A Mission for the Resurrected

Chociaż spędził 40 lat rdzewiejąc na pustyni w Arizonie, w październiku 2016 roku leciał mile wysoko nad Guam. Martin WB-57F, z logo NASA na ogonie, wspiął się do troposfery w ramach misji o nazwie POSIDON, badania chmur cirrus i innych zjawisk atmosferycznych. Porponując pomiędzy wysokościami od ośmiu do 11 mil, przeleciał wokół tajfunu, zanurzył się w pióropuszach wulkanicznych, aby zbadać gazowy dwutlenek siarki, zmierzył gęstość i grubość chmur oraz powąchał cząsteczki ozonu.

„Chmury cirrus nie są tak dobrze poznane”, mówi Eric Jensen, naukowiec zajmujący się atmosferą w Centrum Badawczym Ames NASA i jeden z głównych badaczy misji POSIDON. Struktury te, które tworzą kowadła burz, a na większych wysokościach regulują ilość pary wodnej i innych cząsteczek, które unoszą się do stratosfery, są „jedną z największych niewiadomych w naszej zdolności do przewidywania zmian klimatycznych…. Więc te pomiary chmur, zrozumienie jak się tworzą i jak ewoluują, jest bardzo ważne dla ulepszenia tych globalnych modeli”, mówi Jensen.

Zachodni Pacyfik jest idealnym laboratorium do badania chmur cirrus, szczególnie jesienią, kiedy burze są codzienną cechą, a tajfuny mogą ożyć w każdej chwili. „Guam znajduje się w samym środku akcji,” mówi Jensen. Ciepłe, wilgotne powietrze unoszące się znad oceanu wokół wyspy wypycha chmury na szczególnie duże wysokości. Silne wiatry ścinają wierzchołki chmur, tworząc koronkowe cirrusy, które są cienkimi wstęgami kryształków lodu. Maleńkie cząsteczki – od drobinek piany morskiej do zanieczyszczeń fabrycznych nawiewanych z Azji – wspinają się do tych strumieni, gdzie mogą być przenoszone wokół całej planety.

Wysokie wysokości tych formacji sprawiają, że są one trudne do zbadania – zbyt wysokie dla większości samolotów, aby dotrzeć do nich z ciężkimi ładunkami instrumentów i zbyt niskie i mgliste dla satelitów, aby zobaczyć je z wystarczająco wysoką rozdzielczością do dokładnych pomiarów. Ale w 2011 roku zespół Jensena dostał w swoje ręce samolot WB-57 i wysokie cirrusy znalazły się w zasięgu ręki.

Samolot jest ostatnią wersją bombowca B-57, z możliwością przenoszenia cięższego ładunku na większe wysokości niż jakikolwiek inny dostępny samolot badawczy. „I jest naprawdę odporny, więc może latać w pobliżu konwekcji – tych wielkich burz – co jest turbulentnym środowiskiem,” mówi Jensen. Dzięki WB-57 naukowcy mogą wysyłać instrumenty do bezpośredniego pobierania próbek z chmur.

Samolot, który leciał z misją na Guam oraz dwa inne WB-57 – wszystkie trzy mają ponad 60 lat – są jedynymi samolotami tego typu działającymi obecnie. B-57 pojawił się na świecie jako English Electric Canberra, zaprojektowany przez Brytyjczyków średni bombowiec z napędem odrzutowym, który powstał w czasie II wojny światowej, ale swój pierwszy lot odbył dopiero w 1949 roku. Rok później, gdy w Korei wybuchły działania wojenne, wojsko amerykańskie zaczęło szukać zastępstwa dla Douglasa B-26 Invader (który w czasie II wojny światowej latał jako A-26). W ramach demonstracji przydatności Canberry, brytyjski bombowiec wykonał pierwszy lot bez tankowania przez Atlantyk. To załatwiło sprawę z Siłami Powietrznymi USA. Firma Glenn L. Martin Company otrzymała licencję na budowę amerykańskiej wersji, B-57, który odbył swój pierwszy lot w 1953 roku. (Za późno na walkę w Korei, został tam wysłany do obrony rozejmu z 1953 roku). Choć amerykańska wersja oficjalnie porzuciła przydomek „Canberra”, większość nadal odnosi się do samolotu pod tą nazwą.

WB-57 należące do NASA wylatują z lotniska Ellington w Houston, niedaleko Centrum Kosmicznego Johnsona, jako część floty badawczej agencji zajmującej się badaniami na dużych wysokościach. Według Charliego Malliniego, który zarządza programem WB-57, samolot ten zajmuje niszę badawczą. „Jest to jeden z podstawowych samolotów NASA do pracy w atmosferze” – mówi. „Jest tylko tyle samolotów, które latają na wysokościach, na które my latamy. I możemy przenosić wiele różnych rzeczy – anteny, sondy z próbkami i inne ładunki.”

Inne samoloty badawcze NASA latające na dużych wysokościach, ER-2 (wersja samolotu szpiegowskiego U-2) i dron Global Hawk, latają co najmniej tak wysoko jak Canberra i oferują większy zasięg i czas lotu. Canberra może jednak przenosić trzykrotnie większy ładunek niż ER-2 i ponad czterokrotnie większy niż Global Hawk. Taka pojemność pozwala WB-57 na przenoszenie ponad dwóch tuzinów instrumentów rozmieszczonych w nosie, dużej przestrzeni ładunkowej, schowkach w skrzydłach i zamontowanych na skrzydłach poduszkach. Canberra jest również jedynym z trzech statków badawczych, który może przewozić członka załogi na tylnym siedzeniu, który obsługuje instrumenty i przekazuje dane do zespołu na ziemi. „Naukowcy mogą podejmować decyzje w czasie rzeczywistym, aby zmienić kierunek, w którym chcą się udać” – mówi Mallini. „To daje im dużo elastyczności, aby uzyskać najlepsze dane.”

Mallini dołączył do programu w 2011 roku jako główny inżynier po pracy nad programem Constellation NASA, złomowaną inicjatywą wysłania astronautów z powrotem na Księżyc i dalej na Marsa. W 2014 roku został kierownikiem projektu programu WB-57. Pokazuje samoloty w ich macierzystej bazie, Hangarze 990 w Ellington, byłej bazie Sił Powietrznych. NASA 927, samolot, który poleciał w misji POSIDON, siedzi w pobliżu drzwi hangaru, gdy Tom Parent, jeden z pilotów Canberrasu, instruuje przyjezdnych pilotów z Naval Test Pilot School na temat jego obsługi. (Małe grupy lotników z centrum szkolą się na WB-57F przez kilka dni każdego roku, co daje im doświadczenie w lotach na dużych wysokościach). Drugi samolot, NASA 928, jest w trakcie poważnego przeglądu; jego silniki zostały usunięte, a ładownia jest otwarta i pusta. Ostatni członek floty, NASA 926, grzęźnie na drugim końcu hangaru, otoczony przez nośne palety z instrumentami i kontenery transportowe wypchane narzędziami, częściami zamiennymi i innym sprzętem do rozmieszczenia poza Houston.

Podopieczni Malliniego wyglądają jak lotniczy odpowiednik muscle cars. Ich skrzydła mają rozpiętość 122,5 stopy – prawie 20 stóp więcej niż skrzydła U-2S – zapewniając siłę nośną potrzebną do osiągnięcia wysokości wymagających kombinezonów ciśnieniowych i dając WB-57F przydomek: Długie Skrzydło. Potężny silnik Pratt & Whitney TF33, podobny do tych używanych w bombowcach B-52, jest zamontowany pośrodku każdego skrzydła i zapewnia samolotowi 31 000 funtów ciągu. Ta moc sprawia, że start jest zarówno głośny (poziom hałasu w kokpicie może osiągnąć 105 decybeli), jak i denerwujący. „To otwiera oczy, a dla osoby, która po raz pierwszy leci samolotem, może być nieco niepokojące” – mówi Parent. „Kiedy silniki są zaawansowane do mocy startowej, cały samolot trzęsie się tak bardzo, że trudno jest odczytać silnik i instrumenty lotu.”

Parent jest jednym z czterech pilotów zabytkowego samolotu. Dołączył do projektu w 2011 roku po przejściu na emeryturę z Sił Powietrznych. Podczas swojej 25-letniej kariery wojskowej służył jako szef załogi F-111s, następnie latał B-52s i wreszcie U-2. Parent nosi przydomek „Duster” z powodu gęstych wąsów („cookie duster”), które nosił podczas misji w Afganistanie. Parent wylatał na Canberze ponad 900 z prawie 8000 godzin lotu. W kokpicie Parent i jego koledzy piloci mają do czynienia z oprzyrządowaniem z 1960 roku. (Czujniki na tylnych siedzeniach zostały zastąpione nowoczesnymi szklanymi wyświetlaczami). „W kokpicie nic nie jest zautomatyzowane, z wyjątkiem nowego cyfrowego autopilota” – mówi Parent. „Wyświetlacze w kokpicie zmieniły się bardzo niewiele od czasu pierwszego lotu tego samolotu.”

B-57 służyły przez dwie dekady, w tym w walce w Wietnamie. Na początku lat 60-tych firmie General Dynamics zlecono zaprojektowanie modelu F przeznaczonego do rozpoznania i obserwacji atmosfery na dużych wysokościach. WB-57F, eksploatowane przez 58 Eskadrę Rozpoznania Pogody w Nowym Meksyku, były wysyłane na cały świat w celu wykrywania śladów atmosferycznych prób jądrowych. Ostatnie wojskowe B-57 zostały wycofane z eksploatacji w 1974 roku, a ich miejsce zajął między innymi naddźwiękowy SR-71.

NASA zaczęła pożyczać Canberry od Sił Powietrznych w latach 60. Po tym jak model ten udowodnił swoją przydatność jako platforma badawcza, agencja nabyła na stałe dwa. Jeden z nich służył początkowo jako samolot zwiadowczy, między innymi w bazie lotniczej Rhein-Main w Niemczech, podczas gdy drugi rozpoczął życie jako bombowiec i służył w Stanach Zjednoczonych. Oba zostały przebudowane na modele RB-57F około 10 lat po rozpoczęciu swojej kariery. „Historia jest jedną z najciekawszych rzeczy w tych samolotach,” mówi Parent. „Wszyscy patrzą i są zdumieni, że one wciąż istnieją. Większość z nich znajduje się w muzeach. W rzeczywistości, szukaliśmy w muzeach naszego ostatniego samolotu, dopóki nie znaleźliśmy jednego na złomowisku.”

Air Force 63-13295, również RB-57F, przeszedł na emeryturę w Davis-Monthan Air Force Base w Tucson w lipcu 1972 roku. Siedział tam przez prawie 39 lat, piekąc się pod pustynnym słońcem. W maju 2011 roku, inżynierowie NASA zjechali na cmentarzysko, aby go wskrzesić. „Spojrzeliśmy na nadchodzące prace i dostrzegliśmy potrzebę posiadania trzeciego samolotu” – mówi Mallini. „To była jakby nasza ostatnia szansa. Samoloty powoli się rozpadały. A nasze samoloty były coraz starsze. To jest jak posiadanie polisy ubezpieczeniowej. Często zdarza się, że jeden z samolotów nie nadaje się do konserwacji, więc nowy samolot pozwala nam nadal mieć do dyspozycji dwa samoloty.”

Odmłodzenie samolotu zajęło dwa lata, przy użyciu części odzyskanych z innych zezłomowanych samolotów. (Drugi płatowiec, który doznał większych uszkodzeń w czasie składowania, służył jako poligon doświadczalny, pomagając inżynierom ustalić, jak rozebrać i poskładać wszystko z powrotem, zanim zastosują klucz lub śrubokręt do 63-13295). „Rozebraliśmy go do gołego metalu” – mówi Mallini. „Skrzydła zostały umieszczone w przyrządach i odbudowane od podstaw. Potem powoli, ale pewnie złożyliśmy go z powrotem do kupy”. W sierpniu 2013 roku, przeprojektowany samolot NASA 927 wzbił się w niebo po raz pierwszy od ponad czterech dekad – jest to jedna z najdłuższych przerw w lotach samolotu przeznaczonego na złomowisko.

Utrzymanie w locie trzech seks-genialnych samolotów może być czasochłonne. Części zamienne do ich starszych systemów można znaleźć tylko w muzeach i na złomowiskach. Kadłub samolotu, który służył jako stanowisko testowe dla NASA 927, na przykład, został wysłany do Utah w celu przetestowania ulepszenia fotela wyrzucanego. Następnie został wysłany do Houston, gdzie ekipa remontowa NASA wyjęła elementy sterujące przepustnicą i inne dźwignie, przewody i „wiele innych drobiazgów” – mówi Mallini. „Wyciągnęliśmy tyle, ile się dało. Jest bardzo mało części specyficznych dla samolotu, które można znaleźć.”

Co gorsza, oryginalne rysunki inżynieryjne są czasami niekompletne lub w ogóle nie istnieją. W rezultacie, zespół musi czasem odtwarzać inżynierię wsteczną komponentów, tworząc je ręcznie lub na drukarkach 3D. Niektóre systemy są nie do podrasowania i odtworzenia. Należał do nich analogowy autopilot z lat 60-tych, który wykorzystywał lampy próżniowe – elementy, których nie można znaleźć w lokalnym sklepie Fry’s czy nawet na Amazonie. „Ludzie przeszukiwali Internet w poszukiwaniu lamp” – mówi Alyson Hickey, główny inżynier programu Canberra. „W końcu wymieniliśmy całość na nowoczesnego, cyfrowego autopilota”. Ponadto w ramach programu wymieniono fotele wyrzutowe na model stosowany w F-16, zmodernizowano podwozie i zainstalowano nowy system łączności satelitarnej.

Program Canberra pomaga zapłacić rachunek za te rozległe modyfikacje i naprawy, latając na instrumentach dla innych agencji rządowych, środowisk akademickich i sektora komercyjnego. Dziesięć lat temu jednym z najlepszych klientów był Departament Obrony, który rezerwował samolot na kilka tygodni dla swojego programu Battlefield Airborne Communications Node. Canberra posiadała wyposażenie, które przekształciło ją w „uniwersalny translator”. Samoloty i inne zasoby, które używają niekompatybilnych systemów komunikacyjnych mogłyby używać Canberry do rozmawiania ze sobą. Z zamalowanymi logotypami NASA, samoloty zostały wysłane do Afganistanu w 2008 roku, gdzie przeprowadziły 50 misji. Zagraniczne misje zakończyły się w 2012 roku, kiedy rolę tę przejęły inne samoloty, ale WB-57 nadal prowadzą testy rozwojowe dla programu w Stanach Zjednoczonych.

Większość codziennej pracy Canberry to jednak prowadzenie powietrznych badań naukowych. To idealny samolot do zlecenia, gdy pojawia się nietypowe zadanie. W sierpniu 2017 roku, na przykład, dwa WB-57 lecące w odległości około 50 mil od siebie obserwowały prawie osiem minut całkowitego zaćmienia Słońca wzdłuż ścieżki Słońca przez Stany Zjednoczone. Bardziej typowo, WB-57 badają powietrze. W sezonie burzowym 2015 roku jedna Canberra wyruszyła na misje nad czterema formacjami: Huraganem Joaquin i Tropikalnym Sztormem Erika na Atlantyku oraz huraganami Marty i Patricia na Pacyfiku. Leciała na wysokości 60 000 stóp lub wyżej, śledząc figury-4 i inne wzory, które przenosiły ją bezpośrednio nad centrum każdej burzy od jednego do trzech razy na lot. „Nigdy nie musieliśmy się martwić, że ktoś powie 'Ten huragan jest zbyt wysoki, by nad nim przelecieć’,” mówi Daniel J. Cecil, naukowiec z Marshall Space Flight Center NASA w Alabamie i główny badacz jednego z instrumentów do badania burz.

Dla jednego z eksperymentów, samolot zrzucił na cztery burze ponad 800 małych sond, zwanych dropsondami, z których każda była nieco krótsza i szersza niż rurka ręcznika papierowego. Podczas 10- do 15-minutowego opadania, przekazywały one z powrotem do samolotu prędkość i kierunek wiatru, temperaturę i ciśnienie powietrza, wilgotność i temperaturę powierzchni morza, wraz z wysokością wyznaczoną przez GPS. W drugim eksperymencie wykorzystano mikrofale do pomiaru prędkości wiatru na powierzchni oceanu. „Trudno jest uzyskać bezpośredni pomiar nad otwartym oceanem, zwłaszcza gdy powierzchnia jest poruszana przez wiatry wiejące z prędkością 100 mil na godzinę” – mówi Cecil. „A instrumenty na satelitach są oślepiane przez deszcz, albo nie są w stanie określić prędkości wiatru”. Instrument Cecila mierzy zwiększone promieniowanie mikrofalowe emitowane przez gęstą pianę morską; intensywność promieniowania wskazuje prędkość wiatru powierzchniowego, który je tworzy.

„Patricia była najbardziej interesującą burzą”, mówi Cecil. „W ciągu jednego dnia eksplodowała z burzy tropikalnej do najsilniejszego huraganu, jaki kiedykolwiek zmierzono w tej części świata. Podczas jednego przejścia przez centrum zmierzyliśmy całe oko i ścianę oka. Uzyskaliśmy naprawdę dobre, szczegółowe próbki.”

Prawdopodobnie najbardziej ambitną misją atmosferyczną był jednak POSIDON, projekt Guam z 2016 roku. (Nazwa misji jest skrótem od Pacific Oxidants, Sulfur, Ice, Dehydration, and cONvection). Został on zaprojektowany, aby rzucić światło na procesy fizyczne i chemiczne w pobliżu tropopauzy, granicy między dolną warstwą atmosfery, troposferą, a następną warstwą w górę, stratosferą. Tworzące się tam chmury cirrus służą jako ostateczne „zamrożenie” powietrza w drodze do stratosfery, ale szczegóły tego procesu są skomplikowane,” mówi Troy Thornberry, naukowiec z University of Colorado Boulder współpracujący z National Oceanic and Atmospheric Administration, który był głównym badaczem kilku instrumentów POSIDON. „Historycznie, modele klimatu ignorowały stratosferę, ponieważ myśleliśmy, że nie ma tam nic interesującego,” mówi. „Jednak w miarę jak modele stawały się coraz bardziej szczegółowe, stało się jasne, że w naszej wiedzy dotyczącej stratosfery są luki, którymi powinniśmy się zająć”. Ten obszar przejściowy jest również miejscem, gdzie cząsteczki takie jak aerozole mogą być przenoszone do stratosfery, a następnie okrążać kulę ziemską, rozpraszając światło słoneczne i prowadząc do niszczenia ozonu. Thornberry i inni próbują zrozumieć procesy zachodzące w stratosferze teraz, zanim działalność człowieka jeszcze bardziej je zmodyfikuje.

Aby przeprowadzić te badania, kilkudziesięciu naukowców, inżynierów, pilotów i techników odbyło liczącą 7500 mil podróż z Houston do Guam. Hangary w Andersen Air Force Base były przebudowywane, więc samolot-boneyard-escapee NASA 927 dzielił hangar United Airlines na międzynarodowym lotnisku w Guam, gdzie załoga linii lotniczych często zapraszała zespół naukowy do przyłączenia się do ich bufetów obiadowych.

W ciągu trzech tygodni na wyspie, zespoły przeprowadziły dziewięć lotów naukowych. „To była trudna misja, głównie z powodu upału” – mówi Tom Parent, który pilotował kilka z lotów. „Było tak gorąco i tak odwodniony, że zanim znalazłeś się w powietrzu, byłeś już trochę wyczerpany. Potem leciałeś około sześciu godzin i musiałeś oszczędzać paliwo wracając na wyspę bez wielu możliwości zmiany kierunku, co było trochę niepokojące.”

W wielu z tych misji samoloty latały w pobliżu dużych burz konwekcyjnych, wznosząc się z wysokości 43 000 stóp do 60 000 stóp i z powrotem, aby zebrać próbki. Podczas dwóch lotów, Canberra badała odpływ z tajfunu Haima, a podczas ostatniego lotu, zanurzyła się w chmurach gazów wulkanicznych z wysp Papui Nowej Gwinei, aby pobrać próbki związków siarki. Podczas niektórych lotów, instrumenty wystrzelone z balonu badały ten sam skrawek nieba co NASA 927, zapewniając kontrolę danych z jej ładunku użytecznego.

Zespoły instrumentów monitorowały loty z hangaru United, używając obrazów z satelitów pogodowych, aby skierować samolot w najlepsze miejsca do pobierania próbek. „To było bardzo interaktywne”, mówi Eric Jensen. „Nasze trasy lotu zmieniały się niemal nieustannie, aby uzyskać jak najciekawsze dane”. Jensen uczestniczy w lotniczych projektach naukowych od połowy lat 90. i nazywa POSIDON „jedną z najlepszych kampanii w mojej karierze. Nie mogę powiedzieć wystarczająco dużo dobrych rzeczy na temat tych samolotów. Były bardziej niż chętne do startu i lądowania w czasie burzy, co ER-2 robi niechętnie, a Global Hawk nawet nie bierze pod uwagę. Był po prostu idealny do tego zadania.” Jensen proponuje kolejne misje w celu zbadania warunków panujących wokół Japonii, u wybrzeży Afryki oraz w Arktyce. „To pomoże nam uzyskać pełny obraz tego, jak aerozole są rozmieszczone na całym świecie” – mówi. Szczególnie jedno poważne wyzwanie inżynieryjne stoi przed nimi otworem. Wszystkie duże, oryginalnie obrobione części skrzydeł samolotów NASA 926 i 928 są wykonane ze stopu aluminium o nazwie 7079-T6. W czasie, gdy produkowano te samoloty, „był to świetny materiał” – mówi Kevin Krolczyk, starszy inżynier WB-57. „Jednak po latach okazało się, że ma on słabe właściwości w zakresie korozji naprężeniowej – jest bardzo podatny na pękanie pod wpływem naprężeń”. Każde naprężenie, w tym „opadanie” skrzydeł, gdy samolot znajduje się na ziemi, pogłębia ten problem. „Nikt tego teraz nie używa. Ale my nie możemy, ponieważ cała konstrukcja jest wykonana z tego materiału” – mówi Krolczyk. Ekipy remontowe rutynowo sprawdzają skrzydła, a zespół wymienił kilka mniejszych fragmentów dźwigara – w sumie około 10 do 15 procent. (Ponieważ zespół i tak musiał w dużej mierze przebudować NASA 927, skorzystał z okazji, by wyposażyć go w nowe skrzydła). „Dużo kontrolujemy i mamy dobre procedury naprawcze, ale w końcu to nie wystarczy” – mówi Krolczyk. „Pytanie, czy to będzie za dwa lata, czy za 20? Trudno powiedzieć.”

Mimo to Charlie Mallini mówi, że nie ma powodu do zmartwień, dodając, że nauka, którą zapewniają, jest warta zachodu, aby utrzymać te samoloty długo po dniu, w którym reszta ich linii zostanie odstawiona na pastwisko. „Zamierzamy kontynuować naszą działalność” – mówi. „Nie ma planów wycofania tych samolotów na emeryturę”… to znaczy znowu. Arizona będzie musiała trochę poczekać, aż NASA 927 osiądzie z powrotem na cmentarzu. It’s got a hurricane to fly through.

.