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Le Catalina est le résultat d'un contrat signé en octobre 1933 avec la Navy portant sur un nouveau patrouilleur maritime. Baptisé originellement XP3Y-1, le prototype et son rival, le Douglas XP3D-1, furent les premiers hydravions de la Navy équipés d'une aile Cantilever. L'aile parasol du XP3Y-1 était posée sur un pylône monté sur le fuselage et équipée de flotteurs rétractables aux extrémités.
Pour mieux refléter son rôle militaire, le P3Y fut renommé PBY en 1936.
La Russie obtint 3 PBY en 1938 et se mit aussitôt dans le devoir de construire sa propre copie, qu'elle baptisa GST.
Une version amphibie, le PBY-5A, apparu en novembre 1939 qui incorporait un train d'atterrissage rétractable. Avec la version non amphibie, cette version devint celle qui fut construite en plus grand nombre avec plus de 1.500 unités assemblées.
Le besoin urgent d'avions de patrouille maritime pendant la seconde guerre mondiale conduit l'Angleterre à commander la machine et c'est par les anglais que le nom de "Catalina" fut initialement attribué. Le PBY fut construit aux USA et au Canada, notamment dans les usines de la Naval Aircraft Factory qui produisit le PBN Nomad, une version à la queue redessinée. Cette modification fut intégrée dans la dernière version US, le PBY-6A.
Des Catalina furent exportés en France, en Russie ainsi qu'aux Indes néerlandaises. L'USAAF (US Army Air Force) l'utilisa sous la désignation OA-10.
La machine fut merveilleusement adaptée à de nombreuses missions, comme la chasse au sous-marins, la patrouille et le sauvetage en mer.
Dans le Pacifique, la grande vulnérabilité au feu ennemi conduit à utiliser la machine lors de missions nocturnes. Plusieurs escadres opérairent des Catalina modifiés pour pouvoir opérer de nuit. Equipés de détecteurs d'anomalies magnétiques, peints en noir, ces Catalina, surnommés les Black Cats (en référence à leur peinture), attaquaient les convois de ravitaillement japonais la nuit. Dans ce rôle, ils coulèrent 112.700 tonnes de bateaux marchands, en endommagèrent 47.000 tonnes et endommagèrent 10 navires de guerre. Un autre surnom avait été donné à cet avion dans le pacifique: "service des abonnés qui partent en avion et reviennent en radeau"
Des centaines de pilotes eurent la vie sauve grâce aux missions "Dumbo" de sauvetage en mer et c'est dans ce rôle que le Catalina est sans doute le plus connu.
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