Pokretna krila (I. dio): Let Pterodaktila

Kako su avioni razvijali sve veće brzine, upravljivost je postajala sve teža. U početku je odgovor pronađen u strelastim krilima, no on je sa sobom nosio nove probleme. Tijekom tridesetih godina pojavio se prvi avion koji je imao krila s promjenjivim kutom nagiba strijele, a pedesetih i šezdesetih to se rješenje činilo idealnim za borbene avione. Hrvatski vojnik predstavlja povijest razvoja tog koncepta kroz priče o desetak manje ili više poznatih vojnih aviona

Jedna od inačica aviona Pterodactyl koje je dvadesetih i tridesetih godina projektirao Britanac Geoffrey T. R. Hill. Inačica Westland-Hill Pterodactyl IV prvi je avion s krilima s promjenjivim kutom nagiba (Foto: San Diego Air And Space Museum/Flickr)

 

Da bi letjelica poletjela i održavala se u zraku, potrebno je da stvara uzgon. Kod aviona su glavni izvor uzgona krila. Sila uzgona formira se zbog razlike tlakova na gornjaci i donjaci krila. Da bi se ostvario uzgon potrebno je kretanje zraka preko krila. Ovisno o vrsti krila, brzina stvaranja uzgona manja je ili veća. Krilo svojim oblikom, veličinom, kutom postavljanja u odnosu na trup, zakrivljenošću, debljinom i fleksibilnošću utječe na stabilnost, upravljivost, sposobnost manevriranja, otpore i najveću brzinu aviona.

Što je brzina aviona manja, krilo mora imati tim veći uzgon. Tijekom I. svjetskog rata najveća brzina aviona bila je manja od 200 km/h pa su projektanti posezali za tehničkim rješenjem dvokrilca ili čak trokrilca kako bi osigurali dostatan uzgon i pokretljivost u zračnoj borbi. Naravno, svi su avioni imali pravokutna krila velikog uzgona kako bi se što više iskoristile malene brzine leta. Do početka II. svjetskog rata snaga motora višestruko se povećala, a posljedično i brzina aviona. Brzine su premašile 500 km/h pa su jednokrilci potpuno istisnuli višekrilce. Osim toga, promijenio se oblik krila, većinom je rabljen trapezni, a na nekim avionima i eliptični. Prema kraju rata snaga klipnih motora postala je toliko velika da su lovački avioni mogli letjeti brzinama većim od 700 km/h. Međutim, piloti su ubrzo otkrili da bi pri tako velikim brzinama upravljivost postala sve teža. Problem je bio u uporabi aerodinamičkog profila koji nije bio odgovarajući za tako velike brzine.

Nezapažen rad

Problemom leta na vrlo visokim dozvučnim i nadzvučnim brzinama prvi se počeo baviti njemački aerodinamičar Adolf Busemann (1901. – 1986.). Svoje je spoznaje o aerodinamici pri vrlo velikim brzinama te rješenje problema s uporabom strelastog krila prvi put javno objavio 1935. godine. S obzirom na to da su tad avioni dosezali brzinu jedva veću od 500 km/h, njegov rad nije bio odveć zapažen. No deset godina poslije svima će biti sve puno jasnije. Zapravo, tek će se shvatiti da su njemački stručnjaci otkrili nešto što nitko drugi još nije razumio. Busemann je poslije II. svjetskog rata iz Njemačke prebačen u Sjedinjene Američke Države te je radio na University of Colorado do 1963. godine.

Adolf Busemann (Foto: NASA)

Na osnovama Busemannovih otkrića razvijeno je strelasto krilo koje je omogućavalo letenje nadzvučnim brzinama. Aerodinamičari u SAD-u, SSSR-u i zapadnoj Europi vrlo su brzo otkrili da za sve veće brzine leta treba strelasto krilo sa što većim kutom nagiba. Tako je Messerschmitt Me 262 imao kut nagiba krila 18,5º, MiG-15 i F-86 Sabre 30º, a MiG-17 45º. Sve veći kut nagiba krila poboljšavao je letne odlike u visokim podzvučnim brzinama, ali imao je i svoje nedostatke. S povećanjem kuta nagiba strelasto krilo gubi učinkovitost pri malim brzinama, onima koje se postižu tijekom polijetanja i slijetanja. Brzina slijetanja MiG-a 15 bila je od 170 do 180 km/h dok je kod MiG-a 17 povećana na 190 km/h. No ni MiG-15 ni MiG-17 nisu mogli letjeti nadzvučnim brzinama. To je mogao tek MiG-19 kod kojeg je kut nagiba krila povećan na 60º. No, posljedično je i brzina slijetanja povećana na 230 km/h. Daljnje povećanje nagiba krila značilo bi daljnje povećanje sletnih brzina koje su postajale preopasne. Osim toga, avioni su trebali sve duže poletno-sletne staze.

Prvi pokušaji

U zrakoplovstvu je poznata uzrečica da nema neostvarivih ideja, već samo onih koje nije moguće ostvariti ovog časa. Od samih početaka, pa sve do danas učenje putem pokušaja i pogrešaka prava je konstanta, zato i najsuvremeniji vojni i civilni zrakoplovi još uvijek prolaze dugačku fazu probnih letova.

Tako je tijekom dvadesetih i tridesetih godina prošlog stoljeća Britanac Geoffrey T. R. Hill (1895. – 1955.) radio na razvoju jednokrilaca bez repa, svojevrsnoj preteči letećeg krila. Pokušavajući riješiti problem stabilnosti, Hill je došao na ideju krila s promjenjivim kutom nagiba. Kut se tijekom leta mogao mijenjati za 4,75º. Hill je otkrio da s mijenjanjem kuta nagiba krila mijenja i središte mase aviona (centraža aviona) pa se nadao da bi pomicanjem krila prema nazad tijekom leta dobio veću longitudinalnu stabilnost. Taj je avion dobio ime Westland-Hill Pterodactyl IV, inače je Hill dizajnirao osam različitih Pterodactyla. Avion je bio dugačak 5,94 i raspona krila 13,5 metara. Pokretao ga je klipni motor de Havilland Gipsy III snage 120 KS koji je bio smješten u stražnji dio trupa. Pterodactyl IV prvi je put poletio u ožujku 1931. Probni su piloti vrlo brzo otkrili da bi i minimalnim povećanjem nagiba krila dobivali veću brzinu. Izgradnju jednog eksperimentalnog aviona financiralo je britansko ministarstvo zrakoplovstva te je službena oznaka bila K1947.

Iako ideje Geoffreyja Hilla nisu bile uspješne, njegov rad na Pterodactylu IV nije ostao nezamijećen.

Potraga za rješenjem

Zbog Busemannovih otkrića, nije nikakvo čudo da su upravo njemački aerodinamičari prvi spoznali probleme koje će donijeti povećanje nagiba strelastih krila pri malim brzinama leta. Iako je imao kut krila od samo 18,5º, Messerschmitt Me 262 dobio je velika zakrilca na pola dužine krila, a kako bi mu se smanjila brzina polijetanja i slijetanja. To je bio i glavni razlog zašto nije prihvaćen prvotni prijedlog Adolfa Busemanna da se uporabe strelasta krila pod nagibom od 35º.

MiG-19 Čehoslovačkog ratnog zrakoplovstva. Kod tog aviona kut nagiba krila povećan je na 60º i mogao je letjeti nadzvučnim brzinama (Foto: San Diego Air And Space Museum/Flickr)

 

No očigledno je da su se Busemann i suradnici intenzivno bavili tim problemom jer je tvrtka Messerschmitt u srpnju 1944. predložila projekt P.1101 čija su glavna odlika bila krila s promjenjivim kutom nagiba koja su mijenjala kut u odnosu na uzdužnu os zrakoplova. Na taj su način htjeli riješiti problem (pre)velike poletno-sletne brzine, do maksimuma iskoristiti mogućnost postizanja velikih brzina i još uvijek zadržati dobre odlike u zračnoj borbi.

Njemački su aeronautičari otkrili da se krilo potpuno istog aerodinamičkog profila bitno drukčije ponaša s promjenom kuta nagiba strijele. Pri malim brzinama avion bi se dobro ponašao pri minimalnom kutu nagiba strijele, odnosno kad su krila pod najvećim kutom u odnosu na uzdužnu os zrakoplova. Tad se stvara najveći uzgon relativno debelog aeroprofila. Međutim, takva je konfiguracija nepogodna za supersonične i transonične uvjete leta. Stoga je pri povećanju brzine potrebno povećavati kut strijele krila. Naime, kod aeroprofila za velike brzine letenja (visoko podzvučne i nadzvučne) vitkost aeroprofila (koja je omjer debljine aeroprofila i dužine tetive aeroprofila) bitno utječe na aerodinamički otpor i stoga mora biti što manji. To se može postići na samo dva načina. Prvi je da se smanji debljina aeroprofila, no time se znatno gubi na učinkovitosti pri malim brzinama što dovodi do povećanja poletno-sletnih brzina i dužina poletno-sletnih staza. Osim toga, svako povećanje brzine slijetanja povećava i opasnosti od nesreća. Drugi je način povećanje dužine tetive aeroprofila, tj. povećanje strijele krila. U nadzvučnom području krila s velikim kutom strijele smanjuju otpor zbog udarnog vala na minimum zbog približavanja superkritičnosti aeroprofila. Stoga avion dizajniran s krilom promjenjivog kuta strijele ima mogućnost odabira optimalnog kuta strijele za određeni letni režim, što omogućava bolju aerodinamičku učinkovitost od konvencionalnog krila. Naravno, avioni s fiksnim strelastim (ili delta) krilom koje je optimizirano za letenje brzinama većim od 2 Machova broja imat će nešto bolje letne odlike.

Nekoliko nedostataka

Tijekom pedesetih i šezdesetih godina krila s promjenjivim kutom strijele činila su se idealnim rješenjem za borbene avione. No vrlo brzo postat će jasno da takvo rješenje ima i svoje nedostatke,a jedan od njih jest povećana longitudinalna nestabilnost zrakoplova. Do toga dolazi tijekom pomicanja krila kad se mijenja središte mase aviona koje se pomiče prema repu. Promjena centraže u najboljem slučaju traži pojačano trimanje repnih upravljačkih površina (što povećava otpor zraka, smanjuje brzinu i povećava potrošnju goriva), a u najgorem znatno smanjuje letne odlike aviona. Za taj problem postoji nekoliko rješenja. Jedno je prebacivanje goriva u spremnike bliže nosu aviona i tako ponovno kako bi se pomaknulo središte mase. Drugo je rješenje pomicanje krila prema nosu aviona kako bi se neutraliziralo pomicanje središta mase prema repu s povećanjem kuta strijele krila. No takvo se rješenje pokazalo vrlo kompliciranim i nepouzdanim.

Trokrilac britanske tvrtke Sopwith iz 1916. godine. Tijekom I. svjetskog rata projektanti su posezali za tehničkim rješenjem s više krila kako bi osigurali dostatan uzgon i pokretljivost u zračnoj borbi (Foto: San Diego Air And Space Museum/Flickr)

Treće je rješenje podjela krila na dva dijela – nepokretni i pokretni. Pritom se pokretni dio krila okreće oko vanjske okretnice koja je odmaknuta od uzdužne osi aviona. To su rješenje osmislili stručnjaci britanske tvrtke Vickers-Armstrongs Limited na osnovi patenta Lesliea Everetta Baynesa (1902. – 1989.). No kako u Ujedinjenom Kraljevstvu krajem četrdesetih i početkom pedesetih godina nije bilo interesa za takvo rješenje, Baynes je svoj rad patentirao u Kanadi i SAD-u. Razradu njegovih ideja potom će na sebe preuzeti NASA.

Najveći nedostatak krila s promjenjivom strijelom jest komplicirana izvedba samog mehanizma za pomicanje krila za željeni kut, što dovodi do povećanja mase samog zrakoplova čak i do 5 %. Da bi izdržao naprezanja, mehanizam mora biti robustan te stoga zauzima dosta prostora koji bi se inače mogao uporabiti za smještaj avionike ili goriva. Usprkos tome, a kako bi se očuvala njegova cjelovitost i ispravnost, lovački avioni s promjenjivom strijelom krila imaju ograničenje opterećenja na oko 7,5 G. Lovački avioni s fiksnim krilima imaju ograničenje opterećenja na 9 ili više G.

NAGIBI KRILA

  • Messerschmitt Me 262 18,5º
  • MiG-15 30º
  • North American F-86 Sabre 30º
  • MiG-17 45º

Mario GALIĆ