Katapulty startowe na lotniskowcach. Od sprężyn po hydraulikę i na parze oraz elektromagnetyzmie kończąc – tak się rozwijały
Jedną z głównych przewag helikopterów i wszelkiego rodzaju maszyn VTOL nad samolotami czy myśliwcami, jest kwestia samego startu. Tam, gdzie wielkie śmigło helikoptera wystarcza, aby wznieść kilku- lub kilkunastotonową maszynę w powietrze, cięższe myśliwce, które są go pozbawione, bazują na zupełnie innym sposobie startowania. Wykorzystują bowiem nie wielkie śmigło, a silniki odrzutowe wraz ze swoimi skrzydłami zapewniającymi siłę nośną.
Dlatego, zanim samoloty wniosą się w powietrze, muszą przeprowadzić tak zwany rozbieg na drodze startowej, czy bardziej rozbudowanym pasie startowym. Podczas tego manewru samolot wykorzystujący swoje podwozie musi nabrać prędkości większej od prędkości przeciągnięcia, czyli takiej, aby wytwarzana przez niego siła nośna była większa od jego ciężaru. Na długość rozbiegu ma wpływ mnóstwo czynników, bo masa startowa, profil skrzydła, konfiguracja maszyny, gęstość powietrza, rodzaj podłoża, prędkość i kierunek wiatru, a przede wszystkim moc, konfiguracja i położenie silników.
To wszystko sprawia, że wliczając w służbę lotniskowca potencjalną rotację typów samolotów, nie można po prostu pozostawić wszystkiego łutowi szczęścia. Z oczywistych bowiem względów trudno o kilkuset kilometrowe pasy startowe na lotniskowcach, które zapewniłyby odpowiednie “zabezpieczenie” przed ewentualnymi problemami przy starcie. Każdy start samolotu może bowiem napotkać inne warunki, więc w grę nie wchodzi realizowanie pasa startowego “na sztywno”. Ma to jeszcze większą rolę w wojsku, bo jakiekolwiek ryzyko musi być możliwie najbardziej zminimalizowane… i tak oto właśnie narodziły się katapulty startowe.
Same w sobie katapulty startowe to wcale nie najnowszy cud techniki
“Wystrzeliwanie myśliwca katapultą” wprawdzie brzmi, jak coś rodem ze średniowiecza i na dodatek zapowiada raczej skomplikowany proces, który jest możliwy wyłącznie dzięki nowoczesnej technologii, ale prawda jest nieco inna. Po raz pierwszy tego typu rozwiązanie w wojsku zadziałało 31 lipca 1912 roku i… skończyło się zatopieniem samolotu, którego kąt lotu po starcie posłał go prosto w morze. Pilot przeżył – udało mu się wyjść z kokpitu po uderzeniu w taflę wody, ale samolot skończył gorzej.
Czytaj też: Opisujemy Starstreak i Martlet, czyli brytyjskie systemy przeciwlotnicze
Nie zniechęciło to jednak inżynierów do dalszych prób i tak 12 listopada tego samego roku miał miejsce udany start z unoszącej się na wodzie barki. Trzy lata później zaliczono kolejny kamień milowy, startując z poruszającego się statku. Ten pierwszy system katapulty startowej samolotów sprowadzał się do sprężonego powietrza i czarnego prochu, a znalazł się na lotniskowcu USS Langley (1922 rok).
Później system ten zaczął bazować na kole zamachowym (implementacja na USS Lexington w 1927 roku) i wreszcie hydraulicznym układzie na HMS Courageous (1934 roku). Były to ważne testy i sprawdziany, co potwierdziła II wojna światowa. Wtedy większość katapult na lotniskowcach amerykańskiej marynarki była hydrauliczna, ale w przypadku mniej zaawansowanych i nastawionych na operacje powietrzne okrętów ciągle bazowano na ładunkach wybuchowych.
Po tej największej wojnie w dziejach ludzkości nastała era parowych katapult startowych, które od 1950 roku wykazywały swoją wysoką skuteczność i przetrwały aż po dziś dzień. Działają one na zasadzie belki zwalniającej, do której przyczepia się myśliwce i która ciągnie się na całej długości pasa startowego. Gdy podsystem zgromadzi odpowiednie ciśnienie, belka jest zwalniana i ciągnie razem ze sobą gotowy do startu myśliwiec, którzy korzysta z tego dodatkowego przyspieszenia, aby na końcu drogi uwolnić się od niej i wznieść się w przestworza.
EMALS, czyli najnowsze katapulty startowe
Umówmy się jednak – system na bazie pary nie jest zbyt “nowoczesny” i ma swoje bolączki. Dlatego nad kolejnymi wersjami katapult ciągle pracowano, ale zajęło to długo, bo dopiero na początku XXI wieku powstał EMALS, czyli Electromagnetic Aircraft Launch System (Elektromagnetyczna Katapulta Startowa Samolotów). Z nią eksperymentowano tak naprawdę przy ciągłym rozwijaniu jego parowej wariacji, która w porównaniu do EMALS jest wręcz prymitywna, a przede wszystkim ciężka, nieefektowna energetycznie i trudna do kontrolowania. Dodatkowo przez brak sprzężenia zwrotnego tego katapulty mogą doprowadzić nawet do skrócenia żywotności samolotu, uniemożliwiając przy okazji m.in. wystrzeliwanie lekkich odrzutowców (dronów).
Czytaj też: Czym są rosyjskie Terminatory? Opisujemy, co potrafią te BMPT, czyli pojazdy wsparcia czołgów
W przypadku USA za opracowanie katapulty elektromagnetycznej odpowiada koncern General Atomics, który sprowadził EMALS do specjalnie zaprojektowanych indukcyjnych silników liniowych na prąd zmienny, aluminiowego “wózka”, silnika indukcyjnego oraz systemu magazynowania energii elektrycznej. W praktyce wygląda to tak, że te pierwsze generują pole elektromagnetyczne wzdłuż długości całej katapulty, wprawiając w ruch wózek, do którego to przyczepia się myśliwiec.
Te same sekcje uzwojeń (silników) powtarzają się na całej długości i są zasilane na bieżąco w miarę przesuwania się wzdłuż nich wózka, a do działania pobierają energię nie z systemu lotniskowca, a magazynu energii samego kompleksu EMALS. Jest to wymagane z prostego powodu – system wymaga w danym momencie ogromnej energii (do 484 MJ), a nią gromadzi się w czterech alternatorach między kolejnymi startami. Każdy z nich może dostarczyć o 29 procent więcej energii w porównaniu do katapulty parowej, a na dodatek jest znacznie efektywniejszy pod kątem konwersji mocy na przyspieszenie.
Eksperci porównują działanie tego systemu do rozwiązań rodem z rollercoasterów, ale o znacznie większej mocy. Nic dziwnego, pierwszym lotniskowiec, który otrzymał system EMALS (amerykański USS Gerald R. Ford – poniżej) ma na swoim pokładzie 91-metrowy odcinek pasa startowego. Ten pozwala na rozpędzenie się samolotów o wadze 45 ton do prędkości 240 km/h, a pokaz tego obejrzycie poniżej:
Czytaj też: Ukraińskie pociski Neptun pod lupą. To one zniszczyły klejnot rosyjskiej floty
W porównaniu z katapultami parowymi system EMALS waży mniej, zajmuje mniej miejsca, wymaga mniej konserwacji i siły roboczej, ale to nie wszystko. Jest ponadto bardziej niezawodny, ładuje się szybciej i zużywa mniej energii, dzięki czemu w razie szybkich akcji personel lotniskowca może wysłać w przestworza więcej samolotów. EMALS może również kontrolować start z większą precyzją, umożliwiając start zarówno lekkim dronom, jak i ciężkim myśliwcom. Operatorzy kontrolują moc poprzez system zamkniętej pętli. Czujniki hallotronowe na szynie monitorują pracę systemu, dzięki czemu ten zapewnia pożądane przyspieszenie. System zamkniętej pętli pozwala EMALS utrzymać stałą siłę holowania, co pozwala zmniejszyć naprężenia startowe na płatowcu samolotu.
