Się kręci – jak działa śmigło w samolocie

Śmigło to tak na prawdę tylko wielki wentylator. Jeśli się zatrzyma – pilotowi robi się bardzo gorąco. Przy okazji chłodzenia załogi, śmigło napędza samolot. Oba zastosowania determinują konstrukcję i sposób działania.

Śmigło o stałym skoku (fixed pitch)

Najmniej skomplikowany wentylator to taki, w którym łopaty są zamocowane na stałe do piasty. Im szybciej się kręci tym więcej powietrza chłodzi pilota (a samolot, niejako przy okazji, leci szybciej).

W takim śmigle ciąg zależy od obrotów i rośnie wraz ze wzrostem obrotów silnika – im wyższe tym większy ciąg, aż do granicy możliwości silnika.

Główną zaletą śmigła o stałym skoku jest jego prostota, a co za tym idzie – cena i masa. Śmigła takie były powszechnie wykorzystywane w lotnictwie od pierwszych lotów do połowy lat trzydziestych, kiedy ustąpiły bardziej zaawansowanym konstrukcjom. Często wykonane były z jednego kawałka drewna (śmigła dwułopatowe). Rzadkością były śmigła czterołopatowe, a trzyłopatowe to ewenement (Fokker C-2 miał takie na centralnym silniku). Po wojnie śmigła o stałym skoku pozostały obecne jedynie w samolotach lekkich, w których dodatkowa masa lub cena śmigła stałoobrotowego eliminowała korzyści płynące z bardziej skomplikowanej konstrukcji.

Słabą stroną takiego śmigła jest ograniczona sprawność w przypadku obrotów i prędkości lotu innych niż optymalne. Z tego powodu produkowano je w dwóch podstawowych odmianach – śmigła do wznoszenia (climp propeller) i śmigła przelotowe (cruise propeller). Pierwsze charakteryzują się mniejszym skokiem (czyli mniejszym oporem) i nadają się najlepiej do lotów z niską prędkością (czyli do startów i wznoszenia) oferując w zamian większy ciąg (przy niskiej prędkości). Śmigła przelotowe mają gorszą charakterystykę przy niskich prędkościach, ale dają większy ciąg przy prędkości przelotowej. Odpowiednio do zastosowań samolotu wybiera się jeden lub drugi typ śmigła. Samoloty używane w trudnych warunkach często posiadają śmigło o mniejszym skoku (lepsze przy krótkich startach), natomiast maszyny używane do przelotów na większe odległości – śmigło o większym skoku, które pozwala na lot z większą prędkością, ale wymaga dłuższej drogi startowej.

W świecie Flight Simulatora śmigło o stałym skoku ma między innymi znakomity Piper Cub wydany przez A2A, historyczny myśliwiec S.E.5A oraz Cessna 152. Wśród domyślnych samolotów w FSX takie śmigło ma Piper Cub. Śmigło o stałym skoku można również wybrać w rewelacyjnym Spitfire wydanym przez A2A – ten samolot umożliwia wybranie każdego z trzech rodzajów śmigieł opisanych w tym tekście.

Śmigło o zmiennym skoku (variable pitch)

Naturalnym krokiem po stworzeniu śmigieł w dwóch odmianach było połączenie ich właściwości w śmigle, którego skok można było regulować. Niektóre można było nastawiać jedynie na ziemi, inne miały dwie lub trzy zdefiniowane pozycje, które pilot mógł wybrać poruszając dźwignią lub cięgłem. W ten sposób wybierano mniejszy skok (fine pitch) do startów i lądowań oraz większy skok (coarse pitch) podczas lotu. Podane nazwy nastaw na przykładzie Spitfire’a dostępnego dla FSX.

Najbardziej zaawansowane śmigła miały możliwość płynnej regulacji kąta natarcia łopat. W tym punkcie rozwoju oczywistą modyfikacją było wprowadzenie automatyki sterującej ustawieniem śmigła.

Śmigło stałoobrotowe (constant speed)

Doskonałość osiągnięto w latach trzydziestych konstruując śmigło stałoobrotowe. Było to śmigło o zmiennym skoku, regulowanym płynnie, wyposażone w hydrauliczny (najczęściej) lub hydrauliczno-elektryczny układ sterujący skokiem śmigła i mierzący (przez pomiar siły odśrodkowej) prędkość obrotową śmigła. Rola pilota sprowadzała się do wybrania optymalnych (dla danych warunków) obrotów, a mechanizm dostosowywał kąt natarcia łopat tak by śmigło kręciło się z zadaną prędkością obrotową.

Pilot reguluje prędkość obrotową śmigła za pomocą dźwigni. Niektóre nowoczesne samoloty posiadają komputer pokładowy automatycznie dobierający odpowiednie obroty do ustawień przepustnicy (system FADEC).

Jako ciekawostkę można przypomnieć, że system podobny do elektronicznego FADEC, z tym że elektromechaniczny wymyślili Niemcy pod koniec lat trzydziestych i takie samoloty jak Messerschmitt Bf 109 miały skok śmigła kontrolowany przez automat – Kommandogerat.

Prawidłowe ustawianie śmigła

W przypadku śmigła o zmiennym skoku należy je ustawiać odpowiednio do prędkości lotu. Mały skok przy małej prędkości, duży – przy dużej. W momencie kiedy obroty będą się zbliżały do wartości maksymalnych i minimalnych należy zmienić skok – działa to podobnie do skrzyni biegów w samochodzie.

W śmigle stałoobrotowym optymalne obroty dla różnych faz lotu są opisane w instrukcji lub na tabliczkach w kokpicie. Ogólna zasada jest następująca:

Start, lądowanie i inne manewry wymagające dużej dynamiki silnika – pełne obroty.

Wznoszenie – ok. 90% pełnych obrotów.

Prędkość przelotowa – 60-80% pełnych obrotów.

Często obrotomierz ma zaznaczony zielonym łukiem zakres obrotów, które są optymalne dla prędkości przelotowych. Większe prędkości śmigła pozwalają uzyskać większy ciąg (i prędkość), mniejsze redukują zużycie paliwa. Dla niskiego zużycia paliwa najlepiej wybrać niskie obroty i szerokie otwarcie przepustnicy.

W symulatorze nie występują (poza kilkoma płatnymi dodatkami) wibracje silnika co pozwala na stosowanie nierealnie niskich obrotów (poniżej zielonego zakresu na obrotomierzu) w czasie lotu z prędkością przelotową. Warto o tym pamiętać. To jeszcze jeden powód, dla którego warto zapoznać się z takimi produktami jak Spitfire wydany przez A2A (koniecznie z dodatkiem AccuSim).

Zbyt duże obroty

Wbrew intuicji – prędkość samolotu nie rośnie bez końca wraz ze wzrostem obrotów i większym otwarciem przepustnicy. W przypadku szybkich samolotów użycie maksymalnych obrotów powoduje spadek prędkości. Jest to efekt zbliżania się przez końcówek łopat śmigła do prędkości dźwięku.

Końcówka łopaty śmigła pokonuje trasę o kształcie spirali. Im większa prędkość samolotu (im bardziej spirala jest rozciągnięta) tym końcówki śmigła mają większą prędkość. W pobliżu prędkości maksymalnych w szybkich samolotach – fragment śmigła przekroczy prędkość dźwięku, a jego sprawność drastycznie spadnie. Niewielka redukcja obrotów pozwoli uzyskać większą prędkość lotu.