poniedziałek, 30 września 2013

Silnik PZL FOKA - perpetum mobile lotnictwa II RP. Część 2.

Wszystkie problemy Foki wynikały z triady: układ V8, ciężar, moc. Zbyt lekki silnik generował dużą moc. Nadmiar ciepła niszczył głowicę, a niezrównoważone siły w układzie korbowym powodowały pękanie karterów ponieważ przy założonych obrotach wytrzymałość bloku była niewystarczająca. Silnik rzędowy chłodzony powietrzem ma swoją specyfikę, teoretycznie jest to najlepsza jednostka tłokowa dla lotnictwa. Jednak nigdy nie pojawił się silnik chłodzony powietrzem o mocy ok. 1000 KM pozwalającej na operacyjne użycie w warunkach wojennych. Już w latach trzydziestych zdawano sobie z tego sprawę. Silnik Foka miał konwencjonalną konstrukcję. Osiągnięcie trwałej mocy 320 KM z 8 l pojemności w innych warunkach byłoby zwycięstwem, ale czy w tym wypadku można pozwolić na relatywizm.

Fot: Odkrywca.pl

Wyrównoważenie silników

Siły występujące podczas pracy silnika tłokowego najogólniej można podzielić na siły wewnętrzne i siły zewnętrzne. Do sił wewnętrznych zaliczamy wszystkie te siły, które samoczynnie wyrównoważają się w silniku i nie przekazują obciążenia na podpory silnika, np. siły od ciśnienia gazów, siły tarcia itp. Do sił zewnętrznych zaliczamy te siły, które dążą do zmiany położenia silnika i przekazują obciążenia na podpory silnika. Do sił zewnętrznych zaliczamy siły bezwładności, ciężar silnika, śmigła, siłę ciągu śmigła, siłę nośną wirnika w śmigłowcach itp. Siły zewnętrzne stałe co do wielkości kierunku działania są równoważone siłami reakcji w podporach. Wysoce szkodliwe i niepożądane są siły zmienne podczas pracy silnika, powodujące dynamiczne niewyrównoważenie silnika oraz drgania silnika, które przenoszą się na konstrukcję płatowca. Tymi siłami są siły bezwładności; szczególnie kłopotliwe są siły bezwładności pochodzące od masy będących w ruchu posuwisto-zwrotnym (skupionych w punkcie B). Siły bezwładności pochodzące od sił odśrodkowych dają się łatwo wyrównoważyć za pomocą przeciwciężarów.


Silnik PZL Foka: 1-wał śmigła, 2-reduktor 3-iskrowniki, 4-sprężarka, 5-gaźnik, 6- czopy mocowania, 7-pompy olejowe.

Siły bezwładności równają się:
- pierwsza harmoniczna sił bezwładności od mas w ruchu posuwisto-zwrotnym
B = mBRw²cosα
- druga harmoniczna sił bezwładności od mas w ruchu posuwisto-zwrotnym
B´´B = mBRw²cos2α
- siły odśrodkowe
B0 = mRw²
Wyrównanie tych sił w silniku można osiągnąć poprzez:
- dobór odpowiedniej liczby cylindrów i ich usytuowanie, tak aby siły bezwładności same się wyrównoważony wewnątrz silnika,
- zastosowanie przeciwciężarów na wale korbowym,
zastosowanie wirujących przeciwciężarów związanych z wałem korbowym za pośrednictwem przekładni.

Rysunek przedstawia działanie sił bezwładności w silniku czterocylindrowym.



Siły bezwładności I rzędu od mas w ruchu posuwisto-zwrotnym sumują się i pozostają zrównoważone. Siły bezwładności II rzędu sumują się i pozostają niezrównoważone, można je wyważyć metodą Taylora-Lanchastera.

W silnikach czterocylindrowych z sumy momentów można wywnioskować o tym , że główne węzły mocowania silnika powinny leżeć w płaszczyźnie między trzecim a czwartym wykorbieniem, w celu odciążenia podpór wału stosuje się przeciwciężary na wykorbieniach między drugimi trzecim cylindrem, oraz przy czopie przednim i tylnym.

Schemat działania sił bezwładności od mas w ruchu posuwisto-zwrotnym w silniku widlastym ośmiocylindrowym przedstawia rysunek. Układ V-8 można potraktować jako połączenie dwóch silników czterocylindrowych. Wyrównoważenie sił bezwładności i sił odśrodkowych w silniku czterocylindrowym jest trudne, co przekłada się również się na silnik ośmiocylidrowy. 




Siły bezwładności I rzędu od mas w ruchu posuwisto-zwrotnym równoważą się. Suma sił bezwładności II rzędu I szeregu i II szeregu pozostają niezrównoważone. Niewyrównoważone siły bezwładności I harmonicznej dają wypadkową siłę poziomą B I+II, która może być wyrównoważona za pomocą mechanizmu Lanchestera, który w Foce raczej nie był stosowany ze względu na masę (stosowano go w ciągniku Ursus c-385). W związku z tym działaniu tej siły należy przypisać powstawanie  naprężeń i drgań rezonansowych, które prowadziły do pękania karterów.

Drugim z powodów dla, których ośmiocylindrowy układ widlasty zawiódł były problemy z chłodzeniem. Pisaliśmy o tym, że z relacji prof. Oderfelda wynikało, że zamontowanie owiewek nie przyniosło rezultatu, silnik wymagał powiększenia powierzchni chłodzenia, ale zakłady nie mogły sobie poradzić z odpowiednim żebrowaniem. Rozwiązaniem obydwu problemów był silnik dwunastocylindrowy o mniejszej mocy, kompletnie wyrównoważony ponieważ układzie V12 siły bezwładności i odśrodkowe są zrównoważone.

Dwunastocylindrowy silnik rozstawie cylindrów 90 stopni, o mocy 450-500 KM przy obrotach ok. 3000 i pojemności 12 l, byłby zadaniem z którym ekipa Nowkuńskiego raczej by sobie poradziła, tylko po co? Silnik o parametrach Waltera Sagitta byłby dla Wilka za ciężki wracamy więc do punktu wyjścia, po to aby stwierdzić, że lepszym rozwiązaniem byłby zmodernizowany Mors bądź rozwinięty GR-760. Jak widać, co krok natykamy się na problemy wynikające z braku realizmu i przeceniania możliwości realizacji projektu, który w swej istocie był całkowici zbędny.    
                              
Na forum >>>dws spotkaliśmy się z opinią dotyczącą Foki, że: ”samo zmniejszenie skoku i proporcjonalne do niego zwiększenie  obrotów zwiększa wysilenie za darmo pod względem obciążeń mechanicznych. Oczywiście większe obroty utrudniają pracę rozrządu, a szerokie tłoki utrudniają wymianę ładunku, ale w Foce przezwyciężono te problemy”. Niestety  żadnego z tych problemów w Foce nie przezwyciężono. O wyrównoważeniu silnika V8 pisaliśmy powyżej. Zwiększanie obrotów za darmo to bzdura, niewyrównoważone siły bezwładności I harmonicznej dają wypadkową poziomą, która niszczyła bloki silników jest wprost proporcjonalna do prędkości kątowej wykorbienia wału i cosinusa kąta alfa, który rośnie wskutek zmniejszenia skoku. Owszem siła pochodzi od ruchu tłoka, ale zamiana ruchu posuwistego na obrotowy jest zadaniem mechanizmu korbowego na, który oddziałuje cały zespół sił i należy to łączyć w całość z obrotami, które powodują oprócz tego wzrost mocy oporów mechanicznych, a opory tarcia zmieniają się proporcjonalnie do kwadratu prędkości obrotowej.  W oparciu o średnie ciśnienie użyteczne i prędkość tłoka silnika Mercury VIII nie można wnioskować, że podobne parametry osiągnęła Foka. 




To klasyczne pomieszanie porządków, owszem ciśnienie użyteczne i prędkość tłoka są ważnymi parametrami obciążenia silnika, ale równie dobrze można to mierzyć  za pomocą stopnia sprężania od, którego zależy sprawność obiegu Otto, który to obieg jest obiegiem idealnym. Przy okazji dowolne  porównanie Foki z Merlinem, Bristolem i Sabrem powoduje całkowity zamęt. Wojskowy silnik spalinowy jest urządzeniem technicznym w którym wyśrubowane parametry techniczne walczą o lepsze z wieloma innymi kryteriami jak niezawodność, łatwość produkcji seryjnej, ekonomika i niestety często przegrywają. Prototypu Foki nie doprowadzono do etapu podstawowej sprawności technicznej nie wspominając o roli podstawowego silnika lotniczego do, której Fokę przygotowywano.

Doładowanie

Sprężarka zastosowana w Foce pochodziła z silnika gwiazdowego Bristol Mercury o czym wspomina E. Malak, z jedynego rysunku wynika, że w proporcji do średnicy cylindra wynoszącej 108 mm, średnica wirnika sprężarki wynosi 252-254 mm, co potwierdzałoby nasze przypuszczenia. Przełożenie napędu wynosiło 10:1, maksymalne sprężarki obroty wynosiły więc około 28000/min, ciśnienie ładowania 105-140 g/cm². W Foce zapewne zastosowano by inne przełożenie prawdopodobnie 8:1.

Czas procesu napełniania silnika jest bardzo krótki i wynosi 0,015-0,020 s, a prędkość przepływu mieszanki 50-70 m/s. Tak duża prędkość przepływu wywołuje wystąpienie znaczących oporów hydraulicznych, powodujących znaczny spadek ciśnienia w cylindrze na koniec ssania. Im większe są straty ciśnienia, tym gorsze jest napełnienie cylindra świeżą mieszanką. Straty ciśnienia można wyznaczyć ze wzoru Bernolliego. 




Spadek ciśnienia napełniania jest proporcjonalny do oporów przepływu i kwadratu prędkości obrotowej. Wielkość współczynnika µ zależy od oporów filtra powietrza, długości i gładkości przewodów liczby zagięć przewodów i promieni krzywizn tych zagięć oraz oporów przepływów przez gaźnik i zawory. Dla silników z zapłonem iskrowym µ=5,5-7. W celu zmniejszenia oporów należy stosować przewody o dużych średnicach i gładkich powierzchniach, a wygięcia wykonywać o dużych promieniach (przykładem mogą być kolektory w silnikach samochodów).

Czy to możliwe, że konstruktor Foki tego nie wiedział? Było coś na rzeczy, bo podobno na początku stosując kolektory od forda, osiągnięto moc 180 KM, później zastosowano prostą rurę z odgałęzieniami i moc wzrosła, ale nie do 450 KM tylko dużo niżej. Zapewne w konstrukcji przewodów dolotowych kryje się duża część problemów Foki. Warto też zwrócić uwagę na rolę prędkości obrotowej silnika, zwiększenie prędkości obrotowej powoduje wzrost oporów hydraulicznych i spadek ciśnienia końca ssania, co pociąga za sobą spadek mocy silnika na skutek zmniejszenia się wielkości ładunku świeżej mieszanki. Obroty rzędu 4200/min były niespotykane w silnikach lotniczych, Siłą rzeczy musiały sprawiać konstruktorom mnóstwo problemów, o wytrzymałościowych już mówiliśmy. Wiele wskazuje na to, że przegrzewanie się silnika było spowodowane problemami z napełnianiem  cylindrów i zbyt ubogą mieszanką, co potocznie rzadko jest łączone z wysokimi obrotami.  

Tajemniczy PZL- F

Silnik PZL – F otoczony tajemnicą państwową w czasie budowy i pozostał takim do dziś. Najwięcej informacji dotyczących Foki można znaleźć w publikacjach dwóch znanych autorów - A. Glassa i E. Malaka. Oczywiście najwięcej informacji przekazał autorom prof. Jan Oderfeld. Oprócz tego Jerzy Bełkowski, Włodzimierz Stszeszewski. Andrzej Glass pisał na temat Foki w pierwszym wydaniu P.K.L w połowie lat siedemdziesiątych, następnie zaś w czasopiśmie ,,Lotnictwa i kosmonautyka” z 1980 r. oraz w Monografii samolotu Wilk z 1995 r. Edward Malak w swoich książkach „Prototypy... i Administrowanie …” wielokrotnie w różnych kontekstach porusza problem Foki. W tonie zbliżonym do publikacji mistrza wypowiadają się na temat Foki K. Klobuch i T. Pawłowski.

Podsumujmy więc, co wiemy o silniku PZL Foka Silnik ośmiocylindrowy, chłodzony powietrzem, rzędowy o układzie V o mocy nominalnej 420 KM przy 3800 obrotów na minutę na wysokości 4000 m, mocy startowej 450 KM, o masie 220 kg, ze sprężarką i reduktorem. Osłony silników wykonane z blachy aluminiowej, śmigła trójpłatowe, metalowe Ratier o średnicy 2,0m. W środkowej części płata zbiorniki na 500 l paliwa. Przelotowe zużycie paliwa 110 l/h. Dwa zbiorniki oleju po 20 l. (A. Glass PKL-2008). A. Glass pisze, że silniki były dopuszczone tylko do 10 godzin prób na ziemi i w locie, jednocześnie w tomie II PKL na str. 23 w tabeli podaje, że moc trwała wynosiła 320 KM przy 3800 obr./min. Jak potraktować wiec te parametry?  




W kontekście problemów technicznych, jakie przysporzył silnik w czasie jego budowy, można uznać, iż 320 KM przy 3800 obr./min to maksimum możliwości Foki. Moc 420 KM należało by więc zweryfikować na 320 KM, co przy tej pojemności skokowej i wadze można uznać za wartość porównywalna do najlepszych silników niemieckich. A może traktować tenże parametr jako moc dopuszczalną w czasie prób w locie, o których to Glass pisze nieco enigmatycznie, że w próbach samolot nie przekroczył 410 km/h. W związku z tym, jaką prędkość mógł osiągnąć Wilk z silnikami, które dawały moc 320 KM. Prędkość max Wilka została zweryfikowana z zakładanym 500 km/h do 465 km/h, z prostych obliczeń wynika, że Wilk w tym układzie nie mógł osiągnąć prędkości wyższej niż 400 km/h.  

Nie zamierzamy  stosować taryfy ulgowej wobec polityki historycznej uprawianej wbrew faktom. Samolot P-38 Wilk z silnikiem Foka nigdy nie osiągnął zakładanych parametrów, nie został wprowadzony do produkcji seryjnej i niezależnie od ilości tuszu drukarskiego, jaki wylano na rozważania alternatywne typu”  Foka się udaje i”….  nie da się tego zmienić.

Z artykułu zamieszczonego w czasopiśmie Technika Lotnicza i Astronatyczna z roku 1980. nr 2 zatytułowanym „Silnik inż. Nowkuńskiego PZL Foka A”, autor podaje, że większość informacji technicznych na temat Foki pochodzi z powojennych relacji inżynierów PZL, artykuł lotniczy ich zdaniem ,,Opracowana na podstawie relacji mgr. inż. W. Skrzeszewskiego ( z lat 1968-1969) i prof. dr inż. J. Oderfelda”.

Dostępne dokumenty archiwalne w niewielkim stopniu dotyczą kwestii technicznych, o czym wspomina W. Mazur sugerując, że relacje inżynierów PZL pracujących przy Foce należy poddać krytycznej analizie, podobnie jak inne materiały źródłowe, w których bardzo często mamy do czynienia z ,,urzędowym optymizmem” generowanym zarówno przez Dyrekcję PZL, jak i przez Dowództwo Lotnicze.

Motyw niedostatecznej kontroli przewijał się przez całą historię przemysłu lotniczego II RP. Etatyzacja przemysłu lotniczego sprawiła, iż zasilany państwowymi pieniędzmi niewydajny układ funkcjonował zgodnie z prawem Parkinsona, a takie projekty, jak Foka czy też Wilk można było przeciągać w nieskończoność, Produkcja była bardzo droga z racji niewielkiej wydajności, a przywileje pracowników, szczególnie dyrekcji wygórowane. Oczywiście pojawia się w związku z tym pytanie – czy warto było inwestować we własny przemysł lotniczy? Odpowiedź powinna być twierdząca, ponieważ mówimy o wartościach samych w sobie, a wyeliminowanie błędów było stosunkowo proste.

Po co nam PZL.38 Wilk?      
Proces mitologizacji Wilka z silnikami Foka posunął się bardzo daleko. Jednak z nielicznych relacji konstruktorów i oblatywaczy wyłania się smutna prawda. Piękny samolot o wystudiowanych kształtach sprawił bolesną niespodziankę. Porażkę Wilka łączy się zwykle z nieudanym programem budowy silnika PZL Foka, a w dalszej kolejności z  przekroczeniem masy płatowca, jednak przyczyny były znacznie głębsze i tkwiły przede wszystkim w sferze nadbudowy. Wilk nie był tym samolotem na jaki oczekiwało lotnictwo myśliwskie, a i jego wielozadaniowość była wielce problematyczna. Czy można obwiniać gen. L. Rayskiego za to, że chciał uczestniczyć w burzliwym procesie rozwoju światowego lotnictwa, czerpać z jego nurtu najlepsze pomysły i umieszczać w nim polskie konstrukcje?
Nawet udany Wilk mógłby podzielić los Łosia. Był zbyt nowoczesny, wyprzedzał swój czas, a lotnictwo polskie, pozbawione należytego wsparcia, tkwiło w koncepcyjnej i mentalnej zapaści, za którą odpowiadało najwyższe dowództwo. Ale dopóki zajmujemy się sprawami technicznymi, najlepszym sposobem dociekania prawdy o wadach i zaletach konstrukcji lotniczych jest wykonanie kilku podstawowych obliczeń. Znając awersję czytelników do matematycznych wzorów, całą operację skrócimy do absolutnego minimum.
Dane do obliczeń zaczerpnęliśmy z wypowiedzi lub publikacji osób zaangażowanych bezpośrednio w realizację programów Wilk i Foka.
Oto relacja J. Widawskiego, pilota doświadczalnego PZL - Podczas prób szybkości nad ziemią zerwała się osłona kabiny pilota. Szczęśliwie lądowanie obyło się bez uszkodzenia samolotu. Przy tych próbach, jeśli dokładnie pamiętam, wskaźnik prędkości wskazywał około 400 km/h. Ta szybkość była notowana na wysokości około 100 metrów nad ziemią. Prób szybkości na wysokości 3-4-5 km nie robiłem.

Na konferencji dotyczącej silnika PZL Foka (maj 1938) płk. Abczyński powiedział, iż Wydano już 5,5 mln złotych, a Foka nie przekroczyła 235 KW-320 KM, przeto domagamy się zakończenia prac nad tym silnikiem.

 Franciszek Misztal. Założenia konstrukcyjne i obliczenia w budowie samolotów.

Dane techniczne samolotu PZL.38 Wilk

  Moc startowa               490 KM
 Moc nominalna             430 KM    na wys. 4000 m
 Prędkość max.             465 km/h  na wys. 5200 m
 Powierzchnia nośna     20,4 m
 Prędkość max, projekt  500 (+-3%)
 Masa samolotu            2800 kg

Już na pierwszy rzut oka widać, że przedstawione wielkości są niespójne. Wykonanie obliczeń wymaga dodatkowych danych takich jak: sprawność śmigła i moc silnika na wysokości 5200 m. Prototyp Wilka wyposażony był w przestawialne na ziemi śmigło Ratier, przy prędkości maksymalnej jego sprawność powinna  wynosić n=0,8, przyjmujemy moc silników wynoszącą na wysokości 5200 m Ns=400 KM, gęstość powietrza według atmosfery wzorcowej p = 0,720 kg/m3

1.  Obliczamy wartość współczynnika Cx dla danych projektowych w wersji ekstremalnej
          
                       Cxmin. = 2 Nr/V3*p*S*                        V=515 km/h
Obliczona wartość współczynnika oporu wynosi Cx=0,0218789. Jest to bardzo dobry wynik odpowiadający raczej parametrom samolotów wyścigowych. Jako że aerodynamika Wilka była niezwykle dopracowana, płatowiec był najmocniejszą częścią projektu Wilk. Przy założeniu, że prototyp zostanie specjalnie przygotowany (zaklejenie szczelin, malowanie, szlifowanie, itp.) wynik można uznać za realny do osiągnięcia. Opór maszyn seryjnych byłby ze zrozumiałych powodów znacząco większy  

2. W nawiązaniu do relacji J. Widawskiego obliczymy siłę ciągu Ps silników Foka na wysokości 100m, przy prędkości 390 km/h. W locie ustalonym siła ciągu jest równa sile oporu aerodynamicznego, zatem Ps=Px.

                                                 Px = V2*p*S*Cx/2

3. Siła oporu wynosi 3208,2 N, w dalszej kolejności obliczamy moc rozporządzalną         silników stosując wzory:

                                                  Nr = Ns*0,8
                                                  Nr = Px*V
                                                  Ns = Px*V/0,8

4.  Moc rozporządzalna silników wynosi 347544,3 W, czyli 472,8 KM, moc całkowita wynosi 591 KM, dzielona na dwa  daje moc pojedynczego silnika wynoszącą 295,5 KM.

Zarówno zastosowana metoda jak i poczynione teoretyczne założenia mogą prowadzić do błędów. Ewentualna korekta nie powinna przekraczać 10%, zatem można przyjąć, że realna moc silnika wynosiła około 320 KM (zgodnie z wypowiedzią płk H. Abczyńskiego).
Niska moc i  dziesięciogodzinny resurs pozbawiają złudzeń co do trwałości i użyteczności silnika.
Oczywistym błędem było rozciągnięcie w czasie programu Foka. W materiałach na XVI Międzynarodowy Salon Lotniczy w 1938 r. podano obniżoną, w stosunku do projektowanej prędkość Wilka wynoszącą 465 km/h.
Problemy z Foką w 1938 roku były aż nadto widoczne.

6. Moc nominalną (430 KM) silnik miał rozwijać na wysokości 4000 m, natomiast najwyższą prędkość na wysokości 5200 m, przy niższej mocy (przyjęliśmy 400KM). Na jednym z forów zetknęliśmy się z następującą opinii: tajemnicą dla mnie pozostaje dlaczego samolot nie osiągał prędkości maksymalnej tam gdzie silnik miał moc maksymalną tylko wyżej, może chodzi o strumień powietrza nawiewanego do gaźnika i podnoszącego ciśnienie ładowania w stosunku do danych z hamowni. Przedstawiony wywód  wewnętrznie sprzeczny, a merytorycznie błędny. Zagadka ma proste rozwiązanie, wystarczy znajomość prawa Newtona i liczby Reynoldsa. W jaki sposób prawo oporu wpływa na liczbę Reynoldsa? Przy wartości Re<1 dominują siły lepkości, opór w myśl prawa Stokes'a jest proporcjonalny do pierwszej potęgi prędkości. Przy wyższych liczbach Reynoldsa Re> 3*103 zmienność lepiej oddaje wzór:

                                                               Px ~ V1,75

przy czym wykładnik potęgowy zmienia się ze wzrostem Re, zbliżając się coraz bliżej do wartości równej 2, to znaczy do prawa Newtona.
Liczba Reynoldsa oddaje stosunek sił inercji powietrza do jego sił lepkości, na zasadzie: niska Re-duża lepkość-mała inercja, wysoka Re-mała lepkość-duża inercja. Innymi słowy im liczba Re jest większa, tym szybciej dojdzie do zaburzenia  warstwy przyściennej.
W przypadku bryły opływowej jaką jest płat, opór kształtu jest zredukowany prawie do zera, zasadniczego znaczenia nabiera opór tarcia w warstwie przyściennej.

Obliczyliśmy liczby Reynoldsa dla: prędkości minimalnej 120 km/h na wysokości 0m, wynosi ona  Re=5*106. Przy tak dużej liczbie Reynoldsa siły oporu liczymy w oparciu o prawo Newtona, a wartość oporu przy tej samej prędkości będzie zależna od gęstości powietrza. Na wysokości 4000 m gęstość powietrza wynosi 0,819 kg/m3, a na 5200 m maleje do 0,720 kg/m3, proporcjonalnie do gęstości maleje opór (13,5%) i wzrasta prędkość. Nie znamy typu i wydajności sprężarki. Założyliśmy spadek mocy o 7,5%, bez doładowania byłby on znacznie większy, ale to tylko częściowe rozwiązanie zagadki .
Re zmniejsza się wraz z wysokością ze względu na zwiększającą się lepkość kinematyczną powietrza, stosownie do wzoru:

                                                          Re = V*Ca/v

gdzie: V-prędkość, Ca - średnia cięciwa aerodynamiczna, v (ni) - kinematyczna lepkość  powietrza.
Przy prędkości 465 km/h na wysokościach 4000 m i 5200 m, liczby Reynoldsa wynoszą odpowiednio 1,4*10i 1,2*107.
Płat Wilka posiadał laminarny profil IAW-743, będący dziełem J. Dąbrowskiego. Ten rodzaj profilu charakteryzuje się laminarnym opływem, nawet przy bardzo dużych liczbach Reynoldsa. Profil IAW-743 miał przesuniętą maksymalną grubość na odległość 40% długości cięciwy. W efekcie osiągnięto znaczne powiększenie strefy opływu laminarnego, co dawało znaczną redukcję oporu tarcia. Teoretycznie niższa liczba Reynoldsa zmniejsza turbulencję w warstwie przyściennej. Sprzyja to wydłużeniu warstwy laminarnej. Jednak przy tak małych różnicach pomiędzy wielkimi liczbami Re rodzą się wątpliwości, które rozstrzygnąć mogłoby badanie oporu w tunelu aerodynamicznym.

Większe liczby Reynoldsa, dla pełnowymiarowego samolotu, oznaczają duża interakcję powietrza w sposób ”zderzeniowy”. Jest to spowodowane ogromnymi prędkościami względem powietrza. Siły lepkości  dla samolotów są duże ze względu na ich opływowe kształty i mogą powodować negatywne efekty.
7. Wznoszenie nie było najmocniejszą stroną Wilka, wg Glassa wynosić miało 8 m/s. Obliczamy wznoszenie  na poziomie ziemi według wzoru:

                         w = Nr-Nn/m*g          Nr =   Ns*n         Nn=Px*V

     Ns- moc silników 640 KM
     Nr- moc rozporządzalna                                      
     Nn- moc niezbędna do lotu poziomego
     n-sprawność śmigła-0,75
     V- najniższa prędkość lotu poziomego, równa prędkości lądowania z wychylonymi klapami i otwartymi slotami - 120 km/h (33,33 m/s)
    Cx- współczynnik oporu przy dużym kącie natarcia, wychylonych klapach i otwartych slotach, w  oparciu o wyniki dmuchań płata PZL.37 Łoś - 0,40
Wynik z silnikami o mocy 320 KM, przy przekroczonym ciężarze Q= 2800 jest stosunkowo dobry. Wynosi w=6,1 m/s, częściowo ze względu na przyjętą wysoką sprawność śmigła.
Po dziś dzień Wilk zachwyca elegancją linii i dynamiką kształtów. Aerodynamiczne dopracowanie płatowca było bez zarzutu, co więcej dawało nadzieję, że z odpowiednimi silnikami i nowymi lżejszymi skrzydłami Wilk osiągnąłby projektowaną prędkość i wznoszenie.


W latach trzydziestych testowano różne pomysły na nowoczesny myśliwiec, ale musimy mieć na uwadze, iż stałą i podstawową tendencją od początku ery lotniczej do dziś był ciągły wzrost mocy silników, idący za tym przyrost ciężaru samolotu, wynikający z tego wzrost obciążenia jednostkowego płatów, prowadzący do wzrostu prędkości max samolotu, przy zachowaniu osiągniętego wcześniej jednostkowego obciążenia mocy i współczynnika ciągu do ciężaru.

Koncepcja samolotu PZL.38 Wilk szła jednak pod prąd tak zarysowanej tendencji i miała znamiona rewolucyjnej zmiany, polegającej na zastosowaniu lekkich silników rzędowych chłodzonych powietrzem o stosunkowo niewielkiej mocy, niewielkich rozmiarach samego płatowca  odpowiadających maszynie jednomiejscowej oraz silnym uzbrojeniu o znaczącym ciężarze. Była pomysłem na mały, sprawny i tani samolot wielozadaniowy.
Wilk nawiązywał więc do niemieckiego samolotu niszczycielskiego Messerschmitt Bf–110 (Zerstorer), ale w wersji mini. Niemiecki Zerstorer wywodził się z prostej linii z teorii włoskiego gen. Giulio Douheta postulującego budowę wielkiej ilości dużych wielosilnikowych samolotów bitwy. W pierwotnym pomyśle Wilk miał posiadać wszelkie walory samolotu pościgowego, a do tego można go było wykorzystać do zadań wywiadowczych, eskortowanie, atakowanie celów naziemnych, bombardowania z lotu nurkowego, itp. W rezultacie powstała maszyna, która nie mogła wypełnić żadnego z  tych zadań. Główną przyczyną niepowodzenia nie był jednak silnik, lecz błąd w ogólnej koncepcji Nie można zbudować udanego samolotu wielozadaniowego w oparciu o wzajemnie wykluczające się zasady. Sprawny samolot wielozadaniowy to uniwersalny system uzbrojenia zdolny na dużych przestrzeniach wykonywać najbardziej różnorodne zadania bojowe. W związku z tym musi być wyposażony w możliwie najmocniejszy silnik, posiadać możliwie największy udźwig uzbrojenia i paliwa oraz mocną konstrukcję i opancerzenie zapewniające bezpieczeństwo załodze. Wymaga to dużej wagi startowej, a co za tym idzie dużego obciążenia jednostkowego. 

Zmagania lotnictwa podczas II WŚ dowiodły, że myśliwce atakujące ciężkie bombowce muszą być odporne na ogień przeciwnika (opancerzenie i samouszczelniające się zbiorniki) oraz  uzbrojone w kilka działek. Niestety, ze względu na swe rozmiary P.38 nie spełniał tych wymogów. Wilk sprawdziłby się jako szybki samolot rozpoznawczy, ewentualnie ze względu na konserwatyzm dowództwa jako  samolot liniowy nowego typu, uzbrojony jedynie w zdwojone karabiny maszynowe pilota i obserwatora, z kamerami fotograficznymi w dziobie i trzema zamkami na bomby do 100 kg (opcja lekkiego bombardowania),  w tej roli byłby lepszy od powolnego Karasia.
Zadanie podstawowego myśliwca powinien przejąć PZL.50 Jastrząb wyposażony w silnik Gnome-Rhone 14N. Upadek Wilka był wynikiem wyczerpania skromnych zasobów polskiego przemysłu lotniczego i energii niewielkiej grupy osób szczerze oddanych polskiemu lotnictwu. Entuzjazm i szczere intencje nie wystarczą gdy decydentom brakuje wizji przyszłej wojny i wiary w  potęgę lotnictwa.  
ANT-6 cywilna wersja radzieckiego bombowca TB-3 podczas wizyty w Polsce, rok 1933. Źródło: http://www.audiovis.nac.gov.pl


Waga Wilka

Przez wiele lat pokutował pogląd, że ciężar własny Wilka był przekroczony o 440 kg. Jak na tak niewielki samolot byłaby to rekordowa pomyłka, co ciekawe nie naprawiona od kilkudziesięciu lat. Czy to możliwe żeby tak uznany autor jak  A. Glass przez lata nie dokonał naprawy ewentualnego błędu? Przecież wielokrotnie kontaktował się z konstruktorami Wilka, zapewne znał ich osobiście, czyżby mimo to tkwił w błędzie? Wydaje się to niewiarygodne.

Ustalenia A. Glassa podważają E. Malak i K. Klobuch. E. Malak powołując się na tajne dane podaje, że ciężar własny samolotu miał wynosić 1720 kg, a ciężar całkowity 2200 kg, plus trzystukilogramowa bomba w sumie 2500 kg. Następnie autor porównuje ciężar Wilka do znanych samolotów jednosilnikowych konstatując, że: krytycy projektu nie wyjaśniają dlaczego miałby on okazać się lżejszy od wybitnych konstrukcji zagranicznych.

Jak zwykle u prof. Malaka tłumaczenie jest nieco zawiłe. Podejście do problemu powinno być inne. Wilk miał być również bombowcem nurkującym, zatem wymogi dotyczące wytrzymałości konstrukcji są znacznie wyższe. Współczynnik przeciążenia powinien wynosić 12, w związku z tym  ciężar własny w stosunku do całkowitego powinna być adekwatna do innych bombowców nurkujących. Stosunek ciężaru własnego do całkowitego u ośmiu sprawdzonych bombowców nurkujących wynosi ponad 67%. 
Jeżeli ten współczynnik zastosujemy przy ciężarze własnym 1720 kg otrzymamy ciężar całkowity 2567 kg, co pozwoliłoby na ujęcie paliwa i oleju - 400 kg, załogi – 180 kg, bomby -300 kg, brakuje na amunicję i inne drobiazgi, ale nie zgadza się to z rzeczywistymi danymi. 




Według F. Misztala ciężar płatowca wynosił 846 kg, a zespołu napędowego 870 kg. Byłoby to razem 1716 kg, czyli pierwotna waga samolotu, raczej trudno przypuszczać, że w ciężarze płatowca ujęto wyposażenie i uzbrojenie o łącznym ciężarze 288 kg do tego paliwo 400kg, załoga 180 kg razem z bombą daje to 2884 kg. Przy tej masie całkowitej, ciężar użyteczny wynosiłby około 900 kg. Po odjęciu wagi paliwa i załogi udźwig samolotu wynosiłby 320 kg. W związku z tym do zadań bojowych (z bombą 300 kg) samolot musiałby startować z mniejszą ilością paliwa. Po zastosowaniu przelicznika 0,67 otrzymujemy domniemaną masę własną 1932 kg. Ciężar własny na poziomie 1900 kg byłby zgodny z relacjami F. Misztala i T. Tarczyńskiego, którzy twierdzili, że przekroczenie ciężaru wynosiło poniżej 10%. Samolot miał przekroczony ciężar skrzydeł, natomiast kadłub wymagał wzmocnień z powodu buffetingu tylnej części, co pociągnęło za sobą wzrost ciężaru. Teoretyczna waga samolotu 2800 kg wymagała zastosowania silników o większej mocy. Foka o trwałej mocy 320 KM byłaby za słaba. K. Klobuch dokonuje rekonstrukcji mas prototypu i projektu zaniżając według swego uznania wagę kadłuba i skrzydeł oraz dowolnie manipulując zużyciem paliwa oraz mocami silników. Foka była paliwożerna zużycie paliwa wynosiło 110 l/h przy prędkości przelotowej. 500 l paliwa wystarczyłoby na około 2,5 h lotu. Wilk miał zbiorniki o pojemności 500 l i do obliczenia ciężaru całkowitego przyjmuje się zbiorniki napełnione. Powielana przez lata informacja o przekroczonym ciężarze Wilka zapewne doczeka się weryfikacji, jej obliczenie mamy nadzieję będzie się pokrywało z naszym. Przekroczenie ciężaru o 440 kg w tak małym samolocie  świadczyło by o braku profesjonalizmu.
                                                                                                           
Podsumowanie      

Artykuł ten powstawał w polemice do autorów, którzy narzucają w swej  narracji historycznej osobliwą metodę, polegającą na traktowaniu bytów niedojrzałych, które mogłyby być, co najwyżej zapowiedzią przyszłego sukcesu znamion arcydzieła. I mimo tego, że rozumiemy ich intencje budzi się w nas sprzeciw.                                                                                                                                                                         
Chodzi nam przede wszystkim o Fokę i Wilka, traktowanie tych konstrukcji w kategorii dzieł skończonych wręcz doskonałych przeczy faktom (i nie mamy tu na myśli snucia tzw. historii alternatywnej). Koncepcja Wilka z silnikami Foka była przejawem skrajnej desperacji Dowództwa Lotnictwa wywołanej mizerią finansową panującą w IV Departamencie. Tani wielozadaniowy samolot o rewelacyjnych osiągach miał rozwiązać problem sprzętowego zapóźnienia. Niestety w lotnictwie pośpiech i finansowe oszczędności  zwykle zamieniają się w katastrofę. W budżecie bogatego państwa niepowodzenie silnika lotniczego, byłoby niewiele znaczącym epizodem, w Polsce powoduje załamanie się całego programu modernizacji lotnictwa. Dlatego realizacja programu Foka była błędem. Modernizację  należało oprzeć na dostępnych silnikach i technologiach minimalizując ryzyko niepowodzenia.

Kiedy krytykujemy ludzi i konstrukcje sprzed lat, nie czynimy tego z niskich pobudek, prawda o polskim lotnictwie jest bolesna niewiele, było autentycznych sukcesów, wiele, zapału i oddania poszło na marne, ludzie którzy wszystko poświęcili polskiemu lotnictwu latami egzystowali w poczuciu klęski. Dla tego wystrzegamy się półprawd. Historię samolotu Wilki silnika Foka- traktujemy w kategoriach dramatu, wielkiego i bolesnego niespełnienia, choć zwycięstwo było tak bliskie.                                                                                                                                       

8 komentarzy:

  1. Poprawcie tę literówkę z obrotami (28000/min), bo jeszcze ktoś pomyśli, że Foka lub Mercury to silnik turbinowy.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Fragment, do którego Pan nawiązuje odnosi się do obrotów sprężarki, a nie silnika.

      Usuń
  2. Z bólem serca trzeba chyba przyznać, że cały kierunek rozwoju lotnictwa obrany we wczesnych latach 30. był nieszczęśliwy. Wielozadaniowy Wilk z Mercurymi albo Pegasusami miałby sens i znajdował się w zasięgu możliwości finansowych, gdyby budować go zamiast Łosia, który niestety poza demonstracją możliwości dawał przy osiągalnych liczbach bardzo niewiele. Natomiast rezygnacja ze średniego bombowca na rzecz maszyny głównie pościgowej, ale dysponującą możliwością zabrania maksymalnie około tony bomb na podwieszeniach zewnętrznych, ataku z lotu nurkowego i silnym uzbrojeniem artyleryjskim dałaby bardzo ciekawą maszynę, akurat taką, jakiej potrzebowało lotnictwo do wykonania zadań na rzecz wojsk lądowych. Dąbrowski i Kubicki poradziliby sobie z takim zadaniem niechybnie bardzo dobrze, samolot byłby od Łosia tańszy i mniej materiałochłonny, zatem można by go zamówić pierwotnie w liczbie zapewne rzędu 200 sztuk lub większej, a w obliczu zagrożenia wojennego skierować na niego ewentualnie dodatkowe środki.

    OdpowiedzUsuń
  3. W artykule z 1980r. wspomniano, że silnika Foka osiągał moc 420 KM na pułapie 3500 m i przy ciśnieniu ładowania 133 KPa. Jakkowiek dane z tego artykułu co do średnicy cylindra czy skoku tłoka zostały w ostatnich latach zakwestionowane przez Prof. Malaka, relacjonującego swoje bezpośrednie rozmowy z inż . Oderfeldem - co oczywiście rzutuje na resztę danych z artykułu - to jednak trudno przyjmować, żeby prędkość maksymalna samolotu Wilk występowała na poziomie morza. W takim razie przedstawione w artykule wyliczenie prędkości maksymalnej osiąganej na poziomie morza powinno być opatrzone komentarzem, że zasadnicza prędkość maksymalna występowała wyżej. Porównując prędkość osiąganą przez Łosia przy ziemi i osiąganą przez Łosia na pułapie nieco wyższym, można przy tym dojść do wniosku, że wyliczona dla Wilka przy ziemi wartość jako 388 km/h musiałaby oznaczać osiągniecie na pułapie dużo większej prędkości, niż 410 km/h podawane przez P. Glassa ostatnio.

    W artykule wspomniano w jednym miejscu o układzie Taylora - Lanchestera. Ciekawostką jest to, że na stronach Internetowych w innych językach nie ma mowy o takim układzie. Zapytać więc można - czy twórcą tak pomyślanego układu - z kilkoma wałkami a nie tylko jednym nie był aby Karol Taylor, który prawdopodobnie wykładał na Politechnice Warszawskiej budowę silników?

    OdpowiedzUsuń
  4. Proszę poprawić ten fragment:
    "Artykuł ten powstawał w polemice do autorów, którzy narzucają w swej narracji historycznej osobliwą metodę polegającą na traktowaniu bytów niedojrzałych, które mogłyby być, co najwyżej zapowiedzią przyszłego sukcesu znamion arcydzieła."
    Brakuje przecinków i logiki, chociaż można, przy odrobinie dobrej woli, domyślić się, "co autor miał na myśli".
    "Autorzy", których dotyczy polemika, narzucają metodę, czy znamiona?

    OdpowiedzUsuń
  5. Moim zdaniem sam fakt próby poruszanie takiej tematyki ma sens i szkoda wchodzić w polemikę, tym bardziej jako "anonimowy"

    OdpowiedzUsuń
  6. Zamiast komentarza:
    Inż. Ryszard Bartel - ...a teraz wyjaśnienie dotyczące silnika „Foka”. To, co pisze, jest najbardziej miarodajne, do mam bezpośrednio informacje od inż. Strzeszewskiego na 3 miesiące przed jego zgonem. A on zajmował się w studium fabrycznym próbami „Foki” na hamowni i sam był autorem poprawek i uzupełnień, które „Fokę” wyciągnęły na „czyste wody”. Otóż tak to wygląda. Silnik szeregowy 8-cylindrowy w układzie „V” odwrócone o chłodzenie powietrznym. Moc silnika 450 KM na wysokości 3000 m oraz moc startowa 620 KM przez około półtorej. Po śmierci inż. Stanisława Nowkuńskiego dalsze prace konstrukcyjne prowadził inż. J. Oderfeld przy współpracy inż. Włodzimierza Strzeszewskiego – kierownika warsztatu Studiów. Początkowo silnik nie dawał pełnej mocy z powodu niewłaściwego rozwiązania sprężarki i przewodów wlotowych. Później właściwą moc uzyskano, ale stwierdzono pęknięcia karteru silnika, które uniemożliwiały rozpoczęcie serii do 1939 r. Inne informacje, sprzeczne z powyższymi, są niemiarodajne...

    Michał Krawczyk, Warszawa

    OdpowiedzUsuń
  7. >Moc silnika 450 KM na wysokości 3000 m oraz moc startowa 620 KM przez około półtorej
    Albo są to dane dla foki w wersji 12 cylindrowej, albo zaczęli używać 100 oktanowego paliwa do testów.
    To drugie byłoby bardziej prawdopodobne, tonący brzytwy się chwyta.

    OdpowiedzUsuń