Pierwszy odrzutowy silnik lotniczy zastosowany w samolocie

 

Za konstruktora i twórcę pierwszego lotniczego silnika odrzutowego powszechnie uważany jest Frank Whittle. Zaprojektował on i opatentował ten silnik w 1937 a prototyp wykonał w 1939. Jego absolutne nowatorstwo polegało na ty, że wprowadził do konstrukcji tego typu silnik turbinę gazową, napędzającą sprężarkę odśrodkową. Lecz nim ten projekt się pojawił, lotniczy silnik odrzutowy już istniał od wielu lat, a jego historia rozpoczęła się w roku 1908- była to idea, którą najtrafniej oddaje nazwa: MOTORJET. Jest to naprawdę interesujący i fascynujący kawał historii lotnictwa i ludzi z nim związanych, często wyprzedających pomysłami i rozwiązaniami technicznymi swoją epokę.

W historię tego silnika zaangażowani byli najsławniejsi konstruktorzy w historii lotnictwa. Co ciekawsze, sam Frank Whittle, nim dokonał rewolucyjnego przełomu w konstrukcji silnika odrzutowego, wprowadzają turbinę gazową, w 1936 zbudował bardzo ciekawy motorjet, który z zewnątrz, w odróżnieniu od poprzednich konstrukcji, przypominał współczesne silniki turboodrzutowe. Ale idea, jak wspomniałem, powstała dużo wcześnej, w roku 1908 za sprawą francuskiego konstruktora Rene Lorina, a zrewolucjonizował ją rumuński oficer arterii, inżynier i wynalazca pracujący we Francji – Henry Coanda. On też zbudował pierwszy samolot napędzany lotniczym silnikiem odrzutowym, który uniósł się w powietrze i to Henry’emu Coandzie przypada miano ”ojca lotniczego napędu odrzutowego”. Ale po kolei.

 

  1. CO TO JEST MOTORJET

Jeżeliby pokusić się o definicję ogólną tego pojęcia, jako urządzenia technicznego, można powiedzieć, że jest to wentylator kanałowy z dopalaczem (Afterburning Ducted Fan). Jako napęd lotniczy, w największy skrócie, jest to odmiana, a właściwie pierwszy, odrzutowy silnik lotniczy, który został skutecznie zastosowany w samolotach napędzając je przy pomocy strumienia odrzutu gorących gazów, wytwarzanych w komorze spalania. Jedną z głównych jego cech jest zastosowanie klasycznego silnika tłokowego do napędu sprężarki. Idea i zasada działania, którą jako pierwszy częściowo opisał Francuz, Rene Lorin w 1908 a w ostatecznej formie opracował Henry Coanda jest następująca: silnik tłokowy napędza poprzez wał sprężarkę a skompresowane powietrze - tzw. zimny ciąg - kierowane jest do komory spalania (która w zasadzie jest komorą dopalania), do której wtryskiwane jest paliwo oraz inicjowany zapłon wytworzonej mieszanki paliwowo-powietrznej. Dalej działają już zasady termodynamiki: zapłon i gwałtowne spalanie powodują nagły wzrost temperatury gazów, które gwałtownie rozszerzając się, podnoszą ciśnienie i wydostają z dużą prędkością z silnika poprzez dyszę wylotową w postaci strumienia na zewnątrz –tworząc tzw. gorący ciąg-i napędzają samolot na zasadzie odrzutu. Schemat blokowy klasycznego silnika typu motorjet przedstawia rysunek poniżej.

 

 

Schemat_blokowy_motorjet

 

Jak widać na rysunku, głównymi elementami składowymi są:

  1. silnik tłokowy

  2. wał napędowy sprężarki

  3. sprężarka (w tym przypadku odśrodkowa, ale były też motorjety ze sprężaką osiową)

  4. komora spalania (combustion chamber)

  5. system wtrysku paliwa

  6. dysza wylotowa (nozzle)

Cały zespół generował ciąg o mocy zależnej od mocy silnika tłokowego oraz wielkości, układu i rozmieszczenia komory (lub częściej komór) spalania. Generalnie siła ciągu takich silników wynosiła od 2,4 kN (200kg) do maksymalnie 12,26 kN (1250kg), aczkolwiek średnia moc tego typu silników wynosiła najczęściej 2,6kN (220kg) –3kN (250kg). Nazwa zaś pochodzi od połączenia nazw dwóch typowych tylko dla tych silników układów generujących moc: silnika tłokowego (ang. motor) oraz głównej siły napędowej – odrzutu (ang. jet).

Konstrukcje motorjeta ewoluowały, głównie w okresie międzywojennym i II w.św. Najprostszym (i pierwszym) typem motorjeta była wspomniana już konstrukcja Rene Lorina z 1908. Jego założeniem było wykorzystanie ciśnienia gazów spalinowych wywołanych pracą silnika spalinowego bezpośrednio do wytworzenia ciągu odrzutowego. Był to o tyle nietypowy układ, że nie posiadał komory spalania, tylko odpowiednio ukształtowaną dyszę rozprężającą i przyspieszającą gazy spalinowe.

 

 

Motorjet_Rene_Lorina_1908

 

 

Ze względy na obecność i wykorzystanie komory spalania (lub jej brak) motorjety możemy podzielić na:

  1. Posiadające komorę spalania, gdzie następuje zapłon mieszanki paliwa i dostarczonego przez kompresor powietrza oraz wyrzut gorących gazów na zewnątrz (generujących tzw. gorący odrzut)

  2. Nie posiadających komory spalania, tylko dyszę odpowiedniego kształtu, przez którą skompresowane przez sprężarkę, napędzaną silnikiem tłokowym, powietrze wydostaje się na zewnątrz tworząc siłę ciągu (tzw. zimny odrzut).

  3. Nieposiadających sprężarki i komory spalania. Ciśnienie gazów i odrzut wytwarzany jest przez tylko przez silnik tłokowy, z którego spaliny pod ciśnienie są wyrzucane na zewnątrz i tworzą ciąg. Tu jedynym znanym przykładem jest motorjet Lorina. Choć może się to wydawać dziwne, przez wielu jest on uważany nie za tłokowy, a właśnie za odrzutowy silnik lotniczy.

Najczęściej konstruowany i wykorzystywany do napędu samolotów był pierwszy typ motorjeta. Z wiadomych względów: mógł wytworzyć największą siłę ciągu i w zasadzie silniki tego typu można nazwać klasycznymi motorjetami. Silniki typu B generujące tylko zimny odrzut, czyli ciąg poprzez sprężanie zassanego powietrza i wyrzut go na zewnątrz (bez efektu termicznego rozszerzania i wzrostu ciśnienia, a tym samym prędkości gazów wylotowych), wytwarzały ciąg mniejszy, zwłaszcza, jeśli zestawimy go z masą całego zespołu. Gorący odrzut tworzy się właśnie w komorze spalania, gdzie trafia sprężone powietrze i gdzie zimny ciąg na skutek domieszki paliwa i zapłonu zamieniany jest na odrzut gorący.

Podziału motorjetów możemy również dokonać na podstawie konstrukcji i umiejscowienia poszczególnych elementów silnika. I tak wyróżniamy następując typy:

  1. Posiadające sprężarkę czołową, od frontu silnika tłokowego, a biorąc pod uwagę konstrukcję samolotu, w jego dziobie, który jest jednocześnie wlotem powietrza (czasem również regulatorem ilości zasysanego powietrza) – przykładem może tu być pierwszy samolot z tego typu napędem, Coanda-1910.

  2. Posiadające sprężarkę umieszczoną od tyłu silnika tłokowego, a w konstrukcji samolotu w środku lub tylnej części kadłuba – za przykład mogą służyć radziecki MiG-3 lub japoński samolot Kugisho Ohka 22 (używany jako kamikadze).

  3. Dwu sprężarkowe – posiadające dwie sprężarki: jedną od czoła drugą od tyłu silnika tłokowego. W tym wypadku jeden silnik napędza dwie sprężarki, pompujące powietrze do tych samych komór spalania (motorjet Whittle’a z 1936) .

 

Również konstrukcje samolotów napędzanych silnikiem typu motorjet możemy podzielić na dwa rodzaje:

  1. Samoloty napędzane wyłącznie za pomocą ciągu generowanego przez odrzut z dyszy wylotowej (samolot Caproni Campini CC.2).

  2. Samoloty z napędem podwójnym: śmigłowo-odrzutowym. W tym przypadku silnik tłokowy motorjeta oprócz sprężarki napędza również klasyczne śmigło, stanowiące także źródło ciągu (samolot MiG-13).

 

Podzielność motorjeta na dwa zespoły silnikowe powodowała, że niektórzy określali go mianem odrzutowego silnika hybrydowego, a to z tego powodu, że był kombinacją cieplnego silnika tłokowego z cieplnym silnikiem odrzutowym. Łączył więc i wykorzystywał termodynamiczne rozprężanie gazów w dwóch procesach: rozprężanie wewnątrz cylindra powodujący ruch tłoka i pracę silnika tłokowego (piston engine) oraz rozprężanie gazów w komorze spalania i generowanie ciągu poprzez wyrzut gazów na zewnątrz (jet engine). Dwa w jednym – czyż nie wspaniała idea? Wbrew pozorom motorjet był dość skomplikowanym tworem lotniczej inżynierii silnikowej.

Może też i z tego powodu, odmiennie niż np. silniki turboodrzutowe, pulsacyjne czy strumieniowe, które mają swoje stałe nazwy, przyjęcie jednej, uniwersalnej nazwy dla silników typu motorjet okazało bardzo trudne. W obiegu były różne określenia, takie jak: silniki tłokowo-odrzutowe, dwuczłonowe, zespolone, reakcyjne. Pojawiło się nawet określenie thermojet, które jest chyba najbardziej nieszczęśliwym i mylnym określeniem, ponieważ nie odnosi się w żaden sposób do silnika tłokowego, który, de facto, jest sercem motorjeta. Daje raczej do zrozumienia, że silnik posiada głównie komorę spalania i odnosi się raczej do zasady pracy odrzutowego silnika pulsacyjnego.

Dlatego najprzejrzyściej będzie pozostać przy nazwie motorjet.

Lecz pomijając sprawę nazwy są trzy zasadnicze cechy wyróżniające i definiujące motorjeta. Są to:

  1. Powietrze jest mechanicznie sprężane przez sprężarkę z oddzielnym źródłem napędu

  2. Zapłon zimnego, sprężonego powietrza następuje w komorze spalania, w wyniku czego powstaje strumień gazów wyrzucany w tył dyszą wylotową tworząc gorący odrzut, stanowiący ostateczne źródło napędu.

  3. Gorące gazy rozprężają się i przyśpieszają, przelatując przez część wyrzutową silnika a tym samym zwiększają ciąg wstępnie wygenerowany przez sprężarkę doładowującą.

Przyjmuje się, że komora spalania motorjeta wytwarza trzecią część ciągu, choć według innych źródeł powietrze skompresowane przez sprężarkę wytwarza połowę ciągu silnika (lub celniej byłoby powiedzieć zespołu silnikowego).

W technice napędów lotniczych była to, jak na owe czasy (a przypomnijmy, że historia motorjetu rozpoczyna się 6 lat przed I w.św.) rewolucja. Zalety tego rozwiązania były niewątpliwe. Przy dobrze dobranej mocy silnika i dopasowanej do niego wydajności sprężarki oraz odpowiedniemu ukształtowaniu komory spalania i dyszy wylotowej, moc ciągu uzyskiwana przez motorjet była większa niż ciąg, jaki osiągnąłby dany silnik tłokowy napędzając tylko śmigło. Biorąc pod uwagę fakt, że ówczesna wiedza i technologia z zakresu metalurgii w zasadzie uniemożliwiała budowanie turbin gazowych, mogących sprawnie i bezawaryjnie pracować przez dłuższy czas w środowisku ekstremalnie wysokiej temperatury i ciśnienia, tak, jak to się dzieje w obecnych silnikach turboodrzutowych, był to doskonały pomysł na praktyczną realizację i budowę lotniczego silnika odrzutowego, mającego rozsądny okres żywotności. Dodatkowo ówczesna wiedza inżynierska z zakresu konstrukcji i budowy sprężarek miała swoje ograniczenia. Dlatego też w silnikach typu motorjet używano głównie sprężarek odśrodkowych (promienistych) jako dostatecznie wydajnych, trwałych i niezawodnych. Trzeba podkreślić, że nawet w latach II w.św., kiedy zaznaczył się ogromny postęp w dziedzinie konstrukcji silników lotniczych, w tym odrzutowych, w zasadzie tylko Niemcy eksperymentowali z zastosowaniem sprężarek osiowych, bardzo trudnych technologicznie do wyprodukowania i zastosowania w praktyce. Pozostałe kraje jeszcze dość długo stosowały sprężarki odśrodkowe, jako znacznie łatwiejsze w produkcji i trwalsze. Również, jeżeli chodzi o technologię materiałową ograniczenia były znaczne: resursy silników turboodrzutowych tego okresu nie przekraczały kilku lub kilkunastu godzin. Co ograniczało motorjeta? W zasadzie resurs zastosowanego silnika tłokowego i wytrzymałość komory spalania. Mógł więc pracować znacznie dłużej, zaś typy używające tylko „zimnego ciągu” były w zasadzie ograniczone tylko trwałością silnika i sprężarki.

 

Motorjet_Harrisa

 

Scheman budowy klasycznego motorjeta wczesnej generacji– widok z gory i od czoła. Ten silnik zaprojektował, zbudował i opatenował J.H. Harrisa of Esher z miejscowości Surrey w Anglii w 1917.

 

 

A - dwucylindrowy, rzędowy silnik tłokowy

B - sprężarka odśrodkowa

C - komora spalania

D - zbiornik paliwa

E - system wtryski paliwa do komory spalania

F – kanał odprowadzający gorący odrzut zakończony dyszą

wylotową odrzutu

 

 

Jednak motorjet miał też swoje niewątpliwe wady, które wyeliminowały go z dalszego rozwoju po zakończeniu II w.św. Przede wszystkim brak turbiny gazowej i konieczność zastosowania osobnego źródła napędu kompresora w postaci silnika tłokowego powodowało znacznie zwiększenie masy całego zespołu i komplikowało konstrukcję. Miało to znaczenie zwłaszcza po 1945. Bo trzeba sobie zdać sprawę, czym był wówczas lotniczy silnik tłokowy, rzędowy lub gwiazdowy (bo i takie stosowano w motorjetach). Było to potężne monstrum z mnóstwem mechanizmów i ruchomych części, ciężkie i wymagające dość skomplikowanej obsługi. Już wtedy wiadomo było, że w zastosowaniu do napędu statków powietrznych jest to technologia schyłkowa, bo każda komplikacja konstrukcji powodowała nieproporcjonalny do wzrostu mocy przyrost masy jednostki napędowej. No i co najistotniejsze, w porównaniu z silnikiem turboodrzutowym, motorjet miał mniejszą moc i wydajność. Schyłek zainteresowania tym typem napędu na dobre rozpoczął się wtedy, kiedy nastąpił znaczy postęp w metalurgii (właśnie w latach 1945 – 1950), co pozwoliło na budowę żaroodpornych i żarowytrzymałych turbin gazowych, które z powodzeniem mogły zastąpić silniki tłokowe. Sprężarki, odśrodkowe lub osiowe (które coraz lepiej ułożyskowane znacznie zyskały na trwałości), otrzymały więc nowe, wydajniejsze źródło napędu.

Reasumując, motorjet łączył dwie epoki rozwoju napędów lotniczych, stare i nowe technologie. To było jego siłą a jednocześnie słabością, bo szybko stał się przestarzały. Co by o nim nie powiedzieć, był jednak ważnym ogniwem w historii lotnictwa, i tak do końca jego znaczenie i historia wcale definitywnie się nie zakończyły. Zimny ciąg nadal jest wykorzystywany w nowoczesnych silnikach turboodrzutowych dwuprzepływowych (turbowentylatorowych), gdzie, oprócz tego, że wytwarza znaczą część mocy, ogranicza hałas wytwarzany przez silniki tej generacji.

Samoloty napędzane silnikami typu motorjet latały, w niewielkich ilościach, w lotnictwie wojskowym do początków lat 50. Nigdy nie zostały użyte w działaniach bojowych. W następnych częściach przedstawię krótką historię i przegląd najważniejszych konstrukcji tych silników i samolotów przez nie napędzanych. Zgodnie z przysłowiem, że historia pisana jest przez zwycięzców, motorjety przegrały konkurencję z silnikami turboodrzutowymi i zapewne dlatego ich idea jest tak słabo pamiętana. Niemniej, wbrew niektórym historykom lotnictwa, określającymi te silniki jako prymitywne, należy chyba oddać należny im szacunek.

 

Maciej Ługowski

Zwykle o czarnej skrzynce mówimy, gdy dochodzi do katastrofy lotniczej. Czym jest to urządzenie? Nie jest ona rzeczywiście czarna, lecz pomalowana na jaskrawopomarańczowy kolor. Ma to pomóc w jej odnalezieniu. Całość jest zbudowana, aby nie uległa uszkodzeniu w przypadku katastrofy samolotu. Jest wytrzymała na olbrzymie przeciążenia, ciśnienie, wodę i temperaturę. Przede wszystkim zaś właśnie na temperaturę. W przypadku katastrofy najczęściej bowiem dochodzi do pożaru.

Ale dlaczego tak istotną jest wytrzymałość na ciśnienie? Bywa, że maszyna spada do wody. Wrak spoczywa na bardzo dużej głębokości. Gdyby więc byłaby wykonana ze słabego materiału ciśnienie sprasowałoby ją, a swym wyglądem czarna skrzynka przypominałaby ona zgniecioną puszkę.

Każda z czarnych skrzynek ma wmontowany nadajnik radiowy, który wysyła sygnały pozwalające na jej zlokalizowanie, gdy znajduje się pod wodą. Zwykle skrzynka składa się z dwóch rejestrów. Pierwszy zapisuje najważniejsze parametry lotu, drugi rozmowy załogi. Rozmowy, które prowadzi z ziemią i między sobą w kokpicie.

 

Konstrukcja skrzynki nie pozwala na manipulowanie rejestratorami z zewnątrz. Nikt z załogi nie może jej wyłączyć. Pozbawiona jest także możliwości zmiany zapisanych informacji na temat przebiegu lotu.

Na początku rejestratory zapisywały dane na taśmie z… aluminium. Postęp techniczny spowodował jednak, że została ona zastąpiona taśmą magnetyczną. Ta z kolei ustąpiła miejsca najnowszym nośnikom zapisywania danych. Pojawiły się podobnie jak w komputerach kości pamięci. Dzięki temu rejestrator może pracować bez przerw w trybie nieustającym.

Z czarnych skrzynek korzystają nie tylko cywile. Wykorzystuje je również wojsko.

Konrad Rydołowski

 

W uzupełnieniu powyższego opisu chcielibyśmy przybliżyć Państw kilka technicznych szczegółów. 

 

Rejestrator parametrów lotu, zwany popularnie „czarną skrzynką” to urządzanie, które przeszło ogromną ewolucję techniczną i technologiczną od początku swojego powstania. Już sama jej idea była na swój sposób rewolucyjna. Dziś trudno wyobrazić sobie lotnictwo, cywilne lub wojskowe, bez tego urządzenia, którego wynalazcą w obecnym kształcie jest Australijczyk z Melbourne Dave Warren.

 

 

System rejestracji parametrów lotu oraz rozmów w kabinie pilotów składa się z 4 podstawowych elementów:

  1. Zbiorcza Jednostka Informacyjna (Szyfrator) FDAU (Flight-Data Acquisition Unit)

  2. Rejestratory o wysokiej przeżywalności

  • Rejestrator Katastroficzny FDR (Fligt Data Recorder)
  • Pokładowy Rejestrator Dźwięku CVR (Cocpit Voice Recorder)
  1. Rejestratory robocze i eksploatacyjne

  • Rejestrator Szybkiego Dostępu QAR (Quick Access Recorder)

4. Czujniki

 

Omówmy krótko poszczególne elementy.

Szyfrator FDAU (wersja z zapisem cyfrowym określana jest jako DFDAU-digital) to urządzenie, które zbiera dane ze wszystkich czujników zamontowanych w różnych częściach samolotu. Po ich przetworzeniu i uporządkowaniu wysyła je do FDR.

Rejestrator Katastroficzny FDR (wersja z zapisem cyfrowym określana jest jako DFDR-digital) to urządzenie zapisuje wszelkie parametry lotu. Należą do nich m.in. kurs, prędkość, przyśpieszenie, pułap, temperatura zewnętrzna i wewnątrz samolotu ciśnienie, ustawienia powierzchni sterowych, w tym klap, wszelkie parametry dotyczące pracy silników. Urządzenie może zapisać od 700 do 1000 różnych parametrów. Zazwyczaj umieszczany jest w ogonie samolotu.

Pokładowy Rejestrator Dźwięku CVR jest z kolei urządzeniem rejestrującym, na taśmie magnetycznej lub na nośniku cyfrowym, wszystkie rozmowy i dźwięki w kokpicie samolotu. Źródłem nagrań jest zestaw mikrofonów rozmieszczonych w kabinie. Dzięki nim rejestrator nagrywa również rozmowy i dźwięki z samego kokpitu lub jego okolicy (np. jeśli przez otwarte drzwi ktoś zagląda do kokpitu i rozmawia z załogą) lub np. sygnały alarmowe (są to tzw. dźwięki tła). Oczywiście zapisywane są również rozmowy pilotów z kontrolami naziemnymi, innymi samolotami, oraz rozmowy członków załogi pomiędzy sobą (w tym rozmowy prywatne). CVR montowany z przodu samolotu, w okolicach kabiny pilotów.

Rejestratory robocze i eksploatacyjne - te rejestratory służą do bieżącej kontroli samolotu podczas przeglądów serwisowych. Ich ilość wacha się od jednego do trzech. Jednym z nich, zawsze montowanym jest QAR. Rejestratory te nie są typowymi „czarnymi skrzynkami”, ponieważ nie mają tak mocnej i szczelnej obudowy, jak FDR i CVR. Nie mają również odpowiednich zabezpieczeń, ponieważ nie ma wymogu, aby przetrwały katastrofę statku powietrznego. Co nie znaczy, że nie ma możliwości odzyskania z nich danych po katastrofie (jak to ma miejsce w przypadku rządowego Tu-154M-101, gdzie znaleziono rejestrator QAR w stanie, w którym może być możliwość odczytania z niego danych).

Rejestrator Szybkiego Dostępu QAR jest urządzeniem rejestrującym głównie parametry pracy układów samolotu (szczególnie napędu, hydrauliki), więc częściowo dubluje zapisy rejestratora katastroficznego. Różnica polega na tym, że QAR segreguje dane na te, które mieszczą się w granicach norm roboczych i oddziela wszystkie dane pozanormatywne (czyli wykraczające poza granice normalnej pracy układów). Podczas przeglądu samolotu QAR jest podłączany do komputera diagnostycznego. Jeżeli zanotowany jest jakikolwiek pozanormatywny parametr, od razu jest to sygnalizowane.

Czujniki – rozlokowane są w różnych miejscach samolotu a ich największa ilość lokowana jest w punktach newralgicznych, mających krytyczny wpływ na przebieg wszystkich faz lotu (układ napędowy, hydrauliczny, sterowania, podwozia itp.). Ich ilość zależy od wielkości statku powietrznego, konstrukcji, typu napędu, przeznaczenia. One właśnie przekazują wszelkie dane do Zbiorczej Jednostki Informacyjnej FDAU, będąc jej „oczami i uszami”.

Obecnie stosowane rejestratory mają możliwość zapisu odpowiednio:

  • CVR do 2 godzin zapisu audio
  • FDR – do 25 godzin danych i parametrów technicznych

 

 

Współczesne czarne skrzynki (w rozumieniu tych rejestratorów, których zadanie jest przetrwanie katastrofy) są dodatkowo wyposażane w tzw. układ ULB (underwater locator beacon) czyli podwodny nadajnik lokalizacyjny. Pozwala on zlokalizować skrzynkę w momencie, gdy samolot spadnie do wody i zatonie. Uruchamia się on bowiem natychmiast po kontakcie z wodą i jest wstanie znieść ciśnienie panujące na głębokości do 4 200 metrów. Nawet w takich warunkach może nadawać sygnał lokalizujący przez 30 dni, z częstotliwością 1 raz na sekundę.

 

Na koniec należy dodać, że rejestratory, mające przetrwać katastrofę, są przed montażem do statku powietrznego odpowiednio testowane. Każdy z nich przetrwać bez uszkodzeń:

- zanurzenie w cieczach eksploatacyjnych (paliwo lotnicze, oleje, płyn hydrauliczny) przez 48 godzin

- pobyt pod wodą na głębokości 6 000 metrów przez 30 dni

- narażenie na bezpośrednie działanie płomienia gazowego o temp. do 1100 stopni Celsjusza przez 30 min.

- przebywanie w zasięgu płomienia w temperaturze 260 stopni Celsjusza przez 10 godzin

- przeciążenia rzędu 3400 g (33 km/s) przez czas 6,5 milisekundy

- bezpośrednie uderzenie masy 226 kg spadającej z wysokości 3 metrów na powierzchnię o średnicy 6 milimetrów.

 

Samolot pasażerski Tu-154M posiada na wyposażeniu 5 rejestratorów:

- 1 x FDR

- 1 x CVR

- 3 x Rejestratory roboczo-eksploatacyjne (w tym QAR)

 

Maciej Ługowski

Źródła:

  • OAO Tupolev
  • Air International, 1997-2000
Ważną charakterystyką każdego silnika, a szczególnie lotniczego,  jest wielkość zużycia paliwa oraz rodzaj paliwa, na którym pracuje dany silnik. W przypadku LSST zużycie paliwa określa się zazwyczaj poprzez dwie wartości:
  • godzinowe zużycie paliwa – jest to ilość paliwa, jaką silnik zużywa w ciągu jednej godziny lotu
  • jednostkowe zużycie paliwa – jest to ilość paliwa zużywanego przez silnik w ciągu 1 h przydająca na 1 kW mocy.
Jakie paliwo stosuje się do lotniczych silników tłokowych?
Twierdzi się, że praktycznie do tłokowych silników lotniczych można stosować paliwo samochodowe – 98 i więcej oktanowe. Jest to prawda, ale tylko częściowo. Po pierwsze benzyna samochodowe są typu tzw. Mogas i użycie ich do silnika lotniczego znacznie zwiększa jego zużycie. Po drugie użycie takiego paliwa uniemożliwia lot na większych wysokościach ze względu na szybsze jego parowanie. No, chyba że do użycia aparatu lotniczego użyję się silnika samochodowego. Ale latać takim urządzeniem można tylko w ograniczonym zakresie.  
Paliwem właściwy dla tłokowych silników lotniczych jest benzyna lotnicza typu AVGAS. Różni się na od benzyn typu Mogas (czyli samochodowych) nie tylko wartością liczby oktanowej, ale również samym procesem produkcji: AVGAS posiada dodatkowe, chemiczne związki uszlachetniające a jakość jej destylacji w procesie technologicznym jest dużo wyższa. Jeśli mówimy o liczbie oktanowej, to trzeba pamiętać, że wartości jej dla benzyny samochodowej  nie można odnosić do benzyny lotniczej.  Procedury wyznaczania tych wartości dla obu rodzajów benzyn są różne i ich wartości końcowe nie odpowiadają sobie.
Skupmy się teraz na benzynach lotniczych AVGAS. Zapis jej liczby oktanowej, stanowiącej wyznacznik  jakości używany w praktyce jest często podwójny (np. 91/115). Ważne jest rozumienie tego zapisu (jest on dokonany w systemie MON). Pierwsza liczba (95) oznacza liczbę oktanową ( wyznaczoną metodą MON) dla mieszaniny 1 objętości paliwa i 16 objętości powietrza. Druga (115) wyznacza liczbę oktanową tej samej benzyny, gdy ulega  ona spalaniu w proporcjach: 1 objętość paliwa na 11 objętości powietrza. Liczba ta nazywana jest liczbą wyczynową (Perfortmance Number) służy do określenia właściwości paliwa przy stosowaniu mieszanki „bogatej” (mieszanki o podwyższonej ilości paliwa stosowanej, kiedy należy na krótko osiągnąć jak największą moc silnika).
Do najczęściej stosowanych benzyn lotniczych AVGAS, również w Polsce, należą:

  • benzyna lotnicza AVGAS 100LL o (o zawartości ołowiu do 0,56 g na litr paliwa) barwiona  na niebiesko przeznaczona do silników tłokowych
  • benzyna lotnicza AVGAS 91/115 (o zawartości ołowiu do 1,6 g na litr paliwa) barwiona na zielono przeznaczona do starszych silników tłokowych (tylko silniki Asz-62IR i AI 14R)

Paliwem o największej liczbie oktanowej jest benzyna lotnicza AVGAS 115/145 barwiona na purpurowo — paliwo to stosowano do silników tłokowych o najwyższych mocach podczas II Wojny Światowej i Wojny Koreańskiej, obecnie jest dostępne u niektórych producentów wyłącznie na specjalne zamówienie (paliwo takie wykorzystują użytkownicy niektórych historycznych samolotów), przy czym producent może starać się obniżać zawartość ołowiu do zawartości typowej dla AVGAS 100LL.

W czasie II wś. piloci  lotnictwa armii radzieckiej latali na paliwie wysoko oktanowym o wartości 120-130  pod koniec wojny nawet 150. Dodatkowo powszechny w ich lotnictwie był zwyczaj latania cały czas na „pełnej” przepustnicy, czyli maksymalnie otwartej. Samoloty miały dobre osiągi, ale żywotność silników była wyjątkowo niska (nie ze względu na konstrukcje, ale właśnie ze względu na sposób eksploatacji).  Natomiast piloci alianccy latali najczęściej na benzynie, określanym jako „zielony Shell”. Była to benzyna, barwiona na zielono, o liczbie oktanowej 100/130. Podobnie jak Rosjanie, w latach 1944/45 wprowadzili paliwo uszlachetnione, którego liczba oktanowa sięgała 130/150. Ale w przeciwieństwie do pilotów radzieckich, znacznie bardziej oszczędzali swoje silniki.

I tak na koniec tego ogólnego przeglądu LSST krótka dygresja: silniki, zwłaszcza lotnicze, lubią i dobre paliwo i dobrą opiekę. Jeśli im to zapewnimy, będą z nami rozmawiać swoim językiem (mechanicy i piloci na pewno wiedzą o czym mowa) i nie zawiodą. A jeśli już nawalą, to na ziemi, gdzie można je naprawić. No bo trudno w czasie awarii w powietrzu zatrzymać silnik i poczekać na serwis.

Tak więc o te cuda techniki, stare czy nowe, trzeba dobrze dbać.
Kto chcę się dalej wgłębiać w ten fascynujący (!) temat, zapraszam.

W dalszej części poznamy szczegóły budowy i rodzaje Lotniczych Spalinowych Silników Tłokowych. A jest co poznawać. Zapewniam !

Zapraszam razem z Portalem.
Maciej Ługowski
W silniku dwusuwowym nie ma klasycznych zaworów, najczęściej rolę zaworów spełnia sam tłok, przesłaniają lub odsłaniają kanały wlotowy i wylotowe w cylindrze. Wyróżniamy następujące suwy:
  • ssanie/sprężanie (w suwie tym wyodrębnia się czasem podsuw „przepłukiwania”, ale jest on wykonywany w tym samym ruchu tłoka – w górę )
  • praca/wydech

Silnik działa w sposób  następujący:
1.    Suw sprężania – w pierwszej fazie suwu sprężania następuje przepłukiwanie przestrzeni roboczej silnika (1). Wtedy to powstałe w poprzednim cyklu pracy spaliny są wytłaczane przez kanał wydechowy (2),  jednocześnie do przestrzeni roboczej przez kanał między międzykomorowy (3) napływa mieszanka  paliwowa zgromadzona wcześniej w przestrzeni korbowej silnika (4). W dalszej fazie suwu sprężania tłok (5), pełniący także rolą zaworu, zamyka kanał wydechowy i międzykomorowy, odsłaniając jednocześnie kanał ssawny wlotowy (6). W czasie sprężana paliwa w komorze spalania świeża porcja mieszanki  paliwowej napływa przez kanał wlotowy do przestrzenia korbowej silnika.
2.    Suw pracy – przed dojściem do ZMP następuje zapłon, powstałe gazy rozprężają się gwałtownie, powodując ruch tłoka w dół do WMP.  W końcowej fazie tego suwu odsłaniany jest kanał wydechowy i spaliny zaczynają opuszczać przestrzeń roboczą.
Cykl powtarza się od początku.
Po zakończeniu dwóch suwów wał korbowy wykonał jeden pełny obrót.
Poniższy schemat ilustruje cykl pracy silnika dwusuwowego. Widać wyodrębniony  podsuw przepłukiwania.

 

Zdjcie_19

 

Maciej Ługowski

Silnik ten posiada zawory w głowicy: wlotowe, przez które do cylindra dostaje się mieszanka (lub powietrze) i wylotowe, przez które z cylindra wydostaję się spaliny. Wyróżniamy 4 cykle pracy:

  • ssanie
  • sprężanie
  • praca
  • wydech


Silnik działa w sposób  następujący:

Suw I - SSANIE
Otwiera się zawór ssący, tłok przesuwa się w dół do WZP (wewnętrzny zwrotny punkt). Wytwarza podciśnienie, dzięki któremu z kanału dolotowego, znajdującego się za zamykającym go zaworem ssącym, wciągnięta zostaje z gaźnika (lub układu wtryskowego i kanałów powietrznych) mieszanka paliwowo-powietrzna. Trafia ona do wnętrza przestrzeni cylindra, pomiędzy denko tłoka a głowicę, stanowiącym komorę cylindra (równią pojemności całkowitej). Tak się dzieje w silnikach wolnossących, natomiast w silnikach doładowanych mieszanka jest wtłaczana pod ciśnieniem. Kiedy tylko tłok przekroczy WZP, zawór ssący zostaje zamknięty.

Suw II - SPRĘŻANIE
Tłok przemieszcza się w górę cylindra i spręża mieszankę paliwowo-powietrzną. Sprężanie następuje pod ogromnym ciśnieniem do objętości komory spalania. Ale zanim ciśnienie osiągnie wartość maksymalną, na ok. 5 stopni obrotu wału korbowego zanim tłok osiągnie Zewnętrzny Zwrotny Punk, ZZP), następuje zapłon (tzw. wyprzedzenie zapłon.) Celem jest doprowadzenie do spalenia całej mieszanki w tej chwili, gdy tłok już przekroczył ZMP i może zostać odepchnięty przez rozprężające się gazy spalinowe, rozpoczynając suw pracy.

Suw III - PRACA
Tłok zostaje odepchnięty - z siła wręcz niewyobrażalną, jako że we wnętrzu komory spalania po zapłonie powstaje ciśnienie o wartości odpowiadającej, dla porównania, sile nacisku na tłok rzędu 5 ton! I takie siły muszą być przeniesione z denka tłoka poprzez korbowód na wał korbowy. Z tego jednego suwu pracy silnik musi uzyskać wystarczający impet obracający wałem korbowym, by przeprowadzić pozostałe trzy suwy. Łatwo więc pojąć, dlaczego silniki pracują tym równiej im więcej mają cylindrów. Powstała energia kinetyczna gromadzona jest w kole zamachowym (i/lub innych systemach wyrównujących i wyważających pracę silnika).


Suw IV - WYDECH
Jeszcze zanim tłok osiągnie WMP, otwarty zostaje zawór wydechowy i wciąż jeszcze nie do końca rozprężone gazy spalinowe mogą opuścić cylinder, kierując się w stronę układu wydechowego. Przemieszczający się w górę tłok wypycha z cylindra resztę gazów, a po przekroczeniu rozpoczyna cykl od początku.
Po zakończeniu wszystkich 4. suwów wał korbowy wykonał dwa pełne obroty.
Poniższy schemat ilustruje pełny cykl pracy silnika czterosuwowego.

 

Zdjcie_18

Zasada działania silnika czterosuwowego

 

 

Maciej Ługowski