Zarys historii nawigacji lotniczej 1960r.-1971r. Samoloty naddźwiękowe pasażerskie. 2015r.

Kraków 2015-09-23

Zarys historii nawigacji lotniczej 1960r.-1971r.

Samoloty naddźwiękowe pasażerskie.

Część 2.

Programy w USA.

NASA / Ling Temco Vought.

Project Supersonic NASA Ling Temco Vought to teoretyczny i badawczy program nad samolotem komunikacyjnym naddźwiękowym, który był prowadzony w 50/60-latach XX wieku. Nie zakończyły się on zbudowaniem konkretnego prototypu, ale wskazał na trudności jakie stają na drodze do takiej koncepcji i sposoby ich rozwiązania. Początkowo prace prowadziła NACA/NASA, która w pewnym momencie zaprosiła do współpracy firmę lotniczą Vought, która znana była głównie z naddźwiękowego bojowego samolotu pokładowego F-8. Na tym samolocie badano między innymi skrzydła o profilu nadkrytycznym.

Jeden z możliwych projektów NASA – LTV. Praca Karol Placha Hetman
Jeden z możliwych projektów NASA – LTV. Praca Karol Placha Hetman

Boeing.

Prace nad komercyjnym samolotem naddźwiękowym (SST) w firmie Boeing, na własne ryzyko, prowadzono od 1952 roku. W 1958 roku, powołano komisję do prowadzenia dalszych prac. Program oznaczono Model 733. W jego ramach powstało kilka projektów. Większość z nich maiła układ ze skrzydłami typu delta, choć pojawiały się projekty o zmiennej geometrii skrzydeł. Początkowo optowano za pojemnością kadłuba dla 150 pasażerów.

Jeden z projektów firmy Boeing 733-790. Praca Karol Placha Hetman
Jeden z projektów firmy Boeing 733-790. Praca Karol Placha Hetman

Po objęciu urzędu przez prezydenta John F. Kennedy, zlecono Federal Aviation Administration (FAA) przygotowanie raportu o stanie lotnictwa cywilnego. W wyniku audytu zrodziły się między innymi dwa programy; Projekt Beacon na nowe systemy nawigacyjne i kontroli ruchu lotniczego oraz Projekt Horizon zaawansowanych zmian w lotnictwie cywilnym. Wśród innych propozycji, raport był wykorzystywany jako platforma do promowania programu SST. Dodatkowo administracja prezydenta John F. Kennedy zobowiązała się do finansowania 75 % kosztów programu. Wszystko po to, aby wygrać konkurencję z Europa Zachodnią. Ambicje Amerykanów były większe niż poziom samolotu Concord. Samolot miał zabrać na pokład 250 pasażerów, lecieć z prędkością Mach 2,7-3,0 i mieć zasięg 4000 NM (7 400 km). Program oficjalnie ruszył w dniu 5.06.1963 roku.

Zrodziła się wielka dyskusja. Zasadniczą ideą SST było, że jego szybki lot pozwoli przewozić więcej osób. Choć kosztem zwiększonego zużycia paliwa. Koszty paliwa stały się niezwykle istotne. Jeśli paliwo będzie za drogie to SST nie będzie konkurencyjny. Problemy te były dobrze rozumiane w przemyśle; IATA (Międzynarodowe Zrzeszenie Przewoźników Powietrznych) wydała zbiór „imperatywów konstrukcyjnych” na SST, które były w zasadzie niemożliwe do spełnienia. Ta sytuacja ostudziła zapędy promotorów SST, jeszcze przed rozwiązaniem sprawy koncepcji; skrzydła delta, czy zmienna geometria. Jak pamiętamy wojsko wybrało w pierwszej konfiguracji samolot North American XB-70, a w drugiej konfiguracji General Dynamics F-111.

Mimo wszystko zapytania ofertowe zostały rozesłane do producentów samolotów; Boeing, Lockheed, North American oraz producentów silników; Curtiss-Wright, General Electric i Pratt & Whitney. Mało tego, od linii lotniczych zaczęły spływać pierwsze zamówienia. W dniu 15.01.1964 roku, FAA otwarła koperty z projektami.

Boeing przedstawił znany już projekt z 1960 roku, ale poprawiony Model 733 -197 (Model 1966 i Model 2707). Pojemność od 150 do 227 pasażerów.

Lockheed.

Projekt Lockheed CL-823 był zasadniczo powiększonym Concorde. Cztery silniki umieszczone w indywidualnych gondolach, a nie parami. Skrzydła nie miały urządzeń zwiększających siłę nośną. Dlatego samolot wymagał dłuższych dróg startowych (RWY) i emitował większy hałas. Był zaplanowany do przewóz 218 pasażerów.

North American.

North American NAC – 60 to był projekt oparty na bombowcu XB-70. Dzięki bardziej tępemu dziobowi nie wymagał stosowania pochylenia przodu kadłuba. Otrzymał także nowy płat; skośny, z klapami na krawędzi natarcia. Napęd cztery silniki zgrupowane w pary, pod skrzydłami. W porównaniu do innych projektów, zaokrąglony profil nosa i bardziej cylindryczny przekrój dał NAC-60 zdecydowanie bardziej konwencjonalny wygląd. Lecz jego prędkość przelotowa była najmniejsza; 2,65 Ma.

Dalsze prace.

Do dalszego etapu prac nas SST przeszły firmy Boeing i Lockheed. Z programu budowy silników wycofała się firma Curtiss-Wright, a dalsze prace kontynuowały firmy GE i P & W. W listopadzie 1964 roku, odbył się przegląd projektów.

Boeing powiększył swój samolot, który teraz na pokład mógł zabrać 250 pasażerów. Samolot oznaczono Model 733-290. W nim to, przesunięto silniki do tyły, które wówczas znalazły się pod tą częścią płata która możemy nazwać usterzeniem poziomym. Teraz płat przy złożonych skrzydłach miał obrys delty, a przy rozłożonych wielobok (wielokątowy).

Boeing 2707-200. Praca Karol Placha Hetman
Boeing 2707-200. Praca Karol Placha Hetman

Samolot Lockheed L-2000 bazował na mniej ryzykownej konstrukcji i miał być prostszy w produkcji.

Obie firmy miały do 1966 roku, przedstawić bardziej szczegółowe projekty. W wrześniu 1966 roku, obie firmy zaprezentowały pełnowymiarowe makiety; Boeing Model 733-390 (do 300 pasażerów), Lockheed L-2000. W dniu 1.01.1967 roku, ogłoszono zwycięstwo projektu Boeing Model 733-390 i silniki General Electric GE4/J5.

Boeing Model 733-390 był niezwykle zaawansowanym i modernistycznym projektem. Nie tylko miał był pierwszym Amerykańskim samolotem naddźwiękowym, ale jednocześnie pierwszym szerokokadłubowym, gdzie zastosowano układ foteli 2-3-2 (z dwoma korytarzami). W głównej kabinie pasażerskiej klasy turystycznej 247 miejsc, zastosowano system rozrywki składa się z wysuwanymi telewizorów umieszczonych między każdym szóstym rzędzie podwieszanego bagażnika. W I klasie było 30 miejsc. Dla każdej pary siedzeń przewidziano jeden mniejszy telewizor w panelu miedzy fotelami. Okna miały tylko 6 calową przekątną (jak w smartfonie), ale szyby wewnętrzne okien były aż 12 calowe, by dać wrażenie wielkości.

Boeing przewidywał, że jeśli program SST ruszy, to prototyp zostanie zbudowany do końca 1969 roku, oblot nastąpi z początkiem 1970 roku, a certyfikacja w 1974 roku.

Ale nie było tak dobrze. Oś kadłuba biegła po łuku i nie bardzo było wiadomo jak samolot zachowa się w locie z dużymi prędkościami. Konstrukcja miała problemy z utrzymaniem masy, z uwagi na zastosowanie zmiennej geometrii i opuszczanego dziobu. W październiku 1968 roku, firma została ostatecznie zmuszona do porzucenia skrzydła o zmiennej geometrii. Poprawiony projekt był także mniejszy i miał zabierać 234 pasażerów. Projekt otrzymał oznaczenie Model 2707-300 (wrzesień 1969 rok). Ponownie zbudowano makietę i rozpoczęto budowę dwóch prototypów. Dodatkowo firma Boeing twierdziła, że program Boeing 747 jest tylko projektem przejściowym i wkrótce na niebie będą królować SST.

Na dodatek coraz głośniej protestowali ekolodzy. Mieli oni duże wpływy. Twierdzili, że samoloty te zniszczą warstwę ozonową. Wokół lotnisk hałas będzie przekraczał 115 dB. Grzmoty naddźwiękowe są szkodliwe. I wreszcie, pasażerowie będą narażeni na promieniowanie kosmiczne. Ekolodzy drukowali broszury i produkowali filmy anty-SST. Faktem jest, że podczas badań XB-70 w 1965 roku, w pobliżu Oklahoma City, tor gromu dźwiękowego miał maksymalną szerokość 16 mil i wywołał 9 594 skarg o uszkodzonych budynkach, 4 629 formalnych roszczeń odszkodowawczych oraz 229 wniosków sądowych na sumę $ 12,845.32 , (głównie za potłuczone szkło i popękane tynki). Były także inne oskarżenia. Na przykład, że para wodna z silników, otoczy ziemie jedną wielką chmurą i zapanuje ciemność, „globalny mrok”. Flota 500 samolotów SST pokonująca przestworza na pułapie 65 000 ft przez okres roku może podnieść w stratosferze wilgotność od 50% do 100%, co niekorzystnie wpłynie na warstwę ozonową. Sami naukowcy spierali się między sobą, a ich badanie atmosfery, po ewentualnym wprowadzenie do użytku SST trwają do chwili obecnej (2013 rok). Żadne z tych badań nie potwierdziły i nie zanegowały katastrofy związanej z użytkowaniem naddźwiękowych maszyn komercyjnych.

W USA był jeszcze jeden problem. Program SST był 75 % finansowany przez rząd, a zyski miały czerpać prywatne przedsiębiorstwa. Dlatego było stosunkowo łatwo rozpocząć kampanię przeciwko niepotrzebnym wydatkom rządu federalnego. W efekcie, w marcu 1971 roku, administracja prezydenta Richarda Nixona przestała dofinansowywać program SST. Lecz społeczeństwo zareagowało bardzo spontanicznie. Został zorganizowany „National Committee for an American SST”, który został poparty przez związki zawodowe. Zaczęły wpływać prywatne datki. Trzeba pamiętać, że w tym czasie w sektorze lotniczym USA wzrastało bezrobocie (koniec programu Apollo i koniec wojny w Wietnamie). Wielu polityków zdawało sobie sprawę, że wyścig do pierwszej generacji samolotów SST został przez Amerykanów przegrany. Ale w konkursie dla drugiej generacji w SST na 1980-lata, wszystko było możliwe. Politycy ci mówili, że wznowienie programu w nowej formie, da 13 000 miejsc pracy i kolejne 50 000 u podwykonawców oraz 150 000 miejsc pracy rocznie w ciągu najbliższych dziesięciu lat.

Dwa prototypy Model 2707-300 nigdy nie zostały ukończone. Nadszedł światowy kryzys paliwowy. Zamówienie na 122-115 maszyn od 26-25 linii lotniczych szybko stopniały do zera. Podobnie było z zamówieniami na Concorde, który miał 74 zamówienia od 16 przewoźników. Firma Boeing w krótkim czasie zwolniła 60 000 pracowników. Twierdzi się, że program SST, o mało nie doprowadził firmy do bankructwa. W Seattle pojawił się billboard, tak dobrze znany Polakom - „Will the last person leaving Seattle - turn out the lights.” (Ostatnia osoba, która opuści Seattle – zgasi światło).

Podstawowe dane Boeing 2707-200; długość 306 ft (93.27 m), szerokość 180 feet 4 inches (54.97 m) spread 105 feet 9 inches (32.23 m), wysokość 46 ft 3 in (14.10 m), masa własna 287,500 pounds (130 400 kg), masa max 675,000 pounds (306 000 kg), udźwig 75,000 lb (34 000 kg), samolot mógł zabierać na pokład max 277 pasażerów. Prędkość max Mach 2.7: 1,800 miles / hour (2,900 km/h). Zasięg 4 250 mil (7 871 km) z 277 pasażerami. Rozbieg 5,700 ft (1 700 m), dobieg 6,500 feet (2 000 m).

Jako napęd przewidywano cztery silniki General Electric GE4/J5P. Były to silniki oparte na konstrukcji General Electric YJ93, które napędzały bombowiec North American XB-70. GE4 miały ciąg 4 x 50,000 lbf (4 x 220 kN) bez dopalania i 4 x 65,000 lbf (4 x 290 kN) z dopalaniem. Silnik miał zmienny kąt nastawienia łopatek. Uzyskiwał mniejszy ciąg na poziomie morza, ale dysponował dużą sprawnością na wysokich pułapach. Dopalacz silniki miał mieć minimum dwa poziomy pracy. Na pułapie rejsowym dopalacze silniki musiał pracować, choćby na pierwszym stopniu. Program realizowano w okresie 1967r.-1971r.. W 1970r. prototyp miał już ponad 600 godzin prób na hamowni. Podczas prób silnik osiągnął zakładany ciąg równy 28 670 kG (286,70 kN).

Lockheed.

Lockheed L-2000 był głównym konkurentem samolotu Boeing 2707 do programu SST. Firma Lockheed swoje prace nad samolotem pasażerskim o prędkości naddźwiękowej rozpoczęła w 1958 roku. Konstruktorzy mierzyli bardzo wysoko; samolot o prędkości przelotowej 2 000 mil/h (3 219 km/h). Inżynierowie wiedzieli o układzie ze zmienną geometria skrzydeł. Ale wątpliwości budziła masa takiego układu. Inżynierowie byli gotowi sięgnąć do układu klasycznego, z przepompowywaniem paliwa dla wyrównania środka parcia ze środkiem ciężkości. Problem jednak w tym, że przesuniecie to było znaczne. Próbowano zaradzić temu zmieniając (wielokrotnie) obrys płatów.

Nowy projekt został oznaczony L-2000-1. Samolot miał długość 223 stóp (70 m). Kadłub był wąski; 132 cale (3,352 m). Jednak jego szerokość zapewni układ foteli 3 x 2 w klasie ekonomicznej i 2 x 2 w I klasie. Samolot w układzie dwu-klasowym pomieści 170 pasażerów, a w układzie jedno-klasowym 200 pasażerów. Krawędź natarcia skrzydła to 80 stopni przy kadłubie i 60 stopni na zewnątrz. Powierzchnia płata to 8 370 ft ² (778 m²). Grubość względna profilu to 3 %. Taki układ aerodynamiczny pozwoli na start samolotu z ta sama prędkością co samolotu Boeing 707. Podwozie samolotu trójpodporowe. Przednie z dwoma kołami. Główne to wózki 6-kołowe. Opony te same co w Douglas DC-8, ale napełnione azotem i o mniejszym ciśnieniu.

Jako napęd przewidziano technicznie zaawansowane silniki Pratt & Whitney J58, które napędzały Lockheed A-12 i SR-71 Blackbird. Liczono, że samolot ten będzie startował bez użycia dopalaczy, czyli stosunkowo cicho. (Były jednak obawy, czy będzie to możliwe w upalne dni i na lotniskach wysoko położonych). Przekroczenie prędkości dźwięku nastąpi na pułapie ponad 30 000 ft (9 144 m). Pełną prędkość samolot ma osiągnąć na pułapie 71 500 ft (21 793 m), a pułapem przelotowym będzie 76 500 ft (23 317 m). Wszystko będzie się odbywało automatycznie i precyzyjnie, aby zminimalizować ewentualne gromy naddźwiękowe. Schodzie do lądowania, również miało być precyzyjne.

W 1964 roku, administracja USA doprecyzowała wymagania co do SST i w efekcie Lockheed musiał zmodyfikować projekt. Tak powstał Lockheed L-2000-2. Zmodyfikowano skrzydło (grubość względna zmalała do 2,3 %, zwiększono kąty krawędzi natarcia do 85 i 62 stopni, zwiększono zwichrzenie aerodynamiczne, powierzchnia 9 026 ft ² (838,5 m²), nie zmieniła się rozpiętość). Wskaźnik ogólny siły nośnej do oporu wzrósł z 7,25 do 7,94. Samolot otrzymał nowy, krótszy dziób, co skróciło długość samolotu do 214 stóp ( 65,2 m).

Z silnikiem Pratt & Whitney J58 był taki problem, iż była to konstrukcja wysoce zaawansowana i została stworzona na potrzeby wojska. Niemniej jednak firma Lockheed uzyskała dopuszczenie do użycia tych silników w konstrukcji cywilnej, chociaż w kilku elementach znacznie je przebudowano. Firma Pratt & Whitney zaprojektowała nowy dopalacz oraz nowy wentylator, oznaczony JTF-17A. Takie silnik dostarczał więcej mocy. Dopalacz miał mieć minimum dwa zakresy pracy. Silnik na wysokim pułapie lotu musiał mieć uruchomiony dopalacz na pierwszym stopniu. Nie do końca było jasne, na jakim paliwie będzie funkcjonował silnik. Gdyby było to paliwo stosowane dla Lockheed SR-71, to nie tylko byłoby ono bardzo drogie to dodatkowo mogły być problemy z jego dystrybucją.

Zintegrowanie zespołu napędowego z płatowcem w obu konstrukcjach było tak duże, że wskazanie zwycięskiej firmy lotniczej momentalne wskazywało na zwycięzcę w opracowaniu i produkcji silników.

Lockheed L-2000 w największej wersji miał zabierać na pokład 250 pasażerów. Dla przelotów transatlantyckich przewidywano pomieszczenie na pokładzie 220 pasażerów. Lockheed przewidywał budowę samolotów w różnych wersjach długości kadłuba. Brał pod uwagę także układ zmiennej geometrii skrzydeł.

Do 1966 roku, projekty nabrały ostatecznej formy i były to L-2000- 7A i L-2000 - 7B. Projekt L-2000- 7A otrzymał ponownie wydłużony kadłub 273 ft (83 m), zabierał na pokład 230 pasażerów. Skrzydło został powiększone i przesunięte do przodu. Otrzymało większe zwichrzenie geometryczny i aerodynamiczne. Krawędź natarcia to 84 i 65 stopni. Powierzchnia 9 424 ft2 (875 m2). Masa startowa 590 000 funtów (267 600 kg). Na krawędzi natarcia pojawiły się klapy. Na końcu kadłuba zamontowano dolną kierownice aerodynamiczną. Projekt L-2000- 7B był dłuższy; 293 ft (89 m). Jego ogon podniesiono wyżej, aby utrzymać duży kąt natarcia podczas startu i lądowania. Masa startowa taka sama jak wersja A; 590 000 funtów (267 600 kg). Oblot prototypu przewidywano w 1971 roku.

Podstawowe dane Lockheed L-2000-7; 273 pasażerów. Długość 273 ft 2 in (83.26 m), rozpiętość 116 ft (35.36 m), powierzchnia płata 9,424 ft² (875 m²), masa własna 238,000 lb (107,900 kg), masa max 590,000 lb (267,600 kg), zasięg 4 000 NM (7,400 km), pułap przelotowy 76 500 ft (23,317 m). Silnik Pratt & Whitney JTF17A-21L.

Makiety Boeinga 2707-200 i L-2000-7 zostały przedstawione FAA oraz w dniu 31.12.1966 roku. Zwycięzcą ogłoszono konstrukcje Boeing, który w tym czasie miał układ zmiennej geometrii płata. Oceniono, że konstrukcja Lockheed L-2000-7 była mniej ryzykowana, ale konstrukcja Boeing dawała większą przewagę nad Concorde.

Finansowanie rządowe wstrzymano 24.03.1971 roku, a program SST odwołano 20.05.1971 roku.

Opracował Karol Placha Hetman