PORADNIK #7

Dlaczego Silnik krytyczny jest krytyczny?

  Dzisiaj gruby temat. Idziemy w stronę tego, czym zawsze chciałem, żeby ten blog był. A mianowicie nauki. Dlatego odradzam czytanie poniższego tym, którzy zaglądają tutaj po moje wolne przemyślenia (lub, jak powiedział mój Szef – Wynurzenia) i inne takie. Dziś w menu jest nauka. Ponieważ ostatnio musiałem przedłużyć sobie uprawnienia na latanie samolotami wielosilnikowymi, musiałem sobie przypomnieć, co nieco, o lataniu wielosilnikowcami…

 Kiedy lecimy samolotem wielosilnikowym (lub jak chcemy nim latać J ), zapewne wiemy, że jak padnie jeden silnik to mamy w zapasie co najmniej jeszcze jeden, który w naszej przepełnionej nadzieją duszy, powinien utrzymać nas w powietrzu. Ale czy rzeczywiście tak jest? Tutaj wszystko zależy od tego, jakim samolotem lecimy. Ustawodawca, który dopuszcza samoloty do konkretnych zadań, opracował wytyczne, wg. Których, producenci samolotów powinni te samoloty budować. Czyli tak: Zrobiono pewien podział, na kategorie osiągów samolotów. Każda z kategorii otrzymała zakres parametrów, które muszą być spełnione przez samolot, żeby ten się do danej kategorii zaliczył. Jak wygląda ten podział:

 Klasa A: wszystkie wielosilnikowe samoloty turbośmigłowe, które mają: 10, lub więcej miejsc pasażerskich, lub masę maksymalną startową powyżej 5700kg (od 5701kg). Do tej kasy należą też wszystkie wielosilnikowe samoloty z napędem odrzutowym. Certyfikacja wg. EASA CS-25 (najważniejsze to konieczność rozważań nad awarią silnika we wszystkich możliwych konfiguracjach i fazach lotu – nie potrzeba force landing). Do tej kategorii zaliczają się wszystkie powszechnie nam znane Airbusy, Benki, i różnego rodzaju samoloty biznesowe, biznesmenów grubego formatu…

Klasa B: wszystkie samoloty „śmigłowe” mające 9, lub mniej miejsc pasażerskich i maksymalną masę startową poniżej 5700kg. Dla samolotów wielosilnikowych w tej klasie: awaria silnika jest unormowana tylko dla faz lotu powyżej 300 ft. Tzn. Przy awarii silnika powyżej 300 ft. samolot powinien być w stanie się wznosić i bezpiecznie wylądować na odpowiednim lotnisku, bez lądowania w terenie przygodnym. Jeżeli zaś chodzi o samoloty z jednym silnikiem, nie są one dopuszczone do transportu lotniczego w warunkach IMC oraz w nocy. Najpowszechniejszym przedstawicielem samolotu wielosilnikowego tej klasy jest nieśmiertelny Piper Seneca.

Klasa C: wszystkie „śmigłowe” samoloty zabierające 10 lub więcej pasażerów, które mają maksymalną masę startową 5701 kg lub więcej. W tej klasie zasady są podobne do Klasy 1. Bierze się pod uwagę awarię silnika we wszystkich fazach lotu, oraz wpływ zanieczyszczonych pasów startowych. Jest to klasa bardzo niszowe, bo takich samolotów jest już niewiele. Przykładem takiego sprzętu jest DC-3, DC-6. W przewozie latają pojedyncze sztuki. Obecnie nikt się już tym skansenem nie interesuje, a szkoda…

No dobrze. Dlaczego jednak napisałem o tych klasach? Troszkę na wyrost na pewno… ale kiedy mówimy o klasie A (bo tutaj skupimy nasze rozważania) to ustawodawca mówi, że samolot taki, musi mieć możliwość kontynuowania startu powyżej prędkości decyzji (V₁). Czyli nawet, jak silnik nam padnie w trakcie rozbiegu, to możliwe, że dla bezpieczeństwa trzeba będzie się dalej rozpędzać po pasie z jednym silnikiem i na jednym wystartować, wznieść się i polecieć na lotnisko zapasowe, lub wylądować na tym samym, z którego wystartowaliśmy, jeżeli jest to możliwe. Wszystko to musi się odbyć dla najgorszego możliwego scenariusza, który obejmuje maksymalną masę do startu (jeżeli nie jest limitowana), odpowiednie gradienty wznoszenia (o starcie napiszę kiedyś, bo tutaj wiem ,że ludzie też często mają kłopoty ze zrozumieniem o co biega…). Ponadto taki start obejmuje awarię silnika krytycznego (jeżeli taki występuje). Dlatego właśnie się tym zajmiemy i odpowiemy sobie na pytanie, co to takiego jest, ten silnik krytyczny. Może on występować na samolocie każdej klasy. My zajmiemy się klasą A. Jeżeli w klasie B padnie silnik na drodze startowej, lub zaraz po starcie (niezależnie czy krytyczny, czy nie krytyczny), to mamy naprawdę gruby problem i majtki pełne strachu. Trzeba wtedy lądować na pasie, który nam pozostał, lub w krzakach za pasem, jak takie w ogóle występują (żeby nie było bólu dupy – tak: senecą V z silnikami continental 300KM i dwoma osobami na pokładzie wzniesiemy się na jednym silniku zaraz po starcie – jak nie będzie zbyt ciepło – ciepło, za to będziemy mieli w majtach…). Wymagać to będzie prawdziwej precyzji pilotażu i szybkiego skonfigurowania samolotu do gładkiej konfiguracji. Ilu z Was da radę to zrobić? Pewnie każdy… jak dla mnie – loteria. W klasie A natomiast samolot ma to zrobić i kropka. No dobrze, ale co z tym silnikiem krytycznym? Jak napisałem zakładamy zawsze awarię silnika krytycznego. Czyli takiego, którego awaria wywoła największy wpływ na właściwości lotne samolotu. Zapytacie zapewne: ale co to za różnica, czy padnie prawy czy lewy silnik? Jest to duża różnica, związana z tym, w którą stronę kręcą się śmigła. Silnik daje nam ciąg, który działa na samolot w jego punkcie barycentrum czyli tam, gdzie znajduje się jego środek ciężkości (samolotu). Poniżej rysunek poglądowy (rysunki będę robił odręczne – nie mam praw do żadnych obrazków z neta, a rysowanie na kompie mi nie idzie…):

 Kiedy samolot leci z pomocą dwóch silników, to ciąg przez nie dostarczany, jeżeli jest równy, powoduje, że samolot przemieszcza się „prosto” względem napływającego na niego powietrza. Jeżeli zaś samolot straci jeden z silników, tak jak to namalowałem na Rys. 1 na dole, to od prawego silnika powstanie bardzo duży moment (moment obrotowy – to  siła razy ramię – siłą jest ciąg silnika, a ramieniem, odległość linii ciągu od miejsca obrotu – w tym przypadku środka ciężkości), próbujący skręcać samolot w lewo. Dodatkowo, samolot będzie się przemieszczał „koślawo”, tzn. będzie leciał niby prosto, ale będzie odchylony w lewo w naszym przypadku, co spowoduje większe opory powietrza, a co gorsze, prawe skrzydło będzie miało większa siłę nośną niż lewe (napływ strug powietrza, cień aerodynamiczny od kadłuba na lewym skrzydle, opór niepracującego śmigła, etc.) co spowoduje, że samolot będzie miał tendencję do przechylania się na stronę niepracującego silnika (nakrycie się pracującym silnikiem – generalnie śmierć). Dlatego w takim przypadku, lepiej robić zakręty w prawo. Samolot będzie bardzo chętnie robił zakręt w lewo, z tym, że będzie chciał go kończyć spiralą…

 No dobrze. Powyższe stanie się, jak stracimy jeden silnik. Ale jak jest różnica, czy padnie prawy, czy lewy. To jest właśnie klucz do zagadnienia silnika krytycznego. Napisałem już, że zależy to od tego, w którą stronę, kręcą się śmigła. Jeżeli silniki (prawy i lewy) kręcą się przeciwne strony, to nie ma w samolocie silnika krytycznego. Ale co jak kręcą się w tą samą stronę? Patrz rys. 2.

  Jeżeli, patrząc od tyłu samolot, prawe śmigło kręci się przeciwnie do wskazówek zegara (to jest w lewo), a lewe śmigło zgodnie z nimi, to jest w prawo, to wtedy nie ma silnika krytycznego. I taka sytuacja jest najlepsza. Ale producenci samolotów, stękający i płaczący nad rachunkami, w biurach konstrukcyjnych, w ramach redukcji kosztów, nie chcą budować osobno lewych i prawych silników, które kręcą się w różne strony (wymaga to dodatkowych kosztów na produkcję różnych części do prawych i lewych silników). Wolą robić uniwersalne, które pasują zarówno na lewą, jak i prawą stronę samolotu. Dlatego w większości samolotów śmigłowych, silniki kręcą się w prawo – zgodnie ze wskazówkami zegara. W takcie lotu, mamy na śmigle więc łopatę, która „idzie do góry” i po przeciwnej stronie śmigła, łopatę, która „idzie w dół”.

 No dobrze. Ale co ma łopata, która idzie do góry, lub w dół, wspólnego z wpływem na właściwości lotne samolotu po awarii silnika? Okazuje się, że łopata, która udaje się w dół, generuje na sobie większą siłę nośną (czyli ciąg, w przypadku łopaty śmigła), niż ta, która udaje się do góry. Dlaczego? Kiedy po awarii silnika spada nam prędkość (opory, itp.) a my próbujemy z tym walczyć, ustawiamy samolot na większe kąty natarcia. Wtedy płaszczyzna wirowania śmigła, ustawia się pod kątem do napływających strug powietrza. Wtedy też, łopata opadająca, na skutek odchylenia płaszczyzny wirowania śmigła, ma większy pozorny/relatywny kąt natarcia (więc generuje większą siłę nośną/ciągu), niż łopata wznosząca się, której pozorny/relatywny kąt natarcia zmniejsza się, generując mniejsza siłę nośną/ciągu. Przedstawia to rys 3.

 Wynika więc z tego, że połowa płaszczyzny obrotu śmigła, która „opada” generuje większą siłę nośną/ciąg, niż połowa, po której łopata/y się wznoszą. Dlatego też. Właściwa wizualizacja rozkładu ciągu i ramion na samolocie powinna wyglądać w sposób, przedstawiony na rysunku 4:

Widzimy tutaj, że dla sytuacji, gdy oba śmigła wirują w prawo, to większa część ciągu powstaje na prawej stronie śmigła (patrząc z góry), powoduje to, że ramiona od osi ciągu do środka ciężkości są różne (prawe ramię jest dłuższe). Co powoduje, że moment (siła ciągu x ramię) po prawej stronie samolotu przy awarii lewego silnika będzie większy, niż ten po lewej stronie, kiedy padnie nam prawy silnik. Dlatego awaria silnika lewego, wywoła większy wpływ na pogorszenie właściwości lotnych, niż awaria silnika prawego. Dlatego też silnik lewy jest w tym przypadku nazywany silnikiem krytycznym.

 Wydawać by się mogło, że jak padnie jeden z dwóch silników, to stracimy połowę dostępnych parametrów (np. połowę mocy samolotu). Ale tak nie jest do końca. Przykładem jest wznoszenie. W Piperze Senece II, którą miałem okazję latać (nie miała silnika krytycznego), w zadanych warunkach lotu, na wznoszeniu na obu silnikach miała wznoszenie 1900 stóp na minutę [ft/min], a na jednym silniku niecałe 200 stóp na minutę [ft/min]. Ogromna różnica.

 Mam nadzieję, że w sposób jasny wyjaśniłem co to jest silnik krytyczny i dlaczego łopata opadająca generuje większą siłę ciągu niż ta wznosząca się. Jak macie pytania to piszcie. Poniżej kilka moich zdjęć ze szkolenia na samoloty wielosilnikowe.

Tutaj widać niepracujące śmigło:

„pozdejmowane manetki lewego silnika”:

Hel: