Koncepcje samolotów pionowego startu i lądowania rozpalały wyobraźnię konstruktorów lotniczych na długo zanim rozwój techniki umożliwił realizację takich ambitnych projektów. Dziś pojęcie pionowzlotu kojarzy nam się z takimi konstrukcjami jak V-22 Osprey czy Harrier, kiedyś jednak samoloty pionowego startu i lądowania (ang. VTOL) wyobrażano sobie zupełnie inaczej.
Niespełna sto lat temu, w 1928 roku, słynny wynalazca Nicola Tesla opatentował koncepcję statku powietrznego (U.S. Patent 1,655,114) zdolnego wznosić się pionowo jak helikopter, a następnie przechodzić do lotu poziomego z wykorzystaniem siły nośnej, generowanej przez skrzydła – jak samolot. Analogicznie, aby wylądować, aparat miałby zwalniać, przechodzić do zawisu i opuszczać się na ziemię. W odróżnieniu od znacznie późniejszych zmiennopłatów (np. Hiller X-18 czy LTV XC-142) i tiltrotorów (V-22 Osprey czy V-290 Valor), Tesla nie uwzględnił w swoim wynalazku obrotu płatów skrzydeł ani silników o 90° w celu realizacji przejścia z lotu pionowego do poziomego i w drugą stronę, lecz zakładał przyjęcie odpowiedniej trajektorii lotu płynnie przechodzącego z płaszczyzny wertykalnej do horyzontalnej i z powrotem. Wychyleniu miały za to podlegać fotele załogi. Aparat latający według patentu Tesli nie miał klasycznego ogona, tylko platformę, na której opierał się stojąc na ziemi. Tym samym jest to historycznie pierwszy reprezentant ciekawej, nieco zapomnianej gałęzi samolotów startujących pionowo w pozycji wertykalnej, w języku angielskim określanych wdzięczną nazwą tail-sitters (siedzących na ogonie).
Świadomy konieczności uzyskania stosunku ciągu do masy większego niż 1:1, a także braku dostatecznie mocnego napędu do takich potrzeb, w swoim opisie pionowzlotu Tesla odniósł się do zaproponowanego przez siebie projektu turbiny (U. S. Patent 1,061,206). Upłynęło jednak kilkanaście lat zanim powstały silniki o odpowiednio dużej mocy, by sprostać wymaganiom pionowzlotów. Opracowywane podczas II wojny światowej w niemieckich biurach konstrukcyjnych ciekawe koncepcje samolotów w konfiguracji tail-sitter również musiały ustąpić miejsca bardziej realistycznym konstrukcjom, między innymi także z powodu braku odpowiedniego napędu.
Jednak koniec wojny przyniósł przełom w dziedzinie napędów lotniczych. Pojawiły się silniki odrzutowe/turbinowe. Pierwszym samolotem, który mógł pochwalić się stosunkiem ciągu do masy (na sucho, a więc nie licząc paliwa) wynoszącym 1:1 był Ryan FR Fireball, napędzany tłokowym silnikiem Wright Cyclone o mocy 1350 KM i turboodrzutowym GE I-16 (J31) o ciągu 1600 lbf (7,1 kN). To właśnie wówczas w Stanach Zjednoczonych zaczęto na poważne zastanawiać się nad budową samolotów pionowego startu i lądowania.
Nie były to jednak wyłącznie teoretyczne dywagacje. Doświadczenia z walk w Europie i na Pacyfiku wskazywały na lotniska i lotniskowce jako główne cele ataków nieprzyjaciela, których bombardowanie w pierwszych momentach wojny mogło skutkować uziemieniem stacjonujących na nich samolotów, odpowiedzialnych za obronę przestrzeni powietrznej. Uniezależnienie samolotów myśliwskich od lotnisk było więc atrakcyjną perspektywą dla sił powietrznych. Z kolei marynarka wojenna była zainteresowana możliwością wyposażenia różnych statków i okrętów w samoloty pokładowe niewymagające dodatkowej aparatury startowej. Pod koniec lat czterdziestych XX wieku Amerykanie wyasygnowali więc fundusze na rozwój samolotów pionowego startu i lądowania. Do udziału w programie US Navy zaproszono najważniejsze amerykańskie koncerny lotnicze. Zgodnie z wymogami koncepcyjnymi opracowanymi przez US Navy Bureau of Aeronautics, zawartymi w specyfikacji OS-122, nowy myśliwiec pokładowy miał być zbudowany w konfiguracji tail-sitter. Do jego napędu przewidziano silnik turbośmigłowy Allison T-40, powstały poprzez sparowanie dwóch turbin T-38 z jedną przekładnią, przenoszącą moc na parę trójpłatowych śmigieł obracających się w przeciwnych kierunkach. Założono stosunek ciągu do masy wynoszący 1,2:1 przy pełnym obciążeniu. Na potrzeby przetargu powstały modele i demonstratory technologii. Z przedstawionych propozycji w 1951 roku wyselekcjonowano projekty Convair’a i Lockheed’a, którym zlecono budowę prototypów. Tak doszło do budowy jednych z najbardziej nietypowych samolotów w historii lotnictwa.
Obie konkurencyjne konstrukcje różniły się dość znacznie budową. Lockheed XFV-1 Salmon miał wydłużoną sylwetkę, z klasycznym centropłatem i podwójnym ogonem typu V, razem tworzącym X, w którym zainstalowano golenie podwozia z kółkami samonastawnymi. Na potrzeby wstępnych testów samolot wyposażono także w stelaż służący do konwencjonalnego, poziomego startu i lądowania. Począwszy od 16 czerwca 1954 roku XVF wykonał trzydzieści dwa loty testowe, startując i lądując konwencjonalnie. Przejścia do lotu pionowego dokonywano na bezpiecznej wysokości. Po upływie roku zakończono próby w locie i podjęto decyzję o przerwaniu dalszych prac nad maszyną.
Nieco inaczej potoczyły się losy drugiego samolotu. Convair XFY-1 Pogo zbudowano w konfiguracji ze skrzydłami w układzie delta i pojedynczymi, masywnymi statecznikami pionowymi na górze i na dole tylnej części kadłuba. Umieszczenie dwumetrowej płetwy pod kadłubem oznaczało, że w przeciwieństwie do konkurencyjnego XFV, XFY nie będzie mógł startować i lądować konwencjonalnie. Na końcówkach skrzydeł i stateczników umieszczono więc teleskopowe drążki zakończone kółkami samonastawnymi i zbudowano specjalną pochylnię transportową, mającą za zadanie pionizować samolot. Wszelkie próby lotu silnikowego musiały więc przebiegać w pionie.
29 kwietnia 1954 roku rozpoczęły się próby w locie podwieszanym w hangarze na lotnisku Moffett Field. Niełatwego zadania pilotowania tak nietypowej konstrukcji podjął się podpułkownik James F. „Skeets” Coleman. Po sześćdziesięciu godzinach lotów w hangarze, 1 sierpnia 1954 roku odbył się pierwszy zewnętrzny lot podwieszany. Tego dnia XFY wzniósł się na wysokość 30 metrów. Następnie przeprowadzono siedemdziesiąt próbnych startów i lądowań w Naval Auxiliary Air Station w Brown Field w Kalifornii. 5 listopada 1954 roku Coleman dokonał pierwszego przejścia z lotu pionowego do poziomego i z powrotem. „Skeets” zapisał się w historii lotnictwa i za swoje osiągnięcie otrzymał prestiżową nagrodę lotniczą Harmon Trophy w 1955 roku.
Tymczasem stało się jasne, że od mniej doświadczonych lotników trudno byłoby wymagać wykonania podobnej operacji z pokładu okrętu unoszącego się na falach oceanu. Co więcej, silnik T-40, najmocniejszy napęd śmigłowy swego czasu, również sprawiał sporo problemów. W 1955 roku w oleju przekładni zaczęły pojawiać się coraz większe opiłki metalu. 1 sierpnia wstrzymano prace nad samolotem.
Nabierający obrotów rozwój napędów odrzutowych nie uszedł uwadze wizjonerów, upatrujących przyszłości lotnictwa w samolotach VTOL. 9 lipca 1953 roku na lotnisku Royal Air Force w Hucknall wzniósł się w powietrze jeden z najbardziej wyjątkowych aparatów latających w dziejach awiacji – zbudowany przez brytyjski koncern Rolls-Royce Thrust Measuring Rig, czyli platforma do pomiaru ciągu. Na platformie zamontowano zwrócone ku sobie dwa silniki RR Nene, z dyszami w części centralnej, rozdwojonymi na dwie rury po bokach platformy, zagięte pod kątem 90° i zwrócone ku ziemi. Taki układ zapobiegał autorotacji platformy i zapewniał zachowanie minimalnej stateczności w wypadku awarii jednego z silników. Na szczycie umieszczono fotel pilota. Silniki generowały łącznie 8100 lbf ciągu, a cała platforma przy pełnym obciążeniu ważyła 7,489 lb. Dzięki TMR brytyjscy inżynierowie dowiedli zasadności wykorzystania napędu odrzutowego do budowy samolotów VTOL i przystąpili do dalszych prac rozwojowych.
W tym samym czasie ich amerykańscy odpowiednicy budowali ostatni pionowzlot typu tail-sitter. Ryan X-13 Vertijet, podobnie jak Convair XFY, miał skrzydła w układzie delta. Samolot wyposażono jednak tylko w pojedynczy statecznik pionowy, a także w winglety na końcach skrzydeł. Samolot docelowo miał być pozbawiony podwozia, a do startu i lądowania miał wykorzystywać specjalną platformę z poziomo rozpiętą liną, na której zawisał przy pomocy haka. X-13 napędzany był silnikiem Rolls-Royce Avon o ciągu 10 000 lbf i miał maksymalną masę startową w granicach 7310 lb, był więc stosunkowo najmocniejszy z tego typu konstrukcji. 10 grudnia 1955 roku X-13 został oblatany w konfiguracji konwencjonalnej, z tymczasowym podwoziem w miejscu docelowego systemu zaczepiającego. Lot zaowocował wprowadzeniem drobnych poprawek aerodynamicznych. 28 listopada 1956 roku pilot testowy Peter Girard po raz pierwszy wprowadził X-13 w lot pionowy. 11 kwietnia 1957 Girard za sterami X-13 po raz pierwszy wystartował z platformy startowej w pozycji pionowej, by następnie przejść do lotu poziomego i z powrotem, lądując poprzez zawieszenie samolotu na linie, rozpiętej między ramionami platformy. To właśnie lądowanie było najtrudniejszą fazą lotu, gdyż widoczność od spodu była ograniczona, a pilot kierował się wskazówkami radiowymi od obsługi naziemnej; na ostatnim odcinku mógł także obserwować specjalną tyczkę, pomagającą ocenić odległość od liny.
W przeciwieństwie do XFY, którego pilot w locie pionowym operował wyłącznie przepustnicą, pilot za sterami X-13 dysponował znacznie bardziej zaawansowanym układem sterowania. Oprócz steru kierunku i sterolotek, wykorzystywanych w locie horyzontalnym, Vertijet był wyposażony w dyszę z dość prymitywnym systemem wektorowania ciągu, zapewniającym kontrolę pochylenia i odchylenia samolotu w locie pionowym. Dodatkowe dmuchawy, napędzane strugami powietrza, przekierowanymi w tym celu z głównego strumienia wylotowego, pozwalały pulsacyjnie kontrolować przechylenie samolotu w pozycji wertykalnej.
30 lipca 1957 roku X-13 zaprezentowano szerszej publiczności w Pentagonie. Na uwagę zasługuje fakt, że pół wieku wcześniej na tym samym miejscu Orville Wright zademonstrował pierwszy samolot amerykańskich sił powietrznych. Vertijet również spełnił stawiane w programie badawczym założenia i stał się narodową sensacją. Wbrew entuzjastycznym opiniom prasy nie zapoczątkował jednak nowego rozdziału w historii awiacji. Wkrótce padł ofiarą cięć budżetowych, spowodowanych deeskalacją po wojnie w Korei. 30 wrześnie 1957 roku po raz ostatni wzniósł się w powietrze.
Pomimo wycofania się Amerykanów saga samolotów typu tail-sitter nie dobiegła jeszcze końca. Ostatnie słowo należało w tym przypadku do Francuzów, znanych z zamiłowania do nietypowych konstrukcji lotniczych (vide: Gyroptere). Producent silników lotniczych SNECMA (Société nationale d’études et de construction de moteurs d’aviation, obecnie Safran) prowadził własne eksperymenty w zakresie napędu pionowzlotów. Na potrzeby programu badawczego zbudowano kilka wersji Atar Volant, francuskiego odpowiednika Thrust Measuring Rig. Był to pojedynczy silnik odrzutowy Atar 101 zamontowany pionowo, niczym w rakiecie. Po obiecujących wynikach lotów pierwszej, zdalnie sterowanej wersji C.400 P.1, zdecydowano się na budowę kolejnych, załogowych wariantów. W wersji C.400 P.2 pilot siedział na szczycie silnika w odsłoniętym, katapultowym fotelu, zapewniającym minimalne poczucie bezpieczeństwa. Pierwszy niepodwieszany lot załogowy odbył się 14 maja 1957 roku. Atar Volant, ważący 2,6 t dysponował ciągiem ponad 28 kN, co wystarczało, by wzniósł się w górę i majestatycznie zawisnął nad płytą lotniska. Minimalną sterowność zapewniały strumienie powietrza z kompresora, odkształcające główny strumień wylotowy. Niewielkie dysze w goleniach podwozia dodatkowo pozwalały utrzymywać stabilność pionową konstrukcji. Taka konfiguracja okazała się obiecująca, czego dowiodły sto dwadzieścia trzy loty testowe.
Na podstawie doświadczeń z serii Atar Volant SNECMA nawiązała współpracę z Nord Aviation, w celu budowy pionowzlotu C.450 Coléoptère (fr. żuk). Napędzany pojedynczym silnikiem Atar EV o ciągu 36,3 kN Coléoptère miał kadłub przypominający konwencjonalne samoloty odrzutowe, z wlotami powietrza po obu stronach kabiny pilota. C.450 wyróżniał się nie tylko jako tail-sitter, lecz także jako pierścieniopłat, o skrzydle zamkniętym, otaczającym kadłub.
Na przełomie 1958 i 1959 roku rozpoczęły się loty testowe na lotnisku Melun Villaroche. Pilot Auguste Morel wykonał osiem lotów, demonstrując lot w pozycji wertykalnej na wysokości do 800 metrów. Nie wiadomo jak potoczyłyby się dalsze losy tej niezwykłej maszyny, gdyby nie katastrofa podczas dziewiątego lotu testowego, 25 lipca 1959 roku. Podczas próby manewru przejścia do lotu poziomego Coléoptère wpadł w oscylacje i zaczął tracić wysokość. Pilot katapultował się na wysokości 150 metrów, ratując w ten sposób życie. Jedyny egzemplarz C.450 rozbił się, kończąc historię pionowzlotów typu tail-sitter w XX wieku.
Koncepcje wykorzystane w budowie X-13 i C.450 legły u podstaw nowej generacji eksperymentalnych samolotów VTOL. Bell X-14, i Hawker P.1127 były już konwencjonalnymi płatowcami, startującymi pionowo dzięki wektorowaniu ciągu.
Jednak historia lubi się powtarzać. W XXI wieku inżynierowie projektujący drony i osobiste statki powietrzne stanęli przed tym samym dylematem, co konstruktorzy lotniczy sprzed siedemdziesięciu lat. Tak popularne wielowirnikowce zawdzięczają swój sukces uniwersalności, wynikającej z możliwości pionowego startu i lądowania. Jednak nieustanna walka z przyciąganiem grawitacyjnym niekorzystnie odbija się na ich wydajności. Ich maksymalny czas lotu i zasięg są niewystarczające do wielu profesjonalnych zastosowań. Z kolei płatowce dysponują większym udźwigiem, a dzięki wykorzystaniu siły nośnej mogą latać dłużej i dalej, wymagają jednak lotniska lub specjalnej aparatury startowej. Wśród wielu rozwiązań tego dylematu w budowie bezzałogowców znajdujemy różne rozwiązania rodem z historii lotnictwa. Są więc zmiennopłaty, tiltrotory, pojawiają się także konstrukcje w konfiguracji tail-sitter.
Oprócz wielu amatorskich i akademickich projektów są to także bardziej zaawansowane programy badawcze. NASA Puffin to studium indywidualnego statku powietrznego w konfiguracji tail-sitter, z napędem elektrycznym, który powstał w głowie inżyniera lotniczego Marka Moor’a, na potrzeby pracy doktorskiej. Podczas startu pilot miałby zajmować w kabinie pozycję stojącą, a podczas lotu poziomego – leżącą. Założenia koncepcyjne zweryfikowano podczas oblotu demonstratora w skali 1:3. Puffin był swego rodzaju sensacją trzynaście lat temu. Od tego czasu pojawiła się jeszcze jedna koncepcja o podobnej konfiguracji. ZEVA ZERO to tail-sitter w kształcie dysku, łączącego funkcje kadłuba i skrzydła, wytwarzającego siłę nośną w locie horyzontalnym. O oblocie demonstratora informowaliśmy rok temu. Obecnie rozwijana jest kolejna wersja, z wirnikami w poczwórnym, X-kształtnym ogonie, wyposażonym w golenie podwozia, co rodzi skojarzenia z śmigłowymi XFV i XFY.
Z kolei w ramach programu TERN (Tactically Exploited Reconnaissance Node) amerykańskiej agencji DARPA, powstały dwie koncepcje dronów MALE (Medium-Altitude Long-Endurance) startujących pionowo i kontynuujących lot w pozycji horyzontalnej. Program przeszedł z fazy II, w której zatwierdzono wstępne założenia projektowe, do fazy III, w ramach której powstaje demonstrator, budowany przez Northrop Grumman. Jak wyjaśnia Brad Tousley, dyrektor Tactical Technology Office w DARPA, wkraczając na nieznane terytorium – nikt dotąd nie latał dużymi bezzałogowcami typu tail-sitter – twórcy TERN pozostają podekscytowani przyszłościowymi perspektywami, które staną się możliwe dzięki sukcesowi programu TERN, w zakresie zapewnienia zintegrowanych, długotrwałych kompetencji rozpoznawczych okrętom US Navy.
Inny tail-sitter w portfolio agencji DARPA zapowiedziano w ramach programu ANCILLARY (AdvaNced airCraft Infrastructure-Less Launch And RecoverY). Ma charakteryzować się napędem hybrydowym, niską masą, dużym udźwigiem i dalekim zasięgiem. Być może w niedalekiej przyszłości poznamy więcej szczegółów.
Stosunkowo prostą koncepcję drona transportowego w konfiguracji tail-sitter zaprezentował Bell. APT (od Autonomous Pod Transport) to płatowiec zbudowany wokół zasobnika mieszczącego do 50 kg ładunku. Jest przystosowany do szybkiego użycia w dowolnym miejscu kuli ziemskiej. Dzięki składanej konstrukcji mieści się na palecie 463L stosowanej przez lotnictwo wojskowe. W 15 minut od rozładunku palety jest gotowy do startu.
Z kolei propozycja drona Aerovel Flexrotor wyróżnia się za sprawą potężnego śmigła o średnicy od 1,85 do 2,2 m, w zależności od konfiguracji. Flexrotor napędzany jest dwusuwowym silnikiem o pojemności skokowej 28 cm3 i rozwija prędkość maksymalną 140 km/h. Dzięki wydłużonym jak w szybowcach szkrzydłom o rozpiętości 3 m, niskiej masie (do 25 kg) i składanej w locie podstawie, ma dysponować zasięgiem nawet 2000 km. W grudniu ubiegłego roku Flexrotor dowiódł swoich możliwości startując i lądując na pokładzie niewielkiego okrętu patrolowego USCGC Emlen Tunnell podczas rejsu na pełnym morzu. Tego typu trudne manewry wspomaga oprogramowanie opracowane we wspłópracy z Autonomous Flight Systems Laboratory Uniwersytetu Washington.
Najbardziej zaawansowanym projektem drona tego typu jest obecnie V-BAT 128 rozwijany od lat przez Martin UAV (firmę przejęła spółka Shield AI). Wyróżnia się smukłym kadłubem o długości 2,74 m, przypominającym pocisk rakietowy, wydłużonymi skrzydłami w konfiguracji górnopłata o rozpiętości 2,95 m i wirnikiem typu ducted fan. W tylnej części kadłuba, tuż przed wirnikiem, znajduje się dwucylindrowy silnik Suter TOA 288, o przeciwbieżnych cylindrach i mocy 24 KM. Z przodu zainstalowano wymienną głowicę optoelektroniczną. Manewrowanie V-BAT odbywa się za pomocą powierzchni sterujących, umieszczonych za wirnikiem. Całość waży 56 kg, razem z paliwem. Pod kadłubem umieszczono zasobnik umożliwiający transportowanie do 10 kg ładunku. Dron może przebywać w powietrzu do około 10 godzin w locie poziomym lub utrzymywać się w zawisie przez maksymalnie 45 minut. V-BAT może latać na pułapie do 6 km z prędkością do 167 km/h. System zdalnego sterowania umożliwia precyzyjne lądowanie na obszarze o powierzchni zaledwie 13 m2.
W przetargu US Navy o oznaczeniu Mi2 V-BAT 128 pokonał wielowirnikowego drona FVR-90 oferowanego przez L3Harris Technologies. Konstrukcja jest ciągle rozwijana i dostosowywana do wymagań różnych odbiorców. Oferowana jest między innymi Royal Canadian Navy w programie ISTAR (Intelligence, Surveillance, Target Acquisition and Reconnaissance) czy US Army w programie FTUAS (Future Tactical Unmanned Aircraft System). V-BAT był także oferowany Marynarce Wojennej RP w programie Albatros, gdzie mierzył się ze znacznie większymi maszynami konkurecji.
Już dziś można zaryzykować stwierdzenie, że aparaty latające w konfiguracji tail-sitter czeka wielki powrót. W najbliższych latach możemy spodziewać się popularyzacji tego typu konstrukcji, tym bardziej, że rozwój napędów i systemów sterowania pozwolił przezwyciężyć te problemy, które uniemożliwiły niegdyś rozwój wielu skądinąd bardzo obiecujących konstrukcji.
Jacek Zbierski
Bibliografia:
Calvert, D.J.: VTOL aircraft: The story of vertical flight, Aviation Archive Series, 2017
Winchester J. (red.): Concept aircraft, prototypes, x-planes, experimental aircraft, The Aviation Factfile, 2005
Ginter S.: Convair XVY-1 Pogo, Naval Fighters, nr 27, 1994
Ginter S.: Lockheed XFV-1, Naval Fighters, nr 32, 1996
Miller J.: The X-planes: X-1 to X-45, 2001
Zichek J.A.: Convair Class VF Convoy Fighter: The Original Proposal for the XFY-1 Pogo, 2017
aerovel.com
airandspace.si.edu
bellflight.com
darpa.mil
nasa.gov
shield.ai
teslauniverse.com
artykuł pochodzi z wydania 1/2 (184/185) styczeń/luty 2023
