Silniki samolotowe - Świat nauki i techniki

Epoka lotnictwa rozpoczęła się na początku XX wieku. Wcześniej też konstruowano „pojazdy latające”, ale próby nawet krótkich lotów były nieudane i najczęściej kończyły się katastrofą, co zniechęcało pionierów latania.

Wielu marzycieli nie mogło zrozumieć, dlaczego ptaki i owady świetnie sobie radzą w powietrzu, natomiast człowiek, któremu przypinano najbardziej wymyślne skrzydła, nie jest w stanie wzbić się w górę ani na metr. Są to jednak bezwzględne prawa fizyki – waga rośnie z trzecią potęgą wymiarów a siły nośne z drugą potęgą.

Mówiąc językiem prostym – jeżeli coś tak samo zbudowane jest dwa razy większe (dłuższe, szersze, wyższe) to staje się osiem razy cięższe. Natomiast powierzchnia służąca do tworzenia siły nośnej (aerodynamicznej) wzrasta tylko dwukrotnie.

Ciężki indyk, aby wzbił się w powietrze, musi mieć potężne mięśnie poruszające skrzydłami (pierś indycza), a u owadów do poruszania skrzydłami i lotu wystarczą mikroskopijne nitki, niewiele ważące w stosunku do wagi owada. Dlatego Przyroda nie mogła stworzyć latającego ptaka o wadze konia (czy nawet dużego psa), a strusie mogą się tylko popisywać szybkością biegania.

Do udanego startu i lotu maszyny cięższej od powietrza potrzebny był odpowiedni mocny i lekki silnik. Bracia Wright, którym Międzynarodowa Federacja Lotnictwa (FAI) przyznała pierwszeństwo udanego lotu „maszyną cięższą do powietrza, sterowaną przez człowieka na jej pokładzie i mającą własny napęd”, zbudowali silnik czterocylindrowy, wzorując się na ówcześnie konstruowanych silnikach pierwszych samochodów.

Silnik ten ważył około 80 kg i miał moc zaledwie 12 koni mechanicznych. Napędzał on dwa ręcznie wycięte śmigła poprzez łańcuchy rowerowe (Bracia Wright byli właścicielami wytwórni rowerów). Jak się okazało w dalszych próbach, ten pierwszy uznany samolot nie mógł sam rozpędzić się, by wystartować, musiał startować pod silny wiatr.

Później udoskonalane silniki benzynowe okazały się dostatecznie mocne i jednocześnie niezbyt ciężkie do napędu samolotów. Konstruktorzy i piloci przodujących państw zaczęli się prześcigać w biciu kolejnych rekordów. W małych jedno i dwumiejscowych samolotach wystarczały silniki samochodowe o mocy do stu koni mechanicznych. W czasie I wojny światowej wyprodukowano kilkadziesiąt tysięcy tak napędzanych małych samolotów zwiadowczych, myśliwskich a nawet lekkich bombowców. Kilka tych antycznych samolotów możemy oglądać w pobliżu restauracji na lotnisku Prospect Heights – Wheeling.
W zastosowaniu lotniczym korzystna okazała się konfiguracja gwiaździsta. Dookoła wału, na którym osadzone było śmigło, umieszczano kilka a nawet kilkanaście cylindrów chłodzonych strumieniem powietrza za śmigłem. Silniki tak konstruowane miały korzystną proporcję mocy do wagi i były bardziej niezawodne. Później stosowano podobne gwiaździste konstrukcje nawet do napędu szybkich kutrów torpedowych.

Okres pomiędzy wojnami światowymi nie przyniósł dużego postępu. Oczywiście opracowywano coraz mocniejsze silniki stosowane w pierwszych samolotach pasażerskich, budowano samoloty wielosilnikowe, lecz ciągle były to tradycyjne tłokowe silniki benzynowe. W tym okresie do grona państw rozwijających przemysł lotniczy dołączyła Polska (Polskie Zakłady Lotnicze w Warszawie-Okęcie i oddział w Mielcu).

Poszukiwania nowych rodzajów napędu do samolotów rozwijały się dosyć opornie. Już na początku XX wieku budowano turbiny gazowe (na wzór poznanych wcześniej turbin parowych). Idea jest dość prosta – spalamy gaz (lub rozpyloną naftę) i wytwarzany silny strumień spalin kierujemy na wiatrak-turbinę, przejmującą energię spalania. Kręcąca się turbina może napędzać śmigło samolotu.

Parę wodną wytwarzaną w podgrzewanym kotle łatwo było kierować na wiatrak -turbinę, lecz trudno sobie wyobrazić samolot z kotłem parowym na pokładzie. Aby spalać benzynę lub naftę, trzeba wtłaczać do komory powietrze. Początkowo więcej energii potrzebne było do sprężarki powietrza niż uzyskiwało się z turbiny i idea napędu turbośmigłowego została odłożona na dalsze lata.

Turbiny gazowe osiągają większą sprawność, gdy temperatura spalin jest wysoka i gdy w komorze spalania osiągane są wyższe ciśnienia. Wymagało to opracowania materiałów pracujących w temperaturze ponad 1000 stopni Celsjusza, wytrzymujących duże naciski i siły rozrywające podczas szybkich obrotów.

Pierwszą udaną konstrukcją silnika turbośmigłowego był Dart opracowany tuż po II wojnie przez znaną firmę Rolls-Royce. Silnik ten okazał się tak dobry, że produkcję jego kontynuowano przez prawie 50 lat. Napęd turbośmigłowy okazał się przydatny do mniejszych samolotów pasażerskich i transportowych, gdzie umiarkowana szybkość 500-600km na godzinę jest zadawalająca.
Samoloty pasażerskie z napędem turbośmigłowym można spotkać na trasach europejskich (EuroLOT). Turbośmigłowcem produkowanym od ponad 50 lat jest amerykański czterosilnikowy transportowiec Lockheed C-130 Herkules.
Równolegle pracowano nad napędem odrzutowym. Kilka dni przed rozpoczęciem II wojny w Niemczech wystartował pierwszy samolot Heinkel, napędzany silnikiem odrzutowym. Przez całą II wojnę Niemcy pracowali nad udoskonaleniem tego i pod koniec wojny udało się wyprodukować dwie serie samolotów myśliwskich, ale nie zdobyły one już przewagi w powietrzu.
Masowo produkowano natomiast tak zwane silniki pulsacyjne do bezpilotowych bomb latających V-1. Prostota budowy silnika pulsacyjno-odrzutowego pozwoliła Niemcom pod koniec II wojny wyprodukować ponad 30 tysięcy latających bomb, z czego ponad 20 tysięcy wystrzelono w kierunku Londynu i odzyskanych po inwazji miast europejskich.

Napęd odrzutowy uzyskuje się na skutek szybkiego wypływu spalin, zgodnie z podstawową zasadą zachowania pędu. Spaliny pędzą do tyłu, samolot do przodu. W silniku pulsacyjnym po pierwszym wybuchu rozpylonej benzyny, nafty lub spirytusu, spaliny wypływają przez długą rurę, ale odbita fala akustyczna wciąga do silnika nową porcję powietrza. Fala ta krąży w silniku jak w rurze organowej, wywołując głośne „buczenie”. Z tej racji oraz z powodu dużej zawodności, silniki takie nie mogły być używane w lotnictwie cywilnym.
Tuż po wojnie rozpoczęto udoskonalanie idei silników odrzutowych. Samoloty śmigłowe nie mogły uzyskiwać szybkości zadawalającej przy przelotach międzykontynentalnych, przez co pokonanie Atlantyku trwało kilkanaście godzin. Napęd jest taki sam jak w silnikach pulsacyjnych – wyrzucane do tyłu z dużą prędkością strumienie spalin. Spalanie jest jednak ciągłe, gdyż powietrze wtłaczane jest do silnika przez turbinową sprężarkę.

Pierwsza euforia po wprowadzeniu do lotnictwa pasażerskiego samolotów odrzutowych Comet przygasła, gdy dwa tego typu samoloty uległy katastrofie nad Morzem Śródziemnym. Niedopatrzenia konstrukcyjne poprawiono, lecz nazwa Comet była już omijana przez linie lotnicze. Później Anglicy sprzedawali te poprawione samoloty pod nazwą Nimrod i latają one do dzisiaj.
Na niepowodzeniu Anglików skorzystały firmy amerykańskie konstruując i sprzedając setki Boeingów 707 i Douglasów DC-8. Do samolotów tych montowano po cztery silniki odrzutowe, których moc podaje się już nie w koniach mechanicznych, lecz w kilogramach (lub funtach) ciągu. Typowy silnik odrzutowy lat 60. miał ciąg około 5 ton, czyli mógł unosić w pionie nad ziemią ciężar 5 ton (wliczając swój własny ciężar).

Klasyczne silniki odrzutowe są niewielkie, mocne, ale nie są oszczędne. Przydatne są nadal w samolotach wojskowych (szczególnie naddźwiękowych). Natomiast linie lotnicze kierują się przy zamówieniach kosztem zużywanego przez samolo
ty paliwa. Przy szybkościach umiarkowanych około 800 km/godz bardziej sprawne są silniki o nieco innej konstrukcji.

Popularnie, nadal nazywamy te silniki odrzutowymi, lecz właściwa ich nazwa to „turbowentylatorowe” albo po angielsku „turbofan”. Spaliny wylatujące z klasycznego silnika odrzutowego są zbyt gorące, zawierają dużo niewykorzystanej energii. Powrócono więc do idei wykorzystania energii spalin do napędu śmigła, jak w dawnych (lecz ciągle żywych) konstrukcjach turbośmigłowych.

Zmiana jest widoczna. Zamiast obracającego się w powietrzu śmigła, umieszczono przy wlocie do silnika kilkunastołopatkowy wiatrak obudowany tunelem – jakby beczką. Średnice tych wiatraków przekraczają dwa metry a wytwarzany przez nie ciąg powietrza osiąga nawet 30 ton. Sam ciąg dodawany przez wypływające spaliny już jest mało istotny, zwykle kilka – kilkanaście procent całości.

Od lat 70-tych, prawie wszystkie produkowane duże pasażerskie „jety” są napędzane turbowentylatorami. Są to silniki o najlepszej niezawodności, niemniej zdarzały się awarie katastrofalne w skutkach. Znane nam wszystkim dwie katastrofy radzieckich samolotów IŁ-62, obsługujących dawniej linie transoceaniczne LOT, były skutkiem zaniedbań konstrukcyjnych i wykonawczych tych wysokoobrotowych turbin.

Głównymi producentami silników lotniczych, i tych najdoskonalszych wersji – turbowentylatorów, są trzy firmy : General Electric, Pratt&Whittney i Rolls-Royce. Trudno mówić, która z tych firm jest lepsza. Silniki są porównywalne i nawet do tych samych typów samolotów montowane są silniki różnych firm, aby nie powstał na rynku monopol. A ceny silników to około 20% ceny samolotu.

Obecna tendencja konstrukcji lotniczych to samoloty z dwoma potężnymi silnikami. Cztery lub trzy silniki, co preferowano poprzednio, okazały się zbędne. Na dobrze obsługiwanym silniku można polegać przez lata. Niemniej trzeba rozważyć możliwość awarii, wówczas samolot nie może utracić sprawności lotu. Konstruktorzy dwusilnikowych samolotów muszą gwarantować, że na jednym silniku samolot może lecieć co najmniej dwie godziny i bezpiecznie lądować na dostosowanym dla niego lotnisku. Dlatego na trasie transatlantyckiej jest dobrze wyposażone lotnisko na Grenlandii.

Najnowszy silnik turbowentylatorowy General Electric – GEnx (next) jest reklamowany jako silnik XXI wieku. Przeznaczony jest do najnowszej konstrukcji Boeinga 787 (Dreamliner) a także jako zamiennik silników JumboJeta 747. Jest o 15% oszczędniejszy, czyli spala 15% mniej paliwa w porównaniu z innymi silnikami, które dałyby tę samą moc. Podobno jest dużo cichszy, spaliny są dużo mniej toksyczne, a żywotność co najmniej 20% dłuższa od innych. Jest to najbardziej skomplikowana a zarazem niezawodna maszyna świata, składająca się z tysięcy części, absolutnie dokładnie spasowanych i wielokrotnie testowanych.

Silnik waży około 5 ton, a może pionowo podźwignąć 30 ton. Oczywiście samolot waży dużo więcej, ale nikt nie mówi o pionowych startach. Silniki służą do nadawania szybkości, natomiast wznoszenie zapewnia siła aerodynamiczna skrzydeł i kadłuba. Na koniec cena – 16 milionów dolarów za sztukę. Jest to więc nie tylko najbardziej skomplikowana, ale i najdroższa seryjnie produkowana maszyna świata.
(ami)