Дуглас D-558 II Skyrocket: Испытания сверхзвуковой скорости

Введение

Экспериментальный сверхзвуковой самолет

Douglas D-558-II Skyrocket (или D-558 II) – это ракетно-реактивный исследовательский сверхзвуковой самолет, построенный компанией Douglas Aircraft Company для ВМС США. 20 ноября 1953 года, незадолго до 50-й годовщины первого полета с двигателем (17 декабря), Скотт Кросфилд пилотировал Skyrocket до скорости 2 Маха, или более 2076 км/ч, впервые в истории превысив скорость звука в два раза.

Проектирование и разработка

"2" в обозначении самолета указывало на то, что Skyrocket был второй фазой программы, изначально задуманной как трехэтапная. Самолет первого этапа, D 558 1, был оснащен реактивным двигателем и имел прямые крылья. Третий этап, который так и не был реализован, предусматривал создание макета боевого самолета, в котором были бы учтены результаты испытаний самолетов первого и второго этапов. Проект D 558 3, который так и не был построен, предназначался для гиперзвукового самолета, аналогичного North American X 15. Когда стало очевидно, что фюзеляж D558 1 нельзя модифицировать для размещения как ракетного, так и реактивного двигателей, D558 2 был разработан как совершенно новый самолет. 27 января 1947 года контракт на поставку был изменен: три последних самолета D558 1 были исключены и заменены тремя новыми самолетами D558 2. Skyrocket имел крылья со стреловидностью 35 градусов и горизонтальные стабилизаторы со стреловидностью 40 градусов. Крылья и хвостовое оперение были изготовлены из алюминия, а большой фюзеляж – в основном из магния. Skyrocket был оснащен турбореактивным двигателем Westinghouse J34-40 тягой 3000 фунтов силы (13 кН), поступающей через боковые воздухозаборники в передней части фюзеляжа. Этот двигатель предназначался для взлета, набора высоты и посадки. Для высокоскоростного полета был установлен четырехкамерный ракетный двигатель Reaction Motors LR8 RM 6 (обозначение ВМС для XLR11 ВВС, использовавшегося в Bell X 1). Тяга этого двигателя составляла 6000 фунтов силы (27 кН) на уровне моря. В танках фюзеляжа размещались авиационное топливо, спирт и жидкий кислород. Изначально Skyrocket имел фонарь кабины вровень с фюзеляжем, но из-за плохой видимости из кабины она была переделана с поднятой кабиной и обычными наклонными окнами. Это привело к увеличению профиля в передней части самолета, которое было компенсировано добавлением 36 см высоты к вертикальному стабилизатору. Как и его предшественник, D558 1, D558 2 был спроектирован таким образом, что передний фюзеляж, включая кабину, мог отсоединяться от остальной части самолета в аварийной ситуации. После замедления переднего фюзеляжа пилот мог покинуть кабину с помощью парашюта.

The " 2" in the aircraft's designation referred to the fact that the Skyrocket was the phase two version of what had originally been conceived as a three phase program. The phase one aircraft, the D 558 1, was jet powered and had straight wings. The third phase, which never came to fruition, would have involved constructing a mock up of a combat type aircraft embodying the results from the testing of the phase one and two aircraft. The eventual D 558 3 design, which was never built, was for a hypersonic aircraft similar to the North American X 15. When it became obvious that the D558 1 fuselage could not be modified to accommodate both rocket and jet power, the D558 2 was conceived as an entirely different aircraft. The supply contract was changed on January 27, 1947 to drop the final three D558 1 aircraft and substitute three new D558 2 aircraft. The Skyrocket featured wings with a 35 degree sweep and horizontal stabilizers with 40 degree sweep. The wings and empennage were fabricated from aluminum and the large fuselage was primarily magnesium. The Skyrocket was powered by a Westinghouse J34 40 turbojet engine having 3,000 lbf (13 kN) thrust fed through side intakes in the forward fuselage. This engine was intended for takeoff, climb and landing. For high speed flight, a four chamber Reaction Motors LR8 RM 6 engine (the Navy designation for the Air Force's XLR11 used in the Bell X 1), was fitted. This engine was rated at 6,000 lbf (27 kN) static thrust at sea level. A total of of aviation fuel, of alcohol, and of liquid oxygen were carried in fuselage tanks. The Skyrocket originally had a flush cockpit canopy, but visibility from the cockpit was poor, so it was re configured with a raised cockpit with conventional angled windows. This resulted in a larger profile area at the front of the aircraft, which was balanced by an additional 14 inches (36 cm) of height added to the vertical stabilizer. Like its predecessor, the D558 1, the D558 2 was designed so that the forward fuselage, including cockpit, could disconnect from the rest of the aircraft in an emergency. Once the forward fuselage had slowed down, the pilot could escape from the cockpit by parachute.

Эксплуатационная история

Пилот Douglas Джон Ф. Мартин совершил первый полет на армейском аэродроме Muroc (позже переименованном в авиабазу Эдвардс) в Калифорнии 4 февраля 1948 года на самолете, оснащенном только реактивным двигателем. Целью программы было исследование характеристик самолетов со стреловидным крылом на трансонических и сверхзвуковых скоростях с особым вниманием к сваливанию (некомандированное вращение носа самолета вверх), проблеме, распространенной в высокоскоростных самолетах того времени, особенно на низких скоростях во время взлета и посадки, а также в крутых виражах. Три самолета собрали большой объем данных о сваливании и взаимосвязи боковых (рыскающих) и продольных (тангающих) движений; нагрузках на крыло и хвостовое оперение, подъемной силе, сопротивлению и характеристикам порывов потока для самолетов со стреловидным крылом на трансонических и сверхзвуковых скоростях; а также о влиянии выхлопной струи ракетного двигателя на боковую динамическую устойчивость во всем диапазоне скоростей. (Эффект струи был новым опытом для авиации.) Третий самолет также собрал информацию о влиянии внешней подвески (формы бомб, подвесных баков) на поведение самолета в трансонической области (примерно от 0,7 до 1,3 числа Маха). В сочетании с данными, полученными от других ранних исследовательских самолетов, таких как XF 92A, эта информация способствовала решению проблемы сваливания на самолетах со стреловидным крылом. Летные исследования проводились в летном испытательном подразделении NACA в Muroc, которое в 1949 году было переименовано в High Speed Flight Research Station (HSFRS). В 1954 году HSFRS стала High Speed Flight Station, а затем получила название NASA Dryden Flight Research Center. В 2014 году она была переименована в Armstrong Flight Research Center в честь Нила Армстронга. Три самолета совершили в общей сложности 313 полетов: 123 – первый самолет (Бюро No. 37973 – NACA 143), 103 – второй Skyrocket (Бюро No. 37974 – NACA 144) и 87 – третий самолет (Бюро No. 37975 – NACA 145). Skyrocket 143 выполнил все свои миссии, кроме одной, в рамках программы подрядчика Douglas для испытания характеристик самолета. Самолет NACA 143 первоначально был оснащен только реактивным двигателем, но позже был оснащен ракетным двигателем. В этой конфигурации он проходил испытания в Douglas с 1949 по 1951 год. После испытаний Douglas он был передан в NACA, где хранился до 1954 года. В 1954–1955 годах подрядчик модифицировал его для запуска в воздух только с помощью ракетного двигателя, при этом реактивный двигатель был удален. В этой конфигурации исследовательский пилот NACA Джон Маккей совершил ознакомительный полет на самолете 17 сентября 1956 года. 123 полета NACA 143 подтвердили прогнозы аэродинамической трубы относительно характеристик самолета, за исключением того, что самолет испытывал меньшее сопротивление при числах Маха выше 0,85, чем показывали результаты испытаний в аэродинамической трубе. NACA 144 также начала свою летную программу с турбореактивным двигателем. Пилоты NACA Роберт А. Шампин и Джон Х. Гриффит совершили 21 полет в этой конфигурации для проверки калибровки воздушной скорости и исследования продольной и боковой устойчивости и управляемости. В ходе этих испытаний, в августе 1949 года, они столкнулись с проблемой сваливания, которую инженеры NACA сочли серьезной, поскольку она могла привести к ограничению и опасности для летных характеристик. Поэтому они решили провести всестороннее исследование этой проблемы. В 1950 году Douglas заменил турбореактивный двигатель на ракетный двигатель LR 8, и его пилот Билл Бриджман совершил семь полетов на самолете, достигнув скорости 1,88 Маха (1,88 скорости звука) и высоты 24 230 м, что в то время было неофициальным мировым рекордом высоты, достигнутым 15 августа 1951 года. В ракетной конфигурации самолет подвешивался под бомбоотсеком военно-морского самолета P2B, варианта бомбардировщика B-29. P2B поднимался на высоту около 9144 м, а затем сбрасывал ракетный самолет. Во время сверхзвуковых полетов Бриджман столкнулся с резким кренящим моментом, известным как боковая неустойчивость. Этот момент был менее выраженным во время полета на скорости 1,88 Маха 7 августа 1951 года, чем во время полета на скорости 1,85 Маха в июне, когда он перевел самолет в положение с низким углом атаки. Инженеры NACA изучили поведение самолета, прежде чем начать собственные летные исследования на самолете в сентябре 1951 года. В течение следующих двух лет пилот NACA Скотт Кроссфилд совершил 20 полетов на самолете для сбора данных о продольной и боковой устойчивости и управляемости, нагрузках на крыло и хвостовое оперение, а также характеристиках подъемной силы, сопротивления и порывов потока на скоростях до 1,878 Маха. После этого морской лейтенант-полковник Марион Карл установил новый (неофициальный) рекорд высоты в 25 370 м 21 августа 1953 года и достиг максимальной скорости 1,728 Маха. Рекорд высоты не был признан Fédération Aéronautique Internationale, поскольку самолеты, претендующие на рекорд, должны были взлетать самостоятельно. После завершения этих полетов для ВМС, техники NACA на High Speed Flight Research Station (HSFRS) возле Мохаве, Калифорния, оснастили камеры сгорания ракетного двигателя LR 8 насадками для предотвращения воздействия выхлопных газов на рули направления на сверхзвуковых скоростях. Это дополнение также увеличило тягу двигателя на 6,5 процента на скорости 1,7 Маха и высоте 21 300 м. Еще до того, как Марион Карл совершил полет на Skyrocket, начальник HSFRS Уолтер К. Уильямс безуспешно обратился в штаб-квартиру NACA с просьбой разрешить ему разогнать самолет до 2 Маха для получения исследовательских данных на этой скорости. Наконец, после того как Кроссфилд получил согласие Бюро аэронавтики ВМС, директор NACA Хью Л. Драйден отступил от обычной практики организации, оставляя установление рекордов другим, и согласился на попытку полета на скорости 2 Маха. Помимо установки насадок, летная группа NACA на HSFRS охладила топливо (спирт), чтобы в бак можно было залить больше, и отполировала фюзеляж для уменьшения сопротивления. Главный инженер проекта Герман О. Анкенбрук разработал план подняться на высоту около 21 900 м и перейти в небольшой пике. Кроссфилд вошел в историю авиации 20 ноября 1953 года, когда достиг скорости 2,005 Маха, 1291 миля в час (2078 км/ч). Это был единственный полет Skyrocket на скорости 2 Маха. После этого полета Кроссфилд и пилоты NACA Джозеф А. Уолкер и Джон Б. Маккей использовали самолет для сбора данных о распределении давления, нагрузках на конструкцию и нагреве конструкции, последний полет в программе состоялся 20 декабря 1956 года, когда Маккей получил данные о динамической устойчивости и уровне звукового давления на трансонических скоростях и выше. Тем временем NACA 145 завершила 21 испытательный полет, выполненный пилотами Douglas Юджином Ф. Мэем и Уильямом Бриджманом в ноябре 1950 года. На этом самолете, оснащенном реактивным и ракетным двигателями, Скотт Кроссфилд и Уолтер Джонс начали исследование NACA проблемы сваливания, которое продолжалось с сентября 1951 года и до середины лета 1953 года. Они летали на Skyrocket с различными конфигурациями концевых шайб крыла, предкрылков и удлинений передней кромки, выполняя различные маневры, а также прямой и горизонтальный полет на трансонических скоростях. Концевые шайбы значительно помогали восстанавливаться после сваливания, в то время как удлинения передней кромки не помогали, опровергая результаты испытаний в аэродинамической трубе. Предкрылки (длинные узкие вспомогательные аэродинамические поверхности) в полностью открытом положении устраняли сваливание, за исключением диапазона скоростей около 0,8–0,85 Маха. В июне 1954 года Кроссфилд начал исследование влияния внешней подвески (формы бомб и топливных баков) на трансонические характеристики самолета. Маккей и Стэнли Батчарт завершили исследование NACA этой проблемы, Маккей выполнил последний полет 28 августа 1956 года. Помимо установления нескольких рекордов, пилоты Skyrocket собрали важные данные и понимание того, что работает, а что нет, для обеспечения стабильного и управляемого полета самолета со стреловидным крылом в трансонических и сверхзвуковых режимах. Собранные ими данные также помогли улучшить корреляцию результатов испытаний в аэродинамической трубе с фактическими летными значениями, повысив возможности проектирования...

Douglas pilot John F. Martin made the first flight at Muroc Army Airfield (later renamed Edwards Air Force Base) in California on 4 February 1948 in an aircraft equipped only with the jet engine. The goals of the program were to investigate the characteristics of swept wing aircraft at transonic and supersonic speeds with particular attention to pitch up (un commanded rotation of the nose of the aircraft upwards), a problem prevalent in high speed service aircraft of that era, particularly at low speeds during takeoff and landing, and in tight turns. The three aircraft gathered a great deal of data about pitch up and the coupling of lateral (yaw) and longitudinal (pitch) motions; wing and tail loads, lift, drag and buffeting characteristics of swept wing aircraft at transonic and supersonic speeds; and the effects of the rocket exhaust plume on lateral dynamic stability throughout the speed range. (Plume effects were a new experience for aircraft.) The number three aircraft also gathered information about the effects of external stores (bomb shapes, drop tanks) upon the aircraft's behavior in the transonic region (roughly 0.7 to 1.3 times the speed of sound). In correlation with data from other early transonic research aircraft such as the XF 92A, this information contributed to solutions to the pitch up problem in swept wing aircraft. Its flight research was done at the NACA's Muroc Flight Test Unit in California, redesignated in 1949 the High Speed Flight Research Station (HSFRS). The HSFRS became the High Speed Flight Station in 1954 and was then known as the NASA Dryden Flight Research Center. In 2014 it was renamed Armstrong Flight Research Center in honor of Neil Armstrong. The three aircraft flew a total of 313 times – 123 by the number one aircraft (Bureau No. 37973—NACA 143), 103 by the second Skyrocket (Bureau No. 37974 – NACA 144), and 87 by aircraft number three (Bureau No. 37975 – NACA 145). Skyrocket 143 flew all but one of its missions as part of the Douglas contractor program to test the aircraft's performance. NACA aircraft 143 was initially powered by the jet engine only, but was later fitted with the rocket engine. In this configuration, it was tested by Douglas from 1949 to 1951. After Douglas' test program, it was delivered to NACA, who stored it until 1954. In 1954–55 the contractor modified it to an all rocket air launch capability with the jet engine removed. In this configuration, NACA research pilot John McKay flew the aircraft only once for familiarization on 17 September 1956. The 123 flights of NACA 143 served to validate wind tunnel predictions of the aircraft's performance, except for the fact that the aircraft experienced less drag above Mach 0.85 than the wind tunnels had indicated. NACA 144 also began its flight program with a turbojet powerplant. NACA pilots Robert A. Champine and John H. Griffith flew 21 times in this configuration to test airspeed calibrations and to research longitudinal and lateral stability and control. In the process, during August 1949 they encountered pitch up problems, which NACA engineers recognized as serious because they could produce a limiting and dangerous restriction on flight performance. Hence, they determined to make a complete investigation of the problem. In 1950, Douglas replaced the turbojet with an LR 8 rocket engine, and its pilot, Bill Bridgeman, flew the aircraft seven times up to a speed of Mach 1.88 (1.88 times the speed of sound) and an altitude of 79,494 ft (24,230 m), the latter an unofficial world's altitude record at the time, achieved on 15 August 1951. In the rocket configuration, the aircraft was attached beneath the bomb bay of a Navy P2B, a variant of the B 29 bomber. The P2B would fly to about 30000 feet (9144 m), then release the rocket plane. During Bridgeman's supersonic flights, he encountered a violent rolling motion known as lateral instability. The motion was less pronounced during the Mach 1.88 flight on 7 August 1951 than during a Mach 1.85 flight in June when he pushed over to a low angle of attack. The NACA engineers studied the behavior of the aircraft before beginning their own flight research in the aircraft in September 1951. Over the next couple of years, NACA pilot Scott Crossfield flew the aircraft 20 times to gather data on longitudinal and lateral stability and control, wing and tail loads, and lift, drag, and buffeting characteristics at speeds up to Mach 1.878. At that point, Marine Lt. Col. Marion Carl flew the aircraft to a new (unofficial) altitude record of 83,235 feet (25,370 m) on 21 August 1953, and to a maximum speed of Mach 1.728. The altitude record was not recognized by the Federation of Aeronautique Internationale, because at that time aircraft making record attempts had to take off on their own power. Following Carl's completion of these flights for the Navy, NACA technicians at the High Speed Flight Research Station (HSFRS) near Mojave, California, outfitted the LR 8 engine's combustion chambers with nozzle extensions to prevent the exhaust gas from affecting the rudders at supersonic speeds. This addition also increased the engine's thrust by 6.5 percent at Mach 1.7 and 70,000 feet (21,300 m). Even before Marion Carl had flown the Skyrocket, HSFRS Chief Walter C. Williams had petitioned NACA headquarters unsuccessfully to fly the aircraft to Mach 2 to garner the research data at that speed. Finally, after Crossfield had secured the agreement of the Navy's Bureau of Aeronautics, NACA director Hugh L. Dryden relaxed the organization's usual practice of leaving record setting to others and consented to attempting a flight to Mach 2. In addition to adding the nozzle extensions, the NACA flight team at the HSFRS chilled the fuel (alcohol) so more could be poured into the tank and waxed the fuselage to reduce drag. Project engineer Herman O. Ankenbruck drew up a plan to fly to about 72,000 feet (21,900 m) and push over into a slight dive. Crossfield made aviation history on 20 November 1953, when he flew to Mach 2.005, 1,291 miles per hour (2,078 km/h). It was the only Mach 2 flight the Skyrocket ever made. Following this flight, Crossfield and NACA pilots Joseph A. Walker and John B. McKay flew the aircraft for such purposes as to gather data on pressure distribution, structural loads, and structural heating, with the last flight in the program occurring on 20 December 1956, when McKay obtained dynamic stability data and sound pressure levels at transonic speeds and above. Meanwhile, NACA 145 had completed 21 contractor flights by Douglas pilots Eugene F. May and William Bridgeman in November 1950. In this jet and rocket propelled craft, Scott Crossfield and Walter Jones began the NACA's investigation of pitch up lasting from September 1951 well into summer 1953. They flew the Skyrocket with a variety of wing fence, wing slat and leading edge chord extension configurations, performing various maneuvers as well as straight and level flying at transonic speeds. While fences significantly aided recovery from pitch up conditions, leading edge chord extensions did not, disproving wind tunnel tests to the contrary. Slats (long, narrow auxiliary airfoils) in the fully open position eliminated pitch up except in the speed range around Mach 0.8 to 0.85. In June 1954, Crossfield began an investigation of the effects of external stores (bomb shapes and fuel tanks) upon the aircraft's transonic behavior. McKay and Stanley Butchart completed the NACA's investigation of this issue, with McKay flying the final mission on 28 August 1956. Besides setting several records, the Skyrocket pilots had gathered important data and understanding about what would and would not work to provide stable, controlled flight of a swept wing aircraft in the transonic and supersonic flight regimes. The data they gathered also helped to enable a better correlation of wind tunnel test results with actual flight values, enhancing the abilities of designers to produce more capable aircraft for the armed services, especially those with swept wings. Moreover, data on such matters as stability and control from this and other early research aircraft aided in the design of the Century Series of fighter aircraft, all of which featured the movable horizontal stabilizers first employed on the X 1 and D 558 series.

Варианты

Все три "Скайрокета" имели крылья со стреловидностью 35 градусов. До подготовки к воздушному запуску NACA 143 был оснащен турбореактивным двигателем Westinghouse J 34 40 с номинальной статической тягой. Он перевозил авиационный бензин и весил 10 572 фунта (4 795 кг) при взлете. NACA 144 (и NACA 143 после модификации в 1955 году) приводился в действие ракетным двигателем LR 8 RM 6 с номинальной статической тягой. В качестве топлива он использовал жидкий кислород и разбавленный этиловый спирт. В конфигурации для запуска он весил 15 787 фунтов (7 161 кг). NACA 145 был оснащен как ракетным двигателем LR 8 RM 5 с номинальной статической тягой, так и турбореактивным двигателем Westinghouse J 34 40 с номинальной статической тягой. Он перевозил жидкий кислород, разбавленный этиловый спирт и авиационный бензин, что обеспечивало взлетный вес 15 266 фунтов (6 925 кг).

Выжившие самолеты

D 558 2 #1 Skyrocket экспонируется в Музее Планов Славы, Чино, Калифорния. Второй Skyrocket, первый самолет, достигший скорости 2 Маха, экспонируется в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия. Третий самолет установлен на пилоне на территории колледжа Antelope Valley College в Ланкастере, Калифорния.