F4D Skyray – Ford

Autor : Ing. Radek ˝ICE˝ Panchartek / ICE 🕔30.09.2012 📕5.057

Letoun, o kterém bude řeč, měl přiděleno bojové jméno v duchu tradic firmy. To se, jak už to bývá, neujalo. Letoun byl elegantní, obratný a stoupal „jako čert“. Některými piloty byl oblíbený, jinými nenáviděný. Ve výzbroji byl v krátkém mírovém období mezi koncem korejské války a začátkem konfliktu ve Vietnamu, takže si ani nevystřelil. Oficiálně se jmenoval Douglas F4D Skyray, ale všichni ho znali pod přezdívkou Ford.

Inspirace u nepřítele

Ačkoli měla na konci 2. světové války většina letounů klasické tvary, řada konstruktérů a konstrukčních kanceláří si dlouhou dobu pohrávala s myšlenkou využít výhod delta křídla, příp. létajícího křídla, bez trupu, považovaného za zbytečný zdroj odporu, kterého je možné se zbavit. Výhodou delta křídla je především velká nosná plocha při malém rozpětí, což s sebou nese snížení odporu. Velký vnitřní prostor je využitelný pro rozmístění výzbroje, nádrží, podvozku nebo čehokoli jiného. Příjemná je možnost letoun natáhnout na vyšší úhly náběhu bez odtržení proudnic.

Samozřejmě že nic není zadarmo. Když už dojde k odtržení proudnic, ztrácí delta křídlo vztlak téměř okamžitě na celém rozpětí. Vybírání pádu i vývrtky je delší a je spojené s větší ztrátou výšky než u letounů s konvenčním křídlem a ocasními plochami. Daní za velkou plochu je také značná ztráta energie při prudkých obratech, především v horizontálních zatáčkách.

Jednou z firem, která se delta křídlem zabývala již koncem 30. let, byla Douglas Aircraft Corporation, resp. její divize v El Segundu v Kalifornii. „Pachatelem“ nebyl nikdo jiný než Jack Northrop, neúnavný propagátor této koncepce. Když v roce 1938 firmu opustil a založil svou vlastní konstrukční kancelář, pokračoval v jeho šlépějích šéfkonstruktér Edward Heinemann, nicméně u žádného letounu se mu nepodařilo delta křídlo prosadit.

Dalšími příznivci této koncepce byli aerodynamik Gene Root, kterému zdatně sekundoval jeho asistent A. M. O. Smith. Tito dva pánové se po porážce Německa vypravili v rámci US Technical Naval Mission do Evropy, aby se rozhlédli po použitelných kořistních technologiích. A zadařilo se jim. V Paříži, kam dorazili týden po německé kapitulaci, se dostali k výsledkům měření z německého aerodynamického tunelu.


Vývojové fáze, které vedly ke konečnému tvaru F4D

Dokumenty jim Němci pochopitelně nepředali v balíčku s mašličkou. Bylo je nutné vyzvednout ze studny, vysušit, rekonstruovat a přefotit na mikrofilmy. Ale námaha se vyplatila, protože ve složkách byly výsledky měření prof. Alexandera Lippische, konstruktéra stíhacího letounu Me 163 s raketovým pohonem. V St. Germaine si oba dokonce vyslechli Lippischovu přednášku o budoucnosti stíhacích letadel, která je celkem zaujala. Zbývá jen dodat, že Alexander Lippisch byl později v rámci programu Paperclip převezen do USA, kde pracoval pro firmu Convair.

Hlavní problém – spotřeba

Root a Smith po návratu do USA materiály prostudovali a ověřili v aerodynamickém tunelu Kalifornského technologického institutu v Pasadeně a následně v podobném zařízení Leteckého úřadu amerického námořnictva. Na základě výsledků navrhli letoun vlastní konstrukce.

Memorandum z roku 1946 objasňuje, proč je zajímalo právě delta křídlo. Jako hlavní problém tehdejších proudových motorů vnímali jejich „žravost“. Velká spotřeba omezovala dolet a vytrvalost, což představovalo nevýhodu hlavně u námořnictva. To byl také hlavní důvod, proč se na palubách lodí udržely pístové motory mnohem déle než u pozemních letadel.

Cestu z tohoto problému viděli konstruktéři právě v použití samokřídla ve tvaru delty se štíhlostí 2, příp. s ofukováním mezní vrstvy pro další snížení odporu. Navržená koncepce měla nabízet výhody ve všech kategoriích palubních letadel: stíhacích, bombardovacích i transportních. Nutno říci, že to byl poměrně radikální koncept. Postupně se však dostal do akceptovatelných mezí. Jako první bylo zrušeno ofukování mezní vrstvy, které bylo při tehdejším stavu techniky nezpůsobilé pro zavedení do řadové služby.


První prototyp před zahájením zkoušek palubních přistání

Mezitím se začínaly měnit scénáře možného způsobu napadení bojového svazu letadlové lodě. S ochlazováním vztahů se Sovětským svazem se objevil nový protivník. Přestože zatím neměl potřebné technologie, námořnictvo uvažovalo s předstihem. Za hlavní hrozbu byl považován jaderný úder. V prosinci 1946 se předpokládalo, že přehledové radiolokátory svazu dokážou zjistit blížící se bombardér(y) ve vzdálenosti 160 km. Při uvažované rychlosti 885 km/h vyšlo, že záchytné stíhačky se musejí dostat do výšky 12 000 m za 3,35 min.

Firma Douglas zareagovala v lednu 1947 návrhem, který nesl firemní označení D-571. V té době šlo téměř o samokřídlo, s velmi nevýrazným trupem, jednou SOP, čtveřicí kanonů ráže 20 mm, rozmístěných kolem pilotní kabiny, a sacími otvory pro přívod vzduchu pro proudové motory v náběžné hraně křídel.

Plurál je použitý záměrně, protože první návrhy počítaly s použitím dvojice motorů Westinghouse J34 s přídavným spalováním. V letech 1947–1948 probíhala intenzivní měření modelů v aerodynamickém tunelu a letoun postupně začínal dostávat výsledný tvar. Křídlo bylo stále tenčí, takže z něho začaly výrazněji vystupovat obrysy trupu; kvůli centráži a nutnosti umístit radiolokátor dostal letoun delší příď. Aby byl zajištěn pilotovi výhled směrem dolů a do stran, což je u stíhačky docela podstatné, byla dopředu posunuta i kabina.

Tlusté přechody kořene křídla do trupu byly využity jako sací kanály proudových motorů. Za nimi byly umístěny hlavní palivové nádrže. Díky tomu bylo možné navrhnout křídlo poměrně tenké. Delta křídlo mělo šípovitost náběžné hrany 50o. Odtoková hrana byla přímá, aby umožňovala rozmístění řídicích ploch.


Při čelním pohledu jsou vidět výstřelné otvory kanonů na spodní straně náběžné hrany křídla

Prostředky pro zvýšení vztlaku při vzletu a hlavně při přistání, protože malá rychlost přiblížení byla u palubních letounů důležitým parametrem, zastupovaly jen sloty na náběžné hraně. Sloty posouvají kritický úhel náběhu směrem k vyšším číslům, takže je letoun možné více natáhnout. Delta křídlo dává při takovém režimu dostatečný vztlak a zachovává si stabilitu, takže letoun se obešel bez vztlakových klapek.

Firma Douglas tušila, že může u tradičně konzervativního námořnictva s novou koncepcí narazit. Proto pod vedením A. M. O. Smitha zorganizovala pro námořní důstojníky kurz aerodynamiky, celkem logicky zaměřený na popis výhod delta křídla, a připravila pro ně sérii házecích modelů, aby demonstrovala stabilitu takto koncipovaných letounů.

První praktické výsledky

Pokusy s modely nového letounu podléhaly poměrně přísnému utajení. Stavba probíhala v zastrčené budově č. 1, která se léta nepoužívala; pro ofukování se využívala doba mimo běžné provozní hodiny aerodynamického tunelu a při převozech byly modely vždy pečlivě zakryté. V březnu 1948 byla pod vedením šéfkonstruktéra Edwarda Heinemanna dokončena výsledná koncepce nového letounu, která nesla firemní označení D-571-4.

Následovala fáze ladění jednotlivých detailů, která pokračovala do srpna 1949. Zde je nutné zmínit práci Eda Heinemanna, který byl známý snahou o důsledné snižování hmotnosti konstrukce svých strojů. To bylo v konečném důsledku důvodem mimořádných výkonů nového letounu. Definitivní verze pak byla představena zástupcům námořnictva, na které udělala pozitivní dojem. 16. prosince 1949 dorazila potvrzená objednávka na stavbu dvou prototypů s přiděleným označením XF4D-1.


Značně zanedbaná F4D v Hartfordu ukazuje zatahovací kolečko pod zádí

V následujícím roce byly provedeny další drobné změny. Poměrně hranaté konce křídel byly kvůli úspoře hmotnosti „ořezány“ a zaobleny. Příďový podvozek byl doplněn zatahovacím kolečkem na zádi, aby nedošlo k jejímu poškození při natažení letounu na velký úhel náběhu při vzletu a přistání.

S neobvyklou koncepcí letounu korespondoval i poměrně komplikovaný systém řízení. Elevony na odtokové hraně fungovaly při stejné výchylce jako výškovka, při opačné plnily funkci křidélek. Odtokové hrany přechodů křídla do trupu tvořily nastavitelné trimy, které měly zajistit podélné i příčné vyvážení, aby nebylo nutné vychylovat elevony, a tak zbytečně zvyšovat odpor. Řízení bylo vybaveno hydraulickými posilovači se zpětnou vazbou. To na jednu stranu zlepšovalo cit pilotů při řízení, ale na druhou působilo dost problémů při vývoji. Šlo o jeden z prvních systémů se zpětnou vazbou vůbec.

Kanonová výzbroj byla nově umístěna v křídle, přibližně v polovině rozpětí. Požadavkem námořnictva bylo použití systému řízení palby Aero 1-A, podporovaného radarem. Dvě nádrže s objemem po 1220 l umožňovaly vytrvalost 45 min, což sice odpovídalo úloze přepadové stíhačky, ale na plnění úkolů hlídkováním v prostoru to bylo málo.

Námořnictvo trvalo na použití nového převratného motoru Westinghouse XJ40, který sliboval dosažení dvojnásobného tahu oproti svým současníkům. Ale jeho vývoj, navzdory všem ujišťováním výrobce, skončil fiaskem. Naštěstí Ed Heinemann prozíravě navrhl vnitřní konstrukci trupu tak, aby bylo možné v budoucnu používat i objemnější motor J57, což se ukázalo jako velmi prozíravý tah.


F4D-1 v hangáru NAS v Pensacole. Dobře je vidět způsob sklápění křídel

Hledání vhodného bojového jména nového letounu bylo snadné: firma Douglas u svých strojů tradičně používala slovo „sky“ a zaoblená křídla, připomínající velkého rejnoka (anglicky ray), dala vzniknout jménu Skyray. Myšlenka to byla pěkná, ale u bojových jednotek se toto jméno příliš neujalo. Piloti i pozemní personál používali označení Ford, které vzniklo zkomolením typového označení F4D.

První let

Stavba prototypů probíhala za ještě přísnějších podmínek než stavba pokusných modelů pro ofukování v aerodynamickém tunelu. Důvod byl prostý: Začala válka v Koreji, kterou mnozí považovali za začátek nového rozsáhlého konfliktu. Veškeré informace uvolněné pro veřejnost podléhaly cenzuře a popisy nového letounu byly velmi mlhavé a neurčité.

V říjnu 1950 byl dokončen první prototyp (Bu.No.124586). Krátce nato byly zahájeny pozemní testy, ke kterým se připojil i druhý prototyp (Bu.No.124587). V prosinci dostaly oba stroje dlouhé zkušební Pitotovy trubice, což bylo neklamnou známkou, že se blíží okamžik prvního vzletu. Problém byl v tom, že zatím nebyl k dispozici motor Westinghouse J40, který měl dávat 44 kN tahu, s forsáží 67 kN. Jako nouzová náhrada byl použit Allison J35-A-17, ovšem s tahem pouhých 22 kN, a navíc bez forsážní komory.

Ráno 21. ledna 1951 se do kokpitu nasoukal zkušební pilot Larry Peyton. Není úplně jasné, proč byl vybrán právě on. Ne že by neměl zkušenosti, ale předtím létal většinou na dopravních letounech a hodiny na „tryskáčích“ musel dohánět létáním na tovární F3D Skyknight.


Na tomto pohledu je dobře vidět, jak odtokové hrany přechodu křídlo–trup fungovaly jako vyvažovací plošky

V 10.20 hod. Peyton zvýšil otáčky na 95 % a prototyp F4D Skyray vyrazil vpřed. Při rychlosti 145 km/h pilot mírně přitáhl a zvedl přední kolo nad zem. Při rychlosti 225 km/h se letoun lehce zvedl do vzduchu. Potom nastaly problémy. S rostoucí rychlostí se úhel náběhu dále zvětšoval, přestože pilot měl plně potlačeno. Zkusil letoun vyvážit těžký „na hlavu“, což způsobilo přesně opačný extrém: příď letounu začala padat, a nezabránilo jí v tom ani přitažení až na břicho. Nechybělo moc a letoun havaroval. Peyton převážil zpět na těžký ocas a zvedl letoun do vzduchu. Úhel náběhu se mu podařilo udržet mírným snížením otáček.

Důvody tohoto „divočení“ byly dva: Vnější elevony byly zablokovány v neutrální poloze, protože konstruktéři měli obavy z toho, že radikálně řešený letoun bude reagovat příliš citlivě. Tím došlo ke zmenšení ovládacích ploch. Ovládání relativně velkých vyvažovacích plošek bylo naopak příliš rychlé a elevony, zmenšené zhruba na polovinu, stěží stačily na překonání jejich účinku.

Po tomto extempore se Peyton dalších letů na F4D vzdal a ve zkušebních letech pokračoval Russ Thaw. Na jaře se do programu zapojil druhý zkušební pilot, Bob Rahn, a po zvládnutí materiální části zahájil v říjnu samostatné lety. Rahn se zpočátku obával špatné viditelnosti během přiblížení na přistání, ale brzy zjistil, že i při vysokém úhlu náběhu je díky vysoko umístěné sedačce a krátké přídi výhled dobrý.

Bídný motor – vleklé testy

Mezitím pokračovaly testy poměrně vlažným tempem, protože slabý náhradní motor neumožňoval dosažení plánovaných výkonů. Letoun byl sice schopen překročit rychlost zvuku, ale jen v mírném klesání. Poprvé k tomu došlo až v létě 1952, a celkem neplánovaně. Řešily se problémy s buffetingem ocasní plochy při vysokých rychlostech. Bob Rahn udržoval klesání a soustředil se na chování letounu. Svědci na zemi slyšeli supersonický třesk. Protože žádný jiný letoun (tím méně podobně výkonný) ve vzduchu nebyl, musela být nadzvuková jedině F4D Skyray.

Kvůli zmiňovanému buffetingu ocasních ploch bylo nutné několikrát přepracovat tvar zádě letounu. Že šlo o závažný problém, dokumentuje jedna historka: Při jedné zkoušce nadzvukové rychlosti v malé výšce letěl v F4D Bob Rahn a v doprovodné F-86 Sabre Chuck Yeager. Buffeting SOP byl v klesání velmi silný. Najednou Rahn začal vybírat, což Yeagera trochu překvapilo. Když se na zemi zeptal proč, Rahn mu odpověděl, že dostal příkaz ze země, protože pozorovatelé viděli třepetání SOP pouhým okem (!).


F4D-1 v barvách stíhací VF-162 The Hunters

Další sérii testů si vyžádalo vyřešení chování letounu ve vývrtce a ve vývrtce na zádech. Tuto nevděčnou práci odedřel druhý prototyp, zatímco první se v polovině roku 1952 konečně dočkal slibované pohonné jednotky Westinghouse XJ40-WE-6 s tahem zatím jen 27 kN, navíc zatím bez forsážní komory. Ke slibovaným 44 kN to mělo stále daleko, ale vzhledem k nadmořské výšce základny AFB Muroc (702 m n. m.) a horkému počasí byl každý kilonewton tahu dobrý.

Zároveň byly zahájeny předběžné vojskové testy, kterých se zúčastnili tři zkušební piloti námořnictva. První takový vzlet se uskutečnil 16. července 1952. Než bylo nutné prototyp motoru XJ40 svěsit kvůli revizi po 50 hod., provedli námořní piloti 12 vzletů.

Zkušební piloti od námořnictva měli celou řadu připomínek. Na jejich základě bylo na prvním prototypu upraveno otevírání překrytu kabiny z odsuvného na odklápěcí. Výrobce slíbil vybavit letoun většími brzdicími štíty, protože původní byly neúčinné. Jednodílná směrovka byla nahrazena dvoudílnou, kde menší vrchní část fungovala jako vyvažovací plocha.

Došlo také k úpravě řízení. Do systému byl zařazen akumulátor hydraulického tlaku a záložní okruh pro případ výpadku čerpadla. Původně byly při selhání hydrauliky ovládány vnější části elevonů mechanicky bez posilovačů a vnitřní části byly volné, takže vlivem aerodynamických sil zůstávaly „v zákrytu“ odtokové hrany. Nicméně již první let Larryho Peytona ukázal, že toto řešení je nevyhovující.

Závěrečný verdikt

Celkově měli zkušební piloti námořnictva nejvíce výhrad ke slabému a nespolehlivému motoru. Motor měl dlouhý cyklus spouštění, což bylo zcela v protikladu k plánovanému nasazení F4D jako přepadové stíhačky. Kromě toho trpěl pomalou akcelerací z volnoběžných na nominální otáčky – a spolehlivost také nepatřila k jeho silným stránkám.

Kvůli slabému tahu motoru XJ40 měla F4D malou stoupavost. Doprovodné F-86E Sabre s ním dokázaly držet krok při 95 % otáček. Stoupání do výšky 12 000 m trvalo neakceptovatelných 18–20 min. Proti tomu aerodynamicky jemný drak sliboval zvýšení výkonů. Ve vodorovném letu začínaly doprovodné Sabry ztrácet dech a při lehkém potlačení, kdy se Skyray dostával až na 0,92 M, nechával Sabre „v prachu za sebou“.

Piloti zkoušeli i simulovaná přistání na palubě lodě třídy Essex namalované na dně vyschlého jezera. Navzdory původním obavám byl výhled na důstojníka řídícího přistání ve všech fázích dobrý. Problémy byly jen za deště, protože na bočních sklech se držela voda a ta bránila ve výhledu.

Chvála se naopak snesla na řízení se zpětnou vazbou. Piloti sice měli připomínky k velkým silám v podélném řízení, ale oceňovali rychlou odezvu při manévrech kolem podélné osy a celkově dobré letové vlastnosti F4D. Doporučení bylo celkem jednoznačné: Maximální úsilí soustředit na udržení dosavadní vzletové hmotnosti letounu, aby následnými úpravami nedošlo k degradaci výkonů, a kromě zmíněných připomínek najít především vhodnou pohonnou jednotku s dostatečným tahem.

O tom, že se ve svých soudech nemýlili, svědčí skutečnost, že po náhradě pohonné jednotky letoun F4D ustavil celou řadu světových rekordů. Podstatné je, že to byl vůbec první námořní letoun, kterému se něco takového podařilo.

Uveřejněno s laskavým svolením autora.
Vyšlo v časopise Military revue 11/2011 vydavatelství Naše Vojsko.

Autor : Ing. Radek ˝ICE˝ Panchartek / ICE 🕔30.09.2012 📕5.057

Komentáře Disqus

Komentáře Facebook

Sociální sítě

Reklama

Poslední komentáře