Kraków 2014-02-24
Zarys historii nawigacji lotniczej 1960r.-2000r.
Samoloty naddźwiękowe pasażerskie.
Część 1.
Wstęp.
W poprzednim rozdziale „Zarys historii nawigacji lotniczej 1960r.-1980r.”, przedstawiliśmy najważniejsze problemy rozwoju lotnictwa komercyjnego i towarzyszącej mu nawigacji. Kulminacją tego okresu stały się komercyjne samoloty pasażerskie; Boeing 707, Douglas DC-8 oraz Convair 880 / 990, które były napędzane silnikami turboodrzutowymi. Pierwsze dwie konstrukcje były nastawione na zabieranie na pokład jak największej ilości pasażerów. Natomiast Convair 880 / 990, były reklamowane, jako najszybsze samoloty pasażerskie. Pojawiły się dwie tendencje; więcej pasażerów lub szybciej.
Szybciej.
Jeszcze raz powrócimy do konstrukcji Convair 990, w której firma postawiła na zwiększenie prędkości przelotowej. Samolot zabierał na pokład 96-121 pasażerów. W samolocie zastosowano wzmocnione silniki General Electric CJ-805-23. Firma Convair obiecała większą prędkość podróżną oraz lot non stop z jednego wybrzeża USA na drugie. Istotną zmianą w samolocie było przeprojektowanie skrzydeł, a dokładnie profilu i dodanie czterech charakterystycznych owiewek. Pozwoliły one na wzrost krytycznego oporu Mach i zmniejszenie oporu indukowanego. Dzięki temu, faktycznie prędkość podróżna wzrosła i Convair 990 był najszybszym samolotem komercyjnym (ale Ma < 1).
Pierwszy lot samolotu Convair 990 odbył się w dniu 24.01.1961 roku. Podstawowym użytkownikiem stały się linie American Airlines. W latach 1961r.-1963r. zbudowano tylko 37 egzemplarzy. W trakcie eksploatacji okazało się, że nie można z kompletem pasażerów bezpiecznie latać z JFK do LAX. Konieczne było międzylądowanie. Dlatego od 1965 roku, firmy przewozowe zaczęły wycofywać samoloty Convair ze swojej floty.
Na progu podróży naddźwiękowej.
Samolot Convair 880/990 nie odniósł sukcesu rynkowego, jednak zwrócił uwagę, na to, iż naszedł czas na wprowadzenie samolotów naddźwiękowych do lotnictwa komercyjnego. Pamiętajmy, że już od ponad 10 lat, samoloty wojskowe latały z prędkościami naddźwiękowymi. Wielu specjalistów uważało, że komunikacja naddźwiękowa może się rozpocząć już pod koniec 60-lat XX wieku. Zainteresowane były także firmy przewozowe. Poglądy te były rozsądne w ocenie możliwości technicznych i finansowych. Poza tym, był to czas, kiedy średnio co 5 lat następowała wymiana samolotów w firmach komercyjnych. Można było przypuszczać, że przewidywania te się sprawdzą.
Jednak to, iż latały samoloty wojskowe i doświadczalne o prędkościach naddźwiękowych nie oznaczało, że wszystkie problemy z samolotami komercyjnymi są już rozwiązane. Inne prawa bowiem rządzą lotem doświadczalnym i samolotu bojowego, a inne samolotu komercyjnego. Samolot pasażerski z kompletem pasażerów powinien pokonać minimum 5 000 km, stale utrzymując magiczna już wówczas prędkość Ma 2,0. Lot doświadczalny, a nawet wojskowy jest bardzo starannie przygotowywany. Załoga maszyny przez wiele miesięcy jest szkolona i ma specjalne kombinezony oraz dysponuje środkami ratowniczymi. Rejsowy samolot komunikacyjny to zupełnie co innego. Rejsy musi wykonywać planowo. Pasażerów nie można ubrać w kombinezony, spadochrony ratunkowe i nie założymy im masek tlenowych. Kabina komfortem musi dorównywać samolotom poddźwiękowym. Głównie chodzi o hałas, wibracje i wstrząsy. Również załoga samolotu musi mieć porównywalne warunki pracy, z tymi w samolocie poddźwiękowym. Charakterystyki startu takiego samolotu muszą odpowiadać tym obecnym, aby nie budować specjalnych, długich dróg startowych. Również naziemna obsługa tych maszyn musi być tożsama z poprzednimi samolotami. Pamiętajmy także, że resurs samolotu bojowego to 4 000 – 8 000 godzin. Samolot komercyjny ma resurs rządu 40 000 godzin. Na przyszły samolot będą także działać znaczne obciążenia aerodynamiczne i termiczne.
I wreszcie rzecz najważniejsza; rentowność. Samoloty miały być konkurencyjne w stosunku do poprzedników. Próbowano doprowadzić do takiej sytuacji, aby cena biletu w samolocie naddźwiękowym była równa cenie biletu w I klasie samolotu poddźwiękowego. To się jednak nie udało.
Wspomnieliśmy powyżej o hałasie emitowanym przez samoloty, a głównie ich zespołów napędowych. Przeprowadzone z końcem 70-lat XX wieku badania porównawcze wykazały, że najgłośniejszymi samolotami tamtego okresu był brytyjski VC-10 oraz Tu-104/Tu-124, a zaraz za nimi uplasował się Convair 880 i jego młodszy brat Convair 990. Wówczas to ICAO poprzez Aneks-16 do Konwencji Chicago, wprowadziła normy emitowanego hałasu do samolotów, o masie startowej ponad 5 700 kg. Stało się to w styczniu 1972 roku. Wybrano trzy punkty pomiarowe; podczas startu 650 m w bok od DS. / RWY, na wznoszeniu 6 500 m od początku rozbiegu, podczas podejścia do lądowania 2 000 m przed progiem DS. / RWY. Dopuszczalny hałas był zależny pod masy całkowitej samolotu, ale z progami 40 000 kg i 280 000 kg. Czyli samolot o masie 400 000 kg miał już identyczne normy jak ten 280 000 kg. Wracając do naszych przykładów, to miały one w odpowiednich, kolejnych punktach pomiarowych następujące wartości; VC-10; 113 dB, 110 dB, 115 dB. Tu-104; 110 dB, 108 dB, 113 dB. Convair 880; 109 dB, 116 dB, 106 dB. Convair 990; 108 dB, 120 dB, 111 dB.
Wszystkie firmy, które przystąpiły do budowy komercyjnego samolotu naddźwiękowego wysuwały na początku identyczne założenia wstępne, aby konstrukcja odniosła sukces; Bezpieczeństwo pasażerów i załogi na poziomie nie mniejszym niż w dotychczas używanych maszynach. Samolot będzie korzystał z tych samych urządzeń portowych i systemów nawigacyjnych, które są aktualnie w użyciu. I wreszcie aspekt ekonomiczny.
Jaka prędkość przelotowa? Prędkość przelotowa była determinującym parametrem dla nowej konstrukcji. Nie mogła ona zajmować przedziału Ma 1,0 – Ma 1,5, gdyż są to najmniej korzystne warunki lotu z uwagi na największy opór falowy. Po przekroczeniu tego zakresu zaczynają oddziaływać dwa czynniki które stają się korzystne. Poprawia się sprawność aerodynamiczna samolotu oraz rośnie sprawność turbinowych silników odrzutowych. Poza tym, pasażer musi mieć wyraźną korzyść ze skróconego czasu podróży. Jeśli podróż samolotem Boeing 707 przez Ocean Atlantycki trwała 6 godzin, to dopiero skrócenie jej poniżej 3 godzin jest dla podróżnego odczuwalny. Czyli prędkość naddźwiękowa musi znacznie przekraczać prędkość dźwięku.
Na barierze dźwięku problemy się nie kończą. Pojawia się kolejna bariera; bariera cieplna (termiczna). Okazało się, że do prędkości Ma 2,5 można stosować materiały do tej pory stosowane w lotnictwie, czyli wysoko wytrzymałe stopy aluminium. Powyżej tej granicy trzeba stosować inne, sporo droższe materiały; tytan, włókna węglowe, ceramika. Ewentualnie systemy chłodzenia.
Bariera cieplna spowodowała, że we Francji i UK postanowiono pozostać przy prędkości przelotowej Ma 2,0 i uznano ją jako pierwszą generację. Natomiast w USA stwierdzono, że stosowane do tej pory materiały, technologie i rozwiązania konstrukcyjne spowodują, że już w 70-latach konstrukcje te będą przestarzałe i nastąpi konieczność ich wymiany. Dlatego jako próg postawiono prędkość Ma 3,0. Górę wzięły względy prestiżowe i sukcesy konstrukcji XB-70 i A-12/YF-12 A. Dzisiaj (2014 rok) wiemy, że amerykanom się nie udało. Nie dlatego, że nie potrafili. Górę wzięły względy ekonomiczne (koszt-efekt).
Koncepcja płata.
Już w 50-latach aerodynamicy mieli dobrze rozpracowane profile i kształty skrzydeł dla prędkości naddźwiękowych. Pod uwagę brano nie tylko same płaty, ale także ich współpracę z kadłubem, a co za tym idzie; kształt kadłuba. Niemal we wszystkich koncepcjach płat główny jest zbliżony do trójkątnego (delta), z wysoko wystudiowaną krawędzią natarcia, zwierzeniem geometrycznym i aerodynamicznym. Z mechanizacją ubogą lub bardzo rozbudowaną.
Koncepcja usterzenia.
Czy zastosować usterzenie poziome, czy nie? Było zależne od tego jak bardzo środek parcia przemieszczał się do tyłu i oddalał od środka ciężkości. Im wędrówka środka parcia była większa, tym bardziej racjonalne było zastosowania tylnego usterzenia poziomego. Znano i stosowano już wówczas wyważenie samolotu poprzez przepompowywanie paliwa. Lecz przy wyjątkowo długich kadłubach mogło być to niewystarczające. Były koncepcje umieszczenia usterzenia poziomego w przedniej części lub zastosowanie tylko dodatkowego małego płata przedniego. Zalety układu kaczka (lub zbliżonego) były znane od początku awiacji. Jednak układ ten ma kłopoty ze statecznością. Problem rozwiązał układ fly-by-wrie, ale wówczas jeszcze nad nim nie pracowano (to dopiero 70-lata).
Concorde.
Prace nad samolotem naddźwiękowym w UK, który w przyszłości stał się Concorde trwały już w pierwszej połowie 50-lat. Badając doświadczalny samolot F.D.2 zebrano duże doświadczenie. Wysunięto wówczas wniosek, że tak jak w 40-latach należy powołać specjalny komitet, który połączy wszystkie wysiłki. Komitet został utworzony w 1955 roku i nazwany Supersonic Transport Aircraft Committee. W 1959 roku, opublikowano pierwsze sprawozdanie. W sprawozdaniu samolot określono jako SST (Supersonic Transport); pasażerski, dalekiego zasięgu, o prędkości Ma 2. Układ płatowca - czysta delta.
W 1960 roku, projektem zajęła się firma BAC w oddziale w Bristolu, a konstrukcja została oznaczona BAC type 223. Pierwszym użytkownikiem miał stać się RAF, czyli lotnictwo wojskowe.
Podobne prace prowadzono we Francji. W 1956 roku, program otrzymał kryptonim ATS (Avion de Transport Supersonique). W 1959 roku, trzy firmy; Sud Aviation, Nord Aviation, AM Dassault, rozpoczęły opracowanie samolotu nazwanego w 1961 roku; Super Caravelle.
Z przyczyn ekonomicznych oba kraje połączyły wysiłki w dniu 26.10.1962 roku, podpisując porozumienie o wspólnej budowie samolotu, który otrzymał nazwę Concorde (concord-zgoda). Pierwszy lot wykonano w dniu 2.03.1969 roku. W dniu 21.01.1976 roku, samolot rozpoczął loty pasażerskie na trasie Paryż-Rio de Janeiro (Francja) i Londyn-Bahrajn (UK). Pamiętajmy o ty, iż były to trasy żywotnych interesów obu państw (Francja do Ameryki Południowej, a Anglia na Biski i Daleki Wchód). W okresie 1973-1979, samolot budowano seryjnie. Łącznie zbudowano 20 maszyn.
Podstawowe dane; rozpiętość 25,56 m, długość 62,10 m, wysokość 11,40 m. powierzchnia nośna 358,25 m, masa własna 78 700 kg, masa max 185 000 kg, ilość paliwa 119 786 litrów, udźwig 12 700 kg. Prędkość max 2,04 Ma. Prędkość startu 397 km/h, prędkość lądowania 300 km/h, pułap 18 290 m, prędkość wznoszenia 25,5 m/s, zasięg standardowy 5 110 km, zasięg max 6 580. Rozbieg 3 410 m. Dobieg 2 220 m.
Tupolew Tu-144.
Nie są znane początki program Tu-144. Z dużym prawdopodobieństwem, wywiad CCCP zdobył plany samolotu Concorde we Francji około 1964 roku. Na kremlu musiała zapaść decyzja o skopiowaniu konstrukcji. Program otrzymał oznaczenie Tu-144 co miało sugerować kontynuację linii rozwojowej samolotów pasażerskich od Tu-104. Aby się uwiarygodnić, moskale w 1965 roku, na Salonie Lotniczym w Paryżu pokazali model przyszłego samolotu naddźwiękowego. Czas naglił, więc konstruktorzy szli na skróty. Na przykład nie przyjęto skomplikowanej geometrii płata Concorde, ograniczając się tylko do przyjęcia krawędzi natarcia biegnącej łukami. Aby sprawdzić to rozwiązanie, na samolocie MiG-21 zabudowano taki płat. Samolot nazwano Analog 144. Maszynę oblatano w 1967 roku. Podobnie było z silnikami, które oznaczono Kuzniecow NK-144. W rzeczywistości były to silniki stosowane do napędu samolotów bombowych, wyposażone we wzmocnione dopalanie. Według materiałów propagandowych silnik miały rozwijać ciąg 4 x 20 000 kG. W rzeczywistości miały ciąg 4 x 127,48 kN (4 x 13 000 kG), a z dopalaniem 4 x 174,55 kN (4 x 17 500 kG). Wielu publicystów podaje w wątpliwość szpiegostwo przemysłowe. Wskazują, że samoloty znacznie się od siebie różnią. A jeśli nawet, to były tylko ogólne plany. Nie. Plany były dokładne. Tylko, sowiecka technika nie była w stanie zrobić wiernej kopii. Nie dysponowali odpowiednią technologią materiałową i konstrukcyjną. Nie posiadali odpowiedniego parku maszynowego.
Faktem jest że Tu-144 został oblatany w dniu 31.12.1968 roku, czyli przed samolotem Concorde, co władze na kremlu podkreślały na każdym kroku. W dniu 5.06.1969 roku, samolot osiągnął prędkość 1 Ma, na pułapie 11 000 m, a w dniu 26.05.1970 roku, prędkość 2 Ma na pułapie 16 300 m. Przy czym skrzętnie ukrywano, że załogi cały czas używały masek tlenowych.
Pośpiech sprawił, iż maszynę trapiły liczne usterki i poważne awarie. Było to przyczyną wielu przymusowych lądowań, co w oficjalnej prasie przekładano na kurtuazyjne wizyty. Tak było na przykład w 1971 roku, na Lotnisku Okęcie. Poważnymi awariami były pękające skrzydła, a w ich konsekwencji rozszczelnienie zbiorników paliwa i jego wyciek. W dniu 3.06.1973 roku, podczas pokazów lotniczych (Paris Air Show) doszło do katastrofy jednego z prototypów samolotu. Zginęło 6 osób na pokładzie i 8 osób na ziemi. Do dnia dzisiejszego nie są znane konkretne przyczyny tego zdarzenia. Po wypadku mówiono o tym, że samolot wleciał w smugę gazów spalinowych francuskiego myśliwca, który go fotografował. Jednak następne badania wskazują na możliwy problem w układzie sterowania, który został w ostatniej chwili nieprawidłowo przeprogramowany. Możliwy jest również błąd załogi, która przeszarżowała na wznoszeniu. W 1978 roku, doszło do drugiej katastrofy, w której zginęły dwie osoby.
Lecz presja na wprowadzenie samolotu do służby była ogromna. Tu-144 S od dnia 26.12.1975 roku, rozpoczął regularne rejsy towarowe na trasie Moskwa - Ałma-Ata, przewożąc ładunki i pocztę. Loty pasażerskie rozpoczęto w grudniu 1977 roku i było to tylko kilka rejsów. Lecz loty naddźwiękowe były fikcją. Owszem, samolot osiągał prędkość 2,35 Ma, ale tylko z włączonymi dopalaczami. Po ich wyłączeniu prędkość spadała do 1,25 Ma i teoria szybkiego transportu legła w gruzach.
W 1978 roku, jedna z odmian otrzymała nowe silniki turboodrzutowe Kolesowa. Lecz efektem był tylko większy zasięg maszyny. Zawodność i awaryjność tych maszyn, ogromne koszty lotu związane z bardzo dużym zużyciem paliwa i dużym nakładem obsługi naziemnej spowodowały, iż maszyny dość szybko i bez rozgłosu zostały wycofana z eksploatacji. W sumie samoloty Tu-144 wykonały tylko 55 rejsowych lotów pasażerskich, 102 komercyjnych rejsowych w ogóle. Ogółem wyprodukowano 16 samolotów. Trudno mówić o odmianach, bo niektóre egzemplarze kilkakrotnie przebudowywano. Choć podaje się wersje S i D oraz jeden LL używany w 90-latach do wspólnego programu z NASA. Co ciekawe, piloci amerykańscy nigdy nie uczestniczyli w lotach tych samolotów.
Opracował Karol Placha Hetman