Zdjęcie dnia

  • Jacek Grześkowiak

    Jacek Grześkowiak

Newsletter

Cotygodniowa porcja informacji lotniczych

JOOMEXT_TERMS

HOBBY

Pogoda

 


Dołącz do nas !

FB TW google-plus-ikona-2012 YT 

 


Article Index

Zmienna geometria skrzydeł w praktyce

Koncepcja ta osiągnęła szczyt swojej popularności w czasie gdy w wyniku stale zwiększających się kosztów opracowywania i eksploatacji samolotów bojowych starano się zamknąć jak największą liczbę przydatnych cech w jednej konstrukcji. Jednak jak na ironię jedną z największych wad tego ciekawego rozwiązania były i są właśnie koszty budowy maszyny ze zmienną geometrią skrzydeł. Jednak pierwsze samoloty o zmiennym skosie skrzydeł, powstały zdecydowanie wcześniej niż owoce zimnowojennej gorączki takie jak: F-111, F-14, czy MiG-23. W poniższym artykule zaprezentuje przykłady samolotów, w których wykorzystano ryzykowne i innowacyjne rozwiązanie zmiennej geometrii skrzydeł.
Westland Pterodactyl IV
Był pierwszą maszyną w której celowo wprowadzono w pełni kontrolowaną zmienność geometrii płata. Samolot ten był owocem pracy Geoffreya Hilla, który pracując w firmie Westland Aircraft Works z Yeovil, opracował maszynę spełniającą specyfikacje 16/29. Samolot w układzie bezogonowca posiadał trzyosobową załogę, znajdującą się w osłoniętej kabinie. W związku z problemami ze statecznością podłużną w samolocie Pterodactyl I, Hill postanowił wykorzystać specyficzne rozwiązanie. By skompensować zmianę środka ciężkości maszyny, jedna z osób znajdująca się w maszynie mogła za pomocą korby, obrócić skrzydła o 4,75 stopnia. 15.01.1930r. projekt wykorzystania zmiennej geometrii skrzydeł złożono do urzędu patentowego, czego efektem było uzyskanie 15.07.1931r. patentu nr 352961. Prace nad płatowcem zakończyły się w marcu 1931r., po czym maszyna z oznaczeniem K1947 została przewieziona do bazy RAF w Andover, gdzie ją zmontowano i oblatano.

{

Po dwóch dniach prób samolot powrócił lotem do Yeovil. Pierwszym pilotem Pterodactyla IV był Louis Paget, jednak podczas wypadku na samolocie Widegeon, został ranny, a dalsze próby wykonywał Harald Penrose. Po kolejnych kilku dniach prób, które wykazały poprawność pilotażu (lekko zbyt duża czułość na sterowanie podłużne i delikatnie bezwładny przy sterowaniu kierunkowym), samolot przeleciał do Royal Aircraft Establishment, by wystąpić na RAF Display, który odbył się 27.06. Po pokazie samolot wrócił do Westlanda, na dalsze próby. Samolot wykazywał dosyć duże obciążenie powierzchni nośnych, co utrudniało loty z trzema osobami załogi. Duża masa płatowca powodowała, że długość rozbiegu wynosiła 230m co na samolot tej klasy, w tamtych czasach było wartością dosyć dużą. Wobec dosyć słabych osiągów nowej konstrukcji firma Westland wstrzymała się od planowanego rozpoczęcia produkcji. Nadal jednak promowano konstrukcję na rynku cywilnym, co nie przyniosło skutków. Pterodactyl IV nie był dalej rozwijany, a prototyp służył do doświadczeń wykonywanych w Yeovil.

P.1101
W 1935r. aerodynamik dr Adolf Busemann opracował odczyt o korzyściach wynikających z zastosowania skośnych skrzydeł. Jednak po próbach wykonanych w tunelu aerodynamicznym okazało się że samoloty o skośnych skrzydłach wykazują zdecydowanie gorsze charakterystyki podczas lotów z małą prędkością. W 1942r. prof. Alexander M. Lippisch opatentował teorię zmiany kąta skosu skrzydeł. Przez krótki czas w firmie Messerschmitt rozważno nożycowy układ zmienności geometrii skrzydeł (technologię tą starano się wykorzystać w niezrealizowanym projekcie P.202 prowadzonym przez firmę Blohm und Voss) , z czego jednak zrezygnowano na korzyść symetrycznej zmiany skosu. Powstał więc projekt P.1114, jednak konstrukcja przysparzała mnóstwo różnorakich problemów, dlatego postanowiono najpierw przetestować koncepcje na projekcie przejściowym P.1101, który rozpoczęto w lipcu 1942r.. Jednak okazało się że możliwości dostępnych wtedy silników odrzutowych uniemożliwia stworzenie jednosilnikowego odrzutowca o zadawalających osiągach, dodatkowo Messershmitt skupił swoje wysiłki na próbach Me 262. W tym czasie model samolotu przeszedł wszechstronne próby w tunelu aerodynamicznym, czekając na odpowiedni silnik. We wrześniu 1944r. wydana została specyfikacja na jednomiejscowy, jednosilnikowy, myśliwski samolot odrzutowy, wyposażony w cztery działka MK108. Wymagania zostały wysłane do wszystkich czołowych niemieckich wytwórni lotniczych. Zespół Messerschmitta bez chwili wahania wystawia P.1011, do rywalizacji. Jednak w grudniu 1944r. Ministerstwo Lotnictwa postanawia o zawieszeniu programu P.1011, w marcu 1945r. wybrany zostaje Ta 183 opracowany przez Focke- Wolfa. Jednak Messershmitt postanawia kontynuować program, jednak wzrost masy konstrukcji ogranicza przewidywane osiągi. W tym czasie Voigt decyduje że samolot będzie miał możliwości ustawienia jednego z trzech położeń skrzydeł (35,40,45 stopni), ale będą one ustawiane przed lotem, co oznacza że P.1011 nie będzie pełnowartościową maszyną o zmiennej geometrii skrzydeł. 29.04.1945r. Oberammerg zostaje zajęty przez Amerykanów, którzy w ośrodku odkrywają kompletny w 80% prototyp P.1011. Mimo iż dokumentacja trafiła w ręce Francuzów, Amerykanie pod dowództwem Roberta J. Woodsa (głównego konstruktora Bella), postanowili we współpracy z Voigtem dokończyć motarz prototypu. Jednak okzuje się że silnik Jumo 004B, jest niesprawny, a nie ma go czym zastąpić. W tej sytuacji samolot zostaje rozmontowany i wysłany do Wright Field, gdzie ponownie go złożono.

Bell X-5

Po wojnie Amerykanie weszli w posiadanie wyników badań i analiz niemieckich dotyczących rozmaitych rozwiązań aerodynamicznych m.in. teorii o zmienności geometrii skrzydeł. W tunelach aerodynamicznych USA badano w tunelach aerodynamicznych rozmaite modele, najpierw samolotów z systemem nożycowym (który okazał się ślepą uliczką), a następnie z układem symetrycznym. Wyniki badań części z tych modeli okazały się wyjątkowo obiecujące, w związku z tym Charles Donlan zainteresował się możliwością zastosowania zmiennej geometrii skrzydeł w maszynie Bell X-1. W trakcie badań odkryto poważne problemy maszyn o zmiennej geometrii skrzydeł, tj. zmiana środka ciężkości i środka parcia. Problem ten, znany już wcześniej niemieckim inżynierom z Messershmitta, przysparzał niemałych problemów i Amerykanom, a należało go rozwiązać przez przesuwanie skrzydła do przodu, w czasie zwiększania kąta skosu skrzydła. W końcu zrezygnowano ze zmiennej geometrii skrzydeł dla modelu X-1, podobnie stało się z projektem X-2, co doprowadziło do tego że koncepcja została zastosowana dopiero w samolocie Bell X-5. Z początkiem 1948 zespół Bella, pod kierownictwem Wood, rozpoczął pracę nad myśliwcem przechwytującym wykorzystującym zmienną geometrię skrzydeł. Propozycję takiej maszyny przedstawiono USAF, z propozycją zamówienia 24 samolotów, jednak koncepcja nie zyskała zbyt wielkiego poparcia. W połowie Woods, po analizie doświadczeń w tunelu aerodynamicznym, prowadzonych na X-1, dochodzi do wniosku że najlepiej byłoby zmodyfikować P.1011. Konstrukcja Messershmitta wymagała jedynie zmiany centralnego segmentu kadłuba i umieszczenia nowej jednostki napędowej. Jednak P.1011 znajdujący się w USA podczas transportu z Wright Field, do zakładów Bella w Wheatfield uległ uszkodzeniom uniemożliwiającym wykorzystanie go do modyfikacji. 1 lutego 1949r. przedstawiona zostaje propozycja stworzenia dwóch prototypów, która zostaje zaakceptowana i otrzymuje oznaczenie Project MX-1095. Oba samoloty miały posłużyć jedynie do prób charakterystyk lotnych maszyny o zmiennej geometrii skrzydeł, od początku wiadomo było że konstrukcja nie doczeka się seryjnej produkcji, czego powodem był zbyt mały udźwig i umieszczenie jedynego zbiornika paliwa nad silnikiem co w razie uszkodzenia tegoż zbiornika musiało się skończyć mocnym wybuchem. W trakcie prób tunelowych okazało się, że model ma problemy z wychodzeniem z korkociągu, w związku z tym Woods, chciał zainstalować spadochron dla maszyny, jednak NACA stwierdziło, że nie ma takiej konieczności. Postanowiono jedynie o zamontowaniu płetwy pod końcem ogona samolotu, co zwiększało powierzchnię statecznika poziomego, jednak rozwiązanie to nie przyniosło wyraźnej poprawy.
Jednym z większych problemów konstruktorów okazało się uszczelnienie szczelin między kadłubem, a skrzydłami, które pojawiały się po zmianie skosu. Kłopot rozwiązano poprzez umieszczenie niewielkiego uskoku na krawędzi natarcia, który wypełniał przerwę po zmianie skosu. W październiku 1949r., podczas prezentacji makiety X-5, postanowiono, iż maszyna otrzyma odstrzeliwaną awaryjnie kabinę, oraz zastanawiano się nad metodami blokowania kół.
Pierwszy egzemplarz X-5 opuścił halę fabryczną w Wheatfield 15.02.1951r., po czym przeprowadzono serię prób naziemnych. Po badaniach tych i inspekcji stanu technicznego samolotu, rozmontowano go i przewieziono do bazy Edwards. X-5 odbył swój pierwszy lot 20.06.1951r., pilotowany był przez Jeana „Skip” Zilgera. Podczas lotu tego pilot zgłosił niebezpieczne zwiększenie ciśnienia paliwa, co groziło uszkodzeniem zbiornika, a co za tym idzie wycieku paliwa na rozgrzany silnik. Jednak po lądowaniu okazało się, że była to jedynie wada wskaźnika ciśnienia paliwa, jednak samolot był uziemiony na tydzień. 27.07. po raz pierwszy dokonano ograniczonej zmiany skosu podczas lotu, pełną gamę wychyleń płata wypróbowano dopiero cztery loty później. 08.10 samolot oddano NACA, a następnego dnia do Edwards trafił drugi egzemplarz X-5, który został oblatany 10.12.. Mimo iż po testach NACA doceniała możliwości wynikające z zmiennej geometrii skrzydeł, to sam X-5 zyskał opinię ciężkiego w pilotażu i trudnego w przeciągnięciu.
Firma Bell bardzo starała się przekonać USAF do seryjnej myśliwskiej wersji X-5, w związku z czym dowództwo postawiło liczne wymagania (m.in., dwukrotne zwiększenie pojemności zbiorników paliwa umieszczonych nie nad silnikiem, nowe hamulce aerodynamiczne, zwiększoną kabiną z fotelem katapultowanym, wzmocnienie struktury płatowca). By sprostać tym oczekiwaną Bell musiał by tworzyć samolot niemal od podstaw, co przyczyniło się do odejścia od projektu.
Myślano o zamianie jednostki napędowej, jednak kolejne propozycje były odrzucane przez NACA, która poddawała w wątpliwość wytrzymałość X-5. 14.10.1953r. wspomniane trudności w wyprowadzeniu maszyny z korkociągu spowodowały katastrofę jednego z prototypów pilotowanego przez Raymonada Popsona, który zginął. Próby drugiego samolotu trwały do 1955r., ocalały egzemplarz X-5 znajduje się w zbiorach Muzeum Sił Powietrznych w bazie Wright Patterson (Ohio).

Grumman XF10F Jaguar
Grumman znany był z projektowania samolotów bojowych dla US Navy, co nie zmieniło się po zakończeniu II Wojny Światowej. Oczywiste było, że marynarka potrzebuje odrzutowej maszyny o skośnych skrzydłach. Jednak charakterystyka operowania z pokładu lotniskowca wymagała stworzenia samolotu o dobrych charakterystykach pilotażowych przy niskich prędkościach. Podczas gdy Bell zatrudniał szefa zespołu projektu P.1011, Grumman pozyskał głównego aerodynamika Messerschmitta, który brał udział w procesie tworzenia niemieckiej maszyny o zmiennym skosie. 03.09.1947r. przedstawicielom US Navy zaprezentowany został projekt pokładowego myśliwca odrzutowego o zmiennej geometrii skrzydeł.


Początkowo projekt nie uzyskał entuzjazmu dowództwa, które zaproponowało zmodyfikowanie samolotu F9F-2, poprzez wprowadzenie skrzydeł w układzie delta, maszyna ta otrzymała oznaczenie XF10F-1. Słabe wyniki prób tunelowych oraz liczne zmiany wymagań (montaż radaru AN/APS-25, dwukrotne zwiększenie promienia działania) spowodowały modyfikacje znacznie zwiększające masę maszyny, co z kolei było powodem pogorszenia charakterystyk przy niskich prędkościach. Problem postanowiono rozwiązać poprzez zastosowanie zmiany kąta zaklinowania względem kadłuba maszyny. Jednak US Navy ponownie wprowadziła zmianę w wymaganiach zwiększając ilość przenoszonego uzbrojenia, co jeszcze bardziej zwiększyło masę i jeszcze bardziej pogorszyło własności lotne przy niskich prędkościach.
Zmienny kąt zaklinowania okazał się niewystarczającym rozwiązaniem, tak więc postanowiono powrócić do pomysłu zmiennej geometrii skrzydeł. Inną zmianom było przeniesienie statecznika poziomego, który przybrał postać tzw. serwopowierzchni, na szczyt statecznika pionowego. Po próbach modeli, przeprowadzonych przez NACA stwierdzono, że rozwiązanie to jest bardzo efektywne przy dużych prędkościach, jednak staje się wysoce nieefektywne w zakresie prędkości niskich. Mimo to uznano, iż problemy te są w dużej mierze związane z skalą modeli.
18.08.1950r. zostało złożone zamówienie na 12 XF10F-1, co zostało oficjalnie potwierdzone kontraktem podpisanym 14.12. W związku z wybuchem wojny w Korei, Grumman otrzymał zamówienie na kolejne 70 samolotów. Pierwszy egzemplarz nowej maszyny był gotowy na początku 1952r., po testach naziemnych został on przetransportowany do Edwards. Oblot prototypu nastąpił 19.05.1952r. Pierwsze loty nie dawały zbyt wielkich nadziei, pilot nie mógł schować slotów (ograniczających prędkość do 370km/h), po schowaniu klap samolot zmienił moment pochylający w takim stopniu, że nawet pełne wychylenie drążka nie było w stanie tego zniwelować. W trakcie kolejnego lotu pilot usłyszał głośny trzask z okolicy silnika, który został natychmiastowo wyłączony, a pilot lądował lotem ślizgowym. Po lądowaniu nie wykryto żadnego defektu, jednak po pewnym czasie problem powtórzył się, okazało się że śruba mocująca plakietkę znajdująca się na skrzynce kontroli układu zasilania paliwem jest za długa i powoduje zwarcia z obwodami. W trakcie jednego z lotów w lecącym z prędkością 640km/h XF10F-1 urwała się osłona kabiny, co groziło samoistnym wystrzeleniem fotela katapultowanego. Kolejną usterką było to, że podczas jednej z prób proces zmiany skosu skrzydła trwała ponad minutę, zamiast 5-10 sekund jak to było zazwyczaj. Przyczyną okazał się płyn hydraulicznych, którego temperatura przekroczyła normy o 300C, po wymianie płynu na bardziej odporny na wysokie temperatury, problem ustąpił.
Prócz wad konstrukcyjnych płatowca, o ból głowy konstruktorów Grummana przyprawiał silnik Westinghouse J40. Jednostka ta była jeszcze w fazie prób fabrycznych w związku, z czym egzemplarz dostarczony do XF10F-1 nie został wyposażony w dopalacz. Dodatkowo silnik okazał się mieć dużą bezwładność, po rozpędzeniu wału do maksymalnej prędkości uzyskiwał moc ledwie 30%, a pełny ciąg osiągał dopiero po 21 sekundach. Jak na ironie bezwładność (która powinna być jedną z najgorszych cech myśliwca) pomógł Grummanowi w zdobyciu zamówienia. W trakcie pokazu dla Sekretarza US Navy, FX10F-1 (pilotowany przez „Croky” Mayera)podchodził do lądowania z zbyt dużą prędkością opadania, pilot starał się zwiększyć moc, co z winy bezwładności nie udało się. Samolot twardo przyziemił przy prędkości opadania wynoszącej 6m/s, ale dzięki temu zatrzymał się już po 275m, co wywołało zachwyt sekretarza, który nakazał zamówić kolejne 30 samolotów.
Podczas prób okazało się, że obawy związane z nowatorskimi statecznikiem poziomym, okazały się nie bezpodstawne. Samolot okazał się reagować z opóźnieniem na ruchy drążka. W trakcie jednego lotu z małą prędkością maszyna przestała reagować na stery, pilot cudem wylądował. Te i inne problemy z sterowaniem podłużnym, spowodował, że pod koniec prób postanowiono zastosować układ z samolotu, F9F-6.
Pod koniec kwietnia 1953r., miało miejsce 11 wypadków samolotów, McDonnell F3H-1, które były spowodowane wadą silnika Westinghouse J40, który był umieszczony również w XF10F-1, co zakończyło jego karierę. Ukończono tylko jeden samolot, a drugi był gotowy w 90%, oba egzemplarze trafiły do Naval Air Material Center (w Filadelfii). Zbyt duża ilość nowatorskich rozwiązań okazało się przyczyną porażki Jaguara, co ciekawe zmienna geometria skrzydeł nie sprawiała niemal żadnych problemów, których dostarczały głównie silnik i statecznik poziomy.