A sorozatgyártás törléséről szóló döntés és annak körülményei, kontextusa után a sorozat rátér a Valkyrie részleteinek ismertetésére, először még az alapvető dolgokkal kezdődően. Az ezt követő, a felhasznált technológia szempontjából nagyon fontos fejezetek bemutatják, hogyan birkózott meg a Valkyrie a nagy sebessége miatti felmelegedésével, és hogy hogyan érte el kiemelkedően hatékonyan ezt a nagy sebességet. A sorozat első része ITT olvasható, míg az előző ITT.
Szerkesztési okokból a két típust (A-12 és B-70) összehasonlító, valamint az alapvető kialakításról szóló fejezet az 5. és a 6. rész között meg lett cserélve.
A B-70 alapvető kialakítása
A benyújtott tervek alapján a végig szuperszonikusan repülő gépekre mindkét gyártó a deltaszárnyat találta a legjobb megoldásnak. Ez 2 Mach vagy afölött világszerte kedvelt megoldás volt, elég a Mirage III-asra, vagy a B-58-asra gondolni. Még nagyobb utazósebességnél még inkább ez volt a helyzet, így ezzel tervezték az XF-103-ast, az A-12/SR-71-est, vagy a Szuhoj T-4 rakétahordozót, és más, szovjet bombázóterveket úgyszintén (utóbbi kettőt lásd később). A szintén az NAA által létrehozott F-108-asnál a kettős nyilazású deltát választották, ilyen értelemben volt némi eltérés a bombázó terveihez képest, de az F-108-asnál nem kizárólag szuperszonikus utazórepülés volt a várt repülési profil. A folyamatosan 3 Mach sebességgel haladó típusoknál mindennél fontosabb volt a légellenállás csökkentése. Ebbe a minél kisebb állásszögű repülés is beletartozott, mivel ez a paraméter nagyban befolyásolja az ellenállás nagyságát. Ezt a bombázók tervein a Boeing és az NAA is kacsaszárnyakkal kívánta megoldani, és nem véletlenül vizsgálta a Lockheed is ezek alkalmazását az A-12-esen. A kacsaszárnnyal biztosított trimmelést kisebb légellenállásúnak számították, mint ha ugyanezt a hatást az elevonokkal kellett volna létrehozni. Ennek oka, hogy a bombázók nagyon hosszú orrára, előre helyezett kacsaszárnyak távol estek a tömegközépponttól, jóval távolabb, mint az elevonok. Azaz, sokkal nagyobb erőkarral fejtettek ki nyomatékot a gépre, ami pedig kisebb felületet igényelt, amin az ehhez szükséges erő ébredt, és azt is kevésbé kellett kitéríteni. Sőt, meg lehetett úgy tervezni az egész aerodinamikát, hogy az utazósebességre optimalizálva, épp itt legyen a lehető legkisebb a kitérítés. A kacsaszárny a transzszonikus tartományon való átjutáskor is segített, amikor a felhajtóerő nyomásközéppontja hátrébb vándorol, és ezt ki kell egyenlíteni. Végül, a leszállásnál a deltaszárnyúakra jellemző, nagy állásszöget is lehetett így csökkenteni, mivel elöl is keletkezett többlet felhajtóerő, tehát, a teljes gép állásszögét kevéssé kellett nagyobb értéken tartani, így az orr is lejjebb került – pláne egy olyan hosszú orrú típusnál, mint a B-70 volt ez érdekes. Az alapvető kialakítás részét képezte a később részletesen ismertetett, compression lift létrehozásához szükséges elrendezés, és a lehajtható szárnyvégek. Utóbbiak extra útirányú stabilitást adtak nagy sebességnél, kisebb függőleges vezérsíkokat eredményezve, azaz ismét csak csökkentve a légellenállást. Összességében is a típus egyik fő jellemzője, hogy annak ellenére is, hogy egyébként hatalmas repülőgépről van szó, a légellenállás minimalizálása érdekében fizikai méretei a lehető legkisebbek. Ebből következik, hogy a tervezés a térfogat felől volt behatárolt, nem elsősorban a tömeget tekintve.
Minden ilyen csökkentésre a B-70-esnek óriási szüksége volt, hogy nagy méretei és a 3 Mach-nál tapasztalható ellenállás mértéke ellenére is gyorsan és messzire tudjon repülni. Egy megfogalmazása ezeknek az ellentmondó követelményeknek az volt, hogy olyan gyorsan kellett, hogy repüljön, mint egy kicsi és könnyű vadászgép, annyi üzemanyaggal, mint egy lassú, nagy és nehéz tankergép, és olyan messzire, mint egy bombázógép. A repülőgéptervezés mindig az ellentmondó követelmények kompromisszumos megoldását jelentette, ami néha egy annyira rendkívüli típussal volt csak megoldható, mint amilyen a B-70 lett.
a vonalas rajzok forrása: Pace belső oldalak
Egy Valkyrie alja valamivel több, mint 2 m magasan volt a földtől. A hossz az orr elején lévő Pitot-csővel együtt 57,61 m, anélkül 56,59 m (a függőleges vezérsík enyhe túlnyúlásával együtt mérve). Az ábrán látható legalsó hosszérték ezeknél nagyobb, mert az a fizikailag a gép előtt lévő, fuselage station 0-tól mért érték (lásd még később). A részletes költségek, amiket az ábra említ, később pontosan szerepelnek majd
Lehajtott szárnyvégekkel és szemből is impozáns még a vonalas rajz is a B-70-esről. Ezek a rajzok a festéssel kapcsolatos információkat is tartalmaznak. A rajzok bloghoz való átszerkesztésében nyújtott segítséget köszönöm Dávid barátomnak!
A megépült két XB-70 a gurulásnál érhette el a legnagyobb tömeget, 245.860 kg-ot. Mivel ezek valójában kísérleti repülőgépek voltak, a felszállást csak nem sokkal, bő 3 tonnával kevesebbel lehetett végrehajtani velük. A leszállási korlátozás a talajfogás okozta, dinamikus terhelés miatt szokás szerint még kisebb, 237.777 kg volt, de a normál tömeget ilyenkor mintegy 134 tonnára várták, fegyverzet és az üzemanyag döntő része nélkül. Az üres tömeg hajtóművekkel, illetve azok nélkül 109.049, illetve 94.031 kg volt.
Ezek az értékek azt jelentették, hogy első felszállásakor a Valkyrie volt a világ legnehezebb repülőgépe, és persze messze a legnehezebb máig, amely elérte a 3 Mach-ot. Az előbbi címet nem sokáig tartotta, mivel az egészen más jellegű Antonov An-22 teherszállító egy éven belül megelőzte.
A számítógépek igénybevételének kezdete a repülőgépek tervezésében – legalábbis az USA-ban – épp a B-70 tervezésének időszakára esett. Az NAA már a kortárs, és szintén nagy – de még milyen nagy! – sebességű X-15 rakétarepülőgép esetében is használt számítógépeket. (Az ezt részletező forrás az IBM 7094 típust említi, de az IBM a maga honlapján azt írja, hogy az alap, azaz korábbi 7090-est is csak 1959 decemberétől használták az ügyfelek. A sorozat fontos szerepet játszott a katonai és a NASA-féle rakétakutatásban is.) A B-70 számára 18.000 óra gépidőt használtak fel, és egy korabeli, NAA sajtóközlemény szerint ez összesen 50 millió lyukkártyát és napi 32 km-nyi mágnesszalagot jelentett bemenetként (nem tudni, hány napon át). Az eredményt a nyomtatók által termelt, napi 3 méter magasságra feltornyosuló papírhalom képezte. Ugyancsak az elsők között volt a program a számítógéppel (numerikusan) vezérelt megmunkáló berendezések alkalmazásában. Az ilyenekkel készített elemek darabszám alapján a B-70 5%-át tették ki. A nagy pontosságú, a végső kialakításnak megfelelő szélcsatornamodelleket 3,5 Mach sebességig tesztelték. Az NAA egyébként azt állította, hogy aerodinamikailag megfelelő lenne a gépe 4 Mach-ig, de ekkor már jelentősen át kéne tervezni a hűtő, nyomást biztosító és a hidraulikus rendszereket is – no meg erősebb hajtóműveket is be kellett volna építeni.
Utóbbit a tervezés korai szakaszában vizsgálták is, lásd az előzőekben.
Tervezés 3 Mach-ra: a felmelegedés kezelése
Az alkalmazott, alapvető megoldások
A rendkívül nehézkes, szárnyas póttartályos tervektől a B-70 végül eljutott egy elegáns, egyben különösen kifinomult repülőgépig. Legyen azonban akármilyen kifinomult is egy repülőgép aerodinamikája, ha akár az így lehetővé váló, nagy sebesség miatti felmelegedést nem bírja ki, akár a légerők hatását, akkor a terv nem sokat ér. Ennek megfelelően ez a terület a B-70 fejlesztésének kiemelt részét képezte.
A tervezés idejére esett a kétszeres hangsebességre képes vadászgépek szolgálatba állításának kezdete. Ezek első képviselői 1958-62 között tűntek fel a világ különböző légierőinél. A korabeli ismeretek és technológia mellett ezek sem jelentettek kis kihívást, például az angolok rettentően megszenvedtek az English Electric Lightninggal, amint erről részletesen szó volt a blog vonatkozó sorozatában. A WS-110A program azonban ennél is sokkal nagyobb feladat volt. Bár addigra a teljesen fémépítés alapvetővé vált, beleértve az alumínium, az acél, és kisebb mértékben már a titán használatát is, a háromszoros hangsebességnél tapasztalható aerodinamikai felmelegedéshez ez nem volt elég. Ha nem akartak úgy járni, mint a szovjetek a MiG-25-össel hamarosan, azaz, hogy a döntően acélból felépülő vadászgép igen nehéz lesz cserébe a hőállóságáért, az anyagtudományokban is már rögtön ipari szinten alkalmazható fejlesztésekre volt szükség.
A MiG-25-ösnél – és elődjénél, a Je-150 családnál – az acélt hagyományos szerkezetekként használták fel. A Valkyrie közvetlen konkurensénél, a Boeing Model 804-esnél ezzel szemben a titán volt a domináns. Sok szempontból ez a tervezet az A-12/SR-71 jóval nagyobb verziójának tekinthető (de teljesen független tervezésű volt). A Lockheed úgy döntött – és erre lehetőséget is kapott – hogy az eredetileg A-12 formában, meglehetősen kis példányszámban gyártani tervezett gépe szinte teljes egészében titánból épüljön meg. Ebből jó minőségű akkoriban kevés volt elérhető, és a megmunkálása is rendkívül nehéz volt az acélhoz, alumíniumhoz, esetleg magnéziumhoz képest. Azzal kapcsolatban csak találgatások vannak, hogy mi lett volna a helyzet, ha a Model 804-4 lett volna a WS-110A nyertese, hiszen ott ugyanezek a nehézségek felléptek volna – és ezek költségvonzata is. Az A-12/SR-71-esnél jóval nagyobb, és a tervek szerint akár 200-300 példányban is építendő bombázónál ezek sokkal komolyabb kérdéssé váltak, mint a kisebb felderítő esetében. Hogy ez számított-e az NAA győzelmét illetően, azt utólag nem lehet megmondani, de nem kizárt. Bár még az ő konstrukciójuk is nagy mennyiségű titánt tartalmazott, ezen kívül elsősorban acélból készült, és nikkel alapú ötvözetekből.
A papíron maradt Republic XF-103 elfogóvadász valamennyire hasonló lett volna az NAA B-70-eséhez, mivel vegyes, acél-titán építést javasoltak, azaz, ezek nagyjából az előzőleg említett, két véglet között helyezkedtek el anyaghasználat szempontjából. A B-70-esbe azonban az acélt nagyrészt nem hagyományos formában építették be, hanem méhsejt szerkezetű panelként. Ez az NAA bombázójának az egyik fontos, technológiai jellemzője volt – de nem újítása, mivel már a B-58-asnál is használták ezt a megoldást.
A fémek és ötvözetek szilárdsága a hőmérséklet függvényében. Bár az acélé (a jelölése balra fent, stainless steel) jobb, mint a titáné (jobbra), de a sűrűséget és az egyéb tulajdonságokat is figyelembe kell venni
(forrás: Facebook)
Az AV/1 összeszerelés közbeni mozgatása során készült képen többé-kevésbé megfigyelhetőek a különféle, alkalmazott fémek, építési anyagok. Lent egy későbbi fázis látható, az orr és más részek is már védőréteggel borítva, de a méhsejtes acél nyaki részek még szabadon látszódnak
Warbird 66. o.
Ami még lenyűgözőbbé teszi az NAA bombázóját, hogy a többi, ilyen teljesítményre képes repülőgéphez képest méreteit és tömegét tekintve is hatalmas, így a fellépő problémákat azoknál nagyobb skálán kellett megbízhatóan megoldani. Azt is érdemes figyelembe venni az NAA által végzett munka nagyságának megítélésekor, hogy egy részben folyamatosan járőrözésen lévő, részben nagyon szigorú időkeretű készenlétben tartott eszközt kellett létrehoznia, ami igen nagy üzembiztonságot követelt meg. Ezzel szemben az említett típusok közül a MiG-25-ösnél például mindkét hajtóművet cserélni kellett egy csúcssebességű repülés után, míg az SR-71 mindvégig megmaradt egzotikus, speciálisan üzemeltethető repülőgépnek. Ezek a tulajdonságaik szöges ellentétben álltak a B-70-essel. Noha nem derült ki, hogy a szolgálatban tényleg annyira megbízható lett volna-e a bombázó, a tervezése során ezt tartották szem előtt.
Az, hogy a prototípusokkal mennyi gond adódott, nem válasz erre a kérdésre, mert egy korlátozott hosszúságú és költségvetésű repülési programot folytattak a nem a tervezett eszközökkel, szerszámokkal gyártott, és egyébként is igen bonyolult repülőgépekkel.
radom: rádióhullámoknak átlátszó borítás; átlátszó felületek: pl. szélvédők, kabintetők, oldalablakok
Study Vol II 24. o. alapján, F-ból átválta, egészre kerekítve
Hogy milyen kihívásokkal szembesültek a felmelegedés miatt, azt jól mutatja a táblázat. Kis túlzással mondhatni, hogy aerodinamikus gépet készíteni nem olyan nehéz, de megfelelő anyagokat találni az egyre komolyabb paramétereknek megfelelően – tömeg (sűrűség), szilárdság, hőállóság, gyárthatóság, költség stb. – az igazán komoly kihívás. Ráadásul, az anyagtudományi előrelépések tudják segíteni leginkább a gázturbinák fejlesztését, amik szintén elengedhetetlenek a jobb repülési teljesítmény és hatótáv elérésében
Anyaghasználat
Bár az NAA is úgy számolt, hogy a szerkezeti szilárdság és a súly aránya a titánból gyártásnál lett volna a legjobb, az üzemanyag viszont jobban melegedett volna így, mert ez a felépítés rosszabb hőszigetelést jelentett. Akár tényleges fizikai okokból, akár mert előnyösebbnek gondolták ezt például az üzemanyag hőelnyelőként való használata szempontjából, a kerozint 149°C alatt kívánták tartani. Ez a titánból készítés esetén plusz szigetelőrétegeket vagy aktív hűtést igényelt volna. Vizsgálták a titán méhsejtes szerkezet használatát is, mely valószínűleg a legjobb lett volna, csakhogy annyira keveset tudtak akkoriban a titán forrasztásáról – mellyel ezeket a paneleket össze lehetett kapcsolni –, hogy ezt túl nagy gyártástechnológiai kockázatnak találták.
A titán már ekkor is rendszeres használata ellenére is messze volt attól, amennyire manapság ismert és alkalmazott anyag a repülőgépiparban, és ezt a helyzetet figyelembe kellett venni a tervezés során.
Mindebből az következett, hogy a B-70 másképp birkózott meg a hőhatással, mint az SR-71. Ez eleve adódott a titán és az acél eltérő tulajdonságaiból, de tervezési megfontolásokból is. Mivel a bombázóknak a készültségi elvárások miatt feltankolva kellett állniuk az idő nagy részében, nem volt megengedhető az üzemanyagtartályok szivárgása. Ezek az SR-71 esetében csak felmelegedett állapotukban, a hőtágulás hatására zártak jól. Ezt minden bizonnyal a JP-6 sem tette volna lehetővé, mivel annak teljesen eltérő összetétele miatt valószínűleg nem volt meg az a tulajdonsága, ami a JP-7 körüli legendárium része, tehát, hogy bele lehet ejteni egy vödör JP-7-be egy gyufát, és nem gyullad ki.
Pace 34. o. alapján
A 3 Mach-nál tapasztalható felmelegedés a B-70 különböző pontjain. A hajtóművek óriási hőtermelése miatt hátul van a maximum, nem például az orrnál vagy a beömlőnél
A felmelegedéssel kapcsolatosan írtakon felül a méhsejt szerkezetű, PH15-7Mo acélból lévő szendvicspaneleket más okokból is használták. A szívócsatornában az akusztikus hatásoknak való ellenállóképesség elsődleges fontosságú tulajdonság volt, amiben szintén jók voltak ezek. Ugyancsak megtartották a sima felszínüket az aerodinamikai erőhatásokkal szemben is, márpedig a légáramlás simasága megint csak kiemelt igény a szívócsatornában. De a szárnyak felületén is, ahol a borítás ezekből szintén jól ellenállt a két tengely mentén is tapasztalható erőknek, szilárd és egyenletes maradt. Az NAA azt is állította, hogy a méhsejtes panelek olcsóbbak és egyszerűen gyárthatóak is lesznek. Ezek viszont nem voltak igazán helytálló kijelentések. Kezdetben gyenge volt a felületek minősége, a simaságuk és a vastagságuk változó volt, az ötvözőanyagok kiváltak, hidrogénnel szennyeződött az anyag, és néha vágás során a szerszámokhoz hegesztődött az anyag. A panelek ára, ha nem is volt nagyobb, mint ha tömör fémmel pótolták volna őket, alacsony biztosan nem lett. A gyártással, és főleg a javítással rengeteg probléma merült fel, leginkább a minőségbiztosítás oldaláról. A felsoroltak azonban határozottan javultak a program előrehaladtával, ezért valószínűleg igaz volt az NAA azon, módosított állítása, hogy legalábbis a tömeggyártás idejére nem lesz több gond a panelekkel, mint más, hasonló képességű szerkezetekkel lenne. A panelek hosszú távú tartóssága, azaz öregedési problémái végül ismeretlenek maradtak, hiszen csak két XB-70 épült, de azért itt sem volt egészen biztosan rendben minden. A hőtágulás ugyanis ezeket is erősen érintette, még akkor is, ha kevésbé, mint más alternatívákat. Ezért, és az aerodinamikai erők miatt, a repülési program során – együtt a hibás festés okozta túlsúllyal – a kis hibahelyek, repedések körül a legfelső fémborítás elkezdett leválni, ami a panel adott esetben jelentős méretű, majdnem az egy négyzetmétert is elérő nagyságú leválásához vezetett. A PH15-7Mo a szerkezeti tömeg 68-69%-át tette ki, azaz mintegy 46,6 tonnát, illetve 1860 m2-t.
Az USAF múzeumában kiállított méhsejtes paneldarab, részben megbontva, hogy a szerkezete jobban látható legyen. Amint a kísérőszöveg is mondja, a fejlesztést elsősorban az Armco Steel Corp. végezte, és ezt a konkrét darabot az Aeronca gyártotta
Graham 89. o.
Az NAA rajza a méhsejtes panelről. A felső réteg volt a borítás, az alatta lévő, vékonyabb a forrasztáshoz szükséges, majd jött a méhsejtes rész (jobbról balra jelölve), és alul ugyanúgy a rétegek, csak fordítva. A többi panellel a kapcsolatot adó, oldalsó elemek is látszanak. A középső rész normál vastagság esetén 50,8 mm-es volt, a rétegek alatta és felette a 0,05 mm-es tartományban mozogtak!
A PH15-7Mo-n kívül PH15 és H-11 acélból épült fel a B-70 nagyobb mennyiségben, továbbá a René-41 és Inconel 718 jelű, nikkel, és nikkel-króm alapú ötvözetből. Az előbbiből borításként, mely a fő funkciója volt – tehát alapvetően nem teherviselő elemként – névlegesen 4974 kg-ot használtak fel a szárnyakon, 4373-at a törzsön („elöl és alul” is), és 433-at a függőleges vezérsíkoknál. Ha hagyományos, tartószerkezetes, lemezként kialakított acélból készültek volna ezek a részek, mintegy 3500 kg plusz súlyt jelentettek volna gépenként. A H-11-ből számos hosszmerevítő készült szilárdsága miatt, és összességében majdnem pont 10 tonnával részesedett a gép súlyából.
Annak ellenére, hogy a leglényegesebb anyag a Valkyrie esetében a méhsejtes acél volt, titánt is nagy mennyiségben használtak fel. Ez leginkább kétféle volt: 4Al-3Mo-1V és 6Al-4V. Ezek a titánötvözetek 1,1-1,7 GPa szakítószilárdságot produkáltak 0,76 és 1,78 mm közötti vastagságú lemezek formájában is. A 6Al-4V-t, melyre 0,030-070 mm-es vastagságot is megadnak, a jó nyomásváltozás-tűrés miatt alkalmazták, ezért az első 18 m-es törzsrészen lehet megtalálni. Szintén elöl, főleg az orrban, illetve több helyen belül vannak a 4Al-3Mo-1V elemek, melyekből a törzskeretek készültek itt, kedvező megmunkálási tulajdonságaira tekintettel. Egyes belső elemek ezeken kívül 7Al4Mo-ból készültek. Különböző források természetesen eltérő adatokat adnak meg a hajtóművek, elektronika, berendezések stb. nélküli tömegszázalékokra. A titán esetében 9% mellett van egy 9,5%-os, továbbá Spivaktól közvetlenül egy 8%-os érték is, mely szerinte 5,44 tonnát tesz ki, 22 ezer különálló elem formájában.
A Navaho, az A3J/A-5 és az X-15 kicsit korábbi, illetve egyidejű fejlesztése és tapasztalatai szintén relevánsak voltak a titánt illetően, a remek tulajdonságokkal bíró fémmel korántsem csak a Lockheed foglalkozott az A-12 számára. Ezért aztán az American Society of Metals az 1959-es, Advancement of Research díját az NAA elnöke, J. L. Atwood kapta. Az időpont azt is jelzi, hogy a tényleges építést mennyivel meg kellett előznie a felhasznált anyagokot illető döntéseknek, és a kapcsolódó kutató-fejlesztő munkának. (A korabeli repülőgépipar tempója mellett ez az egy-két év is elég sok volt.)
Pace 48. o.
A B-70-esek szerkezetéről később lesz még szó. A felhasznált szerkezeti anyagokat mutatja a helyük szerint – és persze nagy vonalakban – az ábra
Nitrogén
A másik, a B-70 felmelegedésével kapcsolatos, az egész konstrukcióra kiható probléma az üzemanyagtartályok berobbanásának veszélye volt. A tartályterekben a folyadék halmazállapotú rész feletti légtérben lévő oxigén elég lett volna ahhoz, hogy a hőmérséklet miatt a kerozin gőze berobbanjon. Ez még a sokkal kevésbé párolgó JP-7 esetén is gond volt, és a JP-6 ebből a szempontból rosszabbul teljesített. Ugyanakkor, valószínűleg épp azért, mert a JP-7-esnél is kellett egy semleges nitrogéngázt bejuttató rendszer, ezért mindegy is volt, hogy a JP-6 kevésbé biztonságos volt ebből a szempontból. Viszont, ahhoz hogy a nitrogénpárna megmaradjon, és ne szökjön el gyorsan, nagyon jól tömített tartályokra volt szükség. A nitrogént folyékony formában tároló tartályok térfogata be is határolta, hogy milyen hosszan maradhatott a gép a levegőben, mert az utánpótlás elfogyása után lassan a környezeti levegő vette át a helyét. Amíg a HEF-3 alkalmazása tervben volt, a semleges gázzal való feltöltöttség még fontosabb lett volna. A B-70 tartályainak falait közvetlenül a szerkezeti elemek alkották (integrál kialakítás), ezért ezek illesztései befolyásolták a tömörséget, miközben a hőtágulás, vibráció, öregedés, különféle, a repülésből eredő terheléseket ezekre is hatottak, deformálták őket.
Tervezés 3 Mach-ra: aerodinamika
Fordítva is igaz: hiába bírja ki a szerkezet a durva felmelegedést nagy sebességnél, ha utóbbit valamilyen okból nem lehet elérni, akkor feleslegesnek bizonyul a program. Amellett, hogy megfelelő tolóerőre van szükség, az igazán korlátozó tényező a légellenállás. Ez 3 Mach-nál hatalmas visszafogó erőt jelent, pláne egy akkora repülőgépnél, mint a Valkyrie. A hosszan előrenyúló orr mellett a deltaszárny alkalmazása is kézenfekvő választásnak bizonyult. Ezek pontos megtervezése sem volt ugyan kis feladat, de az NAA által alkalmazott trükk mégsem ezekben keresendő, hanem a compression lift kialakításban.
A jelenséget a korábban, a tervezésnél már említett NASA tanulmányban írták le. Eszerint, a közegbeli hangsebességnél gyorsabban haladó test egy lökéshullámot hoz létre, mivel – a szemléletes, egyszerűsített magyarázat szerint – a közeg részecskéi már nem tudnak kitérni elég gyorsan a test elől. A lökéshullám kezdőpontja egy repülőgép esetében természetesen az orrnál van, de számos, további hullámfront is kialakul ott, ahol elég éles szögben kapcsolódnak egymáshoz a szerkezeti elemek. Tipikusan ilyenek a szárnyak, a beömlők, vagy a vezérsíkok. Egy lökéshullám majdnem szakadásszerűen változtatja meg a közeg jellemzőit, többek közt a hőmérsékletét és nyomását. Az általa közrefogott térrészben a nyomás nagyobb lesz, mint kívül – intuitív módon is nyilvánvaló, hogy mondjuk fordítva ez nem képzelhető el. Továbbá, a lökéshullám a sebesség növekedésével egyre kisebb szögben fog létrejönni. Ha tehát egy elég gyorsan, például 3 Mach sebességgel haladó testről van szó, akkor – legalább – egy, viszonylag kis nyílásszögű lökéshullám keletkezik, elég nagy nyomásnövekedést produkálva. A lökéshullám térbeli helyzetéhez – egy bizonyos, konkrét sebességnél, vagyis nyílásszögnél – hozzá lehet igazítani a test, vagyis a repülőgép fizikai méreteit egy adott síkban. Ez természetesen a vízszintes sík, mivel a cél a felhajtóerő, amit a nyomás okozta erő hoz létre a repülőgép aljára hatva. A pontos hozzáigazítást, úgymond lefedést a szárny révén lehet megoldani.
A B-70 szélcsatornamodellje Schlieren technikával készült felvételen, mely megmutatja a hullámfrontokat
A compression lift a legegyszerűbb fizikai alapelvekre épül, amint azt az eredeti NASA tanulmány, és az abból származó ábrák is bemutatják. Ha egy folyamatosan növekvő átmérőjű forgástest, tehát egy, a nagy sebességhez közel ideális alakú test halad egy közegben, akkor ennek és a közegnek a kölcsönhatása a vízszintes sík alatt felhajtóerőt hoz létre végső soron, afelett viszont ezzel ellentétes, és azonos erőt. Ezek kioltják egymást, ezért kell eltüntetni a felső részt. Ez látszik szemből a rajzon
A lökéshullám által bezárt terület kihasználása felülről nézve ilyen. A lökéshullámot a közegben haladó test szárny nélkül is létrehozza maga körül, az orrától indulóan. Ez a Mach-kúp. A repülőeszköz szárnyát azonos méretűre és alakúra képezik ki, hogy megakadályozza a tehát létrejövő nyomáshullámból következő nyomáskiegyenlítődési folyamatot. A Mach-kúpon kívüli részbe felesleges belelógnia a szárnynak, a vizsgált szempontból már csak plusz légellenállást okozna (és egyébként stabilitási gondokat is)
Tovább finomítva a vizsgálatot, a vízszinteshez közeli erők már egészen minimális függőleges komponenssel rendelkeznek, tehát jó lenne ezt valahogy növelni. Ezt a felső és az alsó rész „közé” helyezett szárny végeinek lehajtásával lehet elérni, de ez ténylegesen nem lesz túl nagy nyereség – amint ez kiderült az XB-70 repüléseiből is. A kizárólag a fentiekre figyelemmel elkészített repülőeszköz úgy nézne ki elméletileg, mint a lenti rajzon
Az NAA terve esetében a fizikai valóság természetesen kissé módosította az elméletet, ezért nem az orr hegyéről leváló első, hanem egy következő, a pontosan ennek figyelembe vételével kialakított beömlőről leszakadó lökéshullámot használták fel. Az ennek megfelelően lett (felülnézetben) ék alakú, függőleges éllel, a szárny delta alakját elé meghosszabbító szárnycsúccsal. Az ék nyílásszöge pontosan egyeztetve volt a szárny helyével és annak nyilazási szögével. Így a szárny helyzete és nyilazási szöge egybeesett a hullámfronttal, és felülnézetben lefedte a lökéshullám által határolt területet – már attól eltekintve, hogy hátrafelé persze nem végtelen hosszúságban történt ez meg. 3 Mach-nál ez a hullámfront – mint bármelyik másik – megemelte a nyomást, cserébe 2,7 (máshol: 2,3) Mach-ra csökkentette az áramlás sebességét. Ilyen hullámfront viszont természetesen nem alakult ki a gép tetején, amit épp ennek érdekében rendkívül finoman íveltre terveztek. Ezért itt lényegében megmaradt a 3 Mach-os áramlási sebesség, viszont így az áramló levegő nyomásnövekedésével sem kellett számolni. (Részben ezért kellett a mozgatható szélvédő is, hogy a szinte teljesen sima felületen ne törjön meg az áramlás, viszont kis sebességnél mégis ki lehessen látni.) Márpedig, ha egy repülőgép alján nagyobb a nyomás, mint a felső részére ható, akkor az összességében felfelé ható erőt jelent. Ebben az esetben ráadásul a szárnyon keletkezővel szemben, indukált ellenállás nélkül elért erőről van szó.
Ennek tényleges megvalósítása során azért, hogy a compression lift létrejöjjön, egyrészt tehát a gép alsó részén, a beömlőről kiinduló nyomáshullámra volt szükség. Másrészt pedig, hogy a gép felső részén keletkező erők ne oltsák ki az alul létrejövőket, az NAA nem hogy simára tervezte, hanem konkrétan eltüntette a Valkyrie felső részét. Minden, ami nem fért be vagy nem is lehetett a törzs elülső részében, a nyakban – hajtóművek, főfutók, bombatér, szívócsatorna –, az a szárny síkja alá került. Az ilyen formán aszimmetrikussá vált alak ellenére is csodaszép lett a Valkyrie.
A beömlő közelről. Az ék alak, a függőleges elválasztó elem, és a szárny háromszög alakjának előrefelé való meghosszabbítása is látszik (a hegyes csúcs pont nem)
Ez a felvétel jól mutatja, hogy a szárny síkja fölé milyen kis része is került a gépnek: csak a nyaknak nevezett elülső törzsrész. Ennek íve az oldalról készült fotókon sokkal szebb, itt a perspektíva felfedi a törzsvéghez közeledő kilapulását is
Az utazósebességű konfigurációban repülő XB-70. Mivel minden fotó kisebb sebességnél készült, a gép állásszöge kicsit nagyobb a 3 Mach-hoz tartozónál
Az NAA eredeti számításai szerint átlagosan 40 font/négyzetláb nyomásemelkedést okozott a hullámlovas kialakítás. Mivel az XB-70 szárnya végül is 6297,15 négyzetláb lett, beleszámítva a törzs szárnyak által közrefogott részét is, ezért összesen 281.550 fontnak megfelelő erőt generált a típus különleges aerodinamikai megoldása. Ez átszámítva hatalmas szám, 114.251 kg. Természetesen ilyen simán felszorozni valójában nem lehet a két számot, de az szemlélteti a dolog hatását, hogy mekkora felhajtóerő megtermelését spórolták meg – elsősorban – a szárny által. Ez kisebb légellenálláshoz vezetett, mivel a felhajtóerő létrehozása az ehhez kapcsolódóan elkerülhetetlenül létrejövő ellenállással jár. Az NAA mintegy tízezer óra szélcsatornás vizsgálatot végzett, hogy igazolja és finomítsa az elméletet. A gyakorlatban kiderült, hogy a gép súlyának 30%-át egyenlítette ki a compression lift adta erő. Ha az egyszerűség kedvéért az előbbit 240 tonnának feltételezzük, akkor ez 80 tonnának megfelelő erőt jelentett, tehát az elméleti, 114 tonna bő kétharmadát.
A compression liftnek, és a Valkyrie minden más megoldásának köszönhetően annak hatékonysága kiemelkedő lett. Ezt az aerodinamikai jósági tényezővel lehet jellemezni legjobban, mely a felhajtóerő-tényező és az ellenállás-tényező hányadosa (k = CL/CD, ahol L a lift, D a drag rövidítése az angolból). A hányadost alkotó, két tényező minőségi jellegű, dimenziótlan (mértékegység nélküli arány-)szám. Természetesen létezik definíciójuk, de az ismertető szempontjából a lényeg, hogy egy test speciális, a felhajtóerővel és a légellenállással kapcsolatos, egyedi jellemzőit írják le egy-egy számmal. Az aerodinamikai jósági tényező különböző repülési körülmények között (sebességeknél) eltérő lesz, mivel mindkét komponense változik. A legjellegzetesebb talán az ellenállás-tényező megnövekedése szuperszonikus sebességnél, azon belül is a hullámellenállás arányának és nagyságának kiugró növekedése. Nagy sebességeknél az XB-70 aerodinamikai hatékonysága egészen fantasztikus volt, azaz a k értéke nagyobb volt, mint más repülőgépeknek. Ennek valószínűleg döntő része a parazita ellenállás minimalizálása volt, lásd a lenti grafikont. A teljes ellenállás ebből és az indukált ellenállásból tevődik össze. Utóbbi a felhajtóerő létrehozásával járó ellenállás, ami csökkenthető, de meg nem szüntethető. A parazita ellenállás maga is számos, különálló komponensből tevődik össze, többek közt a súrlódási és a hullámellenállásból.
A B-70 aerodinamikai jósági tényezőjét az állásszög függvényében vizsgálva, az a compression lift nélküli érték fele volt (tehát kétszer olyan jó, mint egyébként), és az optimálisnál valamivel nagyobb, de még mindig nem túl nagy állásszögnél is 22%-kal kedvezőbb volt. Magát az állásszöget vizsgálva, amint Spivak írta egy cikkében, az 3 Mach-nál már egyenesen arányos volt a k-val. Mivel a repülőgép felhajtóerő-tényezője kivételesen jó volt, a hagyományos megoldásokhoz képest szükséges 4 fokos állásszög helyett mindössze 2 fokossal repülhetett utazósebességnél. Az előbbi, egyenes arányosságot figyelembe véve ez újfent hatalmas javulást jelentett a k értékében.
Raymer, D. (1992). Design Aircraft: A Conceptual Approach, 298. o.
Az ábráról látható, hogy a kifejezetten szuperszonikus elfogásra tervezett Convair F-106-oshoz, egy egyhajtóműves, de ugyanúgy deltaszárnyú vadászgéphez képest az XB-70 ellenállás-tényezője annak negyede
Ránézésre is hihető, hogy hihetetlen gyors a B-70 :)
A források az utolsó részben lesznek felsorolva, így a most link nélküli képeké is. Folytatás a 7. résszel ITT.
Ha tetszik a sorozat, a PayPalon IDE kattintva tudod támogatni a blogot.
Valószínű most kifejezetten összefügg a konkrét tartalommal, hogy két, nagyobb összegű támogatás is érkezett, amiket ezúton köszönök meg, különösen Máténak! :)
