Ett pedagogiskt exempel plus lite kuriosa om SR-71

Det är ju svåra saker detta med lyftkraft. Saker och ting hänger ihop på komplicerade sätt och en teori/modell utgör ett av många, möjliga perspektiv på det man studerar (inom vetenskapsteorin brukar man säga att teorier inte utgör absoluta sanningar, de är användbara). Låt mig nu ge ett exempel som har vissa likheter med diskussionen om vingars lyftkraft, och som kanske hjälper läsaren till en ökad förståelse av problemet. Men först lite bakgrund:

Det amerikanska, tvåmotoriga spaningsplanet Lockheed SR-71 (SR står för Strategic Reconnaissance), även kallad Blackbird eller Habu, som började designas i slutet av 1950-talet, var extremt på många sätt. Pappa till SR-71 var den legendariske konstruktören Kelly Johnson (som var svenskättling — han gick f ö under namnet "the Swede" bland sina kollegor). Man skulle kunna kalla honom "den tidens Tony Stark" (uppfinnargeniet som förekommer i fantasyfilmerna om Iron Man) med tanke på att han tycktes kunna lösa nästan vilket tekniskt problem som helst. Observera, på den här tiden fanns inte datorer i modern mening (det handlade mer om halvautomatiska räknemaskiner) och planet konstruerades inte genom CAD-program, utan på ritbord med papper, linjal och penna plus vindtunnelförsök. Mycket av beräkningarna skedde på räknesticka och för hand med hjälp av logaritmtabeller etc. SR-71, som hade två mans besättning (pilot och radar-/spaningsoperatör), var obeväpnat så när som på motmedel mot radar och värmesökande robotar och skyddades av sin höga fart och höjd. Planet var operativt mellan 1964 och 1998. Fortfarande är dess operativa höjd och fart oöverträffad av plan med motorer som är beroende av luftens syre (raketer för med sig det syre som behövs till motorerna och fungerar därför även i rymdens vakuum). Vid ett tillfället flög en SR-71 New York - London på 1 timme och 55 minuter (medelfart 3 332 km/h). Snabbaste tiden Los Angeles - Washington DC var 64 minuter. Planet opererade på upp till en höjd av 85 000 ft med en fart av mach 3.3 (3 540 km/h). För att överleva ett eventuellt tryckfall i kabinen på 80 000 ft eller mer, hade piloterna rymddräkter och hade också status som astronauter. Vid ett tillfälle, för att undgå en luftvärnsrobot, drog piloten throttlarna till max och uppnådde farten 3 800 km/h. SR-71 flög under sin livstid över många områden, inkluderande stridszoner, i världen (dock aldrig över Sovjet eller Kina, av politiska skäl — man hade till och med en speciell registreringskamera för att kunna bevisa var man flugit om t ex Sovjet skulle komma med anklagelser om gränskränkningar). Ca 800 av Östblockets vassaste robotar avlossades mot SR-71 under dess operationer. Ingen träffade. Planet var i princip osårbart på grund av sin fart och höjd. Inga existerande jaktplan hade en chans att intercepta (genskjuta) en SR-71. Dessutom brukar SR-71 räknas som det första stealthplanet, eftersom det hade en radarsignatur som en liten Cessna (SR-71 var ett stort plan, ca 33 m långt och 17 m brett och kunde väga upp till 70 ton vid start, vilket är lika med maximala startvikten för en Boeing 737-800, som tar ca 190 passagerare).

Lockheed SR-71 Blackbird

Allting var speciellt med SR-71. Planet var huvudsakligen byggt av titan, vilket krävdes på grund av de höga temperaturer planet utsattes för. Dessa orsakades av luftfriktionen (kallas värmevallen, vilken visat sig vara betydligt svårare och kostsammare att överskrida än ljudvallen). Vindruta och sidofönster var gjorda av kvarts (vindruten fick normalt en temperatur av runt 315°C under cruise). Man använde ett speciellt bränsle (kallat JP-7) som var nästan omöjligt att tända eld på (temperaturen i bränsletankarna låg runt 180°C under flygning, trots att man hade ett kylsystem i tankarna). För att tända bränslet vid motorstart sprutade man in trietylboran. Direkt efter landning var planet så hett att teknikerna riskerade brännskador om de rörde vid det. Räckvidden hos SR-71 var runt 5 400 km men genom lufttankning begränsades räckvidden endast av hur länge besättningen orkade flyga planet (vissa uppdrag kunde vara i 10 timmar). För att hålla en SR-71 i luften krävdes en armada av specialbyggda tankningsplan. Man räknar med att en timmes flygtid kostade 250 000 dollar (i 1990-talets penningvärde). Landningsställets däck bestod av en blandning av aluminium och gummi (för att tåla de höga temperaturerna under flygningen) och kostade 2 300 dollar styck (totalt hade SR-71 8 hjul) och klarade bara ca 20 cykler (start och landning) innan de måste bytas. En starkt bidragande orsak till att SR-71-programmet lades ner i slutet av 1990-talet (och ersattes av spaningssatelliter) var de höga kostnaderna (ett spaningsplan har dock stora fördelar jämfört med spaningssatelliter, eftersom de senare har förutsägbara banor, och drönare kan inte flyga över områden med starkt luftförsvar).

Jodå, jag vet att svenska JA 37 Viggenplan (JA 37 var den s k Jaktviggen, dvs den skarpaste versionen av Viggen) under 1980-talet några gånger lyckades intercepta (och minst en gång låsa sin radar på) SR-71-plan. Detta finns redovisat i Flyghistorisk Revys årsbok 2009, (utgiven av Flyghistoriska Föreningen) med titel System 37 Viggen. Där finns en artikel "Incidentuppdrag med JA 37", skriven av Per-Olof Eldh, som bl a varit divisionschef på F 13 och arbetat med taktisk utprovning av JA 37 och JAS 39 Gripen. Merparten av nedanstående data om JA 37:s intercept av SR-71 har jag tagit därifrån.

SR-71 flög normalt ett spaningsuppdrag över Östersjön en gång i månaden. Detta kallades allmänt för "Baltic Express". Det amerikanska planet flög alltid samma rutt, dvs det handlade om en i förväg känd bana (man följde DDR:s och Polens kuster och svängde sedan norrut och flög längs de baltiska staternas kuster). Baltic Express startade i England och höll sig hela tiden över internationellt vatten (genom sina kameror och annan spaningsutrustning kunde SR-71 se långt in på Warzavapaktsterritorium). Man höll alltid samma höjd och fart. Så Svenska Flygvapnet visste precis när SR-71 var på väg, och vilken höjd och fart den skulle ha, och kunde förbereda sig. Internationellt vatten i Östersjön utgör dessutom en ganska smal korridor, vilket ytterligare underlättade för de svenska planen att intercepta. SR-71:an kom söderifrån och brukade vända någonstans söder om Åland. För att undvika att komma in på svenskt eller annat territorialvatten drog man ner farten under svängen (vilket man inte hade gjort i skarpt läge), vilket också verkade till Viggens fördel. Inledningsvis flög man Mach 3,0 även under 180°-svängen söder om Åland, men svängradien blev så stor att man vid ett tillfälle kränkte Södertörn, vilket föranledde en svensk protest. Farten under svängen minskades därför till Mach 2,54 (ibland var den lägre, runt Mach 2,0). Efter svängen ökade man farten igen till Mach 3,0. Under själva svängen flög man således avsevärt långsammare än normalt. Dessutom flög man under hela Östersjörundan på betydligt lägre höjd än normalt, ca 20 000 m (65 600 ft). Normal operativ höjd låg på runt 85 000 ft (ca 26 000 m).
Vid JA 37:s insatser mot SR-71 flög detta plan således en i förväg känd bana vid en i förväg känd tidpunkt och höll vid svängen söder om Åland betydligt lägre fart och flög på avsevärt lägre höjd än normalt. Något som givetvis på ett avgörande sätt verkade till Viggens fördel.
I skarpt läge hade Viggen inte haft skuggan av en chans att ens komma i närheten av SR-71, eftersom man då inte flyger förutbestämda banor på förutbestämda tider (plus att man inte är begränsad till att flyga i smala korridorer över internationellt vatten). SR-71:s normala flyghöjd, drygt 80 000 ft, ligger långt över Viggens topphöjd, men genom att "ta sats" kan en Viggen (eller något annat överljudsplan) uppnå höjder långt över sin nominella topphöjd, där inte vingarna längre bär och där motorn inte ger någon dragkraft. Detta kallas zoom climb (efter att vingarna tappat lyftkraften fortsätter planet ballistiskt i en kastparabel, vilken bestäms av utgångshastighetens storlek och riktning — Viggenplanets bana beräknades utifrån var man gissade att SR-71:an skulle befinna sig vid en viss tidpunkt). Chansen att få iväg en robot är minimal, speciellt om SR-71 ändrar kurs eller fart, vilket den givetvis skulle göra om det gällde allvar (samtidigt som Viggen var bunden till sin kastparabel och inte på något sätt kunde påverka sin bana). Dessutom är det tveksamt hur Viggens robotar skulle bete sig på 80 000 ft och högre. En höjd som de definitivt inte var konstruerade för. Deras styrytor (roder) skulle nog ha föga verkan i så tunn luft.
I artikeln i Flyghistorisk Revys årsbok 2009 redovisas de olika incidentinsatserna med JA 37 Viggen mot SR-71. Dessa skedde under perioden 1982-87. Vid minst ett tillfälle lyckades man låsa radarn på SR-71:an och "avfyra" en fiktiv robot. Det är dock tveksamt om roboten hade träffat. Den robot som man då hade tillgång till var den brittiska Sky Flash, i Sverige kallad RB 71. Detta var en passiv radarrobot, vilket innebär att den inte hade någon egen radarsändare (utan bara en mottagare). Det anfallande planet var därför tvunget att belysa målet med sin radar ända till dess att roboten träffade. Detta krävde i de flesta fall att det anfallande planet kunde manövrera, vilket inte hade varit fallet om SR-71 hade flygit med normal operativ höjd och fart (enligt vad som diskuterats ovan).

Jag vill inte på något sätt förringa Svenska Flygvapnets insats och det förband som interceptade SR-71 lär strax efteråt ha fått ett gratulationskort från Mildenhallbasen i England, som var en av de primära baserna för SR-71. Men oavsett detta, så är det jag skriver ändå sant. I skarpt läge hade inte en Viggen (eller Gripen) haft någon som helst chans att intercepta och skjuta verkanseld mot en SR-71.

En annan viktig primär SR-71-bas (förutom Mildenhall) fanns i Okinawa i Japan. Japanerna kallade SR-71 för "Habu", vilket är namnet på en japansk, mycket farlig giftorm.

För att möta hotet från SR-71 (och även från ett planerat amerikanskt Mach 3 bombplan, B-70 Valkyrie — se bild 23 i huvudartikeln "Varför flyger flygplan?") konstruerade Sovjet Mig-25, vilken kunde flyga omkring Mach 3. Problemet var att det inte räcker med Mach 3 om man skall intercepta ett plan som flyger i mer än Mach 3. Och att ligga i bakhåll fungerar bara om man i förväg vet vart SR-71:an är på väg (eller har massor av Mig-25 som ligger och lurpassar lite varstans och dessutom har lite tur). Mig-25 kunde för övrigt bara flyga Mach 3 under en mycket begränsad tid, sedan var motorn slut. SR-71 var byggd för att flyga över Mach 3 kontinuerligt!

Ovanstående var lite kuriosa, som kanske kan intressera en del läsare. Men nu kommer vi till själva pudelns kärna, dvs till det jag vill förmedla och som har relevans för diskussionen om vingars lyftkraft. Motorerna på SR-71 (Pratt & Whitney J58) var tekniska underverk. I låga farter fungerade de som vanliga jetmotorer (turbojet) men vid över Mach 2.4 konfigurerades motorerna om (automatiskt) så att de blev s k ramjetmotorer (sådana har inga rörliga delar utan farttrycket får ersätta kompressorn och den turbin som driver kompressorn). Detta skedde genom att luften som togs in i luftintagen passerade i kanalar runt (förbi) själva jetmotorn och gick direkt in i efterbrännkammaren. All förbränning skedde således, i ramjetmoden, i efterbrännkammaren.

SR-71:s motor i olika moder (vid olika mach-tal). I de två nedersta fallen (Mach 2.5 och Mach 3.2) ser vi att turbojetmotorn (i mitten av motorgondolen) inte har något gasutsläpp, dvs inte bidrar till dragkraften. Motorsystemet fungerar i denna mode som en ramjetmotor.

Vid höga farter uppstår tryckvågar (stötvågor) som ger problem i luftintagen. Dessa kan få motorerna att stanna eller baktända och skadas (vilket hände flera gånger under SR-71:s karriär). Plus att motoreffekten minskar betänkligt. Därför har man olika trick för att bromsa in den inkommande luften till subsonisk fart (lägre än ljudhastigheten). På SR-71 hade man stora koner i centrum av luftintagen (se bilderna ovan). Dessa, som kallas "spikes", kunde förskjutas framåt och bakåt (66 cm totalt) och planet hade ett datorsystem som flyttade dessa spikes så att man oberoende av farten fick rätt fart på den luft som togs in i motorsystemet. Av figuren framgår att det också fanns ett antal luckor och spjäll som kunde öppnas och stängas för att optimera motorernas funktion inom hela fartområdet (nördtips: det finns ett flertal artiklar på Internet — googla på exempelvis "SR-71 engines" — som i detalj förklarar allt detta).

Lockheeds ingenjörer upptäckte under arbetets gång att det vid hög fart uppstod en tryckskillnad framför och bakom konerna (spikes) i luftintagen. Framför konen bildades ett starkt undertryck (relativt bakom konen). Dvs man fick en tryckskillnad som så att säga "sög" fram planet. Vid Mach 3.3 stod denna tryckskillnad för 80 procent av planets dragkraft, medan motorerna (utblåset från motorerna) endast stod för 20 procent (de exakta siffrorna kan diskuteras). Ingenjörerna på Lockheed brukade i kafferummet skämta om, att kunde man förfina systemet ytterligare så kunde man skippa motorerna och låta planet sugas fram enbart av konerna i luftintagen.

Självklart skulle detta inte fungera. Det som åstadkommer tryckskillnaden runt konerna är ju motorerna. Tryckskillnaden uppstår först när planet accelererat upp till ganska hög fart. Skulle man stänga av motorerna skulle planet snabbt tappa fart. Skillnaden i tryck är en sekundäreffekt av dragkraften hos motorerna. Man kan säga att tryckskillnaden genereras av motorerna, genom att motorerna "flyttar" en del av sin dragkraft fram till luftintagen. Ett alternativt sätt att uttrycka detta på, är att säga att planet till största delen "sögs" fram av undertrycket framför spikes och motorernas huvudsakliga uppgift var att suga bort den luft som togs in i luftintagen (för att bevara undertrycket framför luftintagskonerna). När den bortsugna luften sedan släpptes ut i bakändan av motorn, gav den som "bonus" ytterligare dragkraft (ca 20 procent).

Läsaren kanske ser likheten med diskussionen om vingars lyftkraft. Frågan är således, analogt, om det är skillnaden i tryck mellan vingens över- och undersida som ger lyftkraften, eller om denna tryckskillnad i själva verket är en sekundäreffekt av att luft skyfflas nedåt. Är det tryckskillnaden som gör att luft skyfflas nedåt? Eller är det skyfflandet av luft nedåt som skapar en tryckskillnad? Även om man rent matematiskt/fysikaliskt kan förklara lyftkraften på båda sätten, återstår frågan vilket som är hönan och vilket som är ägget, dvs vilken av dessa två modeller som är yttersta orsak och vilken som är verkan (en fysikalisk följd av den andra). Eller om det möjligen kan vara så att både tryckskillnaden och accelererandet av luft nedåt, helt eller delvis oberoende av varandra, bidrar till lyftkraften. Eller handlar det helt enkelt om olika perspektiv på en och samma sak (se inledningen till föreliggande artikel)? Något för läsaren att grubbla på över en kopp kaffe och en prinsessbakelse (alternativt, om läsaren tillhör kultur"eliten" och bor på Södermalm i Stockholm, över en caffe latte med sojamjölk och en macka bestående av ciabattabröd med mozarellaost och ruccolasallad).

Tillbaka till artikeln "Varför flyger flygplan?"
Tillbaka till Kristers Flygsida