrations Chapter 3 A rocket-propelled He 112. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Ground testing a rocket engine in a He 112. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Design for von Braun's rocket interceptor launch facility. . . . . . . . . . . . . . . . . 64 The launch configuration of von Braun's updated rocket interceptor. . . . . . . . 66 The He 176 with fixed nose wheel for taxi tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 DSF 194 ..................................................... 72 The first powered flight of the DSF 194 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Me 163A prototype number V4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Me 163B prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Me 163B cutaway diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Me 163B taking off. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Deployed landing skid of the Me 163 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 An Me 163B pilot getting ready for flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Leading edge slot of the Me 163 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 The cause of a 'sonic boom' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Me 163B ..................................................... 89 Layout of the Bachem Natter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Preparing an unmanned test version of the Natter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Launch of an unmanned Natter prototype. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 US soldiers with a Natter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Natter replica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Internal design of the DFS 346 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Chapter 4 Japanese J8M rocket interceptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 An Ohka suicide missile found by US soldiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Ohka dropped by a Betty bomber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Concept for Korolev's RP-218. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Three views on the Kostikov 302. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 One of the Kostikov 302 prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 The second BI prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 BI prototype number 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 The Sukhoi Su-7 with a tail-mounted rocket engine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Concept for Moskalyov's RM-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Florov 4302/4303. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 America's first RAT O-equipped airplane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 MX-324 at Harper Dry Lake. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Chapter 5 Planform of the MiG 1-270 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 MiG 1-270. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 The unmanned Fairey VTO ...................................... 150 The first XF-91 Thunderceptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 The XF-9l's four-chamber XLR-11 rocket engine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 illustrations ix The Espadon under rocket power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . !59 S0-9000 Trident . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Trident in the museum at Le Bourget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 S0-9050 Trident II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 The second Durandal at the 1957 Paris Air Show . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 The SEPR 844 rocket pack for the Mirage IIIE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Ground testing of an SEPR 844 on a Swiss Mirage IllS . . . . . . . . . . . . . . . . 167 A SEPR 844 on a Swiss Mirage IllS operating in flight. . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Design of the Hawker P.I072 .................................... 170 Design of the Saunders Roe SR. 53 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 The SR.53 at the Farnborough Air Show in 1957 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Artistic impression of an SR.177 in Luftwaffe service . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 An F-100 ZEL with its impressive rocket booster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Launch of an F -100 ZEL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 A standard MiG 19. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Chapter 6 Bell X-I number I in flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 X-I number 3 being mated with its B-50 carrier aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Chuck Yeager with his X-I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . .. . . .. . . . 197 NACA X-1-2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Bell X-lA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Bell X-lA in NACA service. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Joe Walker gets into the X-lA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 The cockpit of the X-IB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Joe Walker with the X-IE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 NACA 144, the second Skyrocket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 A Skyrocket being loaded into the bomb bay of its carrier aircraft . . . . . . . . 209 NACA 144 being dropped from its carrier bomber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 NACA 144 returning to Edwards, with an F-86 flying chase . . . . . . . . . . . . . 211 The first X-2 with its B-50 carrier, chase planes and support crew. . . . . . . . . 213 The second X-2 with collapsed nose gear following its first glide flight . . . . . 215 An X-2 igniting its engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Captain Mel Apt in the X-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 DFS 346P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 The 346P under the wing of its B-29 carrier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Design of the Tsybin LL-1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Tsybin LL-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Bisnovat 5-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Chapter 7 Models of the competing designs for the X-15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Cutaway drawing of the X-15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 An X-15 taken up by an NB-52A bomber ........................... 232 Diagram of the X-15 ejection seat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
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