Boj o vertikálu

MICHAL HAMŠÍK  |  Technika

Velmi brzy poté, co se do vzduchu vzneslo první letadlo těžší vzduchu, začali konstruktéři přemýšlet, jak zkrátit nebo úplně eliminovat rozjezdovou dráhu. Vlastně se dá říci, že už dávno předtím se takové úvahy objevily. Na papír se dostalo mnoho bizarních nápadů, trvalo však velmi dlouho, než se výroby dočkaly skutečně prakticky použitelné stroje.Nejvíce zaujala myšlenka svislého vzletu a přistání vojáky. Stroj, který může létat odkudkoli, je mnohem méně zranitelný, je nezávislý na vzletových drahách ohrožených prvním úderem, dá se snadněji skrýt před zraky nepřátel, může přistát poblíž bojiště k přezbrojení apod.

Jako první se svisle do vzduchu dostaly vírníky a vrtulníky. Posledně jmenované dnes létají běžně, nejsou to však letadla v pravém slova smyslu, a proto se ani neřadí do kategorie, kterou označujeme zkratkou VTOL (Vertical Take-Off and Landing, tedy svislý vzlet a přistání).Vrtulník dosahuje oproti letadlu poměrně malé dopředné rychlosti, jejíž zvyšování naráží na aerodynamické a mechanicko- konstrukční bariéry. Zdánlivě je to snadné – do vrtulníku se instaluje další motor, ať už vrtulový, proudový nebo jiný pro vodorovný let.

Avšak rotující listy nosného rotoru vrtulníku dosahují na každé straně jiné relativní rychlosti vůči směru pohybu, takže při vyšších dopředných rychlostech dochází k odtrhávání proudění od listů, až nakonec celý stroj ztratí vztlak. Různé experimentální helikoptéry proto dosáhly rychlosti nanejvýš kolem 500 km/h a nedá se předpokládat, že by bylo možné tuto hranici nějak zásadně zvyšovat.To je také důvod, proč i po zavedení vrtulníků vznikaly nové a nové projekty VTOL letadel, které měly spojovat výhody vysoké rychlosti a svislého vzletu a přistání. Celá historie tohoto úsilí by vydala na samostatnou knihu, proto se podívejme jen na několik konkrétních typů, které jsou z nějakého důvodu zajímavé a reprezentují různá řešení VTOL.

Weserflug P.1003/1

Boj o vertikálu

V roce 1938 vznikl u německé firmy Weser zajímavý projekt, který předběhl svou dobu. Weserflug P.1003 byl letoun se sklopným křídlem, takzvaný konvertoplán, který měl mít svislý vzlet a přistání jako vrtulník a poté se křídlo s vrtulemi mělo překlopit dopředu pro vodorovný let, jako u běžného letadla. Pohon měl obstarávat motor Daimler-Benz DB 600 s převody na obě vrtule. A právě tato složitá soustava ozubených soukolí představovala spolu s ovládáním velký technický problém z hlediska výroby i spolehlivosti, takže se letoun nikdy nedostal dál než do stadia výkresů.

Myšlenka konvertoplánu byla ovšem po válce dále rozvíjena, vzniklo i několik prototypů, z nichž jeden je představen dále (EWR VJ 101). Někdy bylo překlápěno celé křídlo, jindy jen motory. Skutečně praktické realizace se však uvedená koncepce dočkala až poměrně nedávno v podobě Boeingu V-22 Osprey.

Vought V-173/XF5U-1

Boj o vertikálu

Na letounech VTOL pracovali ve 30. letech 20. století i v USA. Jedním z nich byl Vought V-173 Skimmer, zvaný také příhodně Flying Pancake (Létající lívanec). Neobvyklý stroj navržený C. H. Zimmermannem byl postaven ze dřeva a překližky, měl křídlo téměř kruhového půdorysu a dvě vrtule o velkém průměru. Letadlo mělo startovat ve svislé poloze a poté plynule přejít do vodorovného letu.Po počátečních problémech s vibracemi V-173 konečně vzlétl v listopadu 1942.

Brzy se ukázalo, že stroj má nečekaně dobré letové vlastnosti i ovladatelnost a za vhodných povětrnostních podmínek je skutečně schopen svislého vzletu. Zároveň mohl díky neobvyklé konstrukci křídla vyvozující velký vztlak letět mimořádně pomalu (kolem 30 km/h) a přistát v normální vodorovné poloze téměř na místě.

Myšlenka se tedy ukázala jako slibná, a tak vývoj pokračoval v podobě letounu Vought XF5U-1. Ten byl již celokovový, mnohem těžší a vybavený podstatně výkonnějšími motory Pratt and Whitney R-2000, které mu teoreticky měly umožnit dosáhnout rychlosti více než 800 km/h. Na konci války však americké námořnictvo (předpokládaný uživatel) již nemělo zájem o další vývoj vrtulových letadel a své naděje upřelo k proudovým strojům, proto byl celý projekt v březnu 1947 zrušen.Zničena byla i většina dokumentace. V-173 je dnes vystaven ve Smithsonian National Air Museum ve Washingtonu, zatímco XF-5U byl sešrotován. Škoda, třeba někdo někdy tuto nadějnou ideu zase opráší.

Convair XFY-1 Pogo/ Lockheed XFV-1 Salmon

Boj o vertikálu

Ačkoli výše uvedený projekt byl zrušen, později se US NAVY opět k vrtulovým strojům vrátilo a roku 1951 vypsalo soutěž na palubní VTOL letoun.Convair se jí zúčastnil v podobě nezvykle vypadajícího prototypu XFY-1 Pogo, dokončeného roku 1954 a poháněného turbovrtulovým motorem s dvěma protiběžnými vrtulemi. Obdobně jako XF5U startoval ve svislé poloze, stejně tak ovšem probíhalo i přistání. V principu tedy měl svislý vzlet, přistání i normální let zajistit pouze dostatečně silný motor, aniž by křídlo svou konstrukcí zvyšovalo vztlak nad běžnou míru. Šlo tak vlastně o krok zpět. Během testů se navíc ukázalo, že přistání je velmi problematické, neboť pilot se při něm musel ohlížet za sebe (tedy dolů), odhadovat vzdálenost od země a přitom manipulovat s ovládacími prvky. Ani letové vlastnosti nebyly nijak oslňující a objevilo se mnoho problémů, a tak byly veškeré práce na projektu v srpnu 1955 ukončeny. V listopadu 1956 se Pogo dostal ještě jednou (naposled) do vzduchu a roku 1973 jej přemístili do National Air and Space Museum v Silverhillu, kde reprezentuje slepou vývojovou větev letecké evoluce.

Konkurenční Lockheed XFV-1 Salmon na tom byl ještě hůře. V principu šlo o velmi podobnou konstrukci, jen problémy byly ještě většího rozsahu a dosažené výkony, kulantně řečeno, neuspokojivé.Zkušební lety prototypu probíhaly od roku 1953 a i když při nich několikrát došlo k přechodu z horizontálního do svislého letu, stroj nikdy svisle neodstartoval.I tento program skončil v roce 1955 jako neúspěšný. Testovaný prototyp najdete v muzeu Sun'n Fun v Lakelandu na Floridě, druhý (nedokončený) u brány letecké základny námořnictva v kalifornském Los Alamitos.

Short SC.1/ Dassault Mirage Balzac a Mirage IIIV

Boj o vertikálu

Jedním z principů zkoušených u VTOL letadel bylo použití více motorů, přičemž některé slouží ke zdvihu, zatímco jiné k dopřednému letu. Toto řešení je jednoduché v tom, že všechny motory jsou pevně instalovány a není nutné řešit relativně složitý systém vektorování s ohledem na stabilitu atd. Problém ovšem je, že při vodorovném letu zabírají zdvihové motory cenné místo a tvoří tzv. mrtvou zátěž, která neúměrně zvyšuje celkovou a snižuje užitečnou hmotnost letounu.

Jedním z experimentálních letounů na této bázi byl britský Short SC.1. Jednosedadlový stroj s delta křídlem byl vybaven čtyřmi zdvihovými motory Rolls-Royce RB.108, které měly omezenou schopnost naklápění. Pro dopředný pohon sloužil jeden motor stejného typu – už to samo o sobě svědčí o značném nepoměru, kdy jedna pohonná jednotka musí při normálním letu nést další čtyři, v tu chvíli nefunkční.K manévrování na místě sloužily ještě menší trysky, odebírající asi 10 % tahu zdvihových motorů. SC.1 byl prvním VTOL letounem na světě, který k řízení využíval systém „fly-by-wire“.

Prototyp poprvé vzlétl v dubnu 1957, v květnu následujícího roku uskutečnil první svislý vzlet. Plynulý přechod mezi oběma režimy se však podařil až v dubnu 1960. Vznikl i druhý prototyp, ale roku 1963 se v něm při havárii zabil pilot. Letoun byl však k dalším testům následně opraven.Ačkoli Short SC.1 sloužil jen jako výzkumná platforma a nevznikl z něj žádný sériový stroj, poskytl mnoho cenných poznatků pro výzkum, které pomohly mimo jiné i při vývoji slavného Harrieru. Létal více než 10 let, než se dostal do Vědeckého muzea v Londýně (1. prototyp), respektive do muzea nedaleko Belfastu (2. prototyp) v Severním Irsku, kde byl vyroben.

Podobnou koncepci zdvihových motorů zkoušeli i francouzští technici firmy Dassault-Breguet. Jejich těžké a komplikované stroje Mirage III Balzac a Mirage IIIV s osmi zdvihovými motory však cimrmanovsky ukázaly „tak tudy ne, přátelé“. Záměrem byla stíhačka schopná kolmého startu a přistání a zároveň letu rychlostí Mach 2. Kvůli obrovské spotřebě všech motorů však letoun nikdy svisle neodstartoval a neletěl nadzvukovou rychlostí během téže mise. Po několika smrtelných haváriích byl další vývoj v roce 1966 zastaven.

Bell X-14

Boj o vertikálu

Stejně jako jiné VTOL prototypy i Bell X-14 vypadal velmi podivně, neřkuli komicky.Byl částečně postaven z použitých dílů letadel Beech Bonanza a Mentor, měl otevřenou kabinu a poněkud připomínal domácí garážovou konstrukci šíleného kutila. Na rozdíl od jiných však skutečně ukázal cestu, která vedla až k vývoji použitelného stíhacího letounu se schopnostmi VTOL.

Tajemství totiž tkvělo v pohonu – dva pevně uložené proudové motory byly vybaveny vektorováním tahu, revoluční technologií, která našla později uplatnění jednak u VTOL letounů Harrier či Jakovlev, ale i u moderních stíhaček.Vektorování v zásadě spočívá v natáčení trysek a směrování výstupního proudu motorů. Při startu směřují trysky dolů, po dosažení požadované výšky se plynule natočí a letoun přejde do klasického letu. Prototypu X-14 se to poprvé podařilo 24. května 1958.

Ačkoli maximální rychlost letounu byla jen asi 290 km/h, létal velmi uspokojivě a poskytl mnoho cenných dat. Jako testovací stroj NASA, která jej mimo jiné využívala ke studiím přistání na Měsíci, sloužil až do roku 1981, přičemž byl mezitím vylepšen na verze X-14A a X-14B. A nebýt tvrdého přistání, možná by létal dodnes… Bell X-14 měl být nakonec sešrotován, ale soukromému sběrateli z Indiany se jej podařilo zachránit. Dnes na něm probíhají renovační práce.

EWR VJ 101

Boj o vertikálu

Společnost EWR vznikla v Německu koncem 50. let 20. století jako společný podnik firem Heinkel, Messerschmitt a Bölkow za účelem výroby stíhacího letounu s charakteristikou VTOL. Navržený stroj VJ 101 vycházel z předchozího výzkumu všech zmíněných výrobců. Měl nahradit americký F-104G Starfighter a jeho trup vycházel z tohoto letounu.

Pohon byl však zcela jiný, sestával ze dvou otočných motorů na koncích křídel a dalších dvou zdvihových motorů v trupu. Byly postaveny dva prototypy, označené X-1 a X-2. První z nich zahájil zkoušky v roce 1963 a během zkušebních letů překonal jako vůbec první VTOL letoun rychlost zvuku. Druhému prototypu se 29. 7. 1964 dokonce podařilo dosáhnout nadzvukové rychlosti bez přídavného spalování, což se stalo běžným až u nejmodernějších stíhaček současnosti.Ačkoli první prototyp o něco později havaroval v důsledku poruchy autopilota, celý projekt vypadal velmi nadějně.

V plánu bylo dosáhnout rychlosti Mach 2, nicméně v roce 1968 byl celý program zrušen z finančních a politických důvodů. Dochovaný letoun je k vidění v Deutsches Museum v Mnichově. Podobný osud, včetně deponování do téhož muzea, potkal další německý prototyp VAK 191B konsorcia VFW (Focke-Wulf, Weser a Heinkel, později součást firmy Fokker). Ten však využíval jiný princip, vektorování tahu, doplněné o dva pomocné zdvihové motory.


Historie pokusů a omylů

1493 Renesanční génius Leonardo da Vinci navrhuje létající aparát, pracující na principu Archimedova šroubu. Z pohledu dnešní klasifikace nejde ovšem o VTOL letoun, spíše by šlo označit jej jako předchůdce vrtulníku.

1928 Získává Nikola Tesla patent na kolmo startující letadlo typu koleoptéra, ke kterému podal přihlášku už roku 1921.

1930 George Lehberger si nechává patentovat návrh letounu s překlopnými křídly.

1937 Ikarus/Žučenko Aerostatoplan, v Jugoslávii postavený prototyp konvertoplánu ruského konstruktéra Žučenka, se kvůli slabému motoru ale nevznesl.

1938 Weserflug P.1003/1, projekt konvertoplánu. 1939–1945 S postupujícími spojeneckými útoky je ničeno jedno německé letiště za druhým, takže Němci pociťují potřebu stroje startujícího svisle z jakéhokoli vhodného místa. Zejména ke konci války vzniká obrovské množství VTOL projektů (např. Heinkel Wespe, Heinkel Lerche, Focke-Wulf Triebflugel aj.), avšak žádný z nich se již nedočká realizace. Výjimkou je pouze Bachem Ba 349 Natter, svisle startující raketový letoun.

1942 Vought V-173 Skimmer 1953 Rolls-Royce TMR (Thrust Measuring Rig), úspěšné zkušební zařízení, které prorazilo cestu pro další britský vývoj proudových VTOL. Pohon dvěma proudovými motory R-R Nene.

1953 Koleoptéra Lockheed XFV-1 Salmon 1954 Vzniká ve firmě Convair koleoptéra s deltovitým křídlem nazývaná XFY-1 Pogo. 1955 Bell XV-3, experimentální konvertoplán 1957 Short SC.1

1958 Bell X-14 1959 SNECMA C.450 Coléoptere, francouzský prototyp koleoptéry s prstencovým křídlem 1960 Hawker Siddeley P.1127, předchůdce Harrieru

1962 Dassault Mirage Balzac 1963 Jakovlev Jak-36

1963 EWR VJ 101

1965 Dassault Mirage IIIV Vektorování tahu Vektorování tahu (Thrust Vector Control, TVC) se v současnosti přetřásá hlavně v souvislosti s moderními stíhacími letouny a jejich manévrovatelností. Původně však byla tato technologie využita právě u letounů VTOL/STOL. V principu jde o vychylování proudu výstupních plynů motoru. Například u v článku zmíněného Harrieru se čtyři boční zdvihové trysky mohou vychýlit směrem dolů o více než 90°, což umožňuje visení letounu, couvání, manévrování na místě apod. U stíhacích letounů bývá vektorována hlavní výstupní tryska (resp. trysky) na zádi stroje.

Oproti VTOL aplikacím jde o vektorování plynů o mnohem větší rychlosti i teplotě, proto je to náročnější oříšek. Existují různé druhy těchto trysek. Výzkumu na tomto poli se hodně věnovali a stále věnují Rusové. Základní je tzv. plochá dvojrozměrná tryska, umožňující vychylování jen ve svislé rovině (nahoru a dolů), vedlejším efektem je bohužel snižující se výkon motoru (kvůli prudké změně v proudění plynů). Dokonalejší kulatá tryska je již „trojrozměrná“, tzn., že díky ní se může výstupní proud natáčet libovolným směrem a téměř bez ztráty výkonu. Její konstrukce je ovšem konstrukčně, technologicky i materiálově velmi náročná.

Poprvé se tyto problémy podařilo vyřešit Rusům, jak se ukázalo v roce 1996 při představení letounu Suchoj Su-37 s motory AL-31FN. Dvojrozměrnou tryskou je vybaven například americký F-22 Raptor, trojrozměrnou používá Eurofighter Typhoon. Ruské stíhačky Suchoj a MiG mohou mít většinou dvoj- i trojrozměrné trysky, podle přání zákazníka. Do výzbroje v budoucnu (snad) zaváděný F-35 sice vektorování tahu má, ale jen pro svislé přistání, ne pro manévrový boj.

1967 Hawker Siddeley Harrier 1967 Dornier Do 31, pokusný transportní proudový VTOL letoun 1971 Jakovlev Jak-38 1971 VFW VAK 191B

1972 První let Aerodyne konstruktéra Alexandra Lippische

1976 Sikorski S-72, hybrid vrtulníku a letounu s pevným křídlem 1977 Bell XV-15, experimentální konvertoplán 1978 AV-8B Harrier II

1987 Jakovlev Jak-141

1989 Bell/Boeing V-22 Osprey, první konvertoplán zařazený do výzbroje 2003 Bell/Agusta BA609, prototyp americko-italského civilního konvertoplánu (vývoj pokračuje) 2006 F-35 Lightning II

Nejčtenější