Wizja pielęgnowana w mym umyśle, a po wielu latach zmaterializowana: widok „kaczki” lecącej z minimalną prędkością, z przednim płatem ustawianym względem opływającego powietrza tylko o tyle, ile potrzeba do zachowania równowagi.
Etap I
Na firmamencie gwiazd wśród konstruktorów lotniczych, pojawił się w początkach lat 70–tych 30-latek Burt Rutan ze swoim samolotem o nazwie VariEze. Samolocik zbudowany był w sposób amatorski, w dość nietypowym układzie „kaczki”. Cechował się nieprzeciętnymi osiągami, a głównie prędkością maksymalną i zasięgiem. Sława samolotu i konstruktora potwierdzona m.in. rekordem świata (zasięg 2635 km osiągnięty w kategorii samolotów o masie mniejszej niż 500 kg) spowodowały, że konstruktorzy amatorzy na całym świecie zbudowali ponad 400 sztuk takich samolotów.

Powstanie ulepszonej wersji Long-Ez (ponoć 1500 sztuk wykonali wg planów oraz z zestawów konstruktorzy amatorzy) oraz innych modeli wywodzących się z idei VariEze zdawało się potwierdzać głoszone przez Burta Rutana poglądy jakoby w ciągu najbliższych kilku-kilkunastu lat większość samolotów będzie budowana właśnie w układzie „kaczki”.

Sam układ znany jest od zarania lotnictwa, gdyż właśnie w takim bracia Wright zbudowali swój samolot. Został on uznany pierwszym samolotem silnikowym, na którym człowiek dokonał sterowanego lotu. Gwoli wyjaśnienia – układ „kaczka” jest to taki układ konstrukcyjny samolotu (lub szybowca), w którym usterzenie wysokości usytuowane jest przed skrzydłem wytwarzającym siłę nośną (odmiennie niż jest to w znanym nam układzie klasycznym, w którym usterzenie wysokości umieszczone jest za skrzydłem).
Wśród zalet układu wymienia się głównie fakt, że siła nośna skrzydeł jest w nim wspomagana przez siłę nośną, jaką wytwarza usterzenie umieszczone z przodu. Dzieje się tak, ponieważ dla zachowania stateczności układu (samolotu) środek ciężkości usytuowany jest zdecydowanie bardziej z przodu względem skrzydeł niż w konwencjonalnych maszynach. Aby skompensować moment (siła nośna skierowana do góry za środkiem ciężkości) pochylający do dołu nos samolotu, usterzenie z przodu musi wytwarzać siłę skierowaną do góry. Praktyka wykazała, iż w określonej konfiguracji (położenie środka ciężkości, wielkość, usytuowanie i kąt zaklinowania usterzenia przedniego względem skrzydeł) układ jest stateczny, zaś przez fakt, iż zarówno siły na skrzydła, jak i na usterzenie „ciągną do góry”, ma duże perspektywy, jeśli chodzi o możliwość zastosowań.
O tym, że konstruktorzy lotniczy tak naprawdę wstydzą się tego problemu, świadczy asekuranckie założenie, że usterzenie poziome nie jest powierzchnią nośną i tak w ogóle – nie uczestniczy w wytwarzaniu siły nośnej.
Zatrzymajmy się na chwilkę dla oceny znaczenia faktu, że siły na skrzydła i usterzenie „współdziałają ze sobą”. Jak bowiem jest w klasycznym samolocie? Jako „pomoc naukową” przypomnijmy widok lądującego Boeinga, Airbusa, czy jakiegoś tam innego. Moment przed dotknięciem kołami ziemi. Wychylone klapy, zadarty do góry nos dla uzyskania niezbędnego kąta natarcia i pytanie: jaką siłę (ile procent aktualnego ciężaru samolotu) muszą w tym momencie wytworzyć skrzydła? Okazuje się, że ok. 110-115 %, gdyż obok ciężaru samolotu muszą skompensować skierowaną w dół siłę (owe 10-15 %) wytworzoną przez usterzenie wysokości dla utrzymania równowagi podłużnej w tym stanie lotu.
W sumie: wrzód na sumieniu konstruktora. W stanie lotu (lądowania), w którym zależy nam na wytworzeniu jak największej siły nośnej, dla utrzymania samolotu w powietrzu musimy się godzić z faktem, że usterzenie, które przecież waży i stawia opór aerodynamiczny nie pomaga w wytworzeniu tej siły, a wręcz przeszkadza. O tym, że konstruktorzy lotniczy tak naprawdę wstydzą się tego problemu, świadczy asekuranckie założenie, że usterzenie poziome nie jest powierzchnią nośną i tak w ogóle – nie uczestniczy w wytwarzaniu siły nośnej. Powyższe jest oczywiście uwzględniane choćby w obliczeniach tzw. biegunowej równowagi, ale bez wypunktowania tego faktu, traktowanego jako swego rodzaju „zło konieczne”.
W szybowcach oraz w samolotach „z długim ogonem i wąskimi skrzydłami” rzecz nie ma większego znaczenia, ale już dla samolotów pasażerskich, czy samolotów bojowych jest już o co się bić. Prognozowana przez Rutana ofensywa „kaczek” wydawała się mieć sens. Razem z moimi kolegami z biura konstrukcyjnego OBR w Mielcu zafascynowaliśmy się nową ideą. Na deskach kreślarskich po godzinach (i nie tylko) zaczęły powstawać „kaczkoloty” rodem z Polski. A skoro zaczęły powstawać, to pojawiły się dogłębniejsze analizy układu oraz pytania. Pierwsze, z tych podstawowych – dlaczego dziś (początek lat 70-tych) na świecie nie lata żadna „kaczka” z certyfikatem, czyli z dopuszczeniem do zarobkowej eksploatacji – wydawało się być skwitowane stwierdzeniem, że już przecież pojawiają się takie, czego dowodem – następne konstrukcje Rutana, lub choćby powstający właśnie Starship firmy Beechcraft. Starship rzeczywiście powstał, był certyfikowany i produkowany seryjnie lecz okazał się jedyną do dziś „kaczką” z certyfikatem.


Inne pytania były trudniejsze. Zaraz, zaraz… Faktycznie, siły na usterzenie i skrzydła skierowane są do góry, ale przecież aby samolot był stateczny usterzenie z przodu musi być opływane przez powietrze pod większym kątem natarcia niż ma to miejsce w przypadku skrzydeł. Tym samym, oderwanie strug powietrza spowoduje, że spadek siły nośnej nastąpi wcześniej na usterzeniu niż na skrzydłach, które przecież wytwarzają gros całkowitej siły nośnej. Efektem pozytywnym, który „kaczkomani” wszędzie głoszą, jest fakt, że samolot nie przeciąga się, czyli opuszcza nos przed utratą siły nośnej na skrzydłach. Zdecydowanym negatywem jednak, o czym wielbiciele „kaczek” zdają się „zapominać”, jest fakt, że skrzydło nie może wtedy wytworzyć pełnej siły nośnej, jaką z racji swojej wielkości mogłoby wytworzyć, gdyż owo opuszczanie nosa skutecznie tę możliwość eliminuje. Sytuacja jest o tyle trudniejsza, że ze względu na warunki zachowania stateczności na skrzydłach nie możemy zastosować klap. Problem w tym, że ich wychylenie byłoby w efekcie równoznaczne z rzeczywistym zwiększeniem kąta natarcia skrzydeł, a więc z utratą stateczności przez samolot.
Powyższe jest wyjaśnieniem bardziej kompleksowego pytania. Dlaczego „kaczki” tak wspaniale prezentujące się w zakresie parametrów, takich jak prędkość maksymalna i zasięg, są gorsze niż przeciętne samoloty w zakresie małych prędkości, a głównie w długości startu i lądowania? Nie wchodząc w tym miejscu w dalsze szczegóły należy jednak podkreślić dwie inne cechy „kaczek”. Dobrą i złą. Zaletą układu jest możliwość wyraźnie korzystniejszego rozplanowania całej konstrukcji, inaczej mówiąc – zbudowania samolotu bardziej zwartego, o lepszym wykorzystaniu przestrzeni wewnętrznej, lżejszego i sztywniejszego. Wadą jest fakt, że w świetle coraz bardziej rygorystycznych wymagań co do właściwości pilotażowych samolotu, coraz trudniej w tym układzie własności te uzyskać.
W wymiarze światowym „kaczki” nie zdominowały lotnictwa i pozostały na etapie co prawda licznych, lecz jednak konstrukcji eksperymentalnych. Burt Rutan zaczął się zajmować innymi samolotami i jego sława rosła (i dalej rośnie), zaś ówczesny 30-to latek, czyli autor niniejszego artykułu, w swych analizach doszedł do wniosku, że „kaczki” w aktualnej postaci to jednak „droga donikąd”.Korzyścią z owej przygody z „kaczkami” była konieczność wyjścia poza wyniesione z politechniki wzory i zasady, i przeanalizowanie „tak po chłopsku”, od strony fizyki zjawiska zasad zapewnienia stateczności i sterowności samolotu.
Z rozważań tych wynikało, że w żadnym wypadku przednie usterzenie nie powinno być zabudowane na stałe do samolotu, lecz powinno zmieniać swe usytuowanie względem przepływających strug powietrza i że zmiany te (głównie kąta natarcia) powinny być realizowane przez jakiś mechanizm wg raczej skomplikowanych zależności. Jawiły się tu do zrealizowania powyższego jakieś komputery i inne dodatkowe urządzenia. Jednym słowem, „wstrzeliłem się” w ogólny trend, gdyż w owym czasie zaczęły powstawać, lub już o nich myślano, samoloty ze „sztuczną statecznością”. Powstawały F-16 i F-18, a myślano już o Rafaelach, Grippenach i Eurofighterach, czyli samolotach właśnie z usterzeniem z przodu, lecz wychylanych przez system (sterowany co prawda przez pilota, lecz realizowany i zarządzany przez skomplikowane systemy informatyczno – mechaniczne). „Za wysokie progi na nasze nogi”…
Na podsumowanie tego etapu powstała wizja pielęgnowana w mym umyśle, a po wielu latach zmaterializowana. Widok „kaczki” lecącej z minimalną prędkością, z przednim płatem ustawianym względem opływającego powietrza tylko o tyle, ile potrzeba do zachowania równowagi.