Parę dni temu agencje poinformowały o niezwykłym wyczynie załogi i samolotu Boeing (dawniej McDonnell Douglas) C-17 „Globemaster” należącego do armii amerykańskiej. Dzielna załoga postanowiła wystartować z 640 osobami na pokładzie maszyny, choć miejsc dla pasażerów jest w niej znacznie mniej. Potem okazało się, że faktycznie na pokładzie było 823 ludzi! Jak to było możliwe?
W tej notce postaram się wyjaśnić Wam trochę zawiłości technologicznych i przedstawić dzielny samolot transportowy, który dokonał tego niezwykłego wyczynu.
C-17 „Globemaster”.
Maszyna ta nie miała łatwego dzieciństwa. Prezydenci Carter i Ford skreślali wydatki na rozwój lotnictwa i całej amerykańskiej armii. Cięcia dotknęły wiele znakomitych maszyn w tym opisany już przeze mnie bombowiec B-1A. https://www.salon24.pl/u/alpejski/1112230,hej-hej-ulani-malowane-dzieci-ilu-was-do-norwegii-dzisiaj-przyleci
Idea zbudowania samolotu transportowego, łączącego cechy doskonałej turbośmigłowej maszyny Lockheed C-130 „Hercules” i ogromnego turbowentylatorowego Lockheed C- 5 „Galaxy” powstała pod koniec lat sześćdziesiątych.
C-130 "Hercules" i jego pilot w obiektywie Adama K. (Canon EOS 1; Fuji Film) Na marginesie - C-130 „Herkules” jest stale w produkcji od 1956 roku i nic nie zapowiada, że zamówienia na tę maszynę się skończą w najbliższym czasie.
Chodziło o maszynę wyposażoną w nowej generacji turbowentylatorowe ekonomiczne silniki odrzutowe, zdolną do szybkiego przerzutu uzbrojenia w sam środek prowadzonych operacji i potrafiącą wykorzystać krótkie pasy startowe małych lotnisk lub przygotowane pośpiesznie pasy gruntowe zaimprowizowanych lądowisk. Przewożony ładunek miał być niemal dwa razy większy od zabieranego przez „Herkulesy”, a zasięg z tankowaniem w powietrzu miał obejmować cały glob.
Silnik C-17 i ciekawski młody miłośnik lotnictwa. Zdjęcie: Adam K. (Canon EOS 1; Fuji Film)
Aby maszyna mogła sprostać takim wymogom, musiała być zdolna do startu na bardzo dużych kątach natarcia i wykonania bardzo stromego schodzenia do lądowania.
Obie czynności wymagały, aby skrzydła maszyny generowały wystarczającą siłę nośną przy małych prędkościach lotu. Dodatkowo w fazie lądowania konieczne było zapewnienie skutecznego hamowania maszyny jeszcze w powietrzu!
Analizy aerodynamiczne pokazały, że same hamulce aerodynamiczne nie wystarczą do zapewnienia odpowiednio stromej ścieżki schodzenia. Postanowiono, zatem wyposażyć maszynę w odwracacze ciągu możliwe do otwarcia podczas lotu! W normalnym samolocie pasażerskim wyposażonym w odwracacze, ich otwarcie podczas lotu spowoduje natychmiastowe zniszczenie elementów konstrukcji prowadzące do katastrofy. C-17 potrafi jednak dzięki odwracaczom ciągu hamować w powietrzu własnymi silnikami, a na ziemi ta maszyna potrafi bez problemu cofać nawet pod górkę o nachyleniu 2%!
Zapewnienie możliwości startu na bardzo dużych kątach natarcia wymagało nowatorskich rozwiązań zarówno dotyczących skrzydeł jak i kształtu kadłuba i umieszczenia w odpowiednim miejscu podwozia.
C-17 podchodzący do lądowania. Widoczne wypuszczone klapy i podwozie. Zdjęcie: Adam K. (Canon EOS 1; Fuji Film)
Skrzydła samolotu wyposażono w bogatą mechanizację.
W strefie spływu umieszczono ogromne klapy, a na krawędzi natarcia umieszczono wysuwanie sloty zwane w języku polskim też skrzelami. Sloty zaprojektowano tak, że po wysunięciu przesuwają się dodatkowo w dół, co powiększa wysklepienie płata podobnie jak w przypadku zastosowania tzw. klap przednich. Jak działają takie klapy?
Skrzydło wytwarza siłę nośną w dwojaki sposób.
Pierwszy - napływające od dołu powietrze dynamicznie wytwarza siłą naporu, która popycha je w górę. Ta siła może powstać tylko wtedy, kiedy skrzydło ustawione jest względem strug powietrza pod dodatnim kątem, im większym tym lepiej, ale do pewnej granicy, o której za chwilę opowiem zwanej zerwaniem strug.
Drugi – skrzydło posiada zawsze odpowiedni profil aerodynamiczny, który zawsze musi być wysklepiony na górnej jego powierzchni. W ten sposób na górnej powierzchni opływające powietrze ma dłuższą drogę do przebycia niż na dolnej. Natura nie znosi próżni, bo ta zaburzałaby w tym układzie fizycznym prawo zachowania energii. Zatem cząstki powietrza rozdzielone przez krawędź natarcia skrzydła – na te, które płyną od dołu i te, które opływają je od góry - dążą do tego, aby na krawędzi spływu ponownie się spotkać.
To nie jest takie proste i te u góry muszą przyśpieszyć, bo mają większą drogę do pokonania. W ten sposób na górnej powierzchni skrzydła dzięki prawu opisanemu przez Bernoullego powstaje o wiele większa siła niż na powierzchni dolnej skrzydła i jest to siła wyporu generowana przed podciśnienie (siła ssąca). Bernoulli opisał to tak - im większa prędkość przepływu tym mniejsze ciśnienie i odwrotnie spadająca prędkość przepływu powoduje proporcjonalny wzrost ciśnienia. Proste? Proste!
Wykonajcie prosty eksperyment!
Weźcie w ręce dwie kartki papieru i zbliżcie na odległość ok 3 cm. Zbliżcie do ust na odległość ok.10 cm i rozchylcie kartki ich końcami tak, aby z przodu tam gdzie je trzymacie, pozostały w odległości 3 cm od siebie, a na ich końcach były rozchylone.
Zacznijcie dmuchać pomiędzy nie.
Co się stało? Prędkość powietrza pomiędzy kartkami spowodowała spadek ciśnienia w i zbliżenie kartek do siebie. To działa prawo fizyki opisane matematycznie przez Bernoullego. W ten sposób poderwiecie każdą dziewczynę, albo chłopaka –w myśl słów piosenki: chcesz omotać mnie to powiedz jak lata odrzutowiec.
Kiedy skrzydło wytwarza siłę nośną zawsze potrzebuje do tego energii. Może ona być dostarczana w dwojaki sposób.
Pierwszy - jak w to ma miejsce w szybowcach, energia potencjalna zdobyta przez nabór wysokości w ziemskim polu grawitacyjnym zamieniana jest stale na energię kinetyczną, rozpraszaną na pokonywanie oporów powietrza, ale i wykonującą pracę utrzymującą maszynę w powietrzu.
Drugi - w przypadku samolotów źródłem energii jest silnik.
Każdy samolot posiada prędkość minimalną, której nie wolno przekroczyć, ponieważ dojdzie do całkowitej utraty siły nośnej w wyniku zerwania strug opływających skrzydło.
Dla normalnej przelotowej geometrii płata te prędkości minimalne byłyby tak duże, że trudno by było bezpiecznie wylądować taką maszyną podobnie jak i wystartować. I tu potrzebna jest mechanizacja skrzydła. Sloty i klapy przednie nie tylko zwiększają wysklepienie profilu skrzydła, zwiększając drogę górnej warstwy powietrza, ale tworzona po wysunięciu slotów szczelina wykorzystując prawo Bernoullego przyśpiesza wydatnie opływ na przedniej części skrzydła. Tylne klapy działają podobnie.
Samolot z wypuszczonymi klapami przechodzi na większe kąty natarcia. Cały ten układ generuje bardzo duże opory aerodynamiczne, ale pozwala na lot z dużo mniejszą prędkością niż w przelotowej konfiguracji skrzydła.
Zazwyczaj podczas podchodzenia do lądowania po niezbyt stromej ścieżce, silniki muszą pracować na takiej mocy aby pokonać duży opór maszyny. To bardzo newralgiczna faza lotu, bo wszelkie zaburzenie skutkuje spadkiem prędkości i utratą siły nośnej. Silniki nie reagują natychmiast na dodanie gazu wzrostem ciągu, bo wirujący układ turbina – sprężarka - wentylator ma dość dużą bezwładność.
Jak więc zaprojektować maszynę latającą szybko na trasie przelotu, a startującą i lądującą z małymi prędkościami i dodatkowo pełnym ładunkiem?
Kiedy firma McDonnell Douglas rozpoczynała prace nad C-17 konkurencja zbudowała samolot, którego silniki dmuchały gazy wylotowe wprost na górną powierzchnie skrzydeł poprawiając własności samolotu w locie z małą prędkością. McDonnell Douglas poszedł inną drogą.
Samolot otrzymał cztery silniki podwieszone na pylonach pod skrzydłami i klapy skrzydłowe o bardzo dużej powierzchni na które od góry nadmuchiwane jest przez specjalną szczelinę na powierzchni płata powietrze pobierane za sprężarkami silników i poprowadzone specjalnymi przewodami. Od dołu na klapy nadmuchiwane są powietrze i gazy spalinowe bezpośrednio z dysz wylotowych silników. Klapy zmieniają kierunek tego strumienia na skierowany w dół. Płat otrzymał tzw. profil super krytyczny. Pamiętacie z mojej notki na temat F-15, że firma McDonell przywiązywała ogromną wagę do drobiazgowych testów konfiguracji aerodynamicznej? https://www.salon24.pl/u/alpejski/1136079,samolot-jak-plaster-miodu
I w tym samolocie wykorzystano bogate doświadczenia, jakie firma posiadała w tym zakresie.
Zatem podczas lądowania i startu powietrze najpierw przepływa przez sloty na przednich krawędziach skrzydeł, potem podąża wzdłuż górnej powierzchni skrzydła, gdzie w miejscu wysunięcia klap dodatkowo trafia na strumień powietrza pobieranego ze sprężarek silników i napływa na klapy tylnie. Dzięki temu dodatkowemu nadmuchowi, powietrze opływa powierzchnie klap laminarnym strumieniem, likwidując niepożądane turbulencje mogące prowadzić do zerwania strug i utraty siły nośnej. Dodatkowo parametry aerodynamiczne poprawia szczelina która po wysunięciu klap tworzy się pomiędzy skrzydłem a nimi.
Taka konfiguracja zapewnia znakomite własności skrzydeł przy małych prędkościach lotu. Samolot wymaga pasa startu i lądowania o długości zaledwie 915 metrów i to z pełnym obciążeniem! Czyli ta potężna maszyna potrafiłaby wylądować i wystartować na każdym lotnisku aeroklubowym w Polsce! Bez problemu poradziłaby sobie też na większej wystarczająco twardej zwałowanej łące.
Patrz na moje skrzydła! - zdaje się wołać ten C-17 dumny ze swojej imponującej konfiguracji aerodynamicznej. Zdjęcie: Wiki
Na całej długości skrzydła zainstalowano też spoilery, które są dużo skuteczniejsze od tradycyjnych lotek. Ich otwarcie zmniejsza siłę nośną na lewym lub prawym skrzydle powodując poprzeczny obrót maszyny. Dzięki temu położenie samolotu na skrzydło w ciasnym zakręcie nawet przy małej prędkości odbywa się z dużą prędkością kątową.
Ale to nie wszystko. Aby podczas startu przejść na duże kąty natarcia, maszyna musi posiadać odpowiednio ukształtowany kadłub. Kadłub C-17 przypomina trochę krzywy ogórek. W części tylnej od dołu jest wyraźnie ścięty i to miejsce zajmuje otwierana rampa załadowcza. Ścięcie kadłuba i zakrzywienie go w górę umożliwia właśnie owe bezproblemowe przejście na duże kąty natarcia podczas startu, chroniąc przed szorowaniem tylnią jego częścią po nawietrzni lądowiska.
Zadarty lekko w górę kadłub, stwarza doskonałą podstawę dla ogromnego statecznika pionowego podtrzymującego pokaźnych rozmiarów statecznik poziomy, który umieszczono w konfiguracji zwanej układem „T”. Czyli statecznik poziomy przymocowano na samym szczycie pionowego. Ma to dodatkowe zalety. Tak wysoko umieszczony statecznik wraz ze sterami wysokości nie wchodzi w fazie startu i lądowania w strugi zaskrzydłowe i strugi odrzutowe silników! Ma to kapitalne znaczenie dla skuteczności sterów wysokości.
Duży statecznik poziomy ma jeszcze jedną funkcję. Samolot może podczas lotu otworzyć platformę załadunkową i na specjalnych wózkach desantować nie tylko spadochroniarzy, ale ciężkie ładunki na paletach. Ładunki te przemieszczając się po ogromnej ładowni, zmieniają w bardzo znaczący sposób wyważenie samolotu. Musi ono być kompensowane przez ustawienie statecznika poziomego i położenie sterów wysokości. Z tego powodu statecznik ten jest tak ogromnych rozmiarów.
Samolot posiada znakomitą widoczność z kabiny pilotów, która w pełni wyposażony jest w wyświetlacze ekranowe zastępujące tradycyjne przyrządy. Dodatkowo piloci mają wszystkie dane wyświetlane przed oczami i nie muszą odwracać wzroku w stronę tablicy przyrządów w newralgicznych fazach lotu.
Opracowano też specjalną technikę latania na długich trasach. Mianowicie na długich przelotach samoloty te latają w szyku tak jak ptaki!
Pozwala to na oszczędzenie ok. 10% paliwa w przypadku pary samolotów. Zmieniają się one w prowadzeniu w regularnych odstępach czasu identycznie jak czynią to żurawie, gęsi, kaczki i inne ptaki wędrowne. Druga lub pozostałe maszyny lecą w aerodynamicznym cieniu poprzednika, co zmniejsza opory czołowe.
Umieszczenie w ładowni 823 pasażerów wymagało od załogi ogromnej odwagi i determinacji. Ludzie siedzieli na podłodze i nie byli przypięci pasami. Zatem był to ryzykowny lot. Paradoksalnie taka ogromna ciżba zapewniała pewien margines bezpieczeństwa. Ludzi było tak dużo, że jeden opierał się drugiego i nie istniało ryzyko łatwego przemieszczenia się ludzi w stronę ogona maszyny, co mogło spowodować stan niewyważenia niemożliwy do skompensowania przez siły aerodynamiczne na usterzeniu poziomym. Gdybym był kapitanem tej maszyny w obliczu zagrożenia, jakie czyhało na tych ludzi na ziemi podjąłbym identyczną decyzję.
Dodatkowym czynnikiem pozwalającym podjąć decyzję o starcie z taką ilością pasażerów było zaufanie w możliwości maszyny. Zobaczcie jak ciężki ładunki przemykają przez ładownię i automatyka sterowania zapewnia stabilność maszyny.
Oczywiście załoga zapewne odchodziła od ziemi pod bardzo małym kątem wznoszenia, co zapobiegło niebezpieczeństwu przesunięcia się tej ogromnej ilości ludzi do tyłu maszyny.
Moje najwyższe wyrazy uznania dla dzielnej załogi i oczywiście samego samolotu.
Dowódca załogi C-17, który zabrał na pokład 823 uciekinierów. Kapitan Eric Kut. Zdjęcie: Vance Air Force Base
Samoloty są na tyle skomplikowanymi maszynami, że nie ulega żadnej wątpliwości, że każdy nawet najmniejszy posiada duszę, czasem większą, czasem mniejszą, ale każdy pilot wie, że nawet wsiadając za stery identycznej maszyny tego samego typu, będzie ona miała swoje „nawyki” i swój własny niepowtarzalny charakter. Ale o duszy samolotów napiszę obszerniej w innej notce…
ps. Właśnie w nie tak bardzo odległej od mojego domu bazie Ramstein wylądował pierwszy samolot lotniczego mostu, jaki armia amerykańska uruchomiła dla uciekinierów z Afganistanu. I co 90 minut będzie lądować kolejna maszyna. Burmistrz miasta Ramstein zorganizował kuchnię mającą dostarczać 3000 posiłków dla ocalałych z talubskiego piekła ludzi. Obrazy jakie dochodzą z Kabulu rozdzierają każdemu serce. Małe dzieci – noworodki na rękach matek oddawane przez ogrodzenie amerykańskim żołnierzom z prośbą weźcie moje dziecko niech przynajmniej ono przeżyje…
Winni tego stanu politycy z pewnością odczują gniew ludzi ta tragedia zmieni bieg wydarzeń na całym świecie.
ps. Zobaczcie to video czyli 100% baby w wojsku, moim zdaniem to najlepsze antidotum na talibskich troglodytów, wszak kiedy zginą z ręki kobiety to idą prosto do piekła i nici z obiecanych hurys w niebie:
