W historii lotnictwa wiele innowacji rodziło się z niekonwencjonalnego myślenia, kwestionującego utarte schematy. Jednym z takich wizjonerów był Willard Ray Custer, amerykański konstruktor, który poświęcił swoje życie na opracowanie i propagowanie radykalnie odmiennego podejścia do generowania siły nośnej – skrzydła kanałowego. Jego prace ostatecznie nie zrewolucjonizowały lotnictwa na masową skalę, a zaprojektowane przez niego samoloty zostały częściowo zapomniane
Geneza
Willard Ray Custer urodził się 18 września 1896 roku w Mount Carmel w Pensylwanii w USA. Od najmłodszych lat wykazywał niezwykłe zainteresowanie mechaniką, a w później zainteresował się lotnictwem. W przeciwieństwie do wielu swoich rówieśników, Custer nie podążał ścieżką akademicką, kończąc prestiżowe uczelnie techniczne. Jego wiedza i innowacyjne pomysły wynikały przede wszystkim z samodzielnych badań, dogłębnych obserwacji i praktycznego eksperymentowania.
Początki jego kariery były skromne. Pracował jako mechanik samochodowy, co pozwoliło mu zdobyć solidne podstawy w zakresie budowy maszyn i silników. Jego pasja do lotnictwa rozkwitła w latach 20. XX wieku, kiedy to intensywnie studiował prawa aerodynamiki, nie ograniczając się do powszechnie akceptowanych teorii. To właśnie w 1925 roku, obserwując zachowanie powietrza wokół obracającego się śmigła, Custer wpadł na genialny pomysł, który zdefiniował całe jego późniejsze życie i prace – koncepcję skrzydła kanałowego. Uważał, że można znacznie efektywniej wykorzystać energię strumienia zaśmigłowego do generowania siły nośnej, co radykalnie zmieniłoby sposób startu i lądowania samolotów.
Kolejne lata Willard Custer poświęcił na rozwijaniu i udoskonalaniu swojej rewolucyjnej idei. Założył własną firmę, Custer Channel Wing Corporation, aby móc niezależnie prowadzić badania i budować prototypy. Często napotykał na sceptycyzm i brak zrozumienia ze strony środowiska konstruktorów lotniczych, którzy nie podzielali jego rewolucyjnej wizji. Mimo to kontynuował prace nad skrzydłem kanałowym. Sam finansował wiele swoich projektów, niejednokrotnie ponosząc znaczne koszty.
Pierwszy patent na jego koncepcję skrzydła kanałowego, oznaczony jako US Patent 2,510,959A, został przyznany już 13 czerwca 1950 roku. Patent ten szczegółowo opisywał zasady działania zakrzywionego skrzydła z umieszczonym w nim śmigłem, które generowało dodatkową siłę nośną. Równolegle, jeszcze zanim przed otrzymaniem patentu Custer złożył kolejny wniosek na bardziej dopracowaną konstrukcję skrzydła kanałowego. Kolejny patent oznaczony jako US Patent 2,589,994A otrzymał 18 marca 1952 roku.
Szczyt jego kariery przypadła na okres od lat 40. do 60. Wtedy zbudował pierwsze prototypy samolotów wykorzystujących jego rozwiązania. Niestety projekty nie zyskały popularności i nie doprowadziły do rozpoczęcia produkcji seryjnej. W 1978 roku miał miejsce ciekawy epizod w jego karierze. Mający cały czas problemy finansowe konstruktor, złożył pozew przeciwko firmie Fairchild Republic, która zbudowała samolot A-10 Thunderbolt II. Konstruktor zarzucał firmie wykorzystanie jego patentów przy montażu silników w gondolach blisko kadłuba. Pozew został jednak odrzucony jako bezzasadny.
Willard Ray Custer zmarł 27 grudnia 1985 roku, w wieku 89 lat, pozostawiając po sobie dziedzictwo, które do dziś fascynuje inżynierów i historyków lotnictwa, dowodząc, że determinacja i niekonwencjonalne myślenie mogą prowadzić do prawdziwie innowacyjnych rozwiązań.
Skrzydło kanałowe (ang. Channel Wing)
Najbardziej charakterystyczną cechą samolotów Custera było skrzydło kanałowe. W przeciwieństwie do tradycyjnych skrzydeł, które są płaskie, lekko zakrzywione, lub w niektórych przypadkach załamane (np. mewi płat), skrzydła Custera miały przekrój w kształcie litery „U” lub „C” przy kadłubie, a końcówki były już proste. Silniki z śmigłami umieszczone były wewnątrz wygięcia, tak że strumień zaśmigłowy był kierowany bezpośrednio przez nie.
Działanie skrzydła kanałowego opierało się na kilku zasadach aerodynamicznych: śmigła przyspieszały powietrze w kanale, znacznie zwiększając jego prędkość przepływu nad powierzchnią skrzydła. Następnie, dzięki efektowi Coandy, strumień powietrza przylegający do zakrzywionej powierzchni kanału powodował powstanie znacznego podciśnienia nad skrzydłem, generując dużą siłę nośną. Dzięki temu, że siła nośna była generowana głównie przez efekt strumienia zaśmigłowego, samoloty Custera mogły osiągać duże kąty natarcia bez ryzyka przeciągnięcia przy bardzo niskich prędkościach. Ta innowacyjna konstrukcja miała potencjał zwłaszcza przy samolotach STOL, czyli operujących z krótkich pasów startowych.
Mimo obiecujących zalet, koncepcja skrzydła kanałowego Custera borykała się jednak również z szeregiem istotnych wad, które ostatecznie uniemożliwiły jej szerokie zastosowanie w lotnictwie. Po pierwsze, znaczącą przeszkodą były skomplikowana konstrukcja i wysokie koszty produkcji. Skrzydło kanałowe, ze względu na swój unikalny kształt i precyzję wymaganą do optymalnego działania, było znacznie trudniejsze i droższe w produkcji niż konwencjonalne skrzydła. Dodatkowo musiało być bardziej wytrzymałe, ponieważ działały na nie większe siły.
Po drugie, kolejnym wyzwaniem były komplikacje aerodynamiczne. Chociaż skrzydło kanałowe generowało dużą siłę nośną przy niskich prędkościach, to sterowanie samolotem w tych warunkach było znacznie trudniejsze. Efektywność powierzchni sterowych, takich jak lotki, zmniejszała się wraz ze spadkiem prędkości postępowej, co utrudniało precyzyjne manewrowanie, zwłaszcza w warunkach silnego wiatru bocznego czy podczas operacji STOL. Wymagało to bardziej złożonych systemów sterowania lub specyficznych technik pilotażu. Ponadto, opór aerodynamiczny generowany przez skrzydła kanałowe był większy niż w przypadku tradycyjnych konstrukcji przy wyższych prędkościach, co negatywnie wpływało na ogólne osiągi samolotu, zużycie paliwa i prędkość przelotową.
Po trzecie, istotne były również problemy z konserwacją i uszkodzeniami. Skomplikowany kształt kanału oraz bezpośrednie umieszczenie śmigieł w jego obrębie sprawiały, że wszelkie uszkodzenia, na przykład wskutek zderzenia z ptakami czy ciałami obcymi podczas startu czy lądowania, mogły być trudne i kosztowne do naprawy. Delikatna powierzchnia kanału, kluczowa dla efektu Coandy, wymagała nienagannej kondycji.
Wreszcie, niska elastyczność projektu stanowiła barierę w dostosowaniu skrzydła kanałowego do różnych rozmiarów i typów samolotów bez znaczących przeprojektowań i testów. Każdy nowy projekt wymagałby odrębnych, kosztownych badań, co ograniczało skalowalność i uniwersalność rozwiązania.
Samoloty Willarda Raya Custera
Custer CCW-1
Pierwszym latającym dowodem na słuszność koncepcji Custera był CCW-1 (Custer Channel Wing 1). Ten eksperymentalny, jednosilnikowy samolot, którego celem było udowodnienie, że skrzydło kanałowe może generować wystarczającą siłę nośną do lotu, został zbudowany w latach 1941-1942. Custer samodzielnie nadzorował jego budowę w swojej pracowni w Hagerstown, Maryland.
Oblot CCW-1 nastąpił przypadkowo podczas prób naziemnych 12 listopada 1942 roku. W trakcie kołowania po pasie startowym, maszyna uniosła się w powietrze i przeleciała kilkaset metrów, po czym wylądowała uszkadzając podwozie. Za sterami samolotu zasiadał sam Willard Custer, który co ciekawe, nie posiadał żadnych umiejętności w pilotowaniu samolotów, a tego dnia po prostu chciał sprawdzić hamulce swojego samolotu oraz zaprezentować go potencjalnym sponsorom. Po pokonaniu kilkuset metrów udało mu się bezpiecznie wylądować.
Podczas dalszych testów samolot potrafił startować i lądować na dystansie zaledwie kilku metrów. Jego osiągi były na tyle obiecujące, że wzbudziły zainteresowanie amerykańskiego wojska, jednak skomplikowana natura konstrukcji i wyzwania związane z masową produkcją uniemożliwiły dalsze zamówienia. CCW-1 był intensywnie testowany do listopada 1943 roku, dzięki czemu pozwolił na zdobycie cennych danych o aerodynamice takiej konstrukcji. Pozwoliło to na udoskonalenie konstrukcji skrzydła kanałowego. Po zakończeniu prób rozebrano go, a w 1961 roku przekazano Smithsonian Institution. Odbudowano go i umieszczono w magazynie Garber Facility w Suitland, w stanie Maryland. Według planów, maszyna ma zostać wyremontowana i umieszczona w kolekcji Steven F. Udvar-Hazy Center.
Custer CCW-2
CCW-1 spełnił swoje zadanie, ale dalej potrzebny był samolot do testowania różnych rozwiązań konstrukcyjnych. W związku z tym Custer rozpoczął prace nad kolejną maszyną. Dzięki wsparciu Dona Younga, który zasugerował pewne zmiany konstrukcyjne, oraz wsparciu finansowemu od Jacka Heinza (prezesa firmy Heinz, który dodatkowo interesował się lotnictwem), rozpoczęto prace nad samolotem CCW-2 (Custer Channel Wing 2). Samolot ten był mniejszy i lżejszy od CCW-1. Zbudowano go w oparciu o elementy konstrukcyjne z samolotu Taylorcraft BC-12, przy czym zachowano układ dwusilnikowy. Wyposażono go jednak tylko w jednoosobową kabinę, ponieważ od początku maszyna miała służyć do eksperymentów i testów różnych rozwiązań konstrukcyjnych.
Oblot CCW-2 odbył się 3 lipca 1948 roku. W 1952 roku testowano go w tunelach aerodynamicznych należących do NACA oraz wykorzystywano do licznych lotów pokazowych, w trakcie których niewielki samolot potrafił wzbić się w powietrze prawie z miejsca. Ostatecznie w 1954 roku został sprzedany za kwotę 5000dolarów (współcześnie około 58 300 dolarów) nieznanemu kupcowi, po czym ślad po maszynie zaginął. Jej los cały czas pozostaje nieznany.
Custer CCW-5
Pozytywne wyniki prób pierwszych dwóch maszyn sprawiły, że Custer postanowił zbudować samolot, który spełniałby wymagania potencjalnych klientów i mógłby trafić do sprzedaży. Również i tym razem wsparcie finansowe zapewnił Jack Heinz, a budową maszyny miała zająć się firma Baumann Aircraft Company. Taki układ podyktowany był chęcią wykorzystania do budowy samolotu elementów konstrukcyjnych i kadłuba samolotu Baumann Brigadier, opracowanego w 1947 roku.
Nowa maszyna otrzymała oznaczenie CCW-5 (Custer Channel Wing 5). Do budowy wykorzystano jeden z istniejących egzemplarzy Brigadiera, z którego zaczerpnięto cały kadłub i ogon, ale połączono je z nowymi skrzydłami kanałowymi. Dzięki temu samolot oprócz pilota mógł zabrać na pokład 4 pasażerów. Prototyp został zbudowany w Santa Barbara w Kalifornii , a jego oblot odbył się 13 lipca 1953 roku. Za sterami zasiadł Walker Davidson. Testy trwały do jesieni 1956 roku i zakończyły się pozytywnie, chociaż samolot miał gorsze osiągi niż zakładano.
Niestety, pomimo prób pozyskania inwestorów i zainteresowania ze strony firm lotniczych, Willardowi Custerowi nigdy nie udało się znaleźć wystarczającego finansowania ani partnera przemysłowego do rozpoczęcia masowej produkcji. Wysokie koszty produkcji skomplikowanych skrzydeł kanałowych, specyficzne wymogi konserwacyjne oraz trudności w uzyskaniu pełnej certyfikacji dla innowacyjnej konstrukcji stanowiły znaczące bariery. Dodatkowo, w miarę dynamicznego rozwoju śmigłowców, które w wielu przypadkach były bardziej praktyczne od samolotów STOL, na rynku nie było miejsca dla CCW-5.
Mimo to, w czerwcu 1964 roku w Hagerstown w stanie Maryland zbudowano jeszcze jeden egzemplarz, określany tym razem jako maszyna produkcyjna. Oba egzemplarze wykorzystywano do lotów testowych jednak we wrześniu 1970 roku prototyp utracił certyfikat FAA. Oficjalnie powodem było zniszczenie maszyny – chociaż nie wiadomo, czy samolot został zniszczony w wypadku, czy też po prostu rozebrany. Drugi prototyp wykonał jeszcze kilka lotów, ale ostatecznie w 1975 roku trafił do magazynu w Pensylwanii. W 1988 roku przechowywany w nie najlepszych warunkach samolot został sprzedany Mid-Atlantic Air Museum, gdzie pozostaje do dnia dzisiejszego.
Dane techniczne Custer CCW-5:
| Załoga | 1 |
| Pasażerowie | 4 |
| Długość | 8,75 m |
| Rozpiętość skrzydeł | 12,55 m |
| Wysokość | 3,3 m |
| Masa własna | 1361 kg |
| Maksymalna masa startowa | 2449 kg |
| Napęd | Prototyp – 2 x silnik Continental O-470-A o mocy 225 KM każdy, Drugi egzemplarz – 2 x Continental IO-470P o mocy 260 KM każdy |
| Prędkość maksymalna | 350 km/h |
| Prędkość przelotowa | 290 km/h |
| Zasięg | 2700 km |
Podsumowanie
Willard Ray Custer był inżynierem-wizjonerem, który rzucił wyzwanie konwencjonalnemu podejściu do projektowania samolotów. Jego skrzydło kanałowe było śmiałą i innowacyjną próbą rozwiązania problemu operowania z krótkich pasów startowych. Samoloty CCW-1, CCW-2 i CCW-5 udowodniły, że jego koncepcja działa, wykazując imponujące osiągi STOL, w tym zdolność do startów i lądowań na dystansie zaledwie kilku metrów.
Mimo tych osiągnięć, technologia Custera nigdy nie trafiła do masowej produkcji. Głównymi przeszkodami były wysokie koszty związane ze skomplikowaną konstrukcją i produkcją, wyzwania związane z kontrolą aerodynamiczną przy niskich prędkościach oraz rosnąca konkurencja ze strony rozwijających się śmigłowców. Co więcej, wysoki opór aerodynamiczny przy wyższych prędkościach, trudności w konserwacji oraz niska elastyczność projektu również przyczyniły się do braku szerszego wdrożenia.
Co ciekawe, w latach 80. w ZSRR opracowano również samolot z skrzydłami kanałowymi, znany jako Antonow 181. Była to niewielka maszyna testowa, która również nie zyskała większej popularności, a jej prototyp został zachowany w muzeum lotnictwa w Kijowie.
