Odyseja kosmiczna

Gdzie jest Jim Tighe? Szef załogi SpaceShipOne (SS1) Steve Losey odruchowo wykrzyczał to pytanie z kabiny pilota, a za nim powtórzył je szybko zespół inżynierów znajdujących się w hangarze Scaled Composites. Krzyczeli tak głośno, że echo pobrzmiewało w górskiej dolinie. Miało to miejsce w przeddzień dwóch lotów kwalifikacyjnych, jakie miał odbyć przypominający szybowiec statek powietrzny, który – jak się wkrótce okazało – zapisał się w historii jako pierwszy finansowany z prywatnych środków statek powietrzny, który uciekł z ziemskiej atmosfery i przekroczył granicę kosmosu.

Wykonując serię ostatnich czynności sprawdzających, Losey odkrył problem ze statecznikami poziomymi. Jeden z nich obracał się, a drugi nie. Gdyby problemu tego nie udało się naprawić, błąd w działaniu urządzeń spowodowałby niekontrolowane obracanie się samolotu i zapewne tragiczny koniec starań firmy Scaled Composite o wygranie 10 milionów USD w konkursie Ansari X, który promuje początek ery cywilnych lotów kosmicznych. Losey szukał tego jedynego członka zespołu, który mógł zdiagnozować i naprawić usterkę, głównego specjalisty do spraw aerodynamiki projektu.

Wysoki, szczupły, lekko pochylony Tighe dołączył do Loseya w kokpicie. W serii testów wykryli, że jeden z bezpieczników był zepsuty; na szczęście nie nastąpiła awaria systemu sterowania lotem. Tighe powiedział: – Wymienić bezpiecznik i problem zniknie. Tak się rzeczywiście stało.

To właśnie Jim Tighe był główną siłą odpowiedzialną za zagadnienia związane z aerodynamiką samolotu kosmicznego SpaceshipOne, który wygrał prestiżową nagrodę Ansari X. Za jego osiągnięcia czytelnicy amerykańskiej edycji Design News uchonorowali go tytułem Inżyniera Roku

Gdyby ktoś ogłosił konkurs na mantrę najczęściej powtarzaną przez zespół SpaceShipOne podczas szalonej realizacji wielopoziomowego projektu, który przyniósł im zwycięstwo, kandydatem do zajęcia pierwszego miejsca byłaby kwestia: “Gdzie jest Jim Tighe?”, która konkurowałaby z “Nigdy nie przyjmuj postawy defensywnej”, “Zawsze kwestionuj” oraz “Pospiesz się i zepsuj, żebyśmy mieli co naprawiać”.

Jako główny specjalista do spraw aerodynamiki Jim wykonał ciężką pracę, aby zapewnić stabilność w locie i pełną sterowalność samolotu. Równie słynny specjalista w tej dziedzinie, Burt Rutan, ojciec i “duch opiekuńczy” SpaceShipOne (jak również wielu innych przełomowych projektów samolotów) mówi, że cały projekt bez Tighe’a nie miałby szans powodzenia. – Jest najbardziej utalentowanym specjalistą od zagadnień aerodynamiki, jakiego spotkałem w mojej karierze – mówi o swoim 30-letnim protegowanym 61-letni gigant projektowania samolotów. Może właśnie dlatego Tighe, jak podają pracownicy Scaled, jest jednym z kilku ludzi w firmie, którzy potrafią zwrócić uwagę Rutana – a czasami nawet zdominować spotkania techniczne, w których bierze on udział.

To oczywiste, że Tighe’a i Rutana łączy specjalna zażyłość. Jeden wyraża się o drugim w samych superlatywach. Tighe szczególnie podkreśla wizjonerstwo Rutana, a Rutan – prawdziwy geniusz Tighe’a.

Dlatego właśnie wpływ Tighe’a na projekt SS1 wychodzi poza samą aerodynamikę, czego dowodem jest fakt, że to on diagnozował problem z bezpiecznikiem. – On ma niesamowicie szeroki zakres zainteresowań – mówi pilot doświadczalny Brian Binnie, który pilotował samolot podczas zwycięskiego lotu. – Po prostu był wszędzie.

I rzeczywiście Rutan zdecydował się rozszerzyć zakres działalności Tighe’a w Scaled Composites i szykuje go do roli projektanta konfiguracyjnego.

O niektórych wybitnych profesjonalistach z branży technicznej mówi się, że urodzili się inżynierami. W przypadku Tighe’a ten opis pasuje doskonale, a przynajmniej tak twierdzą najbardziej wiarygodne źródła w tej dziedzinie. Jego rodzice, Joe i Bernadette Tighe pamiętają, jak mały Jim już w siódmej klasie wiedział, że zostanie inżynierem aerodynamiki.

Obecnie, jeszcze w dalszym ciągu u progu kariery, odegrał kluczową rolę w historycznym wyczynie z dziedziny aerodynamiki. – Czasami zastanawiam się, do czego sam bym doszedł, gdybym był tak mądry w jego wieku – mówi Rutan. – No, powiedzieliśmy już na ten temat wystarczająco dużo. Teraz proszę Państwa – pora zapiąć pasy…

Co przede wszystkim należy wiedzieć o stronie inżynieryjnej statku powietrznego firmy Scaled Composite, który wygrał Ansari X Prize, o SpaceShipOne (SS1)? Zespół brał udział w projekcie… dla zabawy.

Nagroda z pewnością stanowiła zachętę do pracy, ale było nią również wspólne marzenie zespołu o cywilnych lotach kosmicznych. Jak mówi prezes Scaled Composites oraz kierownik projektu SS1 – Burt Rutan, celem była dobra zabawa, co z resztą ma miejsce podczas realizacji wszystkich rewolucyjnych projektów.

Podczas projektowania i realizacji SS1 najlepiej bawił się chyba główny specjalista do spraw aerodynamiki, Jim Tighe. Nad wyraz poważny, jak na swój wiek (29 lat), posiadający bardzo wyrafinowane poczucie humoru, dzięki któremu członkowie zespołu często pokładali się ze śmiechu, Tighe był odpowiedzialny za osiągi, stabilność oraz łatwość obsługi pojazdu. Delikatnie mówiąc, były to bardzo poważne wyzwania.

Aby pokonać pozostałe 24 zespoły startujące w konkursie, SS1 musiał dolecieć na wymaganą wysokość 99 974 metrów z żywym pilotem na pokładzie oraz ciężarem odpowiadającym wadze dwóch dodatkowych dorosłych osób. Zadanie to miało zostać wykonane dwukrotnie w ciągu 14 dni. SS1 wykonał swoje zadanie w ciągu 7 a nie 14 dni i osiągnął pułap o 3962 metrów wyższy niż historyczny X-15 (sponsorowany przez rząd USA rakietoplan, którego ostatni lot odbył się w roku 1968).

Członkowie zespołu są zgodni, że głównym przyczynkiem do osiągnięcia sukcesu był… talent i upór Tighe’a. – To fenomenalny facet, wybitny, ale z praktycznym podejściem – mówi Mike Melvill, pilot lotów testowych, który pilotował samolot SS1 podczas większości prób.

W przeciwieństwie do X-15 czy programu wahadłowców projekt nie był sponsorowany przez rząd. Zespół pracował dzięki darowiźnie 20 mln USD otrzymanej od Paula Allena – współzałożyciela firmy Microsoft – i ta kwota stanowiła jedyne źródło finansowania. Jednak ograniczenia wynikające ze skromnych (jak na skalę przedsięwzięcia) środków udało się zmienić w sprzyjające okoliczności, dzięki skupieniu się na kilku zaledwie kwestiach, istotnych z punktu widzenia projektu SS1. Jedną z najważniejszych była prędkość.

Szybki i… lekki jak piórko

Istnieje jedna główna przyczyna sukcesu SS1 – oprócz pasji i zamiłowania oraz odwagi zespołu projektowego. Ten samolot… nie porusza się szybko.

To takie proste. Im szybciej porusza się samolot, z tym większą liczbą sił musi się zmagać. W przypadku podwojenia sił moc sił przeciwnych wzrasta poczwórnie. Kwestia polega na maksymalizacji wzniesienia w stosunku do oporu podczas unoszenia się pojazdu i uzyskaniu większego oporu podczas schodzenia w dół. Zwycięstwo następuje w chwili, w której udaje się wypracować równowagę.

 Diabeł tkwi w szczegółach. Na początek trzeba znać kilka ważnych szczegółów dotyczących prędkości.

– Istnieją różne rodzaje prędkości – mówi Tighe. SS1 posiada bardzo wysoką prędkość lotu, czyli prędkość pojazdu. Może ona przekroczyć 3 Machy, czyli jest większa niż prędkość pocisku wystrzeliwanego z karabinu M-16. Jednak wykazywana prędkość lotu, która jest mierzona przez czujniki porównujące ciśnienie spiętrzenia z ciśnieniem otoczenia – jest bardzo niska.

A ta niższa prędkość oznacza, że zespół inżynieryjny mógł zaprojektować lżejszy pojazd, co jest bardzo ważne, żważywszy że ich budżet był bardzo ograniczony. W chwili startu SS1 waży 3175 kilogramów, z czego połowę stanowi… masa paliwa rakietowego, będącego mieszanką tlenku azotu (gaz rozweselający) oraz… gumy. Dla porównania X-15 ważył około 14 186 kg. .

Innym istotnym szczegółem, który przyczynił się do sukcesu lotów SS1, była koncepcja “latającego piórka” (ang. feathering) – wykorzystująca zmienną geometrię płatowca. Dzięki zastosowaniu układów pneumatycznych samolot w zasadzie składa się na pół (na wysokości płatów skrzydeł) w momencie osiągnięcia apogeum, wznosi się jeszcze trochę, po czym łagodnie opada w kierunku Ziemi – jak lotka w badmintonie, a cały jego ciężar jest zwrócony w kierunku atmosfery. 60-stopniowy kąt ataku (dla większości samolotów wynosi on 10°) bardzo silnie zwiększa opór i spowalnia zejście pojazdu w dół.

Koncepcja “piórka” zapewnia ponowne wejście w tryb zwalniania na nieco wyższej wysokości , umożliwia też pojazdowi zrównanie się “brzuchem” do góry z atmosferą, co jest wykonywane automatycznie, bez udziału pilota.

Jak model samolotu

Feathering to pomysł Burta Rutana (zdobywcy tytułu Inżyniera Roku Design News 1988). Czasopismo “Tygodnik Awiacji oraz Technologii Powietrznej” nazywa tę koncepcję wariacją na temat starego swobodnie latającego modelu samolotu: po odgięciu w górę całej części ogonowej model taki wykonywał specyficzny manewr. W projekcie Rutana połowa ogonowej części skrzydeł odgina się w górę, razem z całym ogonem i usterzeniem (patrz: rysunki i zdjęcie obok).

W celu realizacji koncepcji zastosowano prosty system pneumatyczny. Do sterowania nim służą dwie dźwignie umieszczone po lewej stronie siedzenia. Rozwiązanie to, chociaż znane z modelarstwa lotniczego, trudno uznać za typowe i jeszcze nikt nie próbował zastosować go w samolotach załogowych. – Jesteśmy na tyle szaleni, że podjęliśmy próbę przetestowania tej koncepcji – mówi Tighe, który przyznaje, że kiedy dołączył do Scaled trzy lata temu i dowiedział się o tym planie, uznał go za szalony.

Ale szaleństwo to jeszcze jeden z sekretów sukcesu SS1. Rutan jest przekonany, że aby osiągnąć cokolwiek wartościowego, trzeba wierzyć w rzeczy, które z pozoru wydają się bezsensowne. – Nasze motto brzmiało: “Pospiesz się i zepsuj, żebyśmy mieli co naprawiać ” – mówi Kevin Mickey, szef do spraw zarządzania projektem w firmie Scaled. – Na takie podejście nie ma miejsca w NASA, gdzie dominują zasady, procedury, niechęć do ryzyka – wyjaśnia Rutan (który lubi wymawiać nazwę tej organizacji nieco inaczej – “nay say”, czyli “mówiąca nie”).

Oczywiście istniało jednak ryzyko, że koncepcja “piórka” nie sprawdzi się w praktyce.

W obliczu niepewności związanych z tak radykalnym pomysłem przed podjęciem jakichkolwiek prób NASA zaplanowałaby całą serię wyrafinowanych testów w tunelu aerodynamicznym. Ale nie Scaled. Aby zaoszczędzić czas i pieniądze, Tighe oparł się na analizach komputerowych wykonywanych za pomocą oprogramowania Fluent, używanego w numerycznej dynamice płynów (computational fluid dynamics – CFD). – Wykonaliśmy setki prób dla każdej wartości Machów i każdego kąta natarcia, aby uzyskać symulację działania sił na strukturę – mówi Tighe.

Fluent stanowił dla Tighe’a główne narzędzie w wielu pracach związanych z aerodynamiką. Używał go do prognozowania wydajności, estymacji obciążenia strukturalnego (co jest pomocne podczas określania wielkości pojazdu) oraz do modyfikacji, które później były wprowadzane podczas lotów testowych.

Jednak nawet przy korzystaniu z CFD Tighe podjął pewne skalkulowane ryzyko. Elementy, które zaprojektował dla swoich modeli, były oszacowane “z grubsza”, brakowało im precyzji, której wielu inżynierów potrzebuje do wykonania prawie doskonałej analizy. Jednak później, podążając “z wolnym duchem” firmy Scaled, wcale nie dążył do uzyskania perfekcji. – Doszliśmy do wniosku, że wystarczy nam 80%, bo w samolocie zachowany margines bezpieczeństwa jest bardzo duży – mówi Tighe. – Nie projektujemy przecież na progu funkcjonalności.

Latanie na ziemi

Bogatszy o wykresy CFD, Tighe napisał swój własny program komputerowy do zastosowania na symulatorze SS1, który miał służyć do szkolenia pilotów odbywających loty testowe. Musiał napisać ten program, bo niczego takiego w wersji komercyjnej nie było .

Symulator to kolejny sekret sukcesu SS1. Zaprojektowane przez inżyniera ze Scaled Composites oraz pilota lotów testowych Petera Siebolda urządzenie nazwane “sześć stopni wolności” ma taki sam kokpit jak prawdziwy samolot SS1, z identycznym interfejsem pilota nieodparcie kojarzącym się z… grą wideo. Jak mówią inżynierowie firmy Scaled, interfejs obsługuje model lotu, który określa pozycję pojazdu i przesyła odpowiednie sygnały, których oczekuje awionika. Na bazie otrzymanych przez Tighe’a wyników CFD i analiz aktualizowanych z każdym lotem symulator oblicza pozycję i wysokość, wyświetla odpowiednią scenerię (zapożyczoną z gry wideo X Plane) i pozwala na ćwiczenie lądowania, startów oraz manewrów sterowania lotem, w tym manewru feathering.

Doświadczenie, jakie miał Tighe w pracy z podobnym symulatorem, okazało się niezwykle cenne podczas pierwszego lotu testowego. Wystąpiły poważne zaburzenia – wejście w lot wirowy, spowodowane wadliwym funkcjonowaniem wzniosu płata. Naciśnięcie na prawy pedał steru kierunku powodowało przesunięcie dziobu w prawo, przy jednoczesnym wzroście siły nośnej lewego skrzydła, które w efekcie unosiło się w górę i także przesuwało na prawo. W takiej sytuacji zabrakło naturalnych reakcji. Melvill znajdował się w kokpicie i próbował odzyskać panowanie nad samolotem. Jego działaniami kierował Tighe, który siedział przy komputerze w Centrum Sterowania firmy Scaled. – To, że tam był, dodawało mi pewności – mówi Melvill.

Później uzbrojony w więcej wyników z Fluent CFD Tighe przeprogramował symulator tak, aby zreplikować wirowanie, a następnie opracował techniki, za pomocą których pilot mógł zapobiec ponownemu wystąpieniu problemu. Techniki te okazały się skuteczne.

Aerodynamiczny tunel… przydrożny

Komputerowe umiejętności Tighe’a (który ma tytuł magistra nauk komputerowych i inżynierii przestrzeni powietrznej z Uniwersytetu stanu Kolorado) okazały się niezwykle istotne dla rozwiązania problemu z wirowaniem, ale jego intuicja techniczna i zamiłowanie do niekonwencjonalnych rozwiązań przydały się przy innych okazjach. Na początku testów ogon samolotu tracił nośność tuż przed utratą nośności skrzydeł. Przeciągnięcie powodowało ślizg na ogon i utratę wysokości rzędu 5000 metrów, co fatalnie wpływało na… żołądek pilota oraz na sam pojazd. Tighe przewidział, że może dojść do takiego zjawiska. Kiedy to się stało, miał już gotowe rozwiązania oraz niekonwencjonalny sposób ich przetestowania.

Prognozowanie problemów z ogonem było wynikiem szczegółowej analizy tego, co ludzie pracujący z samolotami nazywają wyważeniem. Jeśli pojazd jest wyważony, wszystkie siły są w równowadze. Samolot nie ma tendencji do wystrzelania w górę, ani nurkowania. Jeśli chodzi o wyważenie ogona, duże znaczenie mają tutaj momenty. Poziomy ogon SS1 musi generować siłę, która utrzyma samolot w równowadze. W niektórych warunkach, na ich temat ani Tighe, ani inni członkowie zespołu Scaled nie chcieli się szczególnie rozwodzić, ogon poziomy nie był w stanie wygenerować wystarczającej siły pozwalającej na utrzymanie wyważenia samolotu i to właśnie było przyczyną “przeciągnięcia przez ogon”.

Naprawy obejmowały modyfikacje ogona i skrzydła, których szczegółów nie będziemy tutaj zdradzać. Jednak Tighe potrzebował sposobu na przetestowanie regulacji. Najlepszym rozwiązaniem byłoby wykonanie testów w tunelu aerodynamicznym, ale nie było na to ani czasu, ani pieniędzy . Zamiast tego Tighe przyczepił rozmaite konfiguracje ogona do swojej półciężarówki – Forda F-250. Jeździł w okolicach lotniska Mojave, w celu uzyskania właściwego przepływu powietrza oraz sprawdzenia, która konfiguracja daje najlepsze charakterystyki poziomego uniesienia ogona i kąta wzniosu.

– Przedwczesne przeciągnięcie było najpoważniejszym problemem z dziedziny bezpieczeństwa aerodynamiki, który musieliśmy rozwiązać. Tighe przewidział ten problem, chociaż ja nie sądziłem, że będzie aż tak poważny, jak okazał się w praktyce – mówi Rutan. – Bez Jima nie zaplanowalibyśmy tak dobrze naszych testów.

A Jim, wychwalając swoich kolegów, mówi, że po zdobyciu nagrody X Prize w zasadzie miałby ochotę przejść na emeryturę. Nie szczędzi podziękowań całemu personelowi firmy Scaled, począwszy od inżynierów po pilotów i administratorów, których role w projekcie należycie docenia.

Szef firmy, Burt Rutan, widzi Jima jako jednego z członków zespołu, który najprawdopodobniej przejmie jego twórcze obowiązki. Byłaby to doskonała rola dla inżyniera roku – osoby, przed którą stoi otworem długa kariera.

więcej zdjęć na: www.scaled.com

Autor: TEKST: PAUL TEAGUE, ILUSTRACJE: STEVE LABADESSA