Pokonanie bariery dźwięku – Chuck Yeager i jego Bell X-1

Historię lotnictwa można podzielić na dwa etapy – okres przed pokonaniem bariery dźwięku i po jej pokonaniu. Aż do połowy lat 40., samoloty osiągały prędkości do 950 km/h, natrafiając wówczas na tzw. barierę dźwięku. Zarówno piloci jak i wielu inżynierów wiedzieli jednak, że można ją pokonać i polecieć szybciej. 14 października 1947 roku amerykański pilot Chuck Yeager pilotujący eksperymentalny samolot Bell X-1 jako pierwszy człowiek w historii pokonał barierę dźwięku.

Geneza

W latach 30. XX wieku rozwój techniki pozwolił na bardzo szybki rozwój lotnictwa. Nowe technologie pozwalały na budowę coraz szybszych i bardziej wytrzymałych maszyn. Jedną z tych technologii był silnik odrzutowy, pozwalający na osiąganie bardzo wysokich prędkości (około 800-900 km/h). Chociaż pierwsze odrzutowce nie były zbyt udanymi konstrukcjami, wybuch II wojny światowej sprawił, że w ciągu zaledwie kilku lat maszyny te pod każdym względem zaczęły przewyższać samoloty z silnikami tłokowymi.

Pod koniec wojny piloci latający na najszybszych ówczesnych samolotach osiągających prędkości 800-950 km/h zetknęli się jednak z nietypowym i wręcz przerażającym zjawiskiem. W trakcie lotów nurkowych z olbrzymimi prędkościami ich samoloty zaczynały wpadać w niekontrolowane drgania, a stery przestawały reagować.

Wielu pilotów zginęło, nie wiedząc nawet, że zetknęli się z tzw. barierą dźwięku. Pod tym potocznym określeniem kryją się zjawiska zachodzące przy lotach z prędkością bliską prędkości dźwięku (przyjmuje się, że prędkość dźwięku w powietrzu na wysokości około 11 km to około 1062 km/h – 1 Mach, chociaż w praktyce wartość ta zależna jest od temperatury).

Zjawisko to zafascynowało konstruktorów lotniczych, którzy postawili sobie za cel pokonanie bariery. Wiadomo było, że jest to możliwe, ponieważ do przekroczenia bariery dźwięku dochodziło np. podczas lotów niemieckich rakiet V2. Problemem było jednak zapewnienie kontroli nad samolotem.

Badania nad nowymi samolotami, które miały pokonać barierę prowadzono równolegle w Niemczech i Wielkiej Brytanii, natomiast w USA aż do połowy lat 40. uznawano, że pokonanie bariery dźwięku nie jest możliwe przy ówczesnej technice.Koniec wojny sprawił, że Niemcy przerwali prace, a wyniki ich badań trafiły w ręce Brytyjczyków, Rosjan i Amerykanów. Co ciekawe, okazało się, że chociaż niemieckie prace były bardzo intensywne (zwłaszcza, że Niemcy jako pierwszy kraj na świecie wprowadził do eksploatacji samoloty odrzutowe – Messerschmitt Me 262), wyciągane wnioski były często błędne.

Amerykański program lotów naddźwiękowych

Amerykanie pozostawali w tyle pod względem badań nad lotami naddźwiękowymi. Dopiero na przełomie 1943 i 1944 roku amerykańska agencja National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) zajmująca się badaniami w dziedzinie aeronautyki utworzyła tzw. Panel Wysokich Prędkości (High Speed Panel), który wspólnie z przedstawicielami lotnictwa wojskowego (Army Air Forces – AAF) rozpoczął program mający na celu zbadanie możliwości pokonania bariery dźwięku.

Początkowo ograniczano się do badań w tunelach aerodynamicznych i rozważań teoretycznych, ale za sprawą Johna Stacka, inżyniera pracującego w Langley Research Center, latem 1944 roku zaczęto rozważać budowę eksperymentalnego samolotu, który miał pokonać barierę dźwięku. Już pod koniec listopada AAF rozpoczęła rozmowy z przedstawicielami zakładów lotniczych Bell Aircraft i McDonnell Aircraft na temat budowy maszyny.

Ostatecznie 16 marca 1945 roku firma Bell podpisała kontrakt z NACA i AAF o wartości 4,27 mln dolarów (współcześnie około 56,3 mln dolarów), w ramach którego miała zbudować w ciągu zaledwie roku 3 eksperymentalne samoloty. Program początkowo otrzymał oznaczenie MX-524, później zmienione na MX-653, a samoloty określano jako XS-1 (później X-1).

Bell X-1

Pracami nad nowym samolotem kierował Robert J. Woods, a w skład jego zespołu wchodzili Paul Emmons, Benson Hamlin, Roy Sandstrom i Stanley Smith. Konstruktorzy uznali, że maszyna musi być skonstruowana jak “pocisk z skrzydłami”. W związku z tym kadłub o długości 9,5 m otrzymał stożkowy, ostro zakończony dziób, z niewystającym kokpitem i bardzo cienkie skrzydła o rozpiętości 8,5 m.

Napęd stanowił silnik rakietowy Reaction Motors XLR-11-RM3, zasilany ciekłym paliwem starczającym na zaledwie kilkuminutowy lot. X-1 nie posiadał przepustnicy, a prędkość zwiększano poprzez odpalanie kolejnych komór spalania. Chociaż X-1 był w stanie samodzielnie wystartować, podczas prób był zawsze wynoszony w powietrze przez specjalnie zmodyfikowany bombowiec B-29 (JTB-29A), a później B-50 (EB-50A.

Pierwsza prezentacja maszyny odbyła się w już w grudniu 1945 roku, a pierwszy lot bez napędu miał miejsce 25 stycznia 1946 roku. Od października próby kontynuowano w bazie Muroc Dry Lake, znanej obecnie jako Edwards Air Force Base. Brali w nich udział zarówno piloci testowi Bella jak i AAF.

Pierwszy lot silnikowy X-1 miał miejsce 9 grudnia 1946 roku. Za sterami zasiadł wówczas Chalmers H. “Slick” Goodlin. W czasie tego i kilku kolejnych lotów utrzymywano prędkość do 0,8 Ma. Na podstawie zdobytych w ich trakcie wniosków przebudowano jeden z prototypów X-1 – zamontowano nowe cieńsze skrzydła i statecznik poziomy

6 sierpnia 1947 roku do grona pilotów testowych latających na X-1 dołączył Chuck Yeager, młody weteran II wojny światowej. Już 29 sierpnia Yeager rozpędził X-1 do prędkości 0,85 Ma, co nie spodobało się jego przełożonym, obawiającym się utraty maszyny. Lot pozwolił jednak na zdobycie dodatkowej, jak się później okazało bardzo przydatnej wiedzy.

Chuck Yeager – właściwie Charles Elwood “Chuck” Yeager, amerykański pilot wojskowy, urodzony 13 lutego 1923 roku. W trakcie II wojny światowej zestrzelił 11,5 maszyn wroga, w tym jeden odrzutowiec Me 262. Po wojnie został pilotem oblatywaczem i ustanowił kilka rekordów prędkości i wysokości lotu. Zmarł 7 grudnia 2020 roku w wieku 97 lat.

Przy większych prędkość zaczęły pojawiać się wibracje, blokujące ster wysokości. Konstruktorzy Bella postanowili więc przebudować stateczniki poziome – zamiast lotek zastosowano całe ruchome stateczniki poziome. Prace zakończono na początku października, a pierwszy lot zaplanowano na 14 października 1947 roku. Na życzenie Yeagera, na samolocie namalowano napis “Glamorous Glennis”.

Yeager nie miał przekraczać bariery dźwięku, ale w trakcie lotu po osiągnięciu prędkości około 0,95 Ma maszyna dosłownie wystrzeliła w powietrze. Obserwatorzy na ziemi usłyszeli huk (tzw. grom dźwiękowy), a X-1 pokonawszy barierę dźwięku rozpędził się do prędkości 1,06 Ma (około 1100 km/h). Tym samym, 14 października 1947 roku Chuck Yeager jako pierwszy  człowiek w historii pokonał barierę dźwięku, stając się najszybszym człowiekiem na ziemi.

Nowa era w lotnictwie

Lot Yeagera był wielkim sukcesem, który natychmiast… zatajono. Amerykanie obawiali się, że informacja o pokonaniu bariery dźwięku, a zwłaszcza o ruchomych statecznikach poziomych pozwoli np. Rosjanom, na zbudowanie samolotu o podobnych parametrach. Szybko okazało się jednak, że zarówno w Wielkiej Brytanii jak i Rosji prowadzone prace również doprowadziły do zbudowania samolotów naddźwiękowych, niezależnie od amerykańskich wyników.

Ostatecznie informacja o pokonaniu bariery dźwięku przez Yeagera wyszła na światło dzienne 22 grudnia 1947 roku za sprawą Roberta B. Hotza, autora artykułu “Bell XS-1 makes supersonic flight”, który ukazał się w czasopiśmie Aviation Week. Co ciekawe, informacja o zastosowaniu ruchomych stateczników poziomych nie wyszła na światło dzienne.

Pokonanie bariery dźwięku było przełomowym momentem w historii lotnictwa. W ciągu zaledwie kilku lat najwięksi producenci samolotów na świecie zaczęli budować coraz szybsze samoloty, a loty naddźwiękowe przestały być problemem.

Bezpośrednim efektem pokonania bariery dźwięku było zbudowanie najszybszego samolotu w historii (SR-71 Blackbird) oraz wysłanie człowieka w kosmos.