A VTOL (függőleges felszállás és leszállás) technológia a hidegháború idején a katonai repülés egyik ígéretes irányvonala volt. A katonai erők világszerte olyan repülőgépek kifejlesztésén dolgoztak, amelyek képesek lettek volna a hagyományos kifutópályák nélkül is felszállni és landolni. Az X-13 Vertijet ezen kísérletek egyik legfontosabb szereplője volt, és a tesztjei alapján úgy tűnt, hogy egy új korszak kezdődhet a katonai légiközlekedésben.

A Ryan X-13: áttörés és korlátok

A Ryan X-13 Vertijet a Ryan Aircraft cég fejlesztése volt, és sikeresen végrehajtotta az első függőleges felszállást, amelyet egy jet-hajtású gép végzett el. Az X-13 tehát fontos technológiai lépést tett a VTOL repülés megvalósítása felé, és bár a tesztelések sikeresek voltak, a programot mindössze két év után leállították. A leállás okai között szerepeltek a teherbírási és hatótávolsági problémák, amelyek miatt a repülőgép nem felelt meg a hadsereg elvárásainak. A kísérleti repülőgépek hatótávolsága és hasznos terhelhetősége nem volt elegendő ahhoz, hogy a X-13-at gyakorlati katonai alkalmazásokban használhassák.

Bár a Ryan X-13 projektet 1959-ben törölték, a VTOL technológia továbbra is izgalmas lehetőségeket rejtett magában. A koncepció alapjait később más fejlesztések, például a Harrier ugrórepülőgép és a V-22 Osprey tették lehetővé, amelyek már sikeresen alkalmazzák a függőleges felszállást és leszállást. Bár az X-13 nem váltotta be minden várakozást, az elért eredmények és a technológiai áttörések meghatározóak voltak, és alapot adtak a jövőbeli innovációknak. A függőleges felszállású repülőgépek alkalmazása ma már nemcsak katonai, hanem polgári és ipari területeken is fontos szerepet játszik.

A VTOL a „Vertical Take-Off and Landing” rövidítése, magyarul: függőleges fel- és leszállásra képes jármű. Ez egy repülési technológia, illetve járműkategória, amelynek lényege, hogy a gép nem igényel hosszú kifutópályát, mivel képes helyből felemelkedni és leszállni — hasonlóan, mint egy helikopter.

VTOL gépek típusai

A VTOL rendszerek lehetnek forgószárnyasok (például helikopterek) vagy merevszárnyú repülőgépek, amelyek a szárnyaik állásszögét, hajtóműveiket vagy a légáramlást képesek módosítani a fel- és leszállás idejére.

Ismertebb példák:

• Helikopterek — ezek VTOL-képesek.
• Harrier Jump Jet — az első sikeres katonai merevszárnyú VTOL repülő, amelyet a brit haditengerészet és a tengerészgyalogság is használt.
• F-35B Lightning II — modern ötödik generációs vadászgép, amely képes VTOL és STOVL (Short Take-Off and Vertical Landing — rövid nekifutásos és függőleges leszállás) üzemmódban repülni.
• Osprey V-22 — billenőrotoros hibrid, amely helikopterként száll fel, majd repülőgépként halad előre.

Mire jó a VTOL?

A VTOL legfőbb előnye, hogy nincs szükség kifutópályára, így használható:

• hordozókon, kisebb katonai bázisokon,
• sűrűn beépített városi területeken (pl. jövőbeli városi légitaxi rendszerek),
• kutató- és mentőakcióknál olyan helyeken, ahol nincs elegendő hely a hagyományos fel- és leszálláshoz.

A VTOL megoldások nemcsak katonai területen, hanem a jövő légiközlekedésében is fontos szerepet kaphatnak. Egyre több cég fejleszt elektromos VTOL-t (eVTOL), amelyeket városi közlekedésre szánnak. Ezek lehetnek a repülő taxik alapjai a közeljövőben.

Az 1940-es évek végén az amerikai repülőgépipar érdeklődése a farokkal leülő (Tailsitter) típusú, függőleges fel- és leszállásra képes repülőgépek iránt fokozódott. Az új, eredeti elképzelések és megoldások segítségével a repüléstechnika bizonyos jellemzőinek javítását, valamint a fegyveres erők számára új lehetőségek megteremtését tűzték ki célul. Az első ilyen irányú tervek turbólégcsavaros hajtóművekkel szerelt gépeket irányoztak elő, ám nem sokkal később megjelent a sugárhajtású konvertiplán, a Tailsitter típus egyik képviselője, amely a történelembe Ryan X-13 Vertijet néven vonult be.

A függőleges fel- és leszállásra képes repülőgép gondolata a Ryan Aeronautical vállalat szakembereiben már a negyvenes évek közepén felmerült. Ekkor került rendszeresítésre a Ryan FR-1 Fireball nevű fedélzeti vadászgép, amelynek különlegessége a dugattyús és a sugárhajtóműves motor kombinált meghajtása volt. Az ilyen hajtásrendszerrel elérhető nagy összteljesítmény kiemelkedő tolóerő-tömeg arányt eredményezett: a hasznos teher és az üzemanyagkészlet csökkentésével ez az arány meghaladhatta az egyet, ami elméletileg lehetővé tette a repülőgép számára, hogy függőlegesen lebegjen — ez pedig új taktikai előnyökkel kecsegtetett.

A koncepció, miszerint a repülőgép képes legyen függőleges felszállásra, majd vízszintes repülésre átállni, a Haditengerészet Légügyi Hivatala (Bureau of Aeronautics) részéről merült fel. A csökkentett költségvetés és a számos technikai korlát ellenére a haditengerészet érdeklődést mutatott a fejlesztés iránt. A Ryan vállalat javaslatának elfogadását többek között az indokolta, hogy szükség volt a hajók és szállítóegységek védelmére az ellenséges légicsapásokkal szemben. A meglévő fedélzeti vadászgépek működtetéséhez repülőgép-hordozók kellettek, míg a többi hadihajó számára eltérő képességű repülőeszközökre volt szükség.

1946 végén az Amerikai Haditengerészet megrendelést adott a Ryan Aeronautical vállalatnak egy új projekt kidolgozására. A feladat egy függőleges felszállásra képes konvertiplán megtervezése volt, amely idővel kiválthatná a hagyományos fedélzeti vadászgépeket. Az új fejlesztés a Model 38 jelölést kapta.

A tervezőcsapat első feladata az volt, hogy felmérje a leendő repülőgép jellemzőit, és megfelelő hajtóművet találjon. A Tailsitter típusú konvertiplán sugárhajtóművet igényelt, amely lehetőség szerint a legnagyobb fajlagos teljesítménnyel rendelkezik. A brit Rolls-Royce Nene motor ideális választásnak tűnt, ám a Ryan cég nem tudott hozzáférni ehhez a típushoz. A keresés folytatása után a mérnökök alternatívaként a nagyobb teljesítményű General Electric J33 sugárhajtómű mellett döntöttek.

1947 elején lezárult a repülőgép előzetes tervezési szakasza. Megállapították, hogy a felszállótömeg meghaladja majd a 3,4 tonnát. Egy darab J33 motor, amely 2090 kg tolóerőt biztosított, önmagában nem lett volna elegendő a függőleges felszálláshoz. A problémát szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéták alkalmazásával tervezték megoldani, amelyeket a felszállás után le lehetett dobni. A függőleges leszállást a harci teher ledobása és az üzemanyag elfogyása után csökkent tömeg tette volna lehetővé. Ez a változat a Model 38-1 nevet kapta.

Bár az új terv számos előnnyel járt, a Model 38-1 változatnak voltak korlátai. A fejlesztők két további alternatív modellt is kidolgoztak — a Model 38-2 és 38-3 változatokat —, amelyek szerkezeti felépítésükben hasonlítottak az eredeti koncepcióra, de egy hipotetikus, legalább 3500 kg tolóerejű hajtóművet feltételeztek. Mivel az amerikai ipar ekkor még nem gyártott ilyen erős motort, a konkrét típus megjelölése elmaradt.

1947 márciusában mindhárom tervet — a „38-1”, „38-2” és „38-3” változatokat — bemutatták a haditengerészet bizottságának. A Ryan cég képviselői ismertették a projekt eddigi eredményeit és a fejlesztés során felmerült problémákat. Kiemelték például a vezérlőrendszerek tervezésének nehézségeit, mivel ezeknek minden repülési módban megbízhatóan kellett működniük. A turbólégcsavaros motorokkal rendelkező gépeken a szokásos aerodinamikai kormányfelületek, amelyeket a légcsavar szele érintett, elegendőek voltak, míg egy sugárhajtású repülőgép esetében teljesen más megoldásokra volt szükség. Bár továbbra is voltak nyitott műszaki kérdések, a haditengerészet végül aláírta a szerződést a fejlesztés folytatásáról.

1948 közepéig a Ryan vállalat a vezérlőrendszer különböző változatainak kidolgozásán dolgozott. Mintegy nyolcvan különféle elgondolást vizsgáltak meg, és az elméleti számítások alapján a legígéretesebb megoldás a kormányozható fúvócső (irányítható nozzle) és a gázsugaras kormánylapok (gas rudders) rendszere lett. Ennek tesztelésére egy különleges próbapad építését határozták el, amelynek terveit június végén mutatták be. A próbapad egy keretből állt, amelyre a General Electric J33 hajtóművet szerelték. A fúvócsőhöz egy kipufogócső csatlakozott, amelynek végére egy csuklópántos, elfordítható fúvócsövet szereltek. Ezen kívül két kisebb átmérőjű cső vezette a hajtómű gázainak egy részét az oldalsó, szintén elfordítható gázkormányokhoz. A fő fúvócső a bólintást (tangázst), míg az oldalsó fúvócsövek az orsózást (roll) szabályozták. A fúvócsövek mozgatását távirányítással végezték.

1950 őszére a próbapad elkészült, a motorral és a vezérlőrendszerekkel felszerelt szerkezetet egy gyártócsarnokban függesztették fel acélkábelekre. A biztonság érdekében a próbaterületet fémlemezekkel vették körül. Október 20-án került sor az első motorindításra, a teljes körű tesztek — az összes vezérlőrendszer bevonásával — 1951. május 31-én kezdődtek. Ekkor igazolták először, hogy egy sugárhajtású Tailsitter repülőgép megfelelően vezérelhető.

A Model 38 projekt munkálatai a kísérleti tesztelés befejezése után sem álltak le. Időközben a Ryan vállalat mérnökei hozzákezdtek egy repülésre képes, távirányítású modell építéséhez, amelyet egy valódi, de pilóta nélküli repülőgép követett. Ezzel az eszközzel azt vizsgálták, hogyan viselkedik a konstrukció a levegőben, különösen a függőleges lebegés és az átváltás (transition) során, amikor a gép a lebegő üzemmódból átkapcsol a vízszintes repülésre.

Az első repülésre 1953. november 24-én került sor, amikor a pilóta nélküli, távirányítású gép először hagyta el a talajt, és hajtotta végre a lebegést. A teszt eredményei igazolták a vezérlőrendszer hatékonyságát és megbízhatóságát. Ezt követően a légierő és a haditengerészet közösen döntött a program kiterjesztéséről, és megrendelték a tényleges, személyzettel is repülni képes prototípus megépítését.

A véglegesített, kísérleti repülőgép az X-13 Vertijet típusjelet kapta, és 1954-ben kezdődtek meg az építési munkálatai. A gép szerkezete rendkívül kompakt és könnyű volt, amelyet teljes egészében a függőleges felszállás és leszállás követelményei szerint alakítottak ki. A fülke felett egyetlen nagy szívócsatorna táplálta levegővel az új, immár kisebb méretű, de nagy tolóerejű Rolls-Royce Avon hajtóművet (az amerikai licencváltozat: Wright J65). Ez a motor 4 536 kg tolóerőt biztosított, amely már elegendő volt a gép saját tömegének meghaladásához — így külön gyorsítórakéták beépítésére sem volt többé szükség.

A hagyományos futómű helyett a repülőgéphez egy speciális szállító- és indítóplatform készült, amely egy dőlésszögben megállítható állványként szolgált. A repülőgép ehhez csatlakozott egy vonószem segítségével, így a gép a függőleges állapotból indult, majd visszatérve ugyanebbe a pozícióba „dokkolt” leszállás után. A gépet földi szállításra is ezen a platformon mozgatták, amely egyben csörlő- és rögzítőberendezéseket is tartalmazott.

A vezérlés — a hagyományos kormányfelületek mellett — a gázturbinából elvezetett sűrített levegő segítségével működő gázsugaras kormánylapokkal (reaction controls) történt, így a gép a teljes repülési tartományban irányítható maradt. A pilóta egyedi kialakítású ülésben foglalt helyet, amelynek háttámlája a repülési módtól függően mozgatható volt: a függőleges repülés során a pilóta háton fekvő testhelyzetben foglalt helyet, vízszintes repülésben pedig ülő pozícióban.

Az első ember vezette függőleges lebegést és rövid repülést 1955. december 10-én hajtották végre, Peter Girard berepülőpilóta irányításával. A következő hónapokban további kísérleti repülések során tesztelték az átmenetet a függőleges felszállás és a vízszintes repülés között, majd a leszállás és dokkolás folyamatát is sikeresen végrehajtották.

A berepülési program sikeres lezárása után az X-13 két példányával bemutató repüléseket tartottak, többek között a Pentagonban és a Wright-Patterson légibázison is. A gép minden alkalommal lenyűgözte a nézőket, hiszen látványosan mutatta be a VTOL (Vertical Take-Off and Landing — függőleges fel- és leszállás) koncepció megvalósíthatóságát.

Ennek ellenére a Vertijet nem került sorozatgyártásba. A haditengerészet és a légierő végül nem igényelte a típust, mivel a koncepció taktikai előnyei nem indokolták a rendszeresítést, ráadásul a rakétafegyverek, valamint a VTOL-helikopterek fejlődése is elhomályosította a gép jelentőségét. A projekt így demonstrációs célú kísérletként zárult, ám értékes tapasztalatokat szolgáltatott a későbbi VTOL gépek fejlesztéséhez, például a Harrier sugárhajtású vadászgép megszületéséhez.