Pierwszy prototyp średniego bombowca Ju 287 V1 w hangarze nr 4 na lotnisku w Brandis. Samolot nie posiada jeszcze zamontowanego podwozia.
krzydła stanowią główny zespół płatowca, ponieważ wytwarzają siłę nośną niezbędną do tego, aby uniósł się on w powietrze. Mają również decydujący wpływ na opór aerodynamiczny statku powietrznego. Z tego względu projektując samolot każdy konstruktor musi rozwiązać problem właściwego doboru kształtu skrzydła wraz z jego parametrami aerodynamicznymi, wytrzymałościowymi i geometrycznymi. Przed 1945 rokiem dominującym rodzajem skrzydeł stosowanym w lotnictwie były skrzydła proste o średnim lub dużym wydłużeniu, zapewniające zdolność do osiągania dużych współczynników siły nośnej nawet przy małych kątach natarcia. Dzięki temu inżynierowie mogli w dużym zakresie zwiększać obciążenie jednostkowe, a co za tym idzie – zmniejszać wymiary i ciężar skrzydeł bez istotnego wpływu na zwiększanie prędkości startu lub lądowania. Monopolistyczna pozycja tego wariantu skrzydeł spowodowana była również bardzo szeroko rozpowszechnionym napędem śmigłowym, uniemożliwiającym osiągnięcie w locie poziomym prędkości przydźwiękowych oraz dźwiękowych i poznaniu przez to zjawisk temu towarzyszących, a także łatwością ich produkcji, mechanizacji i napraw.
Pod koniec lat 30. i na początku lat 40. XX wieku w Niemczech doszło do gwałtownego rozwoju lotniczych napędów odrzutowych, w efekcie czego dużemu wzrostowi uległa prędkość samolotów. Wyszła wówczas na jaw także główna wada skrzydeł prostych, bardzo ograniczająca ich użycie w maszynach latających przy poddźwiękowych (i wyższych) prędkościach. Polegała ona na gwałtownym, niekontrolowanym wzroście współczynnika oporu po przekroczeniu pewnych około-dźwiękowych zakresów prędkości. Oznaczało to, że przekroczenie bariery dźwięku przez samolot odrzutowy wyposażony w te skrzydła w locie poziomym byłoby wprawdzie możliwe ale wyłącznie w sytuacji, gdyby dysponował on bardzo dużym nadmiarem ciągu. Ponieważ niemieckie silniki odrzutowe z okresu II wojny światowej w żadnym wypadku nie dysponowały takim zapasem, o przekroczeniu prędkości dźwięku nie mogło być nawet mowy. Wadą skrzydeł prostych było również powstawanie w pewnym zakresie prędkości przydźwiękowych zjawiska, w którym następowała najszybsza i największa zmiana położenia środka parcia, niezwykle trudna do skompensowania przez pilota przy użyciu steru wysokości.
Na początku lat 40. podczas prac nad samolotami odrzutowymi i za sprawą prób prowadzonych w tunelach aerodynamicznych niemieccy inżynierowie zauważyli, że skrzydło o dodatnim skosie jest optymalnym kształtem płata potrzebnym do osiągania prędkości przydźwiękowych, czyli znacznie ułatwiającym to zadanie. Zwrócili także uwagę na fakt, że z owym skrzydłem, w zależności od wartości skosu krawędzi natarcia, pojawiały się mniejsze bądź większe problemy, które jednak w większości przypadków można było wyeliminować lub przynajmniej zmniejszyć ich negatywne oddziaływanie na samolot poprzez właściwy dobór kąta tego skosu. Doświadczalnie udało się potwierdzić, że mankamenty te nasilały się – co do zasady – nie wraz ze zmniejszeniem, lecz wzrostem kąta skosu i dotyczyły szerokiego, aczkolwiek uznawanego już za wysoki zakresu prędkości.
Arado Ar 234 – pierwszy na świecie samolot bombowy i rozpoznawczy z napędem odrzutowym. Po raz pierwszy wzbił się w powietrze 15 marca 1943 r. Samolot nie miał komory wewnętrznej i 1500 kg bomb przenosił na podwieszeniach zewnętrznych.
Za najbardziej istotne wady skrzydeł skośnych uznano zmniejszone właściwości nośne oraz wyraźnie mniejszą – w porównaniu do skrzydeł prostych – skuteczność funkcjonowania mechanizacji. Zaobserwowano ponadto, że wraz ze wzrostem kąta skosu, zwiększeniu ulega stateczność statyczna poprzeczna, co nie było zjawiskiem pożądanym, ponieważ znacznie utrudniało osiągnięcie odpowiedniej równowagi pomiędzy statecznością kierunkową i poprzeczną samolotu (trudniej było przez to zachować umiarkowany rozkład sił w układzie sterującym). Oczywiście oddziaływanie tego efektu na samolot można było zmniejszyć, lecz wymagało to ingerencji bezpośrednio w jego konstrukcję, a konkretnie w budowę usterzenia. W trakcie badań wyszło także na jaw zjawisko polegające na oderwaniu strumienia powstające przy końcówkach skrzydeł. Było ono o tyle niepokojące, że prowadziło do pogorszenia podłużnej i poprzecznej stateczności samolotu, a także jego manewrowości, ponieważ spadkowi ulegała skuteczność lotek. Podobnie jak wcześniejszą wadę, tę również można było do pewnego stopnia zniwelować odpowiednio projektując skrzydło. Niemieccy inżynierowie z Instytutu Badawczego Lotnictwa – LFA (Luftfahrtforschungsanstalt) odkryli jeszcze jeden defekt związany z zastosowaniem skośnego skrzydła – odchylenie strumienia powietrza za skrzydłem, które w konsekwencji prowadziło do obniżenia efektywności działania usterzenia poziomego, co wywierało wpływ na sterowność samolotu.
Skrzydła o dodatnim skosie oczywiście nie posiadały samych wad. Ich kardynalną zaletą, w znacznym stopniu przyćmiewającą wymienione wcześniej wady było to, że przyczyniały się one do złagodzenia – często istotnego – tzw. kryzysowych zjawisk aerodynamicznych oraz oddalały w czasie początek ich powstania do momentu wejścia samolotu w przedział wyższych prędkości lotu. Skos skrzydeł miał wpływ na zmniejszenie oporu falowego, a wraz ze wzrostem jego kąta zjawisko kryzysu falowego rozwijało się z większą płynnością.
Dużą liczbę wymienionych zalet skrzydeł o dodatnim skosie można również przypisać skrzydłom o skosie ujemnym, a więc takim, jakie zamontowano w samolocie Ju 287. Poza tym, „odwrócone” skrzydła charakteryzowały się dobrymi właściwościami lotnymi przy dużych kątach natarcia, tj. nie odnotowywano występowania zjawiska oderwania strumienia na końcach skrzydeł. Dlaczego zatem na przestrzeni dziesiątek lat znalazły one tylko incydentalne zastosowanie w lotnictwie? Jak wykazały przeprowadzone przez Niemców badania, ujemny skos miał także trudne do przezwyciężenia od strony aerodynamicznej i konstrukcyjnej mankamenty. Przede wszystkim negatywnie oddziaływał on na rozkład obciążenia rejestrowanego wzdłuż rozpiętości skrzydeł w trakcie ich odkształcania. Przy skosie dodatnim odkształcenia gięte skierowane ku górze prowadziły do zmniejszenia kątów natarcia na końcowych przekrojach skrzydeł, natomiast w przypadku, gdy skos był ujemny, kąty te ulegały zwiększeniu. W efekcie w samolocie ze skrzydłami o skosie ujemnym występowało ich dociążenie, a to z kolei skutkowało wzrostem momentu zginającego w przekroju kadłubowym.
Zapobiegnięcie tym negatywnym cechom wymagało od konstruktorów zaprojektowania skrzydeł o wyjątkowej wytrzymałości, wykonanych w dodatku z bardzo lekkich materiałów (których cena zazwyczaj była ekstremalnie wysoka), a także zastosowania skomplikowanej (a przez to drogiej i trudnej w ewentualnej naprawie) mechanizacji. Ponieważ nakład środków i stopień napotkanych komplikacji znacznie przewyższał potencjalne korzyści, firmy lotnicze w zasadzie porzuciły stosowanie skrzydeł „odwróconych” na rzecz tych o skosie dodatnim. Prawdopodobnie jedynym w historii lotnictwa samolotem wyposażonym w ten rodzaj płatów, który znalazł się w użyciu i nie stanowił typowego, „egzotycznego” obiektu eksperymentalnego, był niemiecki HFB-320 Hansa, zaprojektowany w latach 60. ub. wieku w zakładach Hamburger Flugzeugbau.
W okresie międzywojennym rozwój samolotów przeszedł gwałtowny rozkwit. Co rusz ustanawiano kolejne rekordy lotnicze pod względem wysokości, długości i prędkości lotu. W roku 1939 w Niemczech oblatano pierwsze na świecie eksperymentalne konstrukcje o napędzie rakietowym i odrzutowym: Heinkel He 176 (20 czerwca 1939 r.) i Heinkel He 178 (27 sierpnia 1939 r.). Dla wielu inżynierów oraz konstruktorów stało się jasne, że prędkość samolotów wkrótce osiągnie taki poziom, że możliwe staną się loty z szybkością bliską dźwięku lub naddźwiękową.
We wrześniu 1940 r. w Göttingen odbyła się konferencja na której zaprezentowano wyniki badań różnych profili i kształtów skrzydeł przeprowadzonych w tunelach aerodynamicznych Ośrodka Aerodynamiki Doświadczalnej – AVA (Aerodynamische Versuchsanstalt), gdzie symulowano warunki lotu z dużymi prędkościami. Została ona zorganizowana z myślą o praktycznym zastosowaniu przedstawionych informacji, stąd zaproszona publiczność składała się w dużej mierze z osób powiązanych z przemysłem lotniczym i poszczególnymi wytwórniami samolotów, a nie wykładowców akademickich. Wystąpienia pracowników AVA spotkały się z uznaniem zgromadzonych i walnie przyczyniły się do wzrostu zainteresowania tematem aerodynamiki wysokich prędkości wśród wielu inżynierów, nawet tych, którzy nie byli bezpośrednimi słuchaczami odczytów.
Jedną z takich osób był pracujący w zakładach Messerschmitta inżynier Ludwig Bölkow, który z konferencyjnymi prelekcjami zapoznał się w październiku 1940 roku. Jego szczególną uwagę przykuły te wystąpienia, które traktowały o skrzydłach z dodatnim lub ujemnym skosem. Po dokonaniu analizy zawartych w nich danych postanowił on, za zgodą Willy’ego Messerschmitta, przeprowadzić w firmie własne testy mające sprawdzić słuszność wniosków wyciągniętych przez AVA oraz określić metodą empiryczną taką wartość kąta skosu skrzydła, która będzie najefektywniejsza w locie z dużymi prędkościami.
Niemiecki inżynier przeprowadził próby z wieloma kształtami i profilami skrzydeł ze skosami dodatnim i ujemnym. „Odwrócone” skrzydła szybko stały się obiektem jego wzmożonego zainteresowania, ponieważ testowane modele podczas nadmuchu zdawały się zachowywać wyjątkowo stabilne. Po serii testów w tunelu aerodynamicznym Bölkow stwierdził, że optymalny kąt skosu skrzydeł do lotów z dużą prędkością mieściłby się w przedziale od 33 do 38°, z tym jednakże warunkiem, że samolot leciałby nie szybciej, niż Ma=0,9. Po przekroczeniu tej wartości zaczynały pojawiać się symptomy kryzysowych zjawisk aerodynamicznych, których rozwiązanie wydawało się wówczas trudne, ponieważ ich natura była bardzo słabo poznana.
Badaniami Bölkowa bardzo zainteresował się Messerschmitt, który już w tym czasie prowadził prace koncepcyjne nad odrzutowym samolotem myśliwskim znanym później jako Me 262. Pojawił się jednak problem: Messerschmitt miał obiekcje co do tego, czy wyniki badań przeprowadzonych przez jego podwładnego będzie można z powodzeniem wykorzystać przy projektowanych statkach powietrznych. Wynikły one stąd, że Bölkow ze względu na potrzebę skorzystania z aparatury zdolnej wygenerować przez dłuższy okres czasu nadmuch powietrza o bardzo dużej prędkości, miał bardzo ograniczone możliwości co do wyboru infrastruktury. Otrzymał wprawdzie do dyspozycji tunel aerodynamiczny zdolny do zapewnienia wymaganych parametrów, ale posiadał on wymiary wynoszące zaledwie 11x11 cm.
Jego niewielka średnica implikowała przymus zastosowania bardzo małych modeli, które dodatkowo musiały zostać zamontowane w pewnej odległości od ścian urządzenia, aby nie zniekształcać obiegu strugi powietrza, zafałszowując przez to wyniki prób. W efekcie, modele samolotów jakie wykorzystano do testów miały rozpiętość skrzydeł wynoszącą zaledwie 8 cm. Obawy Messerschmitta wiązały się z tym, że nie był on do końca pewien, czy zaobserwowane na tak małych modelach zjawiska aerodynamiczne towarzyszące lotom z wielką prędkością można makro-skalować, gdyż istniało podejrzenie, że przynajmniej część z nich nie towarzyszyłaby pełnowymiarowym samolotom lub miałaby inny charakter.
Niewykluczone było również to, że podczas rzeczywistych lotów pojawiłyby się nowe zjawiska aerodynamiczne, które nie uwidoczniły się podczas testów w tunelu aerodynamicznym. Ponieważ Bölkow nie potrafił udzielić Messerschmittowi jednoznacznej odpowiedzi na zasygnalizowane zastrzeżenia, stąd też zainteresowanie tego drugiego wynikami badań (jak i w ogóle nimi samymi) pod koniec 1940 r. znacznie osłabło.
W grudniu 1941 r. rezultaty pracy Bölkowa, zawarte w wielostronicowym raporcie, znalazły się w firmie Junkers. Dokument początkowo nie wywołał jednak żadnego zainteresowania. Do jego szczegółowej lektury powrócono dopiero kilkanaście miesięcy później, mniej więcej na wiosnę 1943 r., gdy sytuacja Niemiec na frontach stawała się coraz bardziej niekorzystna, a do jej odwrócenia miały przyczynić się nowe rodzaje broni, okraszone zbiorczo w późniejszym okresie wojny propagandowym mianem „Wunderwaffe” (cudowna broń). W tym czasie Hugo Junkers planował budowę – bez żadnego oficjalnego zapotrzebowania zgłoszonego przez Ministerstwo Lotnictwa Rzeszy – RLM (Reichsluftfahrtministerium) – szybkiego, odrzutowego samolotu bombowego wyposażonego w skośne skrzydła i polecił Hansowi Kaulowi (kierownik Departamentu Mechaniki Lotu zakładów Junkers) oraz Hansowi Gropelowi (kierownik Biura Projektowego zakładów Junkers) zapoznanie się z treścią pisemnej pracy Bölkowa, aby dokonać wyboru pomiędzy dodatnim i ujemnym skosem skrzydeł.
Zobacz więcej materiałów w pełnym wydaniu artykułu w wersji elektronicznej >>
Pełna wersja artykułu
Pełna wersja artykułu
Pełna wersja artykułu
Pełna wersja artykułu
Pełna wersja artykułu
