W połowie lat sześćdziesiątych CIA i Siły Powietrzne USA otrzymały najnowsze samoloty rozpoznawcze A-12 i SR-71. Maszyny te, zunifikowane pod względem głównej części jednostek, wyróżniały się wyjątkowo wysokimi parametrami lotnymi i technicznymi, co pozwoliło skutecznie rozwiązać główne zadania. Jednak osiągnięcie maksymalnej prędkości na poziomie M = 3, 3 i wysokości lotu powyżej 25 km okazało się niezwykle trudnym zadaniem, które wymagało zasadniczo nowych rozwiązań konstrukcyjnych i technologii.
Koło problemów
Rozwój projektów A-12 i SR-71 prowadzono w dywizji Lockheed o nieoficjalnej nazwie Skunk Works. Tworzenie nowych samolotów rozpoczęło się od prac badawczo-rozwojowych oraz poszukiwania optymalnych rozwiązań technicznych. Na tym etapie ustalono, z jakimi problemami boryka się samolot „trójfly”. Następnie rozpoczęto poszukiwania odpowiednich technologii.
Aerodynamika stała się jednym z głównych problemów. Latanie z prędkością ok. M = 3 ma swoje własne cechy, które należy wziąć pod uwagę przy kształtowaniu wyglądu samolotu. Jednak osiągnięcie takich prędkości było również trudne. Wymagało to specjalnych silników, które mogłyby pracować równie skutecznie we wszystkich trybach prędkości.
Przy wymaganych prędkościach lotu problem obciążeń termicznych powinien się w pełni ujawnić. Wymagało to ochrony szybowca przed przegrzaniem, deformacją i ewentualnym zniszczeniem. Przy tym wszystkim samolot musiał wyróżniać się dużą wytrzymałością, ponieważ przy prędkościach roboczych nawet najprostsze manewry wiązały się z przeciążeniami.
Osobny wymóg dotyczył widoczności samolotu dla wroga. Do tego czasu wiodącym krajom udało się zbudować rozwiniętą sieć radarową do kontroli przestrzeni powietrznej, co sprawiło, że kwestia zmniejszenia sygnatury radarowej stała się pilna. Ten problem trzeba było wziąć pod uwagę przy opracowywaniu płatowca.
Znalezienie rozwiązań oczekiwanych problemów okazało się trudne i powolne. Prace nad samolotem A-12 dla CIA rozpoczęły się w 1957 roku i trwały kilka lat. W tym czasie ogólne koncepcje i podejścia do projektowania zmieniały się kilkakrotnie. Pierwszy lot prototypowego samolotu ukończono dopiero w 1962 roku. Samolot rozpoznawczy SR-71 dla Sił Powietrznych został opracowany na bazie gotowego już pojazdu, co pozwoliło znacznie przyspieszyć prace.
Szybowiec specjalny
Rozwiązanie głównej części oczekiwanych problemów było bezpośrednio związane z projektowaniem płatowca i ogólnych systemów samolotu. Po długich poszukiwaniach udało się znaleźć optymalną wersję wyglądu aerodynamicznego. Za najlepszy uznano schemat „bezogonowy” z rozwiniętymi dopływami w dziobie i środkowej części kadłuba oraz parą stępek. Zastosowany schemat pozwolił na uzyskanie dużej siły nośnej i poprawę przepływu przy wszystkich prędkościach. Dodatkowo moment zginający na dziobie gwałtownie się zmniejszył.
Specjalne kontury płatowca umożliwiły częściowe rozproszenie sygnałów z radaru. W niektórych częściach płatowca, gdzie projekt na to pozwalał, znajdowały się części wykonane z materiałów pochłaniających fale radiowe. Zmniejszenie widoczności nie było jednak głównym zadaniem projektu, a były inne czynniki, które częściowo zneutralizowały wszystkie osiągnięcia projektowe w tej dziedzinie.
Zagadnienia ochrony termicznej, wagi i wytrzymałości rozwiązano za pomocą tytanu i jego stopów. Szybowiec składał się z 85% z nich. Pozostałe części wykonano ze stali żaroodpornych, ceramiki itp. Przeszklenie daszku kokpitu zostało wykonane ze szkła kwarcowego. Ze względu na wytrzymałość mechaniczną i termiczną została połączona z płatowcem za pomocą zgrzewania ultradźwiękowego.
Według obliczeń podczas lotu średnia temperatura skóry powinna osiągnąć 260°C, maksymalna na krawędziach natarcia – do 400°C. W związku z tym w płatowcu przewidziano liczne rurociągi do cyrkulacji paliwa, odprowadzania nadmiaru ciepła i wstępnego podgrzewania paliwa.
Tytanowa konstrukcja zachowała swoją wytrzymałość po podgrzaniu - ale zmieniła wymiary. Przy prędkości przelotowej A-12 i SR-71 wydłużyły się o kilka cali. Problem ten został uwzględniony podczas projektowania i przewidziano specjalne szczeliny w poszyciu, strukturach wewnętrznych, a nawet w układzie paliwowym. W rezultacie paliwo dosłownie wyciekało z samolotu na ziemię, ale po przyspieszeniu wyciek ustał. Również część okładziny wykonano z blach falistych.
Silnik rekordu
Samoloty A-12 i SR-71 wykorzystywały unikalne silniki hybrydowe rodziny JT11D/J58 firmy Pratt & Whitney. Ich konstrukcja łączyła silniki turboodrzutowe i strumieniowe z możliwością pracy łączonej lub naprzemiennej. Maksymalny ciąg, w zależności od modyfikacji, 20-25 tysięcy funtów; dopalacz - 32,5 tys. funtów.
Rdzeniem silnika J58 była jednostka turboodrzutowa umieszczona wewnątrz jednostki strumieniowej z wentylatorem wspomaganym. Wlot powietrza został wyposażony w ruchomy korpus centralny, a także zestaw włazów i klap do sterowania napływem. Wloty powietrza były sterowane zgodnie z trybami lotu za pomocą oddzielnego komputera.
Przy prędkościach poddźwiękowych i naddźwiękowych stożki wlotu powietrza znajdowały się w przedniej pozycji i zoptymalizowały przepływ na wlocie silnika. Wraz ze wzrostem wysokości i szybkości zostały przesunięte do tyłu. Przy prędkościach powyżej M = 3 przepływ powietrza został podzielony między silniki strumieniowe i turboodrzutowe, co stanowiło 80 i 20 procent. odpowiednio.
Silnik J58 wykorzystywał specjalne paliwo do silników odrzutowych JP-7 na bazie nafty. W normalnych warunkach wyróżniał się zwiększoną lepkością, ale po podgrzaniu nie różnił się od standardowych kompozycji. Paliwo było również wykorzystywane jako element układów chłodzenia skóry, kokpitu, przedziałów przyrządów itp. Stosowany był jako płyn roboczy w hydraulice sterowania dyszami. Ogrzana ciecz natychmiast dostała się do silnika i wypaliła.
Silnik został uruchomiony za pomocą wtrysku tzw. Paliwem wyjściowym jest ciekły trietyloboran (TEB), który zapala się w kontakcie z powietrzem. Każdy J58 miał swój własny zbiornik TEB na 16 rozruchów silnika/dopalacza. W silnikach zastosowano specjalny smar silikonowy zoptymalizowany pod kątem wysokich temperatur. W temperaturach poniżej zera Celsjusza skład ten twardniał, co utrudniało obsługę sprzętu.
Duża cena
Dział Skunk Works i powiązane przedsiębiorstwa z powodzeniem rozwiązały wszystkie przydzielone zadania i stworzyły samoloty o unikalnych wysokich charakterystykach lotu. Zajęło to jednak kilka lat i znaczne nakłady finansowe, a powstałe samoloty wyróżniały się wysokimi kosztami produkcji i złożonością eksploatacji.
Rozwój projektu i poszukiwanie wszystkich potrzebnych technologii zajęło kilka lat. Uruchomienie produkcji wiązało się również z pewnymi problemami. Na przykład w pamiętniku szefa Skunk Works Bena Richa wspomina o trudności w uzyskaniu tytanu. Stany Zjednoczone nie miały takich surowców, dlatego musiały zorganizować całą operację zakupu ich od ZSRR przez firmy przykrywkowe.
W interesie CIA zbudowano 15 samolotów głównych modyfikacji. Siły Powietrzne otrzymały 32 jednostki. Kontrakt z Siłami Powietrznymi przewidywał koszt jednego SR-71 na poziomie 34 milionów dolarów (ponad 270 milionów w obecnych cenach), a program produkcyjny okazał się rekordowo kosztowny jak na tamte czasy.
Operacja również okazała się trudna i kosztowna. Przygotowanie do lotu trwało kilka dni. Po każdym locie samolot wymagał 650 różnych kontroli i procedur, które trwały kilka godzin. Po 25, 100 i 200 godzinach lotu wymagany był dokładny przegląd z częściowym demontażem, na który przeznaczono kilka dni roboczych. Silniki zostały wysłane do grodzi po 200 godzinach pracy, a po 600 godzinach – do remontu.
Tuż przed wycofaniem SR-71 z eksploatacji poinformowano otwarcie, że godzina lotu takiego samolotu kosztuje ok. 5 tys. 85 tysięcy dolarów, a eksploatacja jednej maszyny rocznie kosztowała co najmniej 300-400 milionów.
Niemniej jednak CIA i Siły Powietrzne otrzymały specjalne narzędzie o najwyższej wydajności. A-12 i SR-71 mogły operować na wysokości co najmniej 25-26 km i rozwijać prędkości do M=3,3, co przez wiele lat uchroniło je przed obroną powietrzną potencjalnego wroga. Podczas operacji CIA straciła 6 swoich A-12, Siły Powietrzne - 12 jednostek SR-71. Jednocześnie nie było strat bojowych.
Przełom technologiczny
Eksploatacja samolotu A-12 trwała zaledwie kilka lat – do 1968 r. Siły Powietrzne używały jego SR-71 do 1998 r., a NASA spisała sprzęt rok później. Samoloty dwóch modeli i kilku modyfikacji, o specjalnej konstrukcji opartej na zaawansowanych technologiach, mogły wykazywać wybitne właściwości taktyczne i techniczne. Jednak z tego samego powodu były zbyt drogie i skomplikowane. Do czasu ich opuszczenia pojawiły się wygodniejsze i skuteczniejsze środki rozpoznania.
Bezpośredni zamiennik dla A-12 / SR-71 nigdy się nie pojawił - nisza samolotów zwiadowczych była długa i mocno zajęta przez statki kosmiczne. W rezultacie w Stanach Zjednoczonych nie pojawiły się jeszcze nowe modele technologii lotniczej o porównywalnych cechach. Jednak projekty szybkich samolotów ze Skunk Works stworzyły poważne podstawy naukowe, techniczne i technologiczne dla dalszego rozwoju lotnictwa wojskowego i cywilnego. Niektóre rozwiązania proponowane w przeszłości są nadal aktywnie wykorzystywane.
