Spřátelené weby
další odkazy

česky english

Supercruise

Dnes oblíbený termín "supercruise" označuje schopnost letounu dlouhodobě letět nadzvukovou rychlostí i bez použití přídavného spalování. Předpokladem pro to je především dobře navržený drak letounu s pokud možno co nejnižším nárůstem součinitele čelního odporu v transsonické oblasti. Samozřejmě záleží také na pohonné jednotce, ta musí mít vysoký výkon a hlavně dobrou výkonnostní charakteristikou na vysokých rychlostech. Ve výhodě jsou zde motory s nižším obtokovým poměrem, protože u nich je při stejném tahu vyšší výtoková rychlost a tedy i vyšší výkon na vysokých rychlostech (okolo jednoho Machu a více).

Dosažení jen nízké nadzvukové rychlostí (cca M=1,1) nemá význam. Nárůst rychlosti oproti cestovní podzvukové je 20%, nárůst spotřeby vztažené na vzdálenost by byl o 120%. Efektivní rychlost letu v režimu supercruise je kolem M=1,5. Nárůst rychlosti je přes 60%, nárůst spotřeby vztažené na vzdálenost je 140%. Pokud by byla použita malá hodnota přídavného spalování, byl by nárůst rychlosti sice více než 70%, ale spotřeba na vzdálenost by vzrostla o nejméně 400%!

Oproti letounům starší generace má letoun se supercruise několik výhod.

1. Zkracuje dobu příletu do a odletu z cílové oblasti. To může být významné například při snaze o včasné zachycení a zničení vzdáleného nepřátelského letounu.
2. Dlouhodobá vyšší úniková rychlost značně stěžuje stíhání letounu i protivníkovo použití řízených střel. Stíhat letoun o rychlosti M=1.5 rychlostí M=2 je problematické a dosah střel je při těchto podmínkách velmi redukován.
3. Na opačné straně lze vysokou rychlostí letu prodloužit dosah zbraňových systémů letounu.

První letoun, který v horizontálním letu překročil rychlost zvuku, aniž by použil přídavné spalování, byl P.1, prototyp English Electric Lightning dne 4. dubna 1954. Následuje (neověřený) výčet některých letounů, které údajně měly nebo mají schopnost supercruise. Ne u všech lze rychlost zvuku překonat, aniž by bylo použito přídavné spalování. U většiny letounů je podmínkou vyššího Machova čísla absence vnějších podvěsů.

• Concorde
• Tupolev Tu-144
• English Electric Lightning
• F-104 Starfighter - letouny s motorem J79-GE-19 byly údajně ve výšce schopny bez přídavného spalování letět rychlostí M=1,1. Ve výšce 11 km je aerodynamický odpor letounu přibližně 17,5 kN. Při srovnání s jinými podobnými motory odhaduji, že při těchto podmínkách má letoun k dispozici 20 kN (instalovaného) tahu.
• BAC TSR-2
• Eurofighter Typhoon - M=1,2 až 1,3 s řízenými střelami. Údajně až M=1,5 bez podvěsů.
• F-14D - zde je při H=11km a M=1,1 odpor odhadem 38-40 kN. Můj předpoklad je, že od dvou motorů F110-GE-400 má letoun k dispozici také přibližně 38 kN instalovaného tahu. Z toho usuzuji, že M=1,1 je opravdu strop, kterého byl letoun F-14D schopen bez podvěsů ve vodorovném letu dosáhnout.
• F-22 Raptor - nejméně M=1,5 nebo 1,6. Některé zdroje uvádějí až M=1,8.
• YF-23 Black Widow II
• XB-70 Valkyrie - aerodynamický odpor v 11 km je při M=1.1 přibližně 95 kN. Pro šest výkonných motorů YJ93 by neměl být problém tuto hodnotu bez přídavného spalování překročit.
• Su-35BM - s motory 117S se údajně podařilo bez přídavného spalování dosáhnout rychlosti M=1.1 až 1.2, přičemž letoun dále zrychloval. Více informací o těchto testech zatím není známo.
• Modernizovaný izraelský F-4 Super Phantom měl mít s novými motory PW1120 také schopnost supercruise. Při podmínkách M=1,1 a H=11km je u tohoto stroje odpor bez podvěsů přes 37 kN. Motory PW1120 mají s přídavným spalováním při podmínkách SLS tah po 91,5 kN. Ve výšce 11 km a při M=1,1 se dá předpokládat celkový instalovaný tah přibližně 48 kN. Teoretické předpoklady k supercruise tu tedy určitě jsou.

SUPERCRUISE U MIG-29

Zde je menší rozbor, jak je na tom MiG-29 se současnými motory a nakolik reálné je u něj mít supercruise s budoucími motory. Následující grafy obsahují průběh aerodynamického odporu letounu bez podvěsů, se čtyřmi protiletadlovými střelami, se čtyřmi 500 kg bombami, dále průběh instalovaného tahu na maximálním režimu a na režimu plného přídavného spalování. Hodnota instalovaného tahu je pro jednoduchost brána jako 80% tahu neinstalovaného. V reálu tato hodnota kolísá zhruba mezi 75 a 95%, pro tuto úvahu ale fixních 80% dostačuje.

Výška letu 11 km.

Výška letu 13 km.

V grafech lze odečíst, že na maximální režim motorů letoun nepřekoná rychlost zvuku a zastaví se těsně pod touto hranicí, v případě konfigurace bez podvěsů je to prakticky přesně na této hranici. Pokud by jsme chtěli mít u MiG-29 supercruise s rozumnými parametry, tedy rychlost minimálně M=1.3, výška letu 11 km a podvěšeny čtyři protiletecké střely, pak jsou současné motory RD-33 svými parametry velmi vzdáleny tomuto požadavku. Při M=1.3 poskytují letounu na maximální režim společně pouze cca 35 kN tahu, kdežto aerodynamický odpor je v této konfiguraci 60 kN.

K dosažení požadovaných parametrů by musely být použity motory v tahové třídě 125 kN s nízkým obtokovým poměrem, při kterém má motor lepší výkonové charakteristiky při vyšších rychlostech. Nejnovější, stále ještě vyvíjené deriváty RD-33 (např. RD-33-10M, VK-10M apod.) se k potřebnému tahu pouze přibližuji. Bohužel pro MiG-29 je právě 125 kN nejspíše strop, který se s koncepcí vycházející z RD-33 nepodaří překonat. Hodnota supercruise, kterou lze očekávat od VK-10M by se mohla pohybovat kolem M=1.1 až M=1.15, tedy relativně málo na to, aby měl tento režim letu nějaké významnější využití. Stále totiž platí, že při supercruise je spotřeba paliva výrazně vyšší, než při podzvukovém cestovním letu.

HYPOTETICKÝ LETOUN

Uvažujme nyní hypotetické bojové letouny a zkusme vypočítat jejich letové parametry a bojové schopnosti s různými motory, různě umístěnou výzbrojí a celkově různým konstrukčním řešením. Mělo by jít o moderní, víceúčelové stroje generace 4 a 5. V případě letounu 4. generace se bude jednat o stroj podobný Su-27 s možností umístit výzbroj pouze na externí podvěsy. Letoun 5. generace bude mít zbraně primárně ve vnitřní pumovnici, aerodynamicky čistý letoun bude řešen tak, aby u něj byl usnadněn let nadzvukovou rychlostí. Stroj by se měl parametricky přibližovat americkému letounu F-22 nebo ruskému experimentálnímu MiG 1.44.

U letounů budou testovány dva typy motorů - motor 4. a 5. generace. První motor bude parametricky podobný ruskému AL-31F, tedy motor se středním obtokovým poměrem (0,6), s tahem 80/125 kN bez/s přídavným spalováním a specifickou spotřebou paliva 75/200 kg.kN^-1.h^-1. Motor páté generace bude blízký motorům F119 a AL-41F, bude mít nízký obtokový poměr (0,3), tah 120/175 kN a specifickou spotřebu 80/180 kg.kN^-1.h^-1. Hodí se upozornit, že skutečný motor F119 oficiálně patří do tahové třídy 35000 liber (158,7 kN), opravdový výkon je však tajenou skutečností a k hodnotě 175 kN se může přibližovat.

Při úvahách náz bude zajímat následujících pět konfigurací.

• Letoun 4. generace s motory 4. generace, bez výzbroje (Su-27)
• Letoun 4. generace s motory 4. generace, s 6 PLŘS na podvěsech (Su-27)
• Letoun 4. generace s motory 5. generace, bez výzbroje (Su-3x) nebo s výzbrojí v pumovnici
• Letoun 4. generace s motory 5. generace, s 6 PLŘS na podvěsech (Su-3x)
• Letoun 5. generace s motory 5. generace, bez výzbroje nebo s výzbrojí v pumovnici (F-22)

Všechny výpočty budou platit pro letovou výšku 13 km. Hmotnost naloženého letounu 4. generace je 25 tun, u letounu 5. generace to je 29 tun, letoun novější generace má o 25% větší nosnou plochu. Ztráty tahu motoru na vstupním ústrojí a trysce se budou v pro nás zajímavé oblasti pohybovat mezi 5 až 15% v závislosti na rychlosti. Velikost síly aerodynamického odporu je počítána jako součet odporu draku, indukovaného odporu a odporu vnějších podvěsů. Vstupní hodnoty jsou odhadnuty na základě manuálů podobných letounů a motorů.

Toto je graf průběhu součinitele čelního odporu draku (C_X0). Letoun 5. generace je už od začátku plánován se schopností supercruise a má proto v transsonické a supersonické oblasti snížen koeficient odporu - to je zvládnuto moderními metodami návrhu tvaru letounu a absencí prvků, které zbytečně narušují aerodynamickou čistotu.

Výše je průběh maximálního tahu motoru ve výšce 13 km. Křivka motoru 4. generace odpovídá parametrům motoru AL-31F. Motor 5. generace má nižší obtokový poměr, vyšší výstupní rychlost plynů a tak i lepší výkonové charakteristiky při vyšších rychlostech.

Tento graf zobrazuje průběh celkového čelního odporu u letounu 4. generace bez/s podvěsy a u letounu 5. generace se zbraněmi v pumovnici. V grafu jsou také průběhy instalovaného tahu od dvou motorů 4. a 5. generace. Následující tabulka shrnuje poznatky odečtené z grafu. Tabulka je doplněna o předpokládanou hodinovou a kilometrickou spotřebu.

	Let nejvyšší rychlostí, kterou umožní maximální režim motorů		Let nejvyšší ještě ekonomickou cestovní rychlostí *
	motor 4. generace	motor 5. generace	motor 4. generace	motor 5. generace
	rychlost [Mach]
letoun 4. generace bez podvěsů	M<1	M=1,7	M=0,85	M=1,5
letoun 4. generace s podvěsy	M<0,95	M=1,1 **	M=0,85	M=0,9
letoun 5. generace	M<1	M<1,9	M=0,85	M=1,65
	hodinová spotřeba paliva [kg/h]
letoun 4. generace bez podvěsů	3600	12030	1940	8520
letoun 4. generace s podvěsy	3460	6220	2140	2740
letoun 5. generace	3540	11000	1860	8250
	kilometrická spotřeba [kg/1000 km]
letoun 4. generace bez podvěsů	3500	6670	2140	5340
letoun 4. generace s podvěsy	3500	5320	2380	2660
letoun 5. generace	3400	5450	2060	4710

*) Zhruba taková rychlost, kdy motor běží na 75-80% svého maximálního výkonu.
**) V mírně klesavém letu by však rychlost mohla dosáhnout až M=1,5.
Nejefektivnější pozdvuková cestovní rychlost u všech konfigurací je M=0,85.
Letoun 5. generace s motory 5. generace při vysoké podzvukové cestovní rychlosti (M=0,9) spotřebovává 2280 kg/1000 km.

Co zajímavého tato tabulka říká:

• Motory 4. generace v ani jednom případě neumožní překonání rychlosti zvuku na maximálním režimu
• S motory 5. generace oba letouny rychlost zvuku překonají. U letounu 4. generace shodou okolností vyšly výsledky tak, že s podvěsy dosáhne podstatně nižší rychlosti než bez nich. Průběh tahu motoru v závislosti na rychlosti letu je téměř paralelní s průběhem čelního odporu a tak i jen malá změna velikosti odporu způsobila takovou změnu rychlosti - viz graf.
• V bojových podmínkách s výzbrojí, kdy není potřeba supercruise, spotřebovává modernější letoun kilometrově jen 86% toho, co letoun starší.
• Pokud u letounu 5. generace s motory 5. generace srovnáme vysokou podzvukovou (M=0,9) a nadzvukovou (M=1,65) cestovní rychlost, pak rychlost vzrostla o 83% a kilometrická spotřeba o 106%.

Nakonec by se ještě daly zmínit praktické důsledky supercruise u uvažovaných letounů.

Zrychlení letu do středně vzdálené cílové oblasti

Uvažujme hypotetický konflikt USA versus Rusko. Chceme demonstrovat teoretické možnosti do služby již zavedeného F-22, tak pro roli agresora bude vybráno Rusko a jeho podzvukové bombardéry.

Letouny F-22 jsou připraveny v hotovosti s 8 tunami paliva (což může být 70-80% kapacity nádrží letounu). Ve velké vzdálenosti od vlastního území jsou detekovány nepřátelské bombardéry. Mezi prvnotní detekcí a vzletem hotovostních letounů uběhne řekněme 5 minut. Letouny vzlétnou a nastoupají do výšky přibližně 13 km - během stoupání letouny uletí řekněme 100 km během 300 sekund, za spotřeby 800 kg paliva. Když k tomu připočítáme palivo pro činnost v cílové oblasti (1000 kg), palivo pro sestup (200 kg) a rezervu (500 kg), pak pro samotný let k cíli a zpět zůstává 5500 kg. Když budeme počítat, že k cíli letoun poletí M=1,65 a zpět M=0,9 a příslušné hodnoty spotřeby odečteme z výše uvedené tabulky, pak zjistíme, že letoun k prvotním 100 km může směrem k cílové oblasti uletět ještě dalších 790 km. Když vše sečteme, letoun může působit až ve vzdálenosti přibližně 900 km, do které se dostane 32 minut po vzletu a celkem 37 minut po detekování nepřátelských letounů. Za tuto dobu nepřátelské letouny uletěly 560 km. Tedy v době prvotní detekce mohly být nepřátelské letouny přibližně ve vzdálenosti 1450 km od základny letounů F-22 a zničeny pak mohou být 900 km od základny.

Nyní přiblížení, jak by to bylo se staršími letouny. Dejme tomu, že množství paliva bude 7 tun. Stoupání po vzletu bude na vzdálenosti 140 km, 500 sekund, spotřeba 700 kg. Let k cíli proběhne maximální možnou podzvukovou rychlostí bez použití přídavného spalování, let zpět bude ekonomickou rychlostí M=0,85. Po několika výpočtech zjistíme, že maximální vzdálenost působení letounu bude na hodnotě 920 km. Do této vzdálenosti se letoun dostane za 55 minut a celkem 60 minut po detekování nepřátelských letounů. Tedy pokud by nepřátelské letouny měly být podobně jako v předchozím příkladu zničeny přibližně ve vzdálenosti 900 km od základny, musely by být detekovány už ve vzdálenosti přes 1800 km od základny.

Chceme-li cíle zničit 900 km od vlastní základny, pak rozdíl vzdálenosti nutné detekce je sice "pouze" 350 km, může to však být fatálně významná vzdálenost. Pokud by jsme měli letouny 4. generace a cíle dokážeme detekovat ve vzdálenosti 1450 km, pak je dokážeme nejdříve zničit přibližně za 45-50 minut, během té doby se dostanou na 750 km od naší základny. Rozdí 150 km mezi vzdáleností 900 a 750 km může například znamenat odpálení střel s plochou dráhou letu z nepřátelských letounů.

Unikání protileteckým střelám

Pokud má letoun možnost dlouhodobě unikat vyšší rychlostí, značně se zkracuje dosah oponentových řízených střel. V případě, že letoun uniká podzvukovou rychlostí (M=0,85), lze střely kategorie AIM-120 nebo R-77 odpálit přibližně ze vzdálenosti 35 km (při rychlosti útočníka M=0,85). Pokud letoun uniká nadzvukovou rychlostí (M=1,65), střely doletí k cíli, pokud se odpálí nejvýše z poloviční vzdálenosti, tedy přibližně 17 km.

Prodloužení dosahu zbraňových systémů

Pokud v předchozí situaci s řízenou protileteckou střelou postavíme náš letoun se supercruise do pozice útočníka, pak by se při vyšší rychlosti mohl dosah zvýšit z 35 až na 40 km.

Některé zdroje použitých informací a obrázků:

• Letový manuál MiG-29
• Letový manuál MiG-25
• Příručka k motoru AL-31F
• Příručka k motoru RD-33
• http://www-scf.usc.edu/~tchklovs/Proposal.htm
• http://www.wikipedia.com

Poslední aktualizace: 10.6.2006 | 1.9.2007 | 25.10.2008