Silniki – historia i budowa cz.1 (silniki tłokowe)

Zamontować silnik

Początki lotnictwa to okres walki o to by konstrukcja cięższa od powietrza wzniosła się nad ziemię i pokonała jakąkolwiek odległość lotem. Początki (zupełnie jak z nauką latania na symulatorze) były trudne i pomimo wielkiego zapału dziewiętnastowiecznych pionierów nie udało się stworzyć samolotu, który byłby w stanie wznieść się siłą własnego napędu i przy okazji przewieźć pilota. John Stringfellow – pionier „modelarstwa lotniczego” – jako pierwszy (1848) zbudował latający model napędzany silnikiem (parowym).  George Cayley, kolejny hobbysta – modelarz szybownik, poszedł w swoich eksperymentach w inną stronę koncentrując się na budowie optymalnej machiny latającej, którą można było by sterować, silnik zignorował. Lata badań na wyposażonych w nastawne stery modelach doprowadziły do powstania pierwszego szybowca (1853), którym pracownik Cayleya wykonał udany lot nad kotlinką Brompton. Jean-Marie Le Bris rozwinął twórczo ten pomysł tworząc pierwszy układ szybowiec + wyciągarka (za wyciągarkę posłużył mu koń) i zdobywając zaszczytny tytuł pierwszego człowieka, który wykorzystując machinę latającą wzniósł się (szybowiec Cayleya startował ze wzgórza i w locie opadał). Félix du Temple de la Croix połączył koncepcję szybowca i silnik parowy – udało mu się wznieść o metr czy dwa (1974), ale „start” odbywał się ze stromej rampy i równie ważne (albo ważniejsze) jak silnik były nogi pilota, który napędzał samolot aż do startu, na koniec wybijając się w górę. Clément Ader pod koniec XIX wieku miał odbyć loty swoimi napędzanymi konstrukcjami, ale brak dokumentacji nie pozwala zweryfikować tych relacji.

Otto Lilienthal
(zdjęcie: R. Neuhauss / w zbiorach Biblioteki Kongresu / public domain)

„Poważne” lotnictwo zaczyna się wraz z pojawieniem się na scenie niemieckiego inżyniera Otto Lilienthala, który poszedł drogą wybraną wcześniej przez Cayleya koncentrując się na właściwej konstrukcji aparatu latającego i sterowaniu lotem, a pomijając zupełnie napęd. Lilienthal zginął po około 2000 lotów, ale jego doświadczenia zainspirowały innych szybowników i wyznaczyły drogę, którą kilka lat po jego śmierci obrali bracia Wright.

Flyer
(zdjęcie: John T. Daniels / w zbiorach Biblioteki Kongresu / public domain)

Ich szybowce dały bazę stabilnej konstrukcji aeroplanu, którego pilot po raz pierwszy miał efektywną kontrolę w trzech osiach (czyli tak jak w obecnym samolocie). Opanowanie techniki pilotażu i usunięcie wad wczesnych konstrukcji doprowadziło ich na wzgórza Kill Devil w pobliżu Kitty Hawk gdzie Flyer jako pierwszy w historii samolot wykonał kontrolowany przez pilota lot.

I tu dochodzimy do tego co jest najważniejsze – Flyer był jedną z pierwszych konstrukcji napędzanych silnikiem tłokowym – Wright doszli do wniosku, że silnik parowy jest zbyt ciężki i nie nadaje się do samolotu – wybrali konstrukcję od niedawna podbijającą drogi – czterotłokowy rzędowy silnik benzynowy (skonstruowany na specjalne zamówienie – silniki samochodowe nie znalazły ich uznania) i jak pokazała historia – wybór był słuszny.

Konstrukcje silników tłokowych

Wraz z Flyerem braci Wright silnik parowy odszedł w niepamięć – przykłady samolotów parowych w pięknej historii lotnictwa można policzyć na palcach jednej ręki, dlatego zajmować się nimi tutaj nie będę.

Kolejne aeroplany zasilane były najnowszymi dostępnymi na rynku silnikami tłokowymi (tak właściwie jest do dziś) i już pierwsze lata rozwoju lotnictwa dają przegląd układów stosowanych do dziś.

Silnik rzędowy

Silnik rzędowy, od lewej widać wał, koło zamachowe, tłoki, cylindry i korbowody.
(ilustracja: NASA / public domain)

Jak sama nazwa wskazuje – cylindry ustawione są w rzędzie. W przypadku silników lotniczych określenie „rzędowy” obejmuje również silniki w układzie widlastym (V), w których dwa rzędy cylindrów ustawione są pod kątem. W pierwszych latach lotnictwa bardzo rozpowszechniony, w okresie od pierwszej do drugiej wojny światowej toczył zacięty bój o pierwszeństwo z silnikiem gwiazdowym. Po drugiej wojnie raczej ciekawostka – w samolotach wymagających wielkiej mocy ustąpił miejsca silnikom gwiazdowym (a potem silnikom odrzutowym i turbośmigłowym), w samolotach lekkich – boxerom.

Silnik w układzie V
(ilustracja: Rankin Kennedy C.E. / The Book of the Motor Car / Wikipedia / public domain)

Główne zalety tego silnika to wąska konstrukcja (co pozwalało zredukować opór czołowy) i możliwość montażu w pozycji odwróconej – dzięki czemu wał śmigła umieszczony był wysoko, a śmigło miało sporo miejsca nad ziemią. Obie te zalety z czasem zaniknęły (dlaczego – w opisie silnika gwiazdowego).

Wad silnik rzędowy ma więcej i na nich skoncentrowali się Amerykanie (a za nimi cały świat) odpuszczając silniki rzędowe i widlaste po wojnie. Przede wszystkim umieszczone jeden za drugim cylindry wymagają chłodzenia wodą (bywały również chłodzone powietrzem, ale to wyjątek, nie reguła), a cała potrzebna do tego instalacja swoje waży. Drugim powodem rezygnacji z tych silników była ich mała odporność na uszkodzenia – o ile silnik gwiazdowy może dość spokojnie pracować bez jednego lub dwóch cylindrów, w silniku rzędowym uszkodzenie cylindra na ogół kończy jazdę i samolot zmienia się w szybowiec.

Silnik rzędowy silnik w FSX znajdziecie w samolotach myśliwskich ze stajni A2A – P-51 Mustang i Supermarine Spitfire – oba napędzane są znakomitym, 12 cylindrowym silnikiem Merlin (w układzie odwróconego V).

Rolls-Royce Merlin
(zdjęcie: U.S. Air Force Museum / public domain)

Warto zwrócić uwagę na popularność w lotnictwie sześciocylindrowych silników rzędowych (tych „prawdziwie” rzędowych) i dwunastocylindrowych „V”. Takie silniki wyważają się dynamicznie podczas pracy – nie wymagają (w przeciwieństwie do wszystkich pozostałych rzędowych i gwiazdowych) przeciwwag na wale korbowym. Dzięki temu mogą być lżejsze i bardziej dynamiczne. Podobną cechę mają silniki w układzie boxer.

Silnik gwiazdowy

Działanie silnika gwiazdowego
(animacja: Stoianovici / Wikipedia / licencja CC-Attribution-ShareAlike)

Silnik, w którym cylindry (na ogół nieparzysta liczba w jednej gwieździe) umieszczone są dookoła wału napędowego. W wersji rozwiniętej – dwie gwiazdy umieszczone są jedna za drugą (z lekkim przechyleniem dla poprawienia chłodzenia). W wersji max – gwiazdy są cztery, cylindrów 28, potwór ma 71 litrów pojemności i moc przekraczającą 4000 koni mechanicznych. Jeśli chcecie się tym silnikiem pobawić w FSX – Boeing 377 Stratocruiser ma cztery takie. Oczywiście – to nie jest koniec możliwości. Radzieckie silniki Zwiezda miały 42 cylindry w 6 rzędach – ale nikt już tego nie montował w samolocie – diesle w takim układzie napędzają kutry rakietowe.

R-4360 Wasp Major – taki silnik napędzał między innymi Boeinga 377
(zdjęcie: U.S. Air Force Museum / public domain)

Krótki wał napędowy i mniej precyzyjna konstrukcja powodują, że silnik gwiazdowy ma nieco niższą kulturę pracy, ale w zamian – dużo większą tolerancję na marną obsługę, trudne warunki i uszkodzenia. Historie o P-47 i Focke Wulfach wracających na lotniska z odstrzeloną głowicą cylindra były czymś zupełnie normalnym. Sensację wzbudził dopiero pilot P-47, który wracając ze zniszczonym cylindrem zdecydował się wykonać atak na zauważone samoloty przeciwnika – jeden zestrzelił, przed drugim zdołał uciec.

Odporność sprawiła, że silnik gwiazdowy był naturalnym wyborem kiedy przychodziło latać z lotniskowca nad oceanem, gdzie trudno o przyjazne miejsce awaryjnego lądowania. Brytyjskie eksperymenty z silnikami rządowymi tylko potwierdzają regułę (Royal Navy zakończyła wojnę z dużą ilością importowanych gwiazdowych Corsairów, Avengerów itp.). Japończycy i Amerykanie twardo obstawali przy gwiazdach.

Odporność na uszkodzenia to nie tylko wymóg samolotów wojskowych. Wilga, „Antek”, Dromader, Beaver czy Air Tractor korzystają z niezawodności silników gwiazdowych i ich małych wymagań obsługowych po dziś dzień. Dzięki temu te samoloty można spotkać w każdych warunkach klimatycznych. Na całym świecie wykonują one prace agrolotnicze i loty gaśnicze.

Silnik gwiazdowy przeważnie jest chłodzony powietrzem co eliminuje instalację chłodnicy. W podwójnej i poczwórnej gwieździe chłodzenie kolejnych gwiazd jest nieco utrudnione i nierównomierny rozkład temperatury jest ograniczeniem o którym trzeba pamiętać (pomiar temperatury dokonywany jest w najcieplejszym miejscu silnika).

Pierścień Townsenda widoczny wokół silnika w P-26
(zdjęcie: U.S. Air Force Museum / public domain)

Początkowo wadą silników gwiazdowych był duży opór czołowy i niżej (niż w silniku rzędowym) położony wał śmigła. Dzięki odpowiednim osłonom aerodynamicznym (pierścień Townsenda, później okapotowanie NACA) udało się rozwiązać problemy z oporem przed rozpoczęciem drugiej wojny światowej. Wojna wymusiła dodatkowe modyfikacje, których efektem były osłony silników znane z Focke Wulfa po jednej i Bearcata po drugiej stronie. To, że ten ostatni samolot ustanowił rekord prędkości samolotów napędzanych silnikami tłokowymi co dowodzi, że nadmierny opór został skutecznie wyeliminowany.

Optymalna osłona silnika praktycznie wyeliminowała nadmierny opór powodowany przed dużą powierzchnię czołową silnika – niemiecki FW 190 w czasie wojny.
(zdjęcie: U.S. Air Force Museum / public domain)

Wraz ze wzrostem wielkości samolotów umiejscowienie śmigła przestało być tak istotnym problemem. Nawet jeśli było – stosowano rozwiązania, które rozwiązywały problem (w P-47 golenie podwozia były hydraulicznie skracane podczas chowania podwozia i wydłużane podczas wysuwania tak by śmigło zachowywało odpowiednią odległość od ziemi podczas startów i lądowań).

To był wielki silnik i wielkie śmigło. Podwozie wydłużało się o 9 cali dzięki czemu śmigło nie uderzało w ziemię.
(zdjęcie: U.S. Air Force Museum / public domain)

Po zakończeniu drugiej wojny światowej silniki gwiazdowe na kilkanaście lat zadomowiły się w lotnictwie komunikacyjnym i transportowym.

Piękny samolot napędzany czterema silnikami gwiazdowymi – Lockheed Constellation.
(zdjęcie: The Centennial of Flight Commision / Lockheed / public domain)

Wraz z pojawieniem się silników odrzutowych i turbośmigłowych silniki gwiazdowe praktycznie zniknęły pozostając już tylko w nielicznych wyspecjalizowanych samolotach – jak wspomniane wcześniej Wilga i wczesne wersje Air Tractor.

Nie można nie wspomnieć o ciekawostce historycznej jaką był silnik rotacyjny. Przeważnie zbudowany w układzie dwusuwowej gwiazdy (były również jednocylindrowe i przeciwsobne silniki rotacyjne) silnik rotacyjny działał niejako w drugą stronę – wał korbowy był nieruchomy, a silnik kręcił się cały (z doczepionym śmigłem). Paliwo podawano przez wał korbowy. Silnik miał jedną ogromną zaletę – kręcąc się był wielkim kołem zamachowym, dzięki czemu ten element (w okresie 1910-1925 wyjątkowo ciężki, ze względu na nierówną pracę silnika) można było wyeliminować. W ten sposób silniki rotacyjne osiągnęły w czasie pierwszej wojny światowej bardzo dobry stosunek mocy do masy. Obracające się cylindry były przy okazji rewelacyjnie chłodzone. Na dłuższą metę układ miał więcej wad niż zalet i okazał się ślepą uliczką. Sterowanie mocą w takim silniku było wyjątkowo skomplikowane, a dodatkowo silnik działał jak wielki żyroskop wpływając zdecydowanie na zachowanie samolotu w zakrętach – samoloty z silnikiem rotacyjnym w jedną stronę zakręcały lepiej, a w  drugą gorzej (dodatkowo przy jednym zakręcie mając tendencję do zadzierania nosa, a przy drugim do nurkowania). Wybitnym przykładem jest Sopwith Camel – najzwrotniejszy samolot tamtych czasów… ale skręcał właściwie tylko w jedną stronę.

Silniki gwiazdowe zostały dziś wyparte przez silniki innych typów. W lotnictwie lekkim – tam gdzie liczy się mały koszt i mała masa dominują silniki w układzie boxer. W wyspecjalizowanych zastosowaniach, gdzie liczą się osiągi lub niezawodność stosuje się silniki turbośmigłowe. Wyjątkiem jest niemiecka firma Zoche, która konstruuje obecnie cztero- i ośmiocylindrowe gwiazdowe diesle lotnicze.

Boxer

Animacja działania silnika przeciwsobnego (boxer).
(animacja: Anynobody / Wikipedia / licencja CC-Attribution-ShareAlike)

Jak wspomniałem wcześniej – chłodzone powietrzem silniki gwiazdowe po drugiej wojnie na kilkanaście lat zadomowiły się w lotnictwie komunikacyjnym – w DC-3, DC-4, Constellation i podobnych samolotach ich rozmiar oraz centralne umieszczenie wału nie robiło większej różnicy. W rozwijającym się intensywnie lotnictwie lekkim obie te cechy miały istotne znaczenie.

Typowo Europa miała swoje zdanie, a Ameryka swoje. Lata trzydzieste po naszej stronie Atlantyku zamknęliśmy całą gamą samolotów lekkich i dyspozycyjnych napędzanych silnikami rzędowymi, widlastymi i gwiazdowymi. Za wielką wodą w tym czasie dojrzał pomysł napędzania samolotu silnikiem w układzie przeciwsobnym – czyli boxer (po angielsku flat engine – silnik płaski).

W tym układzie cylindry znajdują się (parami) po obu stronach wału korbowego. Podobnie jak w rzędowej szóstce i w V12 taki układ (niezależnie od ilości cylindrów) jest wyważony dynamicznie i nie wymaga przeciwwag. Mniejsza ilość cylindrów po każdej stronie pozwala swobodnie chłodzić je powietrzem.

Dodatkową zaletą takiego silnika jest łatwy dostęp do wszystkich części.

Pierwszym popularnym boxerem był Continental A-40 (lata trzydzieste), rozwinięty później do rodziny silników O-170 – masowo stosowanych w czasie drugiej wojny światowej i długo potem. Można go spotkać między innymi w J-3 Cub.

Po wojnie coraz więcej samolotów lekkich miało siedzenia pilota i pasażera obok siebie co zupełnie wyeliminowało potrzebę instalowania wąskich silników rzędowych i stworzyło rynek dla szerokich silników boxer.

Lotniczy silnik boxer – widoczne wyraźnie żebra chłodzące oddające ciepło z cylindrów.
(zdjęcie: Whatsthat / Wikipedia / public domain)

Wszystkie zalety (niska masa, dobre chłodzenie powietrzem, łatwa obsługa) spopularyzowały silniki w układzie boxer również w samolotach dwusilnikowych.

Diesel

Pomijam tutaj historię diesla w lotnictwie – o tym w części egzotycznej. Dzisiaj lotnicze silniki wysokoprężne rodzą się ponownie (po ok. 50 latach przerwy w rozwoju). Rosnące ceny benzyny lotniczej wymagają znalezienia tańszego napędu w samolotach lotnictwa ogólnego. Diesle lotnicze budowane są w układzie boxer. Przykładem zastosowania silnika wysokoprężnego jest Diamond Da 42 Twin Star.

Egzotyka

Wymienione układy silników tłokowych nie wyczerpują zagadnienia. Inwencja konstruktorów wydaje się nieograniczona i ciekawych koncepcji było więcej.

Połączenie dwóch silników w układzie boxer (ułożonych jeden na drugim) za pomocą przekładni daje silnik w układzie H. Teoretycznie rozwiązanie może mieć sporo zalet, w praktyce… Niemcy próbowali nieśmiało takich konstrukcji, Amerykanie używali ich jedynie w samolotach eksperymentalnych. Jedynie Brytyjczycy zdecydowali się na masową produkcję i obarczenie służb naziemnych tak skomplikowanym układem. Z punktu widzenia mechanika (a szczególnie mechanika wojskowego, w warunkach polowych – bo, a jakże, Brytyjczycy użyli ich w samolotach wojskowych) – dramat.

Napier Sabre III – wyraźnie widać dwa rzędy cylindrów z dwóch boxerów, które tworzą ten silnik.
(zdjęcie: Nimbus227 / Wikipedia / public domain)

Silniki o liczbie cylindrów będącą wielokrotnością trójki (3, 12 i 18) budowano również w układzie W (trzy rzędy cylindrów pod różnymi kątami – nie mylić z dzisiejszymi samochodowymi W, które w układzie są dwoma połączonymi silnikami V). Koncepcja ciekawa w 1910 roku. Potem już tylko gorzej, a w latach trzydziestych całkiem bez sensu. Nawet Brytyjczycy nie próbowali. Ciekawostka – pierwszy przelot przez Kanał La Manche udał się właśnie dzięki silnikowi W (konkretnie W3).

W12 produkcji firmy Napier.
(zdjęcie Dinesh Advani / Wikipedia / CC Attribution-Share Alike)

Jak wspomniałem wcześniej – mam wielki podziw dla otwartości Brytyjczyków na nowe rozwiązania. Układ X w lotnictwie pojawił się szerzej za ich sprawą. Szukając silnika dla nowego bombowca wzięli dwa silniki w układzie V i połączyli je w jeden (ze wspólnym wałem). Efekt przeszedł oczekiwania wszystkich i bombowiec, który powinien mieć cztery silniki miał tylko dwa… zdawało się, że wystarcza. W każdym razie wystarczyło do zbudowania 209 samolotów, z których 30 rozbiło się na skutek awarii silników, bez udziału przeciwnika). Ktoś poszedł po rozum do głowy – skrzydło przedłużono, silniki w układzie X wymieniono na klasyczne V12 (cztery jak Bóg przykazał) i tak narodził się jeden z najsłynniejszych bombowców drugiej wojny światowej – Avro Lancaster.

Egzotyki ciąg dalszy – diesle (historyczne)

Silnik wysokoprężny jest ekonomiczny – w lotnictwie ma to ogromne znaczenie. Z silnikami diesla w lotnictwie łączy się skądinąd znane nazwisko doktora Junkersa. Nazwisko jako nazwę nosiła firma produkująca silniki i samoloty w czasie wojny – sam dr Hugo Junkers był pacyfistą i po dojściu Hitlera do władzy był prześladowany, siedział w areszcie domowym, a w 1935 zmarł – jego firmę III Rzesza przejęła wcześniej już wcześniej. Wracając jednak do początków diesli w lotnictwie – w 1914 Junkers zbudował sześciocylindrowy silnik diesla, a w 1916 kolejny o mocy 500 koni mechanicznych (to wtedy było bardzo dużo w lotnictwie). W latach dwudziestych powstawały kolejne silniki, a w 1929 samolot Junkers F24 napędzany silnikiem wysokoprężnym odbył pierwszy lot. Rozwijając ten silnik Junkers doszedł do modelu Jumo 205 (ten system oznaczania silników firmy Junkers – utrzymał się do końca drugiej wojny). Silnik jest jedną wielką ciekawostką – sześciocylindrowy, dwunastotłokowy (dwa tłoki pracują przeciwsobnie w jednym cylindrze, napędzając dwa różne wały korbowe – połączone przekładnią), dwusuwowy. Twór ciekawy, ale też mocno skomplikowany. W czasie wojny okazało się, że skomplikowany za bardzo, a jednocześnie za mało perspektywiczny. Mimo to z powodzeniem napędzał do końca wojny kilka samolotów i łodzi latających.

Jumo 205. Widoczne cylindry i przeciwbieżnie pracujące tłoki.
(zdjęcie: Kogo / Wikipedia / licencja GNU)

W tym samym okresie próby wyprodukowania dobrych wysokoprężnych silników lotniczych podjęli Amerykanie, ale nigdy nie uruchomili masowej produkcji.

W związku radzieckim kilka prób skończyło się bez większego powodzenia (choć silników, w mocno prototypowej wersji sądząc po ilości awarii – użyto nawet bojowo).

Brytyjczycy naturalnie mieli swoje pomysły, ale zdrowy rozsądek zwyciężył i dwusuwowa, dieslowska delta Napiera z czasem trafiła pod pokład lekkich okrętów (gdzie nadaje się świetnie), omijając samoloty szerokim łukiem.

Silniki dwusuwowe

Benzynowe silniki dwusuwowe zawsze znajdowały się gdzieś na uboczu technologii lotniczych (poza silnikiem rotacyjnym, o którym mowa była wcześniej). W latach czterdziestych Niemcy wykorzystali dwusuwowy silnik w układzie boxer jako rozrusznik silnika odrzutowego napędzającego Messerschmitta 262. Procedura uruchamiania silników w Me 262 wyglądała tak, że najpierw rozrusznik elektryczny uruchamiał silnik tłokowy (10 koni przy 6000 obrotów), a ten silnik rozkręcał sprężarkę silnika odrzutowego. Jeśli elektryczny starter nie zadziałał to można było go uruchomić linką – jak w kosiarce (6:40).

Obecnie silniki dwusuwowe znalazły zastosowanie w samolotach ultralekkich. W tych maszynach najbardziej istotnym parametrem silnika jest jego masa – w samolotach o niskiej dopuszczalnej masie maksymalnej silnik dwusuwowy jest atrakcyjną alternatywą. Z takich silników znana jest firma Rotax.