Jarosław Klimentowski Jarosław Klimentowski
3416
BLOG

Fizyka i praktyka latania cz. III

Jarosław Klimentowski Jarosław Klimentowski Nauka Obserwuj temat Obserwuj notkę 3

Oczywiście przed rozpoczęciem lektury polecam moje dwie poprzednie notki w tym temacie. Ponieważ omówiliśmy już podstawowe aspekty aerodynamiki samolotu, w tej części pomówimy o zespole napędowym. Ograniczymy się jednak tylko do najprostszego rozwiązania tj. silnika tłokowego i napędu śmigłem. Silniki odrzutowe wykraczają znacząco poza ramy tego opracowania.

Silniki tłokowe nadal stosuje się powszechnie w małym lotnictwie ogólnym. W dużych samolotach zostały one wyparte przez silniki turbośmigłowe i turboodrzutowe. Samolotowy silnik tłokowy nie różni się specjalnie od silnika samochodowego, choć trzeba pamiętać, że w lotnictwie niezawodność stawiana jest znacznie wyżej, niż np. ekonomia, dlatego stosowane są przede wszystkim rozwiązania sprawdzone i jak najprostsze.

Dlatego też po niebie lata nadal wiele samolotów z bardzo prostym rozwiązaniem jakim jest, od dawna nie stosowany już w samochodach, gaźnik. Mimo to silniki z wtryskiem są już także bardzo popularne w lotnictwie. Kolejną zasadniczą różnicą jest system zapłonowy. W silnikach lotniczych stosuje się iskrownik, a więc urządzenie zainstalowane wprost na wale, które służy do wytwarzania wysokiego napięcia dla świec zapłonowych. Dzięki takiemu rozwiązaniu nawet całkowite wyczerpanie akumulatora w locie nie spowoduje, że silnik zgaśnie, gdyż tak długo jak wał się kręci, jest wytwarzana iskra. Teoretycznie umożliwia to nawet restart takiego silnika w locie, o ile na skutek efektu wiatrakowania uda nam się rozpędzić śmigło. Dla bezpieczeństwa zazwyczaj stosuje się dwa niezależne iskrowniki i po parze świec zapłonowych na każdy cylinder. W ten sposób nawet awaria jednego iskrownika nie unieruchamia silnika.

Chłodzenie silnika realizuje się najczęściej przy pomocy samego powietrza. Niektóre samoloty wyposażone są w zasłonki umożliwiające regulację ilości owiewającego silnik powietrza, dzięki czemu nie przegrzejemy go na wznoszeniu i nie przechłodzimy na zniżaniu. Oczywiście spotkamy się też z innymi rozwiązaniami jak chłodzenie cieczą albo stosowany np. w Rotaxach system, gdzie silnik chłodzony jest powietrzem, a jedynie same głowice cylindrów cieczą.

W samolotach z gaźnikiem spotkamy się w kabinie z dwoma zasadniczymi dźwigniami służącymi do sterowania silnikiem. Podstawowa to oczywiście przepustnica, a druga to mieszanka. Przy pomocy przepustnicy, podobnie jak pedałem gazu w samochodzie, sterujemy wielkością otworu przez który silnik zasysa powietrze. Otwierając przepustnice silnik oczywiście rozkręca się i nabiera mocy. Dźwignia mieszanki odpowiada natomiast za to ile paliwa wpuszczane jest do gaźnika. Wraz ze wzrostem wysokości powinniśmy zubażać mieszankę, aby zachować stałą proporcję paliwa do dostępnego tlenu. Sterowanie mieszanką ma też pewien wpływ na temperaturę silnika. Gdy silnik się przegrzewa, możemy nieco wzbogacić mieszankę, co spowoduje spadek temperatury.

Podstawowe instrumenty w kabinie odpowiedzialne za kontrolę pracy silnika to oczywiście obrotomierz, wskaźnik ciśnienia oleju oraz wskaźnik temperatury oleju. Niektóre samoloty wyposażone są we wskaźnik temperatury gazów wylotowych. Jest to przydatne wskazanie dla właściwego zarządzania mieszanką paliwa. Zwykle osiągając wysokość przelotową, zubażamy mieszankę do uzyskania maksymalnej temperatury gazów wylotowych, a następnie nieco ją z powrotem wzbogacamy, uzyskując optymalne ustawienie.

Samoloty wyposażone w gaźnik borykają się z dość istotnym problemem, jakim jest możliwość jego oblodzenia. W gaźniku wpadające powietrze rozpręża się nieco i miesza z rozpylonym paliwem. Ponieważ takie powietrze ochładza się, jest ryzko resublimacji zgromadzonej w powietrzu pary wodnej i tworzenia się kryształków lodu. Lód ten może osadzać się na zagięciu rury kolektora dolotowego i prowadzić nawet do całkowitego jej zatkania i zatrzymania silnika. Dlatego w tego typu samolotach stosuje się system podgrzewu gaźnika. Wtedy powietrze przed wlotem do gaźnika jest wstępnie ogrzewane przez gorące gazy z wydechu (oczywiście powietrze nie jest z nimi mieszane). Podgrzew gaźnika zabezpiecza przed oblodzeniem gaźnika, ale zmniejsza moc silnika (mniejsze sprężanie gorącego powietrza), dlatego podgrzew należy stosować z pewnym wyczuciem.

Drugim istotnym elementem układu napędowego obok silnika, jest śmigło. Śmigło jest tak naprawdę klasycznym profilem lotniczym, który wytwarza siłę nośną na takiej samej zasadzie jak skrzydło, lecz oczywiście w osi podłużnej samolotu. Ponieważ im dalej od środka śmigła tym prędkość postępowa większa, jego profil zmienia się na długości, jest w pewien sposób skręcony. Zasadniczym ograniczeniem napędu przy pomocy śmigła jest jego prędkość. Końcówka śmigła nie powinna zbliżać się do prędkości dźwięku, gdyż wtedy znacząco rośnie opór, a więc śmigła nie można zbudować dowolnie długiego. Z tego też powodu obroty silnika nie mogą być za duże. Klasyczne silniki np. Continental mają maksymalną prędkość obrotową ok. 2400 obr./min. i większe po prostu nie mają sensu. Mniejsze i lżejsze silniki Rotaxa rozpędzają się do ok. 5600 obr./min., ale wtedy na wale musi być jeszcze zainstalowany reduktor, który zmniejsza prędkość śmigła do akceptowalnej wielkości.

Podstawowym problemem śmigła jest fakt, że optymalnie działa ono tylko przy jednej, konkretnej prędkości postępowej. Dlaczego tak się dzieje? Wraz ze zmianą prędkości postępowej zmienia się kąt napływu strug na śmigło, a więc kąt natarcia jego łopat. Dla przykładu rozważmy jak zmienia się kąt natarcia strug dla śmigła w w momencie gdy jest ono skierowane pionowo w dół. Gdy samolot stoi, strugi napływają oczywiście w przeciwnym kierunku do jego ruchu, a więc poziomo, poprzecznie do samolotu. Gdy samolot się rozpędza do tego ruchu dochodzi też ruch strug powietrza względem całego samolotu i kąt natarcia spada. Gdy samolot porusza się bardzo szybko kąt natarcia robi się zerowy, a nawet ujemny. Gdy samolot nurkuje z bardzo dużą prędkością śmigło nie tyle nawet go napędza, co wręcz przeciwnie, działa jak hamulec, który napędza silnik. Zupełne odwrócenie roli.

Fizyka i praktyka latania cz. III

Dlatego też w niektórych samolotach stosuje się śmigła przestawialne (na ziemi). Możemy je nastawić na efektywność przy dużej prędkości (ale wtedy kosztem długiego rozbiegu), albo przy małej (krótszy rozbieg, ale mniejsza prędkość przelotowa). Najlepszym więc rozwiązaniem, ale i najdroższym, jest śmigło przestawialne w locie. Takie śmigło pozwala nam uzyskać maksymalną efektywność w całym zakresie prędkości i w pewnym sensie pełni funkcję skrzyni biegów w samochodzie.

Nie będę wchodził w szczegóły konstrukcyjne takich śmigieł, gdyż jest wiele rozwiązań opierających się m.in. na ciężarkach czy ciśnieniu oleju, a przejdę do praktycznego aspektu sterowania takim urządzeniem. Oczywiście sterowanie samym kątem ustawienia śmigła byłoby w kokpicie dość kłopotliwe, dlatego piloci podpierają się urządzeniem zwanym regulatorem, który potrafi tak dobierać kąt śmigła, aby przy danych warunkach wypracować określoną prędkość obrotową. W kabinie więc pojawia się kolejna obok przepustnicy dźwignia, zwana obrotami silnika. Załóżmy więc, że samolot leci w ustalonym locie poziomym. Jeśli zwiększymy przepustnicę, to silnik będzie próbował kręcić się szybciej. Regulator zwiększy więc kąty natarcia śmigła, powstanie większa siła ciągu, ale i wzrośnie obciążenie. Obroty pozostaną na pierwotnej wartości, ale samolot poleci szybciej. A co się stanie, jeśli nie ruszymy przepustnicy, ale np. zmniejszymy obroty silnika? Aby to się stało, regulator zwiększy kąty natarcia śmigła, wzrośnie obciążenie, a więc obroty spadną. Potocznie nazywa się to zaciążaniem śmigła i odpowiada wrzuceniu wyższego biegu w samochodzie. Obroty spadają i jedziemy ekonomiczniej. Ponieważ w takim układzie obroty silnika przestają być jak w śmigle o stałym kącie, dobrym wskazaniem mocy silnika, w kokpicie pojawia się dodatkowy wskaźnik zwany ciśnieniem ładowania. Pokazuje on ciśnienie powietrza w kolektorze dolotowym silnika. Dopiero ta para wskaźników - prędkość obrotowa i ciśnienie ładowania, dają nam pojęcie o mocy wytwarzanej przez zespół napędowy.

Warto w tym momencie omówić pewne kwestie związane z samolotami dwusilnikowymi. O ile oba silniki zabudowane są symetrycznie po obu stronach samolotu (a nie np. jeden z przodu, a drugi z tyłu), pojawiają się pewne interesujące kwestie w przypadku awarii pojedynczego silnika. Jak pamiętamy po awarii i wyłączeniu silnika wcale się on nie zatrzyma, gdyż śmigło nadal będzie nakręcać się do pewnej prędkości wynikającej z prędkości postępowej samolotu i kąta ustawienia śmigła. Takie napędzanie silnika nie jest oczywiście bezstratne, a więc wiatrakujące śmigło wytwarza znaczący opór. To powoduje powstanie dużej asymetrii, która szczególnie przy małej prędkości może być bardzo trudna do zredukowania przy pomocy steru kierunku. Taki samolot może zwyczajnie przepaść w korkociąg bądź spiralę i być niesterownym. Dlatego na samolotach dwusilnikowych musi być możliwość przestawienia śmigła w chorągiewkę. Łopaty ustawiają się wtedy praktycznie równolegle do kierunku lotu, a efektywność i opór śmigła spada praktycznie do zera. Warto też wspomnieć, że wiatrakujące śmigło może powodować problem w ocenie który silnik uległ awarii. Historia zna wiele przypadków, gdy po awarii silnika załoga wyłączała ten drugi, sprawny, co prowadziło do katastrofy. Problem bierze się stąd, że po awarii silnik nadal się kręci, temperatura czy ciśnienie oleju wcale nie muszą znacząco spaść w krótkim czasie i pilot może mieć realny problem z oceną sytuacji. Oczywiście powinien odczuć natychmiastowo asymetrię ciągu, ale jeśli samolot wyposażony jest np. w autopilota, bądź inne urządzenie mające za zadanie tłumienie odchyleń (tzw. yaw damper) problem może się okazać nietrywialny. Tutaj znowu sytuację rozwiązuje niezawodny wskaźnik temperatury gazów wylotowych. W silniku uszkodzonym temperatura ta natychmiast znacząco się zmniejszy i ten właśnie silnik należy wyłączyć. Oczywiście w większych samolotach awaria silnika wykrywana jest automatycznie i w bardzo wyraźny sposób obrazowana w kabinie, aby nie pozostawić żadnych wątpliwości.

Ikarus, MAN, Jelcz i Solaris

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Technologie