Konstrukcje lotnicze - Mitsubishi A6M Reisen (Zero)
Uzbrojenie
Doświadczenia bojowe zdobyte podczas konfliktu chińskiego oraz pojawienie się w lotnictwie wielu krajów szybkich bombowców o konstrukcji skorupowej, odpornych na ogień 7,7 mm k.m. zmusił Japończyków do poszukiwania nowych rozwiązań. W tym czasie na świecie zyskiwały na popularności dwa trendy - zwiększanie ilości k.m., lub zastosowanie mieszanego uzbrojenia działka/k.m. Japończycy poszli tą drugą drogą. Pierwsze poważniejsze dyskusje nad zwiększeniem siły ognia samolotów myśliwskich podjęto w połowie 1935 r. Inicjatorem dyskusji był ówczesny dowódca lotnictwa Cesarskiej Marynarki Wojennej wiceadm. Isoroku Yamamoto. Z jego polecenia kontradm. Goro Hara, szef wydziału mechanicznego oraz jego szef sztabu, kmdr Misao Wada rozpoczęli poszukiwania nowej broni. Ich uwagę zwrócił raport attache morskiego przesłany z Francji, który opisywał 20 mm szwajcarskie działko Oerlikon. Broń była jeszcze w fazie prac konstrukcyjnych, lecz udało się Japończykom kupić kilka egzemplarzy tego działka.
W 1936 r. zakupiono we Francji myśliwiec Dewoitine D-510 uzbrojony w 20 mm działko Hispano Suiza strzelające przez wał silnika 12 X CRS. Później silnik i działko Hispano Suiza zabudowano na dwóch doświadczalnych A5M3a. Japońscy specjaliści szybko docenili dużą siłę niszczącą 20 mm pocisków. Skuteczniejsze i celniejsze było działko Hispano Suiza, lecz wiązało się to z koniecznością użycia silnika rzędowego niezbyt popularnego w marynarce. Działko Oerlikon, dysponowało co prawda gorszymi charakterystykami, było mniej celne, lecz jego niewielki ciężar i wymiary umożliwiało zabudowę w skrzydłach o cienkim profilu. W sierpniu 1938 r. doświadczalnie zamontowano dwa działka Oerlikon FF w skrzydłach myśliwców A4N1 i A5Mla. Ich testy zadecydowały o wprowadzeniu do wymagań dla myśliwca nowej generacji zwiększenia siły ognia o dwa 20 mm działka.
Nowe 20 mm działka Typ 99-1 testowano na A6M2 między 10-24 czerwca 1940 r. Łącznie wykonano 24 loty próbne wystrzeliwując 2396 pocisków. Program prób obejmował strzelania na różnych wysokościach i w różnych położeniach samolotu, przy przeciążeniu rzędu 3,5 - 5g. Jest rzeczą ciekawą, że pod wpływem postulatów jednostek liniowych o wprowadzenie do uzbrojenia w.k.m. 10-13 mm, testowano zbudowany na bazie działka Oerlikon 14 mm w.k.m. Nie został on jednak przyjęty do uzbrojenia.
Szybko okazało się, że wybór jako uzbrojenie kombinacji dwóch 20 mm działek Typ 99 zabudowanych w skrzydłach i dwóch 7,7 mm k.m. Typ 97 nie jest najszczęśliwszy. Mały zapas amunicji i niska prędkość początkowa 20 mm pocisków znacznie ograniczała możliwości myśliwca. Teoretycznie zakładano, że myśliwiec otworzy ogień z dystansu używając 7,7 mm k.m.-ów. Później po wstrzelaniu się w cel użyje działek. Jednak nie było to możliwe ze względu na różną charakterystykę balistyczną działek i k.m.-ów. Ponadto piloci japońscy przyzwyczajeni do ulokowania uzbrojenia w osi samolotu, mieli problemy z dostosowaniem się do odmiennego użycia uzbrojenia skrzydłowego. Nie był to jedyny problem. Przy dużych prędkościach samolot nie był dobrą podstawą dla uzbrojenia (nie pomogło tu dużo przedłużenie kadłuba dokonane na etapie prototypu). W nurkowaniu wskutek "twardnienia" lotek następowało znaczne pogorszenie sterowności. W konsekwencji powodowało to zejście z punktu celowania, a na dodatek piloci nie mogli użyć lotek do korekty kursu, aby dorównać manewrującemu przeciwnikowi.
Interesująco przedstawia się porównanie wartości salwy sekundowej A6M2 z jego typowymi przeciwnikami. A6M2 dysponował siła ognia rzędu 2,52 kg/s. Jego konkurent z US Navy F4F-3 - 2,15 kg/s, a P-40E - 3,23 kg/s. Jednak myśliwce amerykańskie dysponowały uzbrojeniem jednorodnym - n.k.m. 12,7 mm Browning M2 (750 strz./min.), skutecznym z większej odległości. Piloci japońscy zwykle wykorzystywali 20 mm działka podchodząc do celu na bardzo bliską odległość, wówczas były one mordercze. Było to jednak możliwe tylko wówczas, gdy udało się zaskoczyć przeciwnika. Dla przykładu japoński as, Saburo Sakai wykorzystywał swe działka zaskakując przeciwnika podchodząc do niego na wznoszeniu z dolnej półstrefy od tyłu. Gdy brakowało elementu zaskoczenia, wówczas zdany był na sprawdzone k.m.-y Typ 97. Były to licencyjne Vickers E, cechujące się dużą niezawodnością i szybkostrzelnością rzędu 900 strz./min. Jak zgodnie twierdzą japońscy weterani, we wczesnej fazie wojny, piloci większość swych sukcesów osiągnęli dzięki zabudowanym nad silnikiem k.m.-om, nieocenionym w walce kołowej. Tak więc de facto siła ognia A6M2 w typowej walce powietrznej była znacznie mniejsza (0,9 kg/s) i nie różniła się niczym od myśliwców poprzedniej generacji!
Równie źle przedstawiała się skuteczność pokładowego uzbrojenia strzeleckiego w zwalczaniu samolotów bombowych. Cechy balistyczne działek Typ 99 zmuszały pilotów do podejścia na małą odległość do bombowca. Na odległości 300 m prędkość początkowa 20 mm pocisku spadała o 38%, a na 600 m już o 60%. Pomijając sam fakt trudności w zbliżeniu się do bombowca, myśliwiec przez długi okres czasu wystawiał się na ogień obronny całej formacji. Było to szczególnie widać podczas pierwszych walk A6M2 z amerykańskimi B-17. Na szczęście dla Japończyków używane, w pierwszej fazie wojny średnie bombowce alianckie (Blenheim, Hudson, Martin 139) nie były zbyt silnie uzbrojone. Jednak później po wprowadzeniu do walki np. B-25, nawet doświadczonemu pilotowi było trudno zestrzelić tego typu samolot lecący, zazwyczaj, w większej formacji.
Jak wspomniano ilość amunicji do działka początkowo wynosiła 60 naboi, czyli wystarczało na ok. 7 s prowadzenia ognia. Amunicji do k.m. było 500 naboi - 33 s. Dla porównania F4F-3 dysponował zapasem 1440 naboi (po 360 na w.k.m.) - 29 s. Jednak dotyczyło to całości uzbrojenia pokładowego. Nie bez znaczenia było także i to, że w A6M2 zastosowano nowy refleksyjny celownik Typ 98. Była to kopia niemieckiego Revi 2b, z którym Japończycy mieli okazję zapoznać się po zakupie partii niemieckich myśliwców Heinkel He-112. Był to znaczny postęp w porównaniu do wcześniejszego celownika lunetkowego Typ 95. Piloci japońscy szkolili się w strzelaniu z wyprzedzeniem kątowym, lecz nie mogli zdobytej wiedzy wykorzystać do końca. Z powodu dużej osłony silnika, pilotom brakowało widoczności do przodu, przez co nie mogli odkładać poprawki do ataków z pełnym wyprzedzeniem kątowym. Było to szczególnie utrudnione przeciw szybkim celom, czyli większości maszyn z którymi przyszło walczyć. W celu poprawienia widoczności piloci maksymalnie podnosili fotele tak, że ich głowy znajdowały się tuż pod osłoną kabiny. Poprawiało to możliwości odkładania poprawki, lecz znacznie pogarszało komfort walki. Dla porównania, F4F-3 pod tym względem był o wiele lepszy, nie posiadając takich ograniczeń.
Prototypy
Pierwszy prototyp ukończony został przez zakład płatowcowy firmy Mitsubishi w Oemachi w przemysłowej dzielnicy Nagoi w lutym 1939 r.
16 marca samolot był gotów do badań w powietrzu. Trzy dni później prototyp częściowo rozmontowano i na platformach ciągniętymi przez woły przetransportowano na lotnisko w Kagamigahara. Po ponownym montażu, w dniu 1 kwietnia 1939 r. prototyp A6M1 został oblatany. Oblot prototypu mógł nastąpić dopiero po godzinie 16.00, kiedy to zakończyły się zwykłe loty, gospodarza lotniska - Lotnictwa Cesarskiej Armii Lądowej. Na początku fabryczny pilot doświadczalny firmy Mitsubishi, Katsuzo Shima wykonał serię prób naziemnych (próby silnika, kołowania, sterów), po czym o godzinie 17:30 wykonał krótki lot bez wciągania podwozia. Pierwszy lot ze schowanym podwoziem nastąpił 14 kwietnia. Próby w locie nie wykazały żadnych istotnych wad samolotu. Zaobserwowano jedynie rezonans pomiędzy silnikiem i płatowcem. Zostało to wyeliminowane 17 kwietnia, po zastosowaniu postulowanego już wcześniej przez firmę Mitsubishi trójłopatowego śmigła. Osiem dni później pilot doświadczalny Katsuzo Shima na wysokości 3000 m osiągnął prędkość 491 km/h. Był to wynik poniżej oczekiwań i w związku z tym 1 maja Kaigun Koku Hombu zaleciła w kolejnym samolocie zabudować silnik Nakajima Sakae 12. Poza tym stwierdzono, że samolot łatwo wchodzi w płaski korkociąg i na dodatek trudno było go z niego wyprowadzić. Było to spowodowane tym, że ster kierunku znajdował się w tzw. obszarze zacienionym przez usterzenie pionowe. Początkowo, zgodnie z zaleceniami Kaigun Koku Hombu wprowadzono dodatkową małą płetwę ustateczniającą pod kadłubem. Później, począwszy od A6M2 przedłużono kadłub i przeprojektowano usterzenie.
Fotografia 3. Jeden z wczesnoprodukcyjnych A6M2 Model 11. Zwraca uwagę usytuowanie wylotu kolektora spalin - na wysokości czwartej klapki regulacyjnej. Począwszy od 35 egz. zmieniono usytuowanie wylotu kolektora spalin, przenosząc go nieco niżej (zdjęcie dolne).
Po zakończeniu prób fabrycznych, od lipca 1939 r., pierwszy prototyp był testowany przez pilotów lotnictwa morskiego. Samolot trafił do doświadczalnego Yokosuka Kokutai. W próbach uczestniczyli m.in.: kmdr por. Chujiro Nakano, por. Shigekazu Maki i pilot fabryczny Harumi Aratani. Wydali oni pozytywną ocenę prototypu, stwierdzając, że samolot A6M1 jest lepszy niż testowane w owym czasie samoloty konstrukcji zagranicznej, tj. Heinkel He-112, Chance Vought V-143 i Seversky 2PA-B3. Do tego czasu pierwszy prototyp wykonał 119 lotów w czasie 43 h 26 min. 14 września 1939 r., Wydział Techniczny wydał polecenie rozpoczęcia prób drugiego prototypu. Został on oblatany 18 października jeszcze z silnikiem Mitsubishi Zuisei 13, wyposażonym jednak w trójłopatowe śmigło. Tydzień później samolot ten przekazano marynarce, która skierowała go do testów uzbrojenia.
Na początku grudnia 1939 r. ukończony został pierwszy prototyp nowej wersji, wyposażony zgodnie z zaleceniami Kaigun Koku Hombu w silnik Nakajima Sakae 12. Jednak wciąż, na gotowym płatowcu nanoszono kolejne zmiany. Zastosowanie nowej jednostki napędowej spowodowało potrzebę przeprojektowania osłony silnika. Miał on bowiem większą średnicę, co spowodowało szczelniejsze otulenie silnika osłoną. Pogorszyło to chłodzenie nowej jednostki napędowej. Ponadto Sakae 12 posiadał gaźnik o ciągu skierowanym do góry, przez co powstała konieczność przemieszczenia wlotu powietrza do silnika na dół. Przeprojektowano także usterzenie ogonowe. W celu zmniejszenia tendencji wchodzenia przez samolot w płaski korkociąg, statecznik pionowy przesunięto nieco do tyłu, jednocześnie podnosząc go do góry. Pozwoliło to wyeliminować dodaną w A6M1 płetwę podkadłubową przenosząc ster kierunku z obszaru zacienionego przez usterzenie poziome. W efekcie powyższych zmian długość samolotu zwiększyła się o ok. 0,50 m. Ciągłe prace konstrukcyjne spowodowały, że A6M2 oblatany został dopiero 28 grudnia 1939 r.
W połowie stycznia 1940 r., po zakończeniu prób fabrycznych przekazano go do Yokosuka Kokutai. 18 i 19 stycznia pilot doświadczalny marynarki por. Maki wykonał serię lotów próbnych potwierdzających dobre właściwości samolotu. W tym czasie gotowy był drugi prototyp A6M2. Kolejne - trzeci i czwarty - powstały w lutym i marcu. W celu skrócenia cyklu badań Kaigun Koku Hombu zdecydowała się zamówić serię 15 maszyn przedprodukcyjnych. Samoloty miały zostać przetestowane w warunkach bojowych w czasie trwającego konfliktu chińsko-japońskiego. W maju ukończono kolejne dwa prototypy - piąty i szósty oraz trzy maszyny z serii przedprodukcyjnej. Do końca lipca zakończono produkcję 15 maszyn przedseryjnych. W stosunku do prototypów różniły się one bardziej dopracowanym aerodynamicznie wlotem powietrza do gaźnika. Jednocześnie 31 lipca 1940 r. oficjalnie zakończono testy i zaakceptowano samolot do produkcji seryjnej. Otrzymał on wówczas oznaczenie „Myśliwiec pokładowy Typ O Model 11" (A6M2 Model 11). W praktyce stosowano określenie Reisen (czyli myśliwiec Zero). Jednocześnie oba prototypy z silnikiem Zuisei otrzymały nazwę A6M1. Nazwa Typ O pochodziła, zgodnie z ówczesną japońska metodyką oznaczeń od roku zaakceptowania do produkcji seryjnej. W tym wypadku był to wg japońskiego kalendarza rok 2600 (1940). Warto dodać, że oznaczenie Typ O (z innym rozszerzeniem) nosiły także: wodnosamoloty F1M2, E13A1 i E14Y1.
Problemy
Nim jednak to nastąpiło, nad Zero zawisły czarne chmury. 11 marca 1940 r. pilot doświadczalny marynarki Masumi Okuyama wykonywał w Yokosuka na drugim prototypie myśliwca A6M1 kolejny lot próbny. W trakcie lotu, który miał posłużyć analizie reakcji śmigła samolotu na zmiany prędkości w locie, doszło do katastrofy. Po wyjściu z nurkowania, Okuyama zaczął ponowne wznoszenie, aby wykonać powtórne nurkowanie. Gdy maszyna po raz kolejny nurkowała nastąpiły głośny wybuch. Pilot opuścił samolot, na wysokości ok. 300 m, lecz spadochron nie rozwinął się i Okuyama zginął. Przyczyna wypadku nigdy nie została wyjaśniona. Za najbardziej prawdopodobne uznano, że nadmierna prędkość obrotowa silnika wywołała niszczące wibracje i w efekcie wyrwanie jednostki napędowej z łoża. Analiza wraku wykazała, jednak także brak zewnętrznego wyważenia masowego lotek. Mogło to spowodować swobodne trzepotanie (buffeting) steru wysokości, szczególnie przy dużych prędkościach. Na dostępnych rysunkach A6M1 samolot ma stery z kompensacją aerodynamiczną, bez zewnętrznych wyważeń masowych. Jednak wiadomo, że problemem Zero były zbyt duże siły działające na drążek przy dużych prędkościach i raport komisji świadczy o tym iż na A6M1 wprowadzono zewnętrzne wyważenie masowe lotek. Dlatego też obok powyższej interpretacji, iż przyczyną wypadku były wibracje pochodzące od silnika część komisji skłaniała się ku temu, że przyczyną katastrofy była nieodpowiednia wytrzymałość konstrukcyjna samolotu. Spowodowało to wprowadzenie dla dotychczas wyprodukowanych 21 maszyn resurs 50 h lotu, oraz wzmocnienie w kolejnych konstrukcji dźwigarów płata. Ponadto w kolejnych płatowcach wzmocniono wspornik przeciwwagi steru kierunku. Wydawało się, że problemy zostały rozwiązane. Jednak 16 kwietnia 1941 r. w Kisarazu nastąpił kolejny wypadek. Tym razem pilot wojskowy, ppor. Yasushi Nikada z dywizjonu myśliwskiego lotniskowca Kaga wykonywał akrobację. W jej trakcie, w gwałtownym nurkowaniu, pilot zauważył odkształcenia poszycia skrzydeł. Przy prędkości ok. 600 km/h Nikada zaczął tracić panowanie nad maszyną i ledwo wyprowadził ją z nurkowania. Mając uszkodzoną maszynę, pilot przymusowo lądował. Okazało się, że w trakcie wyprowadzania z nurkowania A6M2 Model 21 (nr. ser. 1140) utracił obie lotki, oraz część poszycia górnej powierzchni skrzydeł. Początkowo uznano, że wypadek spowodowały wprowadzone niedawno modyfikacje lotek, mające poprawić słabą reakcję na stery przy dużych prędkościach. Zaowocowało to tym, że począwszy od lutego 1941 r. - A6M2 (nr. seryjny 3127) wprowadzono klapkę odciążającą (Flettnera). Jednocześnie prowadzono dalsze badanie.
W ramach dochodzenia powypadkowego na A6M2 (nr seryjny 3135) ściągniętym z Akagi i pochodzącym z tej samej serii produkcyjnej co ten, który uległ wypadkowi, wprowadzono klapki odciążające i przeprowadzono badania czy zaistniałe problemy dalej będą występowały. Okazało się, że pofałdowanie powierzchni skrzydeł dalej występuje! W tej sytuacji kpt. Manbei Shimokawa, postanowił przeprowadzić próby zniszczeniowe w locie. Wytypował samolot zbudowany w październiku 1940 r. nie wyposażony w klapki odciążające. Kapitan Shimokawa był doświadczonym pilotem, instruktorem pilotażu i dowódcą dywizjonu myśliwskiego w elitarnym Yokosuka Kokutai odpowiedzialnym za próby wdrożeniowe samolotu A6M2. Prawdopodobnie osobiście poczuwał się do winy z powodu nie wykrycia wcześniej wspomnianego zjawiska. To poczucie winy zaważyło na dalszym przebiegu wydarzeń. 17 kwietnia 1941 r., kpt. Shimokawa wykonał szereg gwałtownych nurkowań w oczekiwaniu wystąpienia problemów. Gdy po raz kolejny nurkował, tym razem z wysokości 3800 m pod kątem 50' przy prędkości ok. 600 km/h wystąpiło oczekiwane pofałdowanie powierzchni płatów. Jednak samolot udało się wyprowadzić z nurkowania i doprowadzić na lotnisko. Po wylądowaniu, Shimokawa wystartował na testowanym uprzednio myśliwcu z Akagi. Tym razem podczas drugiego nurkowania, z samolotu posypały się fragmenty i spadł on do morza, grzebiąc Shimokawę. Analiza po wypadkowa wykazała, że winą jest flatter, a w samolotach, które otrzymały klapki odciążające, problem ten występował w większym stopniu i przy mniejszej prędkości, gdyż łatwiej było wychylać stery! Jednak obok problemów z lotkami na pierwszy plan wysunęła się odporność samej konstrukcji. Tak więc do czasu wprowadzenia niezbędnych korekt A6M2 otrzymał ograniczenie prędkości nurkowania do 463 km/h oraz limit przeciążenia - 5g, co stawiało przydatność samolotu pod wielkim znakiem zapytania.
Fotografia 4. Rozbity A6M2 (nr ser. 3127) pochodzący z lotniskowca Akagi. Maszyna uległa zniszczeniu podczas prób wytrzymałościowych konstrukcji prowadzonych przez kpt. Shimokawa.
W celu poprawy sytuacji w produkowanych od maja 1941 r. maszynach zwiększono grubość zewnętrznego poszycia powierzchni skrzydeł. Ponadto zainstalowano wzdłużne wzmocnienia, aby podnieść wytrzymałość na skręcanie, a w lotkach powrócono do zewnętrznego obciążenia masowego w miejsce, klapki odciążającej. Tak zmodernizowane samoloty otrzymały oznaczenie A6M2b Model 2 Ib.
Zewnętrzne obciążenia dodano do lotek, także w samolotach wcześniej wyprodukowanych noszących od tej pory oznaczenie A6M2a Model 2la. Jednak już w nich żadnych zmian strukturalnych nie wprowadzano. Samoloty miały nałożone ograniczenie prędkości maksymalnej do 630 km/h i nadal przy dużych prędkościach na stery działały duże siły. Podjęte środki, jak wnioskowali przedstawiciele Mitsubishi pozwalały na pozostawienie systemu klapek odciążających, co rozwiązałoby ten ostatni problem, lecz Marynarka po katastrofie kpt. Shimokawy nakazała usunąć je nie będąc pewnym przyczyny wypadku. W rezultacie były one zabudowane tylko na ok. 80 A6M2 Model 21 zbudowanych w okresie luty-maj 1941 r. W połowie września 1941 r., zaczęto instalować nową lotkę, która wewnątrz przedniej sekcji miała wszystkie przeciwwagi, dzięki czemu można było zrezygnować z zewnętrznych obciążeń, powodujących niepotrzebne opory aerodynamiczne. Powyższą zmianę wprowadzono począwszy od A6M2 nr 327. 26 listopada, gdy zapadła już decyzja o rozpoczęciu działań wojennych, przyjęto reżimy przewidziane na wypadek wojny i zwiększono dopuszczalną prędkość maksymalna do 667 km/h. Do tego czasu większość maszyn z zewnętrznym obciążeniem masowym sterów i klapkami przesunięto do jednostek szkolnych lub II linii.
Warto podkreślić, że poświęcenie kpt. Shimokawy nie poszło na marne. Wcześnie wykryta wada konstrukcyjna pozwoliła uniknąć podobnych problemów już podczas działań wojennych, czego np. nie ustrzegli się konstruktorzy Ki-43. Na zakończenie warto dodać, że w literaturze przedmiotu dominuje ocena, że opisane powyżej wypadki były spowodowane wadliwie działającymi sterami. Jednak wydaje mi się, że było to zjawisko wtórne. Na A6M2 mającym dużą powierzchnię nośną przy dużych prędkościach stosunkowo łatwo występowało zjawisko flatteru. Mało odporna powierzchnia skrzydeł ulegała odkształceniu, potęgując zjawisko, następnie odpadały słabsze elementy konstrukcyjne - lotki. Tak więc winą należy obciążyć zbyt silne "odchudzenie" konstrukcji samego samolotu. Problemy ze zbyt małą dopuszczalną prędkością lotu trapiły Zero w praktyce do ostatnich dni rozwoju konstrukcji.
A6M2 miał jeszcze jedno nietypowe rozwiązanie zastosowane w układzie sterowania. W światowym budownictwie lotniczym, przyjęte były normy mające zapobiegać zbyt dużej elastyczności w działaniu sterów. Inżynier Horikoshi, dążąc do redukcji masy zdecydował się zignorować istniejące ograniczenia. Użył cieńszych linek sterujących i bardziej elastycznych rurek skręcających stery wysokości. Dzięki temu, przy dużym obciążeniu sterów, rozciągnięcie linek sterujących powodowało mniejsze wychylenie sterów wysokości. Tym samym konieczna była mniejsza reakcja na ruch drążka sterowego przy większych prędkościach. Z kolei przy mniejszych prędkościach nie następowały problemy z pełnym wychyleniem steru wysokości. Powyższe rozwiązanie zostało opatentowane w Japonii w 1940 r.