Avioane de recunoastere si supraveghere (VII)

BLACKBIRDS (I)

    Blackbirds fac parte dintr-o  familie de avioane avand  viteza de M 3+, realizate in anii '60, de celebra echipa  Skunk works Lockheed , condusa de legendarul Kelly Johnson. 

Este compusa din  :

- A 12 avion de recunoastere si supraveghere construit pentru CIA - fabricate 13 , 6 pierdute in accidente, 3 piloti si-au pierdut viata, 

- YF-12 - interceptor - construite 3, unul distrus in accident

- M 21 - avion folosit pentru lansarea unei drone destinata recunoasterii- D 21- fabricate 2, unul pierdut, o fatalitate

- SR-71 - avion de recunoastere destinat USAF - 32 construite, 11 cazute, 1 pilot ucis

In total  :

- 17 300 zboruri

- 3 551 misiuni de lupta

- 53 490 ore zbor

- 11 675 ore zbor la M 3+

- 8 piloti au realizat peste 1000 ore zbor fiecare

- au zburat in misiuni 86 piloti si 86 copiloti

- 486 persoane au zburat

- 285 persoane au zburat la M 3+ din care 105 VIPs

Blackbirds

A 12 OXCART

 Pe baza unor studii de vulnerabilitate in caz de razboi, elaborate dupa intrarea in exploatare a avionului U2, s-a ajuns la concluzia ca un avion de recunoastere poate supravietui intr-o zona inamica bine aparata,  numai daca zboara la viteze > M 3 si inaltimi peste 25000 m, are  amprenta radar scazuta, este dotat cu ECM -contramasuri electronice, doua motoare si sistem de navigatie eficient.

La astfel de viteze, temperatura structurii atinge valori foarte ridicate, de pana la 650 C . Din acest motiv, nu poate fi folosit aluminiu, ci doar titan, otel sau materiale compozite. Combustibilul trebuie sa fie stabil la temperaturi de - 30 C in timpul alimentarii in aer si 175 C, la alimentarea motorului.

Lichidul hidraulic ce actioneaza verinele ajutajului pentru combustie, atinge 300 C. In plus au fost elaborate toate specificatiile pentru echipamentele de fotografiere, ELINT, SIGINT, etc..

Temperatura structurii in functie de numarul M

Conditii similare de functionare la temperaturi ridicate sunt valabile pentru echipamente, cablaj si conectori. Anvelopele trenului dupa escamotare, trebuie pozitionate in zona rezervoarelor de combustibil, pentru a fi racite, protejand cauciucul. Scaunele de catapultare trebuie sa functioneze de la conditii 0-0, pana la viteze de M 4 si altitudine de 30 000 m. O alta problema este fotografierea prin ferestre aflate intr-o zona de curent de aer turbulent si cu temperatura ridicata.

Aceste cerinte au stat la baza elaborarii propunerii pe care genialul Kelly Johnson de la Skunk works - Lockheed , a inaintat-o CIA, in cadrul proiectului Gusto. Acesta avea ca scop realizarea unui avion de recunoastere succesor al lui U2. Varianta se numea A 12, intrucat Johnson realizase mai multe variante codificate A 1-12, pentru un avion cu astfel de performante. A- este initiala de la Archangel, denumirea interna folosita de Lockheed.

Schita de mana a lui Kelly Johnson pentru varianta A 2 - propunerea initiala

 Asa se naste un avion

Pe 29 august 1959, CIA a declarat castigatoare varianta avionului A 12, in fata propunerii facute de Convair. Acestia au oferit un avion statoreactor lansat de pe un B 58, denumit Kingfish, In data de 30 ianuarie 1960, dupa ce Skunk works au efectuat studii si au realizat un mock up, s-a dat comanda pentru executia a 12 avioane, purtand numele A-12 OXCART. Se pare ca numele ( car cu boi) a fost ales aleator dintr-o lista de propuneri.

Primul zbor a fost efectuat pe 26 aprilie 1962. 

Pare incredibil cum intr-o perioada atat de scurta, 30 luni, a fost materializat proiectul, in conditiile in care aproape totul a trebuit inventat, calculele se faceau cu rigla de calcul , iar desenele pe planseta.   Kelly Johnson mai realizase anterior P 38 precum si prototipul primului avion cu reactie american P 80, realizat in numai 143 zile de la inceperea proiectarii cu 28 de ingineri, iar U 2  a fost construit in doar 9 luni cu 26 ingineri .

 In elaborarea proiectului a fost necesara imbinarea cerintelor pentru o amprenta radar scazuta si indeplinirea unor caracteristici aerodinamice necesare realizarii anvelopei de zbor.

In tunelul aerodinamic s-au facut peste 250 000 masuratori de presiune pentru diverse situatii de zbor. Un rol deosebit a avut testarea prizelor de admisie ale motoarelor si sistemul de curgere si by pass din nacela.

 Testare in tunel aerodinamic

Anvelopa de zbor

Pentru testarea amprentei radar, s-a folosit o macheta scara 1:1 ridicata pe un pilon in diverse pozitii, Testele s-au facut in celebra Area 51.

Testare in Area 51 pentru amprenta radar  RCS

   Solutiile alese au constat intr-o aripa delta cu un profil foarte subtire, avand incarcare medie pentru altitudini mari, un fuzelaj zvelt, cu o bordura accentuata  numita chine, o continuare a bordului de atac al aripii pe circa 40% din fuzelaj. Aceasta, pe langa efectul de reducere a RCS, aduce si mari avantaje aerodinamice. Astfel, portanta generata de chine este 20% din cea totala la viteze mari, existand efecte benefice asupra stabilitatii directionale si longitudinale. La viteze mici si unghiuri de atac mari, este redusa viteza de angajare.Actioneaza similar cu  LERX -leading edge root extensions. folosite la avioanele de lupta moderne . Unii le compara cu un mare ampenaj canard fix. Avionul nu are flapsuri, cele doua derive verticale sunt monobloc si inclinate , iar controlul de ruliu si tangaj este realizat de elevoane.

Ampenajele verticale sunt inclinate pentru a reduce RCS si  pentru a nu fi influentate de turbioanele generate in amonte . Structura a fost calculata pentru un factor de suprasarcina de 2.5.

Vizualizare vortexuri

Principalul criteriu in alegerea materialelor pentru structura a fost rezistenta la temperaturi ridicate.
Dilatarea maxima a structurii este de 150 mm.

Structura

 Pentru realizarea structurii, s-a folosit ca material principal un aliaj de titan B 120-VCA, avand in compozitie Ti 73% , 11% Cr, 13% V, Al 3 % , precum si  A-110AT (aliaj Ti). Acestea au constituit circa 85 % din structura avionului.

De precizat este ca la inceputul anilor '50, Lockheed primise un contract '"Development of  titanium aircraft and missile structures" in cadrul proiectului secret al  Air Research and development command (ADRC)  MX-11136 . Aceasta cercetare a fost foarte utila ulterior programelor Blackbirds. Aliajele pe baza de titan erau folosite in acea perioada doar in cantitati mici pentru componente ale rachetelor. CIA a organizat companii paravan prin care s-a achizitionat titan , fiind apoi procesat in diverse semifabricate. O mare parte din importuri s-au facut din URSS, fara ca rusii sa stie la ce urma a fi folosit.

Aceste aliaje au proprietati mecanice apropiate de cele ale otelurilor de calitate, fiind rezistente si la temperaturi relativ inalte si cu o densitate mult mai mica, de 4.5 g/cm3.

Fata de aluminu, sunt mult mai greu de procesat, necesitand procesare la cald prin forjare sau formare in matrite. Forjarea s-a facut pentru piesele mari , tren si cadre nacela, cu o presa de 50 000 tf, iar apoi au fost prelucrari prin aschiere, eliminand circa 90% din prefabricat. Acestea necesita scule speciale, viteze mici si lichide speciale de racire. 

In fabricatie s-au folosit primele masini CNC, ce functionau cu banda magnetica. 

Multe dificultati necunoscute pana atunci, au aparut in timpul fabricatiei : s-a observat ca piesele panourilor sudate din aripa realizate in cursul verii se crapa dupa cateva saptamani, pe cand cele realizate ierii nu. Motivul era cauzat de  apa din sistemul de alimentare ce era folosita la spalare, care era puternic clorinata in timpul verii si iarna nu. Clorul producea crapaturile si ulterior s-a folosit apa distilata. 

O problema asemanatoare a fost cauzata de sculele de mana cadmiate folosite de muncitori, intrucat cadmiul produce fragilizarea titanului. Treptat s-au rezolvat toate aceste probleme tehnologice, inclusiv sistemele de inspectie si asigurarea calitatii pentru piesele din titan. 

Datorita zborurilor la temperaturi ridicate, s-a constatat ca  piesele din titan expuse la temperaturi ridicate sufereau de fiecare data un proces de calire, devenind din ce in mai rezistente.

O parte din nacela motoarelor a fost realizata din oteluri inalt aliate rezistente la temperaturi mari.

S-au folosit diverse materiale compozite disponibile in acea perioada  si fibra de sticla, in principal pentru reducerea RCS.

Ansamble fabricate din materiale compozite

Pentru a elimina tensiunile datorate incalzirii excesive, o parte din panourile din aripa de pe intrados , au fost realizate din tabla profilata, fapt ce a iscat glume prin asemanarea cu solutia constructiva folosita la un model vechi de avion, Ford Tri-motor, un avion asemanator cu Ju 52. Solutia a fost gasita dupa ce s-au testat panourile la caldura calculata pentru zbor.

Panouri din tabla profilata

Datorita diferentelor mari de temperatura care implica si dilatari semnificative, rezervoarele de combustibil nu erau etanse la sol, cand avionul era rece, in schimb pe masura cresterii vitezei, datorita incalzirii metalului, se opreau scurgerile. Avionul era alimentat la sol cu o cantitate mica de combustibil, fiind realimentat rapid in aer in circa 7-20 minute.

Pericolul de incendiu nu era foarte mare, deoarece acest tip de combustibil se aprinde greu.

Scurgeri combustibil la sol

Avioanele au fost vopsite cu o culoare albastru inchis, datorita proprietatii corpurilor negre de a absorbi dar si de a emite caldura. conform teoriei lui Kirchhoff.

Sistemul de propulsie era format din priza de admisie, sistemul de control al debitului de aer, motorul J 58 si ajutajul reactiv, care este componenta a structurii nacelei.

La viteze de M 3+, 54% din tractiune este generata de diferenta de presiune din priza de aer, 17 % de motor si 29 % de ajutaj. Motorul este un turboreactor simplu flux cu postcombustie. Sistemul de propulsie se comporta asemanator unui statoreactor la viteze de M 2 +, circa 20% din debitul de aer din compresor fiind prelevat si introdus in camera de postcombustie.

Distributie generare tractiune pe componente

Temperaturi motor

Motorul utiliza acelasi combustibil ca si avionul U2, respectiv JP 7. In plus, pentru porniri la sol sau in aer, se folosea un aditiv piroforic, trietilboran , un lichid care se autoaprinde in contact cu aerul la temperaturi mai mari de - 20 C.

Motorul ( denumit JT 11D - 20 de producator) a inceput sa fie dezvoltat de Pratt&Whitney in 1956 pentru un proiect al Navy anulat ulterior. Impreuna cu Lockheed, facand multe modificari, s-a realizat sistemul de propulsie al Blackbirds.

Cerinte proiectare motor

Functionare motor

Inovatii

Alte inovatii au trebuit facute pentru instalatia hidraulica, intrucat inelele "O" din cauciuc nu rezistau si a trebuit folosite garnituri din otel. Pentru asigurarea tolerantelor stranse in echipamentele hidraulice la variatii mari de temperatura, a trebuit sa fie gasite acoperiri de suprafata noi pentru titaniu. Sistemul de navigatie este inertial cu o corectie de navigatie astrala.

Scaunele de catapultare sunt realizate pentru viteze de M 3+ . altituni pana la 30 000 si 0-0 la sol.

Un singur pilot a murit la catapultare deoarece nu s-a produs separarea de scaun.

Costumul pilotului asigura protectia pilotului la orice viteza.

Pentru efectuarea testelor de zbor, in AREA 51  au fost construite noi hangare, spatii de cazare personal, rezervoare de combustibil, o pista mai lunga si s-au intarit masurile de securitate.

Testele in zbor au fost facute initial cu motoare J 75, pana cand au fost disponibile  J 58.

In folosirea acestora , una din probleme a fost ingerarea de obiecte straine, datorita puterii imense a motorului si a traseului complicat de circulatie a aerului in nacela si motor. Au fost deteriorate 18 motoare, necesitand modificari ale nacelei, mult training si organizare.

Automatica motorului, ce include  modificarea pozitiei conului in priza de admisie pe o distanta de 96 cm, comanda corelata cu cea a vanelor de by pass, ajustarea ariei ejectorului, debitele de combustibil, toate corelate cu inaltimea, viteza si temperatura aerului de admisie, nu a functionat satisfacator in varianta pneumatica si a trebuit dezvoltat un sistem electronic.

Unul din fenomenele periculoase este asa zisul "unstart", ce se produce in priza de admisie la viteze supersonice mari. Practic se ajunge la scaderea brusca a debitului de aer, deci si a tractiunii, producand un puternic moment de giratie si intrarea in picaj.

Unstart in tunelul aerodinamic

Avioanele A 12 au atins performantele operationale , dupa mii de zboruri, la inceputul anului 1966, respectiv 2 ani de la primul zbor. Interesant este ca si Kelly Johnson a efectuat in zbor in cabina a2a a unui  A 12 dubla comanda.

Pilotii trebuiau sa aiba minim 2000 ore de zbor din care 1000 pe jeturi , varsta 25-40 de ani, casatoriti.

In primii 3 ani de zboruri au fost pierdute trei aparate : doua din cauza unor defectiuni, unul datorita unei erori de exploatare, toti pilotii catapultand in siguranta.

A 12 a devenit complet operational pe 1 ianuarie 1966, la aproape 6 ani de la demararea programului.

Primele zboruri de recunoastere s-au facut in mai 1967 in cadrul operatiunii Black Shield, deasupra Vietnamului cu avioane decoland din baza aeriana Kadena din Okinawa. Au continuat aproape un an, iar apoi s-a renuntat la operarea de catre CIA a avioanelor A 12, acestea fiind retrase din exploatare, fiind inlocuite de SR 71 din dotarea USAF.

Misiunea BX 6847 din cadrul operatiunii Black Shield 26 ianuarie 1968 desfasurata deasupra Coreei de Nord
S-au efectuat trei treceri de cate aproximativ 5 minute fiecare.

Asa arata un fragment din interpretarea foto a unei tinte 

YF 12

 YF 12 a fost o varianta a lui A 12, fabricata ca interceptor pentru USAF. 

Principalele modificari au constat in instalarea radarului AN/ASG 18 in fuselajul anterior si eliminarea bordurilor acestuia (chines), o a doua cabina pentru operatorul radar si echiparea cu armament, A fost necesara montarea de derive ventrale pe fuselajul posterior si nacele, pentru imbunatatirea stabilitatii. A fost scos echipamentul de recunoastere si s-au instalat trei rachete aer aer Hughes AIM-47 (GAR-9) cu raza de 160 km, ce puteau fi lansate la viteze M 3+.

Primul YF 12 a zburat pe 7 august 1963, iar presedintele Lyndon Johnson a anuntat existenta proiectului pe 24 februarie 1964, in principal pentru a mentine secretul avioanelor  A 12 operate de CIA. In mai 1965, USAF a facut o comanda pentru 93 avioane, avand ca scop interceptarea bombardierelor sovietice . Secretarul de stat al apararii Robert McNamara, a refuzat să finanţeze proiectul in urmatorii 3 ani datorita costurilor razboiului din Vietnam. In ianuarie 1968, comanda a fost anulata oficial. CIA a oferit trei structuri din programul A 12 pentru conversie, ajutand si la derularea programelor la negru. Doua avioane au fost oferite NASA, care le-a folosit in diverse teste pe perioada 1969-1979.  iar unul a fost modificat in trainer pentru SR 71.

NASA

Catapultare din YF 12

M 21

In octombrie 1962 , CIA a comandat celor de la Skunk works studierea posibilitatii folosirii de avioane modificate A 12 in scopul lansarii de drone de recunoastere D 21. Aceasta avea 13 m lungime si cantarea 5 tone, urmand a fi lansata de pe M 21. Propulsata de un motor statoreactor, urma sa zboare circa 5000 km la viteza de 3.5 M si altitudine de 28000 m. Drona avea o amprenta radar foarte redusa, era echipata cu camere foto, care urmau sa fie parsaturare intr-o locatie prestabilita in ocean, aparatul nefiind recuperabil.

M 21 era un A 12 avand in cabina a 2a postul de lansare al dronei si desigur sistemul de acrosare.

Din nefericire, a avut loc un accident la lansarea unei drone la viteza de 3 M. Aceasta nu s-a desprins corespunzator, a lovit avionul M 21 si a explodat. Cei doi piloti s-au catapultat, unul din ei murind inecat deoarece i se sfasiase costumul de zbor.

Acesta e filmarea accidentului facuta dintr-un avion A 12 , la viteza de M 3.

Programul a fost anulat

Accidentul la lansarea dronei D 21 

Cunostintele acumulate in proiectrea, fabricatia si testarea acestor avioane, au fost folosite in cadrul programului SR 71, avionul emblematic al acestei familii. 

  Lista avioanelor  A12

Serial number	Article	Model	Flights	Hours	Fate
60-6924	121	A-12	322	418.2	On display
60-6925	122	A-12	161	177.9	On display
60-6926	123	A-12	79	135.3	Lost 1963
60-6927	124	A-12 trainer	614	1076.4	On display
60-6928	125	A-12	202	334.9	Lost 1967
60-6929	126	A-12	105	169.2	Lost 1967
60-6930	127	A-12	258	499.2	On display
60-6931	128	A-12	232	453	On display
60-6932	129	A-12	268	409.9	Lost 1968
60-6933	130	A-12	217	406.3	On display
60-6937	131	A-12	177	345.8	On display
60-6938	132	A-12	197	369.9	On display
60-6939	133	A-12	10	8.3	Lost 1964
60-6940	134	M-21	80	123.9	On display
60-6941	135	M-21	95	152.7	Lost 1966
Totals for all aircraft			3017	5080.9	9 On display, 6 Lost

Programul a fost recunoscut oficial la mijlocul anilor '90.