Néhány szó a variaszárnyakról

A repülőgépeket a kezdetektől fogva használják háborúra, és mivel egyrészt egyre bonyolultabbak, másrészt egyre hatékonyabbak lettek, így nem meglepő, hogy mind több és több tudást csoportosítottak e gépek tervezésére.

A 60-as évekre jórészt elérték a magassági és sebességi csúcsot, ami jó volt, csak katonailag lett egyre kevesebb értelme – egyszerűen túl távol kerültek a gépek attól a helytől, amiért tulajdonképpen harcoltak. A hadseregnek olyan gépekre volt szüksége, melyek képesek szélesebb tartományban alkalmazkodni az igényekhez, vagyis nem ember vezette rakétákra volt igény, hanem többfeladatú gépekre.

Izrael 1967-ben írt egy hasznos passzust a légi hadviseléssel foglalkozó könyvekbe – ami úgy fordítható le, hogy a futópályák kiesése esetén is repülni kell, vagyis olyan repülőgépekre volt szükség, melyek képesek rövidtávon fel- és leszállni.
A követelmények kielégítése nem kis fejtörést okozott a mérnököknek. Habár már a II. Világháború alatt próbálkoztak a startrakétával, az nyilvánvaló volt, hogy nem ez az igazi megoldás. A legkézenfekvőbb a szárny körüli ügyeskedés volt, összeházasítani a jó kis- és nagysebességű előnyöket. Nos, habár ilyen szárnyat nem igazán sikerült csinálni máig sem, viszont találtak egy sokkal kézenfekvőbb megoldást – ez lett a változtatható nyilazású szárny.

Honnan is indult?

Már a Második Világháború előtt, 1931-ben a Westland Hill Pterodactyl is képes volt valamilyen szinten szárnymechanizációt végezni. Persze főleg csak trimmeltek vele, de már nem volt teljesen merev a törzs-szárny kapcsolat.

Az ötlettel a II. Világháború alatt is kísérleteztek (például a Messerschmitt Me. Pe 1101), de igazán a Hidegháború idején jutott oda a technika és az aerodinamika tudománya, hogy alkalmazásba is lehessen venni (lásd az előre nyilazott szárnyak hasonló esetét). Az USA az XF-10F-et használta saját útjának kikövezésére, melyet aztán az F-111 formájában tettek harcra alkalmassá. Érdekes módon szinte egyszerre estek neki mindkét oldalon az elv megvalósításának, mivel az előnyök túl biztatóak voltak. Akkoriban ezt egyfajta megváltó megoldásnak tekintették, és sokan meg voltak győződve, hogy a jövőre nézve ez lesz az üdvözítő út a repülőgép-tervezésben. Ez azonban nem így lett, de érdekes módon nem a megoldás elvi hibájával volt baj, a zsákutca sokkal inkább az akkori (és jórészt mai) műszaki és anyagtechnikai problémáknak köszönhető.

Nézzük az ezzel a megoldással készült legfontosabb gépeket, annak tükrében, miért is így épültek.

Amerika

F-14

Az USA birtokolja a repülésrajongók legnagyobb kedvencét, mely az első igazán 4. generációs vadászrepülőgép volt. Itt a variaszárny alkalmazásának igazi oka a fel- és leszállójellemzők javítása volt, nem a manőverező-képesség javítása, hiszen a Tomcat alapvetően egy AIM-54 hordozására szolgáló platform volt – de persze azon is sokat dobott. A nagy és nehéz gép (melyet a pilóták még így is pulyka néven emlegettek leszálló tulajdonságai okán) számára így lehetővé vált a nem túl nagy fedélzeten való üzemeltetés és a nagy teherrel való harctevékenység.

B-1

Az USA akkori csúcsbombázója, ahol a mechanizáció alkalmazásának elsődleges oka a nagy sebesség elérése volt. Mivel a tervek szerint át kellett repülnie az Északi-sark felett, hogy háború esetén felszánthassa a Szovjetuniót, így a gépnek gazdaságos repülési profillal is rendelkeznie kellett – majd a légvédelmi zónába érve Gyalogkakukként kellett sprintelnie.

F-111

Eggyel kisebb kategória, de a cél nagyjából ugyan az, mint a nehézbombázó esetében – rugalmasabb repülési profilok lehetősége. A főleg európai bevetésekre szánt masina a Hi-Lo-Hi profilok igazi mestere volt, nagy hatótávolságát a hatalmas belső üzemanyag készlet mellett főleg ennek köszönhette, ezt pedig hatékonyabbá tette a szárnyak kialakítása.

Szovjetunió

MiG-23

A sokak szerint mellényúlásnak tekinthető gép főleg a nagy sebesség miatt kapta a változtatható nyilazású szárnyat, mivel nem akartak egy F-104 színvonalú koporsót a leszállások tekintetében. Habár nem lett túl sikeres, műszaki szemmel remek megoldásokat tartalmazott.

Szu-24

Az F-111 orosz replikája, nagyjából ugyanaz igaz rá, mint amerikai megfelelőjére, de azzal ellentétben a mai napig a csapásmérő erők egyik legfontosabb egysége.

Tu-22M

A közepes bombázó, névlegesen a Tu-22 továbbfejlesztése az U.S. Navy egyik nagy réme volt. A sebesség, valamint a fel- és leszállójellemzők a variaszárny alkalmazásának okai, melynek nagyszerűen meg is felelt, a mai napig szolgálatban áll.

Tu-160

A B-1 ellenpárja, csak még nagyobb. Nagyszerű repülőgép, jelenleg az oroszok csúcsbombázója, és az is marad még jó ideig.

Szu-17/20/22

Kisméretű vadászbombázó, mely kiváló konstrukció volt. A cél itt is a fel- és leszálló jellemzők javítása volt, ehhez nem is kellett az egész szárnyat elfordítani, így a megnövelt fix szárnytőrészben több hely adódott a fegyverek felfüggesztésére.

Európa

Tornado

Európai összefogásban tervezett, nagyobb tömegben gyártott repülőgép, mely a variaszárny minden előnyére pályázott, hiszen totálisan multifunkciósnak szánták. Habár némi kompromisszummal teljesítette is mindet, később mégis inkább specializálták őket, mint csapásmérő és légvédelmi verziókat.

Ezek természetesen csak a főbb típusok, több másik is készült (mint a Mirage-G, a Tu-28P, stb), de ezek nem annyira jelentősek, hiszen nem gyártották őket akkora számban. Mint látható, hittek benne a mérnökök, de volt mit végiggondolni velük kapcsolatban.

A tervezés néhány szempontja

Lássunk néhány olyan szempontot, melyet érdemes mérlegelni, az ilyen szárnyak alkalmazásba vétele előtt:

• A változtatható nyilazású szárnyak alkalmazásának legnagyobb hátránya a súlytöbblet. Mintegy 4-10% szerkezeti tömegnövekedés jellemző erre az elrendezésre, amit a gazdaságossági számításoknál figyelembe kell venni.
• Szükséges a mozgató mechanika a tömeg egy része. További hátrány, hogy helyet foglal a törzsben (a középvonalban a szimmetrikus mozgatás igénye miatt), így a hajtómű miatt a szívócsatorna fölé vagy alá lehet elhelyezni – ez vállszárnyas vagy alsószárnyas konstrukciót eredményez.
• A felületi terhelést a repülési profilok gyakorisága dönti el. Amennyiben a nagy sebességű repülés dominál, úgy a nagy felületi terhelés a nyerő, amennyiben az alacsony sebességet szeretnénk erőltetni, úgy az alacsony felületi terhelés az ideális.
• A szárny szerkezeti kialakítása miatt a futóművet csak a törzsbe lehet behúzni, ami jelentős hátrány, hiszen egyrészt ez is helyet foglal, másrészt rendszerint növeli a homlokfelületet.
• A mozgatható szárnyrészen a felfüggesztési csomópontok kialakítása nem kicsit macerás. Mivel állandóan megfúvási irányban kell maradniuk, így meg kell oldani az állításukat, ami újabb mechanika beépítését teszik szükségessé, nem meglepő módon újfent súlynövekedést és magasabb meghibásodási faktort generálva
• A szárnyak szerkezetéből, de még inkább a felfüggesztés (elforgatható csomópont) sajátosságaiból adódóan az üzemanyag tárolása nehézkes. Mivel pedig az folyamatosan fogy ki, célszerűtlen is lenne.

Ezeket mind számba kellett venni, majd megfelelő pénzügyi számításokkal is igazolni szükséges, hogy mindez a befektetés kifizetődő, a célok megérik a befektetést. Akkoriban viszont csak a teljesítmény számított, így az előnyök győzedelmeskedtek és a variaszárnyak tömegesen kezdtek elterjedni a 70-es évek magasságában.

A variaszárnyak típusai

A szárnymechanizáció kiterjedtsége nem állandó, az igényeknek megfelelően lehet megválasztani, mekkora részt is akarunk mozgatni. Alapvetően két csoportba oszthatóak ezek a szárnyak, a teljesen hosszukban és a részlegesen elforgatható típusok.

Teljes terjedelmében elforgatható szárnyak: Itt a felhajtóerőt termelő rész teljes egésze mozog, felhajtó erő ezen kívül csak a törzsön és a törzs-szárny átmeneten keletkezik. A legelterjedtebb megoldás, a variaszárnyú gépek többsége ezt a megoldást alkalmazta.
Részlegesen elforgatható szárnak: Itt a szárny fele, vagy attól valamivel nagyobb része mozog, a szárny többi része fix, valamint tartalmazza az elforgási csomópontot. Legismertebb példa erre a hazánkban is aktívan használt Szu-22.

A szárnyak belső felépítése eltérő, de a legjellemzőbb, hogy tisztán a teherviselést szolgálják, egyéb funkciót (üzemanyag tárolás, fegyverhordozás, stb.) ritkán szántak nekik. Belsejüket (ha héjszerkezetek) így valamilyen töltőanyaggal (habok, teherviselő méhsejt szerkezet, stb.) rakták tele, mely kis súlyt jelentett, így a bekötésnek legalább a tömegerőkkel nem kellett megküzdeniük.
Amennyiben nem héjszerkezetű szárnyakra voksoltak, úgy az egy főtartós, segédtartós megoldás kerül alkalmazásra. Ennek előnye, hogy a főtartó végén könnyebb kialakítani a bekötő fület, hiszen az erőhatások java (például a csavarás a borításról a bordák közvetítésével) ezen összegződik.

A bekötésről

Az említett csomópont az egész variaszárny-kérdés legnagyobb buktatója. A szárnyakon keletkezik a légerők többsége, a repüléshez szükséges felhajtóerő, vagyis csupa olyasmi, amit fel kell vennie a törzsnek, egészen pontosan a centroplánnak. A gond abban van, hogy a forgást csak egy forgásponton keresztül képes biztosítani, vagyis az összes erő erre adódik át. Nem nehéz elképzelni, hogy az a felhajtóerő, ami egy ilyen gépet képes felszállásra ösztökélni, mekkora erő is valójában, sok tonnáról van most szól. Mivel pedig a szerkezeti kialakítás adott, így csak egy megoldás marad – nagy és erős csomópont kialakítása.

Innen pedig meg is jött az egész koncepció (jelen pillanatban tapasztalható) Achilles-sarka, ugyanis repülőgépben, ami nehéz, az rossz, nagyon rossz. Márpedig ide acél és titán kell, méghozzá nagy mennyiségben, ami nem csak nehéz, hanem drága is, kispórolni pedig nem lehet. A terhelés pedig – főleg egy manőverező gépnél – akkora, hogy az élettartam jelentősen csökken, nem csoda, hogy ezeknél a gépeknél a repedések ellenőrzését mindig a bekötésnél kezdték. Egy repülőgép szárnya alapvetően nyírásra, hajlításra és csavarásra van igénybe véve, ezek mind együttesen jelentkeznek, átadásuk a bekötő fülecsekről a törzsre a csapon keresztül történik, húzás és nyomás formájában.

A mozgatást minden esetben hidraulika végzi, és meglepő módon ezek a mechanizmusok igen kis tömeggel rendelkeznek. A MiG-23 szárnymozgatást végző rendszere például alig 200 kilogramm.

A jövő

Látható tehát, hogy jelen pillanatban a szilárdsági problémák azok, melyek a megoldás legnagyobb ellenségei. Amennyiben sikerül a jövőben olyan anyagokat találni, melyek alacsony tömeg mellett képesek ezeket az erőhatásokat kezelni, úgy semmi akadálya, hogy ez a megoldás visszakerüljön az aktív alkalmazásba, ha nem is harci repülőgépek területén.

Természetesen újabb irányok is születnek a témában, mint a régóta kutatott aszimmetrikus szárnyak, melyek a terhelésátadás szempontjából igen jók (olyan mintha a szárnyon lógna a repülőgép), de vezérlésük annyira bonyolult (más például a jobba és a balra bedöntés vezérlése), hogy jelenleg még is csak kísérletek folynak velük.

Hogy pontosan mi is lesz a sorsa a mechanizációnak a kérdéses, de az előnyök továbbra is élnek, így a kutatások nem állnak le. Emellett pedig a létező repülőgépek tovább repülnek (főleg orosz oldalon), így nem kell félni, hogy variaszárnyú gépek nélkül maradunk a közeljövőben.

Források

DR. Óvári Gyula – A légi járművek gazdaságosságát és manőverezőképességét javító sárkányszerkezeti megoldások. KGYRMF – 1990