tiistai 24. joulukuuta 2019

NORTH AMERICAN VALKYRIE





Valkyyrian ratsastus alkaa tuhannen auringon valosta. Ydinpommit olivat muuttaneet strategisen pommituksen luonnetta radikaalisti, kun yhdellä pommilla pystyi tuhoamaan kokonaisen kaupungin. Enää ei kaivattu valtavia pommittajalauttoja, vaan yksittäin toimivia pommittajia, joiden oli suorituskyvyllään peitottava vihollisen ilmapuolustus. Siksi raskaat pommikoneet siirtyivät suihkuaikaan heti, kun se vain oli teknisesti mahdollista.

Niistä ensimmäinen astui palvelukseen jäniksen vuonna 1951. B-47 Stratojet lensi yhtä nopeasti kuin aikakautensa hävittäjät, noin 900 km/h. Sitä oli siis vaikea tavoittaa hävittäjällä, jotka oli aseistettu vain tykein, ja niiden piti siksi päästä lähietäisyydelle. Lisäksi se lensi niin korkealla, 12 000 metrissä, että hävittäjien oli vaikea edes nousta niin ylös pienempien siipiensä takia. Niiden myös oli vaikea liikehtiä ohuessa ilmassa, sillä ne olivat hyvin lähellä sakkausrajaansa, ja kääntyvä lentokone menettää kaarroksessa nopeuttaan samasta syystä ja samalla tavalla kuin kaartava moottorivene menettää: alus osuu väliaineeseen kulmassa, mikä lisää sen vastusta ja näin liike-energiaa muuttuu väliaineen paineeksi. Stratojet siis vältti hävittäjät lentämällä kovaa ja korkealla.

Stratojetin tanakampi isoveli B-52 Superfortress taas toi strategiselle pommikoneelle tärkeää toimintasädettä, sillä siinä roolissa tärkeää on pystyä vaikuttamaan syvälle vihollisen alueelle. Stratojetin toimintasäde oli vain 3200 km, B-52:n yli 8000. Samalla pommilasti kasvoi moninkertaiseksi, sillä B-52 on jättimäinen lentokone: lentoonlähtömassa yli 220 tonnia. Kaikkien strategisten pommikoneiden oli oltava 50-luvulla jättiläisiä, sillä myös atomipommit olivat tonnien painoisia järkäleitä.

Suihkuhävittäjien kehitys oli kuitenkin vielä nopeampaa kuin pommikoneiden, ja ne rikkoivat äänivallin säännöllisesti jo 1950-luvun puolivälissä. Siksi niiden välttämiseen vaadittiin vielä lisää nopeutta. Näin Päivänvalon näki Convair B-58 Hustler, deltasiipinen kahden Machin ydinpommittaja. Se oli kuitenkin raju rauta lennettäväksi, kallis ylläpitää ja ennenkaikkea sen toimintasäde oli lyhyt – se oli jokseenkin sama 3200 km, kuin Stratojetillä.

USA:n ilmavoimien strateginen lennosto SAC julkaisi näistä syistä vuohen vuonna 1955 puolustusministeriölle tarpeen kehittää pommittaja, joka yhdistäisi B-52:n toimintasäteen ja pommikuorman B-58:n nopeuteen, vaikka kumpikin kone oli yhä suunnittelupöydällä. Ilmavoimien tutkimuskeskus ARDC alkoi luonnostella uutta konseptia, jossa harkittiin niin perinteisiä polttoaineita kuin ydinvoimaakin. Näiden välimaastossa tutkittiin Zip fueleja, korkeaenergisiä boraaniseostettuja hiilivetypolttoaineita. Boraaneilla on erittäin korkea energiapitoisuus, noin 70 000 kJ/kg, kun kerosiinilla se on 42 000 kJ/kg. Ne kuitenkin syttyvät helposti itsestään kosketuksissa hapen kanssa, joten stabilointisyistä niitä seostettiin kerosiiniin. ARDC tutki ainakin etyylidiboraanin (CH3CH2)B2H5, propyylipentaboraanin (CH3CH2CH2)B5H9, etyylidekaboraanin (CH3CH2)B10H13, metyylidekaboraanin (CH3)B10H13 ja etyyliasetyleenidekaboraanin (CH3CH2)(C2H)B10H12 seostamista.

Tämä oli aitoa menoa. Boraanikerosiinit ovat sekä syövyttäviä että myrkyllisiä, kuten ovat niiden palokaasutkin. Lisäksi kombustiossa boori muodostaa hiilen kanssa boorikarbidihiukkasia, jota syövät abrasiivisesti turbiinin siipiä. Myös ensimmäiset teollisuuden luonnokset olivat yhtä villejä: niissä kaavailtiin valtavia polttoainesäiliöitä upotettavaksi ulompaan siipiprofiiliin. Siiven ulompi osa olisi perinteinen suora siipi, sillä se tuottaa tehokkaasti nostetta pienillä nopeuksilla ja helpottaisi lentoonlähtöä. Sisempi siipi olisi deltasiipi, ja ulommat siipiprofiilit irrotettaisiin siirryttäessä yliäänilentoon, ja ne ohjattaisiin erikseen maahan. SAC ei pitänyt moista epäsikiötä edes lentokoneena, vaan muodostelmalentona.

Alkuperäinen luonnos. "Floating panel" olisi ollut käytnnössä itsenäinen trapetsisiipinen lentokone. Kuva: Wikipedia.

Teollisuuden käskettiin tyytyä sentään surrealismiin. Villikot palasivat ruotuun, ja hahmotelmat olivat tästä eteenpäin pitkärunkoisia, jyrkkiä ja ohuita deltasiipiä. Samaten boraanikerosiinien käyttö rajoitettiin jälkipolttimiin, jotteivät moottorit olisi syöneet omia turbiinejaan. Samalla myös lentokenttähenkilöstö välttyisi myrkyttymiseltä. Myös huippunopeuden pitäisi olla valtava, sillä koneen oli oltava hävittäjiä nopeampi, ja ne lensivät jo kaksinkertaisella äänennopeudella. Siispä pommikoneen oli lennettävä kolminkertaisella. Lisäksi nopeasta lentämisestä oli ylimääräistä etua: nopeat lentokoneet välähtävät tutkan näytössä vain muutamia kertoja, sillä varsinkin korkealla lentäessään ne ehtivät pois tutkan kattamalta alalta vähäisemmän antennin keilausmäärän takia, ja tutkan yllä on kartionmuotoinen katvealue. Tutkan näyttö taas näyttää kohteita sitä mukaa, kun antenni osoittaa niitä kohti, joten nopeaa konetta oli vaikeampi havaita ja varsinkin jäljittää kuin hidasta. Tämä oli douhetismin, uskon pommikoneen pysäyttämättömyyteen ja taistelutahdon murtamiseen kaupunkeja pommittamalla, äärimmäinen huipentuma.

Hävittäjien kehitys kuitenkin toi paljon tietoa yliäänilennosta ja moottoreiden toiminnasta ylisoonisella nopeusalueella. Kävi ilmi, että mitä suuremmalle ilmanopeudelle moottori suunniteltiin, sitä parempi sen hyötysuhde oli. Huippunopeudellaan lentävä yliäänikone imi dinosaurusmehua noin kaksi kertaa suuremmalla tahdilla, kuin alisoonisessa lennossa. Se kuitenkin eteni neljä kertaa nopeammin, joten alhaisin polttoaineenkulutus lennettyä kilometriä kohti saavutettiin juurikin huippunopeudella. Tämä vei pohjan ajatukselta myskiä boraanikerosiinilla lisänopeutta vain maalia lähestyttäessä tai penetroitaessa vihollisen ilmatilaa: oli tehokkaampaa myskiä kone suoraan kolminkertaiseen äänennopeuteen ja lentää koko matka sillä.

North American Aviation tutki myös kiihkeästi NACA:n tuulitunnelikokeiden tuloksia. Apinan vuonna 1956 insinöörien käsiin saapui tutkimusraportti, joka käsitteli kompressionosteen hyödyntämistä. Ajatuksena oli käyttää koneen nokan synnyttämää yliääniaaltoa, korkeapaineista shokkiaaltoa, nosteen synnyttämiseen. Siipi synnyttää nostetta paine-erolla, eli siiven alapuolella ilma kulkee pidemmän matkan kuin yläpuolella, ja on näin korkeapaineisempaa. Ajamalla yliäänipaineaalto siiven alle lentokone saisi osan ilman puristamiseen käyttämästään energiasta takaisin nostovoimana. Tämä taas voitaisiin toteuttaa sijoittamalla ja muotoilemalla siipi huolellisesti paineaallon mukaan. Ilmiö muistuttaa plaanissa ajavaa moottorivenettä, jonka oma keula-aalto nostaa vedenpinnan yläpuolelle ja näin vähentää veden vastusta. Näin North American tuli luoneeksi yliäänipatosiiven. North Americanin insinöörit myös keksivät kääntää koneen siivenkärkiä alaspäin yliäänilennossa, mikä puristi paineaallon tiukemmin siiven alle, ja toi lisäksi poikittaisvakavuutta, sillä taitetut siivenkärjet toimivat tällöin ikäänkuin ylimääräisinä sivuvakaajina. Ilmavoimat oli vakuuttunut, ja North American voitti koneesta järjestetyn tarjouskilpailun jouluaatonaattona kukon vuonna 1957.

Ironisesti juuri pyrkimys tällaisten pommittajien torjuntaan mahdollisti sen kehityksen. North American Aviation kehitti ilmavoimille samaan aikaan kolmen Machin F-108 Rapier-torjuntahävittäjää, ja mittava kehitystyö tuli mahdolliseksi, kun molemmat projektit voivat hyötyä toistensa kehityksestä. Ne käyttivät samaa moottoria, tuulitunnelidataa ja järjestelmiä. Näin kehityskustannusket suhteellisesti laskivat. Kone sai ilmavoimilta intendentuuritunnuksen B-70 (ja vastaavasti sen protoyyppi olisi XB-70) ja nimeämiskilpailun kautta nimen Valkyrie kevättalvella koiran vuonna 1958.

Valkyrie koki samoja ongelmia, kuin sen etäinen serkku Lockheed Blackbird. Ilman puristuminen koneen edessä kolminkertaisessa äänennopeudessa  sen pintaa korvensi 230 °C, nokkaa 315 °C, siiven johtoreunaa 330 °C ja moottorikehtoja 540 °C. Näissä lämpötiloissa alumiiniseoksilla ei ole enää juuri ominaisuuksia jäljellä.  Toisin kuin Lockheed, North American Aviation käytti titaania säästeliäästi. Sitä on siiven johtoreunoissa ja nokassa. Tosin Valkyrie-projekti kehitti titaanirakenteiden valmistustekniikkaa: titaanin hitsaukseen kehitettiin mekanisoitu menetelmä, missä TIG-valokaarta liikutetaan siniaallon muodossa, ja sulaa suojataan argonkaasulla. Titaanille kehitettiin myös etsausmenetelmä, jolla päästiin 1100-1400 MPa lejeeringeissä 5 mm urissa 0,05 mm mittatarkkuuteen.  


Valkyrie yliääniasussaan. Taittuvat siivenkärjen lukitsevat shokkiaallon siiven alle. Kuva: Alphacoders.com
Muu rakenne on hunajakennoista rosteria, sillä mustia teräksiä ei saatu korroosiosuojattua tehokkaasti, ja titaaniosia ei voitu kovajuottaa ja lämpökäsitellä samassa prosessivaiheessa kuten rosteria. Lisäksi titaania oli vaikeaa taivuttaa teräville mutkille. Kennot olivat aluksi käsittämättömän ohuita ollakseen kantava rakenne: rosterinauhan paksuus oli 0,00075 tuumaa eli 0,019 mm. Ne olivat niin ohuita, että ne piti etsata tähän paksuuteen, sillä valssaimista ei saatu näin rajua reduktiota ulos. Lisäksi tässä paksuudessa – tai siis ohuudessa – raerajakorroosio lähti liikkeelle rosterinauhan epätasaisesta syöpymisestä happoliuoksessa, joten kennon liitokset 0,004 tuuman (0,1 mm) pintapaneeleihin alkoivat ruostua puhki. Epätasainen etsaus johti myös kennojen nurjahtamiseen kasausvaiheessa. Siksi nauhan minimipaksuudeksi määriteltiin pian 0,001 tuumaa eli 0,025 mm. ja pintapaneelien 0,007 in eli 0,18 mm. Hunajakennorakenne taas on useista syistä edullinen: se kantaa kuormia tasaisesti kaikilla akseleilla, toimii hyvänä lämpöeristeenä ja sileäpintaisena sekä tuottaa vähän vastusta että jaksaa ääniaaltojen väsyttävää kuormaa hyvin.

Materiaalilaatu taas on PH 15-7Mo, austeniittis-martensiittinen erkautuskarkeneva rosteri. Matalan nikkelipitoisuutensa (6,5...7,75 %) ja korkean kromipitoisuutensa (14...16 %)  ansiosta se karkenee lämpökäsittelyssä osin martensiittifaasiin, ja erkautushehkutuksessa intermetalliset yhdisteet, kuten Ni3Al erkautuvat itsenäisiksi rakeiksi. Juuri erkaumien vuoksi laatuun seostetaan 0,75...1,5 % alumiinia. Korroosionkestävyyden tuo 14...16 % kromia, mikä mangaanin (1%)  ja hiilen (0,09%) ohella myös parantaa teräksen karkenevuutta. Nikkelin ja molybdeenin ansiosta seos on kuumaluja: se pitää 1250~1600 MPa myötörajansa 550
°C saakka.

Kuva: NASA
Myskiäkseen vaadittuihin nopeuksiin Valkyrie vaati vaakaa konetehoa. Sitä varten General Electric otti moottorin koneista, jotka olivat liian rajuja lennettäviksi, ja muokkasi siitä yliäänimurhakullin. YJ93 on J79:n, Lockheed Starfighterin ja Convair B-58:n voimanlähteen, isoveli. Yksipaisuntaisessa suorassa suihkumoottorissa on säätyvillä staattorilavoilla varustettu 11-vaiheinen ahtovaihe ja kaksivaiheinen turbiini, joiden välistä liekkikehää ruokki 36 kaksoissuuttimen  ruiskuttama erikoiskerosiini, JP-6. Siihen on seostettu alkaaneja, sykloalkaaneja ja aromaattisia hiilivetyjä, joilla kerosiinin leimahduspiste, siis piste, missä polttoaine muodostaa riittävästi höyryjä vapaassa ilmassa ollakseen syttymiskelpoinen kaasuseos, on nostettu 65 °C lämpötilaan. Jet A1:llä se on 38 °C. Lisäksi JP-6:een on seostettu stabilointiaineita, joilla sen jäätymispistettä on laskettu -46 °C alapuolelle.

Seosaineista huolimatta JP-6 on herkkä hapettumaan kosketuksissa ilman kanssa, ja tästä syystä Valkyrien polttoainesäiliöt paineistettiin typpikaasulla jo täyttövaiheen aikana. Samaten säiliöt pidettiin typpipaineistettuna lennon aikana, sillä se korvennus, missä Valkyrie lensi, riitti heittämällä kiehuttamaan kaasuja jopa JP-6:sta, varsinkin kun kone lensi lähes 24 000 metrissä, missä ilmanpaine on anhiton ja polttoaineen höyrynpaine vastaavasti traumaattinen – se ei halua enää olla nestettä. Kun polttoainetta vielä käytettiin koneen jäähdytysnesteenä, mihin lämmönvaihtimissa ylijäämäkuumuus ajettiin, olisi polttoainehöyry säiliöissä ollut muutoin itsesyttymislämpötilan yläpuolella. Inertillä typellä paineistamalla Valkyrien polttoitsemurha ilmassa eliminoitiin. Typpeä oli nestepulloissa yhteensä 350 kiloa.   

YJ93:t myskivät staattista työntövoimaa kuivana 89 kilonewtonia, ja mahtavien jälkipolttimien liekeissä 120 kN. Jotta gargantuaaninen 245-tonninen Valkyrie voitiin rykiä kolminkertaiseen äänennopeuteen, moottoreita ei vaadittu vähempää kuin kuusi kappaletta.

Kuuden suihkuputken rykelmä on vaikuttava näky. Kuva: NASA
Valkyrie kuitenkin ammuttiin alas jo ennenkuin yhtään konetta oltiin rakennettu. F-108 Rapierin tarina päättyi  piirustuslaudalle syyskuun 23. porsaan vuonna 1959. Mahtavien yliääniturbiinien ulvonta alkoi peittyä rakettien vielä mahtavampaan jyrinään. Sotilaallista lokeroa, mihin Rapier ja Valkyrie oli suunniteltu, nakersivat toisesta päästä ydinohjukset, toisesta ilmatorjuntaohjukset. Avaruuskilvan sytyttyä ohjusohjelmiin syydettiin valtavia määriä rahaa ja insinöörejä, ja ohjusten kehitystahti kiihtyi ennennäkemättömän nopeaksi. Pommikonekuilun sijaan maailmannapojen välillä alkoi vallita ohjuskuilu. Neuvostoliitto rakensi ydinasepelotettaan yhä kiivaammin mannertenvälisten ohjusten varaan, joten tarve pommittajalauttojen torjuntahävittäjille katosi. Samalla Valkyrien kustannukset karkasivat pilviin, sillä se jakoi resurssinsa Rapierin kanssa. Vastaavasti USA kehitti tarmokkaasti omia ydinohjuksiaan, eikä tarvinnut enää läpimurtopommittajia.

Viimeinen naula arkkuun oli Gary Powerin ohjamaan U-2 –vakoilukokonene alasampuminen Neuvostoliitossa vappuna rotan vuonna 1960. Ilmatorjunta sai nyt pommikoneetkin kynsiinsä, joten niiden oli väistämätöntä siirtyä matalapenetraatiotaktiikkaan, missä kohdetta lähestyttiin tutkakatveessa. Tähän rooliin kovaa ja korkealla lentävä Valkyrie sopi kuin saniainen ruuvimeisseliksi. Lisäksi se oli tavattoman kallis: John F. Kennedyn astuessa virkaansa tammikuussa härän vuonna 1961 Valkyrie-ohjelma oli maksanut 800 miljoonaa dollaria (6,7 miljardia dollaria nykyrahaa). Jotta uhratuista rahoista saataisiin edes jotain irti, yhden prototyypin ja 11 esisarjan koneen tilauskantaa leikattiin kolmeksi XB-70 – koekoneeksi. Sotilaallinen käyttö unohdettiin tyystin, joten asejärjestelmät, suunnistaja ja pommittaja leikattiin koneesta pois.

Lopulta kuitenkin koitti 21. syyskuuta lohikäärmeen vuonna 1964. Kuusi moottoria syöksi erikoiskerosiiniaan palokammioihinsa, ja turbiinien mahtava ulvonta kiihtyi tuhanneksi ukkoseksi. Valkyrie oli ilmassa.

Valkyrie käytti jarruvarjoja. Kuva: NASA
Alkukiekaisu jäi tosin noloksi. Laskutelineen varoitusvalo syttyi heti alkumetreillä, joten ensilento piti lentää teline ulkona. Lisäksi laskussa yksi päätelineen renkaista lukittui ja syttyi tuleen lehdistön silmien edessä. Yliäänilennot alkoivat lokakuussa, ja Mach 3 saavutettiin 14. lokakuuta käärmeen vuonna 1965. Teknologian monimutkaisuus alkoi näkyä. Valkyrie osoittautui epävakaaksi yli 2,5 Machissa, joten lentonopeus rajoitettiin siihen. Toisen koekoneen siipiä käännettiin siksi 5 ° ylöspäin, mikä riitti vakauttamaan koneen. Tällä koneella lennettiinkin vakiintuneesti yli 3 Machin nopeuksia.

Sitten koitti kesäkuun 8. hevosen vuonna 1966, kun synti suuri surkia särki taivahan. General Electric pyysi ilmavoimilta eräänlaista perhepotrettia varten muodostelmalentoa, missä lentäisi eri koneita, mitkä oli varustettu GE:n moottoreilla. Valkyrietä seurasivat taivaalle F-4 Phantom (J79), F-5 Freedom Fighter (J85), F-104 Starfighter (J79) ja T-38 Talon (J85). Koneet asettuivat auramuodostelmaan, ja mudostelman rinnalla lentävän Lear Jetin ikkunoista otettiin sarja edustavia kuvia.

Kuvauksen päättyessä Joe Walkerin ohjaama Starfighter oli ajautunut hieman liian lähelle Valkyrietä sen oikealla puolella. Se alkoi vatkata siipivorteksissa, ja ajatutuessaan sen ytimeen Starfighter yhdenäkin tempautui Valkyrien oikeaan siipeen, kiepahti sen yli selällään, rysähti Valkyrien kumpaankin sivuvakaajaan ja edelleen vasempaan siipeen. Toinen Valkyrien sivuvakaajista halkaisi Starfighterin ohjaamon ja Walkerin lentokypärän, ennenkuin kone roihahti tulipalloksi Valkyrien takana. Valkyrie taas joutui toinen sivuvakaaja irronneena ja toinen silpoutuneena lattakierteeseen, joka ei ollut oikaistavissa. Siipisäiliöistä suihkusi valtava pilvi polttoainetta koneen taakse, mutta se ei syttynyt tuleen edes osuessaan moottoreiden pakovirtaukseen. Valkyrien ohjaaja Al White onnistui aktivoimaan heittoistuimensa vetäytymismekanismin laukaisuaukon kohdalle (istuimen piti vetäytyä noin käsivarrenmitan verran erityisen ravunpyrstömäisen kapselin sisään, sillä se oli tarkoitettu ylisooniseen nopeuteen, missä ilmavirta olisi ilman suojakuorta musertanut hyppäävän lentäjän). Hänen kätensä jäi sulkeutuvan kuoren väliin, ja kiskoessaan sitä irti White näki, ettei perämies Carl Crossin istuin lähtenyt vetäytymään, vaan oli edelleen ohjaimissa. G-voimat olivat jo niin suuria, ettei vetäytymismekanismin työsylinteri toiminut. White sai kätensä viimein irti, ja painettua laukaisukytkintä. Pakokapseli ponnahti Valkyriestä muutamaa sekuntia ennen koneen rojahtamista Kalifornian hiekkaan.

Starfighter tulessa hetki törmäyksen jälkeen. Kuva: Tacair


Kun kolmannen koneen rahoitus oli jo peruttu, ilmavoimat ja NASA jatkoivat kokeita jäljellejääneellä ensimmäisellä koneella apinan vuoteen 1968 saakka. Koska Valkyrie oli rakennettu tässä vaiheessa nimenomaan koekoneeksi, mittausdata oli kattavaa, ja tuotti uutta tietoa mm. ohjausjärjestelmän suunnittelusta, paineaallon käyttäytymisestä, korkean ilmakehän turbulenssista ja arvokasta vertailudataa suurnopeustuulitunnelikokeiden ja tosiolosuhteiden väliltä. 

4. helmikuuta kukon vuonna 1969 Valkyrie lensi viimeistä kertaa, museoitavaksi Wright-Pettersonin lentotukikohtaan Ohion Daytoniin. Koneen koelentoluonnetta kuvannee se, että jopa tältä siirtolennolta kerättiin mittausdataa.



Valkyrie nousee viimeiselle lennolleen. Kuva: USAF

Valkyrien tarina oli päättynyt. Se maailma, mihin se oli rakennettu, katosi ennen Valkyrien nousua taivaalle. Suihkuajan aamunkoiton kirkastuminen päivänpaisteeksi synnytti loputtomaan tulevaisuususkoon nojaavassa maailmassa megalomaanisia unelmia, joiden ohi ajoi juuri se sama tulevaisuususko, sen ruokkimat teknologian jättiläisaskeleet ja kylmä realismi. Sama kohtalo odotti lopulta jokaista Valkyrien sukulaista.

Yliääniaika on suljettu museohangaarien kevytmetallisarkofageihin, eikä se enää koskaan palaa.

Viimeinen Valkyrie hinataan museoon. Kuva: Military History of Upper Great Lakes


Taube, L. J: SD 72-SH-0003, B-70 Aircraft Study Final Report, Vol. III. North American Rockwell, 1972
Luettu: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19950002361.pdf
Davies, Peter E: North American XB-70 Valkyrie. Osprey Publishing, 2018.

Otsikkokuva: National Interest.

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti