2 czerwca z lotniska fabrycznego Air Force Plant 42 w Palmdale wzbił się w powietrze eksperymentalny samolot transportowy Advanced Composite Cargo Aircraft (ACCA), czyli zmodyfikowany Fairchild Dornier 328JET, z kadłubem wykonanym z nowego rodzaju kompozytów. Jak twierdzą Amerykanie program ten ma na celu opracowanie nowych materiałów i technologii, które w przyszłości będą wykorzys-tywane w produkcji samolotów transportowych i pasażerskich, a także nowych procedur zarządzania procesem ich wytwarzania.
Od kilkunastu lat kompozyty są coraz powszechniej używane w konstrukcjach statków powietrznych. Ich zalety dostrzegli przede wszystkim producenci samolotów komunikacyjnych - Boeing i Airbus. Pierwszy z nich już opracował model B787 Dreamliner, którego struktura wykonana jest głównie z kompozytów, a drugi zapowiada wprowadzenie za kilka lat do eksploatacji rewolucyjnego A350XWB.
BEZ AUTOKLAWU ANI RUSZ
Jednak jak pokazuje przykład B787, technologia wytwarzania wielkogabarytowych elementów z kompozytów zbrojonych włóknem węglowym wciąż pozostawia wiele do życzenia. W dodatku wiąże się to z koniecznością ponoszenia dużych nakładów na wyposażenie.
Małe, nisko obciążone elementy kompozytowe można produkować w temperaturze pokojowej metodą formowania próżniowego lub ciśnieniowo-próżniowego, bez używania autoklawu. Natomiast elementy wielkogabarytowe (jak np. sekcje kadłuba Dreamlinera) wciąż wymagają utwardzania w autoklawach, w wysokiej temperaturze i pod ciśnieniem. Jednak autoklaw jest urządzeniem drogim i skomplikowanym. Zbudowanie dużego autoklawu pociąga za sobą konieczność wydania dużych sum pieniędzy. Kolejnym kosztem jest instalacja azotu niezbędnego do ogrzewania komory autoklawu.
Tradycyjna struktura duraluminiowa, używana niemal od zarania lotnictwa i montowana przy pomocy nitów i śrubonitów, jest podatna na korozję i zmęczenie materiału. W dodatku sposób wytwarzania elementów nierozwijalnych z duralu jest dość trudny, wielu konstruktorów unika takich rozwiązań, przez co pogorszona jest aerodynamika statku powietrznego. Utrzymanie konstrukcji duraluminiowej w stanie zdatności do lotu po długim czasie eksploatacji wymaga wielu nakładów - zarówno pracy ludzkiej, jak i funduszy, koniecznych do wyprodukowania i zakupu części zamiennych.
REWOLUCYJNA MTM45-1
Być może już niedługo będzie można wytwarzać wielkogabarytowe kompozytowe statki powietrzne znacznie taniej. W słynnych zakładach Skunk Works (gdzie powstał m.in. pierwszy w świecie niewidzialny dla fal radaru samolot bojowy F-117A Nighthawk), opracowano nową żywicę epoksydową, oznaczoną jako MTM45-1, która pozwala na utwardzanie kompozytów z włókien węglowych bez konieczności stosowania autoklawów.
Żywica MTM45-1 została już zastosowana w konstrukcjach eksperymentalnych - samolocie White Knight 2 i bezzałogowcu P175 Polecat. Według przedstawicieli Skunk Works materiały użyte w konstrukcji ACCA mają własności porównywalne z kompozytami węglowymi utwardzanymi w autoklawach, jednak daleko im jeszcze do nowoczesnych kompozytów stosowanych w budowie cywilnych samolotów pasażerskich. Ich poudarowa wytrzymałość na ściskanie wynosi nieco ponad 200 MPa, natomiast wartość pożądana, umożliwiająca zastosowanie ich w konstrukcjach komunikacyjnych statków powietrznych, wynosi co najmniej 275 MPa.
Opracowanie żywic utwardzanych poza autoklawami o większej wytrzymałości może potrwać kilka, a nawet kilkanaście lat. Kolejnym wyzwaniem jest dopracowanie procesu technologicznego tak, aby można było stosować go w produkcji dużych samolotów, co znacznie obniży koszt i czas ich wytwarzania.
KRóTSZY PROCES WYTWARZANIA
Projekt ACCA jest sponsorowany przez US Air Force Research Laboratory i DARPA. W projekcie pomocą służyły także centrum prób w locie NASA w Dryden (wykonujące ekspertyzy lotów doświadczalnych) oraz Avcraft (amerykański producent Do 328JET), który pomógł w pracach związanych z instalacjami pokładowymi. Zakłady Skunks Works, które wprawdzie nie brały wcześ-niej udziału w opracowywaniu samolotów transportowych, ale mają za to doświadczenie w konstruowaniu nowoczesnych statków powietrznych i wiedzą, jak należy wykorzystywać w praktyce nowe technologie, skupiły się na projekcie, produkcji i integracji struktury.
Warto podkreślić, że ACCA to program, który może przyczynić się do rozwoju nie tylko transportowca nowej generacji, jakiego poszukują USAF, ale także całego przemysłu lotniczego. Zagadnienie dostarczenia ładunku o dużej masie na lotnisko o krótkim nieutwardzonym pasie wciąż stanowi problem dla wojska, jednak w rzeczywistości głównym celem programu ACCA jest udowodnienie możliwości wyprodukowania statku powietrznego z użyciem kompozytów nie utwardzanych w autoklawie (Out-Of-Autoclave, OOA). Według oficjalnego oświadczenia kierownictwa programu wybrano jako demonstrator samolot transportowy, ponieważ misje przewozu ładunku powodują największe obciążenie struktury płatowca. Nowe kompozyty mogą stanowić przełom także w konstrukcjach samolotów bojowych, umożliwiając znaczne zwiększenie udźwigu, polepszenie osiągów i obniżenie kosztów eksploatacji.
Co więcej, w programie ACCA wprowadzono także nowe procedury zarządzania procesem projektowania i produkcji. Liczbę członków zespołu ograniczono do minimum, aby skrócić łańcuch decyzyjny. Nabywca został włączony w skład zespołu projektowego (jest to rozwiązanie stosowane powszechnie przy konstruowaniu samolotów pasażerskich). Czas podejmowania decyzji skrócono do minimum i postawiono tylko minimalne wymagania, bez zmieniania ich w trakcie projektowania. Kolejną nowinką było umieszczenie inżynierów w halach produkcyjnych, pomiędzy robotnikami.
Zamiast budowania demonstratora od podstaw konstruktorzy ze Skunk Works postanowili wykorzystać jeden z istniejących statków powietrznych, o gabarytach zbliżonych do wymagań stawianych przez AFRL. Budowanie prototypu na nowo zwykle owocuje znacznie mniejszym samolotem, a każda interwencja konstruktora powoduje zwiększenie jego masy (a co za tym idzie spadek udźwigu).Dotychczas koszt budowy samolotu był determinowany głównie przez jego wielkość i masę. W programie ACCA udowodniono, że tylko wielkość konstrukcji ma znaczenie. Opracowanie struktury nośnej płatowca z kompozytów nie utwardzanych w autoklawie ma spowodować także zmniejszenie liczby jej zespołów i podzespołów. Przede wszystkim redukcji ulegnie liczba elementów złącznych. Klasyczny duraluminiowy kadłub Do 328JET zawiera ok. 3 tys. części i 30 tys. elementów złącznych (nitów, śrubonitów itp.), natomiast ACCA ma jedynie 300 części i 4 tys. elementów złącznych. Dzięki temu masa struktury jest znacznie mniejsza, co pozwala m.in. na zmniejszenie zużycia paliwa.
PRZEROBIONY DO 328JET
Na pierwszy rzut oka ACCA różni się od Do 328JET przede wszystkim kadłubem, którego szerokość zwiększono o ok. 75 cm. Przekonstruowano też przejście skrzydło-kadłub i opracowano nowe usterzenie, o większej powierzchni. Przednia część kadłuba, kabina załogi, skrzydła, zespół napędowy, podwozie i wyposażenie awioniczne pozostały niezmienione w porównaniu z oryginałem. ACCA ma także rampę w tylnej części kadłuba, pozwalającą na załadunek dwóch palet 463L w ładowni oraz dodatkowego ładunku na samej rampie.
Zmodyfikowana struktura przedniej części kadłuba jest klejona w niskiej temperaturze z pozostałą częścią kadłuba. Natomiast pokrycie kadłuba o długości 17 m i szerokości 3 m jest podparte tylko czterema wręgami. Zdaniem konstruktorów ze Skunks Works ACCA jest znacznie nowocześniejszy niż np. B787, który jest tylko klasyczną konstrukcją zbudowaną z kompozytów zamiast duralu (trudno nie przyznać im racji - TiGr jest formowany i łączony analogicznie jak dural).
Duże elementy kompozytowe ACCA były formowane, utwardzane i klejone razem w piecach wielkości pokoju, a nie w dużych autoklawach. Utwardzanie poza autoklawem dużych, integralnych i sklejonych struktur minimalizuje liczbę elementów. Narzędzia, materiały, nakład roboczogodzin, kontrola jakości i wykorzystanie powierzchni roboczej były wykorzystywane i wykonywane efektywnie. Dzięki temu udało się obniżyć koszt oraz zaprojektować i wyprodukować integralną konstrukcję.
NAJWAŻNIEJSZE, ŻE POWSTAŁ
Oblot, wykonany 2 czerwca, odbył się bez niespodzianek. Po starcie samolot wzbił się na wysokość 3050 m. Dwuosobowa załoga, w skład której weszli Rob Rowe i Joe Bibiano, wykonała następnie serię prób mających na celu sprawdzenie stateczności i sterowności ACCA. Lot trwał 87 minut. Po lądowaniu dowódca załogi Rob Rowe, stwierdził, że wszystko przebiegło zgodnie z planem. Lot samolotem to była przyjemność i nie zaszło nic niespodziewanego.
W ten sposób zamknięto drugi etap programu ACCA. Pierwszy stanowiły prace projektowe i konstrukcyjne, natomiast trzeci obejmować będzie loty w ramach obwiedni obciążeń dopuszczalnych - czas jego trwania będzie uzależniony od dostępnych funduszy. Początkowo planowano, że potrwa on rok, ale czas ten może zostać skrócony, jeśli pieniądze zostaną wydane szybciej. Samolot ma zabudowane ponad 600 różnego rodzaju czujników, mierzących naprężenia struktury. Analiza zachowania kompozytowego samolotu przy różnych prędkościach, wysokościach i położeniu w przestrzeni pozwoli na opracowanie przebiegu kolejnych lotów próbnych. Dokładna wiedza na temat pracy struktury pozwoli na wykorzystanie nowej technologii w przyszłych konstrukcjach.
Według nieoficjalnych wieści ACCA ma otrzymać oznaczenie X-55, czyli będzie traktowany jako konstrukcja eksperymentalna, a nie prototyp nowego statku powietrznego. Należy jednak pamiętać, że największą zaletą tego samolotu jest sam fakt jego powstania. Współcześnie używane przez USAF transportowce wywodzą swój rodowód od konstrukcji opracowanych trzy i pół dekady temu. McDonnell Douglas YC-15, czyli prototyp niezastąpionego obecnie w misjach transportu strategicznego C-17A Globemaster III, wykonał pierwszy lot w 1975, a Boeing YC-14, mający w zamyśle być następcą Herculesa i ostatecznie zarzucony, wzbił się w powietrze w 1976.
USAF wciąż poszukują nowego samolotu, który byłby w stanie zastąpić transportowce C-130 około 2020. Prezentacja ACCA następuje więc w najlepszym czasie - w następnej dekadzie technologie uznawane obecnie za nowatorskie powinny być już powszechnie dostępne.
Pamiętajmy też, że konkurencja nie zasypia gruszek w popiele. W ostatnich latach wiele mówiono i poczyniono w kierunku opracowania nowych konstrukcji, mających w zamyśle wyprzeć Herculesy z rynku Ameryki Południowej i Afryki (zwłaszcza wśród uboższych państw). Nowe transportowce opracowują brazylijski Embraer (KC-390), Ukraińcy z Antonowa (An-148T) i Hindusi, wspólnie z Rosjanami (MTA). Jednak wszystkie wymienione samoloty mają być zbudowane przy użyciu doskonale znanego, poczciwego duralu…
