Jak działa katapulta w myśliwcu?

Dlaczego start z lotniskowca wymaga pomocy?

Na lądzie ciężki samolot wojskowy rozpędza się na pasie o długości mniej więcej 2–3 km. Lotniskowiec oferuje znacznie krótszy odcinek, zwykle około 90 metrów. To za mało, aby maszyna o masie wielu ton osiągnęła prędkość startową wyłącznie dzięki ciągowi silników.

Samolot wznosi się wtedy, gdy skrzydła wytwarzają siłę nośną większą lub co najmniej równą jego ciężarowi. Zależy ona między innymi od prędkości przepływu powietrza wokół skrzydeł. Przy małej prędkości początkowej silniki mogą pracować z pełną mocą, ale samolot nadal nie porusza się wystarczająco szybko względem powietrza.

Katapulta rozwiązuje ten problem, dostarczając energię z zewnętrznego źródła. Nie zastępuje silników, lecz w krótkim czasie zwiększa prędkość całej maszyny. Dzięki temu po opuszczeniu pokładu samolot ma już warunki potrzebne do dalszego lotu.

---

Mechanizm katapulty parowej

Klasyczna katapulta parowa, stosowana między innymi w systemie C-13, wykorzystuje parę pod wysokim ciśnieniem. Para jest doprowadzana do cylindrów umieszczonych pod pokładem. Wewnątrz poruszają się tłoki połączone z wózkiem startowym. Wózek wystaje przez wąską szczelinę w pokładzie i łączy się z przednim podwoziem samolotu.

Można porównać ten mechanizm do ogromnej procy. Zamiast naciągniętej gumy wykorzystuje on energię zgromadzoną w sprężonej parze, a zamiast kamienia rozpędza kilkudziesięciotonowy samolot.

Typowa sekwencja startu wygląda następująco:

1. Zakotwiczenie – przednie podwozie samolotu zostaje połączone z wózkiem startowym, a maszyna ustawia silniki na wysoką moc.
2. Wzrost ciśnienia – para trafia do układu, w którym ciśnienie działa na tłoki połączone z wózkiem.
3. Uwolnienie energii – zawory otwierają się, tłoki gwałtownie przesuwają wózek, a ten rozpędza samolot wzdłuż pokładu.
4. Odłączenie – po osiągnięciu końca toru wózek zostaje odłączony, a samolot kontynuuje lot dzięki własnym silnikom i sile nośnej.

W starszych konstrukcjach para do zasilania katapulty pochodziła z instalacji okrętu, często powiązanej z jego reaktorami jądrowymi. System jest bardzo mocny i sprawdzony, ale wymaga rozbudowanych przewodów, cylindrów, zaworów oraz urządzeń do obsługi i konserwacji.

Mechanizm katapulty elektromagnetycznej EMALS

EMALS, czyli Electromagnetic Aircraft Launch System, zastępuje tłoki i parę napędem elektromagnetycznym. Wzdłuż toru startowego znajdują się cewki, które wytwarzają przemieszczające się pole magnetyczne. Pole oddziałuje z elementem połączonym z wózkiem startowym i przesuwa go wzdłuż pokładu, podobnie jak pracuje silnik elektryczny rozwinięty w linii prostej.

Najważniejszą różnicą jest sposób sterowania. Komputer może płynnie regulować przebieg przyspieszania i dopasować go do masy samolotu. Innych ustawień wymaga lekki dron, a innych ciężki, zatankowany i uzbrojony myśliwiec. Ogranicza to gwałtowne skoki obciążenia działające na płatowiec oraz podwozie.

Podstawowe różnice między rozwiązaniami przedstawia tabela:

Cecha	Katapulta parowa	EMALS
Zasada działania	Para pod ciśnieniem porusza tłoki w cylindrach.	Przemieszczające się pole elektromagnetyczne napędza wózek.
Precyzja sterowania	Mniejsza, ponieważ układ korzysta z gwałtownego uwolnienia pary.	Wysoka, z możliwością dopasowania przebiegu startu do masy maszyny.
Wpływ na konstrukcję	Większe skoki obciążenia podczas przyspieszania.	Płynniejsze przyspieszanie może ograniczać obciążenia płatowca.
Źródło energii	Para dostarczana z instalacji okrętu.	Energia elektryczna gromadzona i przekazywana do cewek.

Przewiń tabelę w bok →

EMALS nie jest po prostu „silniejszą” wersją katapulty parowej. Jego przewaga polega przede wszystkim na kontroli. Dokładniejsze dozowanie energii ułatwia obsługę maszyn o różnej masie i może zmniejszać zużycie elementów samolotu oraz samego systemu startowego.

Rola lotniskowca i wiatru

Katapulta nie działa w izolacji od warunków zewnętrznych. Lotniskowiec zwykle płynie pod wiatr, aby zwiększyć prędkość powietrza opływającego skrzydła. Liczy się prędkość samolotu względem powietrza, a nie wyłącznie jego prędkość względem pokładu.

Na siłę nośną podczas startu wpływają przede wszystkim:

• Prędkość okrętu – ruch lotniskowca pod wiatr dodaje się do prędkości uzyskanej przez samolot na katapulcie.
• Prędkość wiatru – silniejszy wiatr czołowy zwiększa przepływ powietrza nad skrzydłami.
• Masa samolotu – cięższa maszyna potrzebuje większej siły nośnej, a więc zwykle także większej prędkości podczas startu.
• Konfiguracja maszyny – ilość paliwa, uzbrojenie i położenie klap wpływają na wymagania dotyczące startu.

Przykładowo, gdy okręt płynie pod wiatr z prędkością około 30 węzłów, czyli mniej więcej 55 km/h, jego ruch zwiększa prędkość napływu powietrza na skrzydła. To nie zastępuje katapulty, ale zmniejsza prędkość, którą system musi zapewnić samodzielnie. Skocznia startowa działa inaczej. Nie rozpędza samolotu, tylko zmienia kierunek jego ruchu ku górze, dlatego nie należy utożsamiać jej z katapultą.

Obciążenia konstrukcji i pilota

Start katapultowy trwa bardzo krótko, ale przyspieszenie powoduje przeciążenia sięgające około 4 g. Oznacza to, że ciało pilota jest chwilowo obciążone siłą odpowiadającą mniej więcej czterokrotności jego ciężaru. Podobne obciążenia przenoszą podwozie, zaczep katapultowy, skrzydła i kadłub.

Samoloty pokładowe muszą więc mieć wzmocnioną konstrukcję oraz elementy przystosowane do powtarzalnych, gwałtownych startów i lądowań. Precyzja sterowania ma tu znaczenie nie tylko dla wygody pilota. Zbyt mała energia nie zapewni bezpiecznego opuszczenia pokładu, a zbyt gwałtowne przyspieszenie zwiększy naprężenia w maszynie.

Katapulta lotniskowcowa jest zatem połączeniem napędu zewnętrznego, automatyki i aerodynamiki. System parowy wykorzystuje tłoki napędzane parą, natomiast EMALS przesuwa wózek za pomocą pola elektromagnetycznego. W obu przypadkach cel pozostaje ten sam: nadać samolotowi prędkość, której krótki pokład nie pozwala osiągnąć wyłącznie dzięki jego silnikom.