Sikorsky R-4 – pierwszy amerykański seryjnie produkowany śmigłowiec

Historia śmigłowców rozpoczęła się w latach 30. XX wieku, równolegle w Niemczech i USA. Rozwijano je niezależnie według nieco odmiennych koncepcji. Punktem zwrotnym w ich historii było pojawienie się w USA  już podczas II wojny światowej śmigłowca Sikorsky R-4. Była to pierwsza tego typu maszyna produkowana seryjnie w USA i wprowadzona do służby operacyjnej w trakcie wojny. Jej kariera była jednak krótka, ponieważ w krótkim czasie zastąpiły ją nowocześniejsze śmigłowce.

Geneza

Lata 30. XX wieku w dziedzinie wiropłatów były okresem dominacji wiatrakowców (autożyro), spopularyzowanych przez hiszpańskiego inżyniera Juana de la Ciervę. Maszyny te, posiadały wirnik nośny oraz silnik z przodu, przez co wymagały tradycyjnego rozbiegu (choć bardzo krótkiego) i nie potrafiły wykonać zawisu w miejscu, co ograniczało ich użyteczność operacyjną. Mimo to, dzięki swoim zdolnościom, do operowania z bardzo niewielkich lądowisk, inspirowały konstruktorów do dalszego rozwoju maszyn tego typu.

Inżynierowie na całym świecie zmagali się jednak z fundamentalnym problemem fizyki: momentem reakcyjnym kadłuba. Gdy wirnik główny obracał się w jedną stronę, kadłub usiłował obracać się w przeciwną. Rozwiązanie tego problemu, bez zbędnego komplikowania konstrukcji, stało się głównym celem wielu konstruktorów. W Niemczech sukcesy w tej dziedzinie odnosił Henrich Focke ze swoim dwuwirnikowym Focke-Wulf Fw 61, który w 1936 roku zademonstrował pełną sterowność. Była to jednak konstrukcja skomplikowana, oparta na układzie dwuwirnikowym, dalej z silnikiem ciągnącym, co czyniło ją trudną w masowej produkcji i eksploatacji. Potrzebna była maszyna bardziej prosta, zwarta i ekonomiczna w produkcji i eksploatacji.

Równolegle i niezależnie od działań Henricha Focke, w USA działał Igor Sikorski, rosyjski emigrant, który w Stanach Zjednoczonych zbudował już prężnie działającą od lat wytwórnię lotniczą Sikorsky Aviation Corporation. Od 1929 roku firma należała do United Aircraft and Transport Corporation. Początkowo Sikorski skupiał się na budowie łodzi latających, oraz próbował swoich sił w innych konstrukcjach. W latach 30. wraz z rozwojem lotnictwa pasażerskiego i pojawienia się całkowicie metalowych maszyn, takich jak Douglas DC-2, rynek uległ jednak zmianie.

Zapotrzebowanie na łodzie latające zaczęło spadać, więc United Aircraft and Transport Corporation podjęło decyzję o konsolidacji swoich biur konstrukcyjnych, w tym Sikorskiego z zakładami lotniczymi Vought Aicraft. W tej sytuacji Igor Sikorski postanowił powrócić do idei maszyn pionowego startu i lądowania, nad którymi pracował jeszcze w Kijowie w 1909 roku. Była to decyzja ryzykowna biznesowo, ale jak się później okazało, bardzo dobra.

W 1938 roku Sikorski przekonał zarząd United Aircraft, by zainwestował w badania nad śmigłowcami. Budżet był skromny, a sceptycyzm w branży lotniczej ogromny. Wielu uważało śmigłowce za technologiczną ślepą uliczkę – maszyny zbyt podatne na wibracje, powolne i niebezpieczne, by kiedykolwiek wejść do powszechnego użytku. Sikorski był jednak przekonany, że nie tylko da się opracować takie maszyny, a także, że będą dysponowały możliwościami, których brakowało samolotom.

Vought-Sikorsky VS-300

Bezpośrednim przodkiem modelu R-4 był eksperymentalny Vought-Sikorsky VS-300. Jego pierwszy lot na uwięzi odbył się 14 września 1939 roku, a za sterami zasiadał sam konstruktor. VS-300 był w istocie „latającą ramą” zespawaną z rur stalowych pokrytych płótnem i napędzaną słabym silnikiem o mocy 75 KM.

Proces rozwoju VS-300 był bardzo skomplikowany i wymagający. Maszyna miała całkowicie eksperymentalny charakter i była wielokrotnie przebudowywana. Początkowo maszyna była skrajnie niestabilna. Sikorski i jego zespół wielokrotnie przebudowywali układ sterowania, eksperymentując z dodatkowymi wirnikami sterującymi na ogonie, zanim ostatecznie powrócili do układu z jednym wirnikiem głównym i jednym śmigłem ogonowym. Zanim jednak powstał ostateczny wariant, Sikorski przetestował 19 różnych odmian konstrukcyjnych VS-300.

Narodziny R-4

Amerykańskie wojsko podchodziło do śmigłowców z rezerwą, ale też z zaciekawieniem. Mimo licznych problemów konstrukcyjnych i świadomości problemów eksploatacyjnych, koncepcja posiadania maszyny zdolnej do pionowego startu i lądowania była bardzo kusząca. 17 grudnia 1940 roku United States Army Air Corps podpisało kontrakt na budowę prototypu oznaczonego jako XR-4 (VS-316). Budżet przeznaczony na ten cel wynosił zaledwie 50 000 dolarów (współcześnie około 1,1 mln dolarów). Nowa maszyna miała być rozwinięciem eksperymentalnego VS-300 pod każdym względem. Śmigłowiec miał być większy, szybszy i bardziej praktyczny.

Tym samym, zespół inżynierów musiał zmierzyć się z przeskalowaniem rozwiązań z małego VS-300 do maszyny dwumiejscowej, zdolnej do wykonywania zadań obserwacyjnych i transportowych. Kluczowym wyzwaniem był napęd. Wybrano silnik gwiazdowy Warner R-500 Super Scarab o mocy 165 KM. Była to jednostka sprawdzona, ale stosunkowo słaba jak na wymagania pionowego startu maszyny, której masa startowa miała przekraczać 1100 kg. Konieczność montażu silnika wewnątrz kadłuba wymusiła również zaprojektowanie skomplikowanego układu chłodzenia oraz przekładni redukcyjnej, która musiała przenieść moc na wał wirnika głównego i wał śmigła ogonowego, jednocześnie redukując wysokie obroty silnika do bezpiecznego poziomu dla każdego z wirników.

Prototyp XR-4 wzbił się w powietrze po raz pierwszy 14 stycznia 1942 roku. Za sterami zasiadł główny pilot doświadczalny firmy, Charles „Les” Morris. Maszyna okazała się znacznie bardziej stabilna niż VS-300, a zamknięta kabina z miejscami obok siebie zapewniała doskonałą widoczność, co było kluczowe dla przyszłych zastosowań wojskowych. Największym testem dla nowej konstrukcji był jednak przelot z fabryki w Stratford w stanie Connecticut do bazy Wright Field w stanie Ohio, gdzie miały odbyć się oficjalne próby wojskowe. W dniach 13-17 maja 1942 roku, Morris pokonał w XR-4 dystans 1225 km w serii krótkich lotów. Śmigłowiec nie był certyfikowany do lotów nocnych ani w trudnych warunkach, a jego prędkość przelotowa rzadko przekraczała 100 km/h. Morrisowi cały czas towarzyszył też samochód z mechanikami i samym Igorem Sikorskim. Co ciekawe, w Wright Field maszynę obejrzał Orville Wright.

Po udanych testach w Wright Field XR-4 został oficjalnie zaakceptowany przez wojsko 30 maja 1942 roku, a już 5 stycznia 1943 roku United States Army Air Forces zamówiło 29 maszyn serii próbnej, oznaczonych jako jako YR-4A (zbudowano jednak tylko 3 maszyny w tej wersji). Posiadały one mocniejszy silnik Warner R-550-1 o mocy 180 KM oraz powiększoną średnicę wirnika o 30 cm. Doświadczenia zebrane podczas ich budowy doprowadziły do powstania ostatecznej wersji produkcyjnej – YR-4B. Różniła się ona szczegółami konstrukcji i nieco dłuższym kadłubem, stając się podstawą do opracowania wersji produkcyjnej. Powstało najpierw 27 śmigłowców w tej wersji (będących kontynuację pierwotnego zamówienia). Następnie w 1944 roku wpłynęło zamówienie na kolejne 100 maszyn, tym razem w wersji seryjnej R-4B. Łącznie do 5 listopada 1944 roku powstało 131 śmigłowców R-4 – prototyp, maszyny serii przedprodukcyjnej i maszyny seryjne.

Wersja R-4B otrzymała silnik Warner R-550-3 o mocy 200 KM, co miało ułatwić bezpieczną eksploatację maszyn w warunkach operacyjnych, zwłaszcza w gorącym klimacie. Mimo wzrostu mocy, śmigłowiec wciąż cierpiał jednak na deficyt osiągów. Problemem było również to, że łopaty wirnika głównego były podatne na odkształcenia pod wpływem wilgoci, co powodowało silne wibracje – zjawisko, które stało się zmorą pilotów R-4.

Dane taktyczno-techniczne (Sikorsky R-4B)

Eksploatacja

Wprowadzenie śmigłowca Sikorsky R-4 do służby przebiegało w dosyć nietypowy sposób. Z racji tego, że maszyny te był całkowitą nowością, oferującą możliwości, których nie miały wcześniej żadne maszyny latające, amerykańska armia i flota uczyły się ich eksploatacji na bieżąco, szukając równocześnie kolejnych zadań, do których się nadają. Był to więc olbrzymi eksperyment, który nie miał konkretnego celu, poza sprawdzeniem możliwości całkowicie nowego typu maszyn. Dowódcy początkowo nie wiedzieli jak wykorzystać maszynę, która latała bardzo wolno i miała udźwig zaledwie jednego pasażera. Jednakże specyfika wojny na Pacyfiku oraz w Azji Południowo-Wschodniej – z ich niedostępnymi dżunglami i brakiem pasów startowych – szybko zweryfikowała przydatność wiropłatów.

Przedseryjne YR-4B i seryjne R-4B trafiły do różnych jednostek, zarówno operujących na lądzie jak i na morzu. Ich zadaniem było przetestowanie śmigłowców i opracowanie koncepcji ich wykorzystania. W US Coast Guard entuzjastą nowej technologii był komandor Frank Erickson. To on forsował koncepcję wykorzystania śmigłowców do ratownictwa morskiego i zwalczania okrętów podwodnych. Kluczowym momentem w karierze Sikorsky R-4 była eksplozja na niszczycielu USS Turner w Zatoce Nowojorskiej, do której doszło 3 stycznia 1944 roku.

Wybuch nastąpił podczas silnej śnieżycy i sztormu, co uziemiło wszystkie samoloty sanitarne. Szpitale w Nowym Jorku dysponowały osoczem krwi potrzebnym rannym marynarzom, ale transport drogą morską był zbyt wolny z powodu wzburzonego morza. Erickson, pilotując R-4, wystartował z bazy na Brooklynie, przeleciał przez zamieć przy niemal zerowej widoczności i wylądował w Battery Park na Manhattanie, by odebrać ładunek osocza. Następnie dostarczył go bezpośrednio do szpitala w Sandy Hook. Ten lot udowodnił, że śmigłowiec może operować w warunkach pogodowych wykluczających użycie samolotów. R-4 testowano również na pokładach statków (m.in. na tankowcu SS Bunker Hill), co dało początek koncepcji śmigłowców pokładowych, kluczowych w późniejszej walce z okrętami podwodnymi.

Najbardziej spektakularnym i historycznym momentem w karierze R-4 była jednak operacja ratunkowa przeprowadzona w kwietniu 1944 roku w Birmie. Działała tam elitarna, eksperymentalna jednostka lotnicza 1st Air Commando Group, dowodzona przez generała Henriego Arnolda. Jednostka ta, wspierająca działania brytyjskich sił specjalnych operujących na tyłach Japończyków, otrzymała cztery egzemplarze przedseryjnych śmigłowców YR-4B. Traktowano je jako ciekawostkę, dopóki natura terenu nie pokonała konwencjonalnego lotnictwa.

21 kwietnia 1944 roku lekki samolot łącznikowy Stinson L-1 Vigilant, pilotowany przez sierżanta Eda „Murphy’ego” Hladovcaka, rozbił się w gęstej dżungli na terytorium kontrolowanym przez wroga. Na pokładzie znajdowało się trzech rannych brytyjskich żołnierzy. Miejsce katastrofy było otoczone przez gęstą roślinność i wzgórza, co wykluczało lądowanie nawet takich maszyn jak L-1 czy L-5. Japońskie patrole były w pobliżu, a ranni wymagali natychmiastowej ewakuacji. W tej sytuacji podjęto decyzję o wysłaniu do akcji śmigłowca.

Zadanie powierzono porucznikowi Carterowi Harmanowi. Pierwszym problemem jaki należało pokonać była odległość między bazą, w której stacjonowały śmigłowce, a miejscem katastrofy, wynosząca aż 800 km. Harman musiał wykonać serię międzylądowań na tankowanie (często z kanistrów dostarczanych przez inne samoloty na prowizoryczne lądowiska), zmagając się z przegrzewającym się silnikiem. Dotarcie do wysuniętej bazy „Aberdeen” zajęło mu niemal dobę.

Właściwa akcja ratunkowa została przeprowadzona 25 i 26 kwietnia 1944 roku. Warunki były bardzo trudne: wysoka temperatura i duża wilgotność powietrza drastycznie obniżały gęstość powietrza, co sprawiało, że wirnik generował znacznie mniejszą siłę nośną. Silnik R-4 dławił się i tracił moc. Harman odkrył, że maszyna nie jest w stanie wystartować pionowo z pasażerem. Musiał stosować technikę startu z rozbiegiem (stosowaną w śmigłowcach zwłaszcza w przypadku przeciążenia ładunkiem), aby uzyskać siłę nośną.

Kolejnym problemem był udźwig maszyny. Ewakuacji wymagał 4 osoby, a YR-4B mógł zabrać tylko jednego dodatkowego pasażera. W związku z tym Harman leciał bez drugiego członka załogi, aby móc zabrać za jednym razem dwie osoby. Oznaczało to wykonanie dwóch lotów na tereny zajęte przez wroga. Podczas każdego lądowania silnik musiał pracować na wolnych obrotach, by się schłodzić, ale nie można go było wyłączyć, gdyż rozrusznik mógłby nie zadziałać ponownie w dżungli. Ostatecznie cała operacja zakończyła się pełnym sukcesem. Był to pierwszy w historii dowód na to, że śmigłowiec jest niezastąpionym narzędziem do ewakuowania rannych, zdolnym do działania tam, gdzie nie można wykorzystać samolotów.

Mimo historycznych sukcesów, kariera operacyjna Sikorsky R-4 była zaskakująco krótka. Już pod koniec 1945 roku maszyna ta była uznawana za przestarzałą, a tuż po wojnie została błyskawicznie wycofana z pierwszej linii. Złożyło się na to kilka kluczowych czynników technicznych i ekonomicznych, które sprawiły, że R-4 był „ślepą uliczką” ewolucji, konieczną do przejścia, ale niemożliwą do dalszego rozwoju.

Przede wszystkim, R-4 był zbyt mały i równocześnie dysponował zbyt słabym napędem. Silnik o mocy 200 KM musiał napędzać maszynę o masie ponad 1100 kg. Margines bezpieczeństwa praktycznie nie istniał. W gorące dni lub przy silnym wietrze maszyna stawała się niesterowna. Co więcej, konstrukcja łopat wirnika głównego była bardzo problematyczna. Łopaty chłonęły wilgoć, zmieniając swoją wagę i wyważenie, co prowadziło do potężnych, niszczących płatowiec wibracji, których nie dało się wyeliminować w warunkach polowych.

Gwoździem do trumny R-4 było jednak pojawienie się jego następców, zaprojektowanych już na bazie doświadczeń z pierwszych miesięcy eksploatacji R-4. Jeszcze w trakcie wojny Sikorski oblatał model R-5 (późniejszy S-51 Dragonfly), który dysponował silnikiem o mocy 450 KM – ponad dwukrotnie większej niż R-4, przy tylko nieznacznie większych wymiarach. R-5 był prawdziwym śmigłowcem użytkowym, zdolnym do zabrania 3-4 osób i posiadającym realny udźwig. R-4, będąc w istocie uprzemysłowionym prototypem, spełnił swoją rolę demonstratora technologii i narzędzia szkoleniowego, ale nie miał potencjału modernizacyjnego. Jego odejście nie było jednak porażką, lecz dowodem na błyskawiczny postęp technologiczny, który sam zapoczątkował.

Wykorzystanie w Wielkiej Brytanii

Oprócz amerykańskich oddziałów, śmigłowce Sikorsky R-4 trafiły również do Wielkiej Brytanii. Choć Brytyjczycy posiadali własne, zaawansowane projekty wiropłatów, wojenne priorytety zepchnęły je na boczny tor na rzecz produkcji myśliwców i bombowców. Amerykański Sikorsky R-4 stał się więc dla Royal Air Force i Fleet Air Arm jedyną szansą na zapoznanie się z nową technologią pionowego startu jeszcze w trakcie trwania konfliktu. Brytyjczycy, słynący z pragmatyzmu, niemal natychmiast znaleźli dla tych niedoskonałych maszyn niszę, która okazała się kluczowa dla obrony powietrznej wysp.

Pierwsze dwa egzemplarze YR-4B trafiły na Wyspy Brytyjskie w 1944 roku, a ostatecznie Wielka Brytania otrzymała 52 maszyny w wersji R-4B, którym nadano brytyjską nazwę wojskową Hoverfly I. Śmigłowce te stały się fundamentem dla utworzonej w bazie RAF Andover pierwszej w historii Wielkiej Brytanii szkoły pilotów śmigłowcowych – Helicopter Training School, która rozpoczęła działalność w styczniu 1945 roku. Początkowo Brytyjczycy skupili się na wykorzystaniu wiropłatów do szkolenia przyszłych pilotów, którzy docelowo mieli korzystać również z brytyjskich maszyn, które dopiero powstawały.

Mimo trudności w pilotażu i problemów technicznych, szkoła w Andover stała się kuźnią kadr dla powojennego lotnictwa. To tutaj sformowano Dywizjon 529 (No. 529 Squadron), który stał się pierwszą operacyjną jednostką śmigłowcową w Europie. Brytyjczycy podeszli do eksploatacji Hoverfly I z typową dla siebie skrupulatnością analityczną. Każdy lot był dokładnie monitorowany, a inżynierowie RAF tworzyli pierwsze na świecie instrukcje obsługi technicznej wiropłatów w warunkach polowych, które później posłużyły do opracowania standardów dla nowocześniejszych maszyn, takich jak Westland Dragonfly (licencyjny Sikorsky S-51). Eksploatacja R-4 w RAF udowodniła, że śmigłowiec wymaga zupełnie innej logistyki – krótszych, ale częstszych przeglądów oraz specyficznego zaplecza warsztatowego.

Najważniejszym operacyjnym zadaniem, jakie postawiono przed brytyjskimi Hoverfly I, nie był jednak transport czy ewakuacja, lecz kalibracja systemu obrony przeciwlotniczej. Wielka Brytania dysponowała w tym czasie najbardziej zaawansowaną na świecie siecią radarów. Problemem była jednak precyzyjna kalibracja stacji radiolokacyjnych, która wymagała celu powietrznego znajdującego się w ściśle określonym punkcie w przestrzeni. Samoloty były do tego zadania zbyt szybkie – przelatywały nad punktem pomiarowym w ułamku sekundy, co utrudniało dostrojenie aparatury. Śmigłowiec, zdolny do zawisu w miejscu, okazał się rozwiązaniem idealnym. Maszyny z Dywizjonu 529 godzinami wisiały nad stacjami radarowymi, działając jako latające boje nawigacyjne, co pozwoliło na istotne zwiększenie precyzji wykrywania wrogich nalotów i rakiet V-1 oraz V-2 w końcowej fazie wojny.

Równie istotne, choć mniej znane, były eksperymenty prowadzone przez Royal Navy. Brytyjska Admiralicja, szukając sposobów na zwalczanie niemieckich u-bootów, przeprowadziła w 1944 roku serię prób na pokładzie statku handlowego SS Daghestan. Podczas rejsu przez Atlantyk, wyposażone w pływaki R-4B wykonywały loty patrolowe, udowadniając, że śmigłowiec może operować z niewielkiej platformy na kołyszącym się pokładzie. Choć Hoverfly I nie mógł zabrać żadnego uzbrojenia (nawet najmniejsza bomba głębinowa przekraczała jego udźwig przy pełnym zbiorniku paliwa), testy te położyły podwaliny pod współczesną doktrynę ZOP (Zwalczania Okrętów Podwodnych). Udowodniono, że wiropłat może wykryć peryskop z powietrza i naprowadzić na cel niszczyciele. To właśnie wnioski z prób na SS Daghestan doprowadziły do późniejszego masowego wprowadzania śmigłowców na pokłady fregat i niszczycieli w latach 50. Podobnie jak Amerykanie, Brytyjczycy również dosyć szybko wycofali Sikorsky R-4, zastępując je nowocześniejszymi maszynami.

Podsumowanie

Po zakończeniu kariery, śmigłowce Sikorsky R-4 szybko wycofano i w większości zezłomowano. Do naszych czasów przetrwało jednak około 10 maszyn różnych wersjach. Chociaż R-4 nie był konstrukcją doskonałą, był wolny, głośny, a wibracje w kabinie były tak silne, że piloci po dłuższych lotach skarżyli się na drętwienie kończyn, a jego udźwig był symboliczny, był maszyną pionierką, która utorowała drogę do dalszego rozwoju śmigłowców. R-4 przełamał również barierę psychologiczną i obawę przed wykorzystaniem tego typu maszyn w praktyce – z problemem tym borykali się wcześniej twórcy wiatrakowców. Dzięki R-4 opracowano również pierwsze procedury szkoleniowe, taktykę użycia oraz zasady obsługi naziemnej wiropłatów.

Doświadczenia zebrane na R-4 pozwoliły Igorowi Sikorskiemu błyskawicznie opracować jego następców: większego R-5 (który stał się podstawą powojennego ratownictwa) oraz bardziej opływowego R-6. R-4 udowodnił, że śmigłowiec nie jest tylko ciekawostką, lecz niezbędnym narzędziem na nowoczesnym polu walki. Maszyny tego typu stały się podstaw służb ratowniczych – zarówno działających na ladzie jak i na morzu.

Najważniejsze jednak jest to, że Sikorsky R-4 był pierwszym masowo produkowanym alianckim śmigłowcem i w praktyce pierwszym eksploatowanym na większą skalę wiropłatem. Jego konkurentem był niemiecki Flettner Fl 282, jednak zbudowano ich zaledwie 24, a ich eksploatacja była zdecydowanie mniej ambitna, niż maszyn amerykańskich.