Silniki, które obecnie wykorzystywane są w lotnictwie to prawie bez wyjątków spalinowe silniki tłokowe, turbośmigłowe lub turbinowe, takie jak turboodrzutowe czy turbowentylatorowe. Nie zawsze jednak w przestworzach używano tylko takich. Przyjrzyjmy się bliżej nietypowym z dzisiejszego punktu widzenie rodzajom napędów lotniczych.
- W maszynach latających np. w samolotach wykorzystuje się dziś tylko kilka typów napędu
- W historii lotnictwa pojawiały się pomysły napędzania ich zupełnie innymi sposobami – węglem, energią atomową
- Dziś również eksperymentuje się z niekonwencjonalnymi typami napędów – elektrycznym, wodorowym, a nawet z samolotami napędzany siłą ludzkich mięśni
Czasami mówi się, że dobry pilot poleci i na drzwiach od stodoły czy też hangaru. Coś w tym jest, bo wśród pilotów szybowcowych oznacza to, że sprzyjających warunkach, nawet na sprzęcie o małej doskonałości lotniczej można latać i długo i daleko. W przypadku większości konstrukcji lotniczych jednym z najważniejszych jej elementów jest jednak silnik. To on decyduje bowiem o osiągach maszyny, prędkości, pułapie, zużyciu paliwa czy w końcu o jej zasięgu i w ogóle o tym, czy będzie ona przydatna do zadań, do których została zaprojektowana.
Pierwszy samolot na świecie, Flyer I skonstruowany przez braci Wilbura o Orville’a Wright napędzany był przez silnik spalinowy, zbudowany przez ich pracownika, Charliego Taylora. 12-konna jednostka umożliwiła wykonanie pierwszego w historii lotu. Maszyna w niego wyposażona, 17 grudnia 1903 roku na wzgórzach Kill Devil Hills w Karolinie Północnej w 12 sekund pokonał 36,5 metra przy mocnym przeciwnym wietrze. Tego samego dnia bracia dokonali kolejnych trzech przelotów, w których samolot przeleciał 270 metrów, a najdłuższy lot trwał 59 sekund.
Od tego czasu konstrukcje latające rozwinęły się niesamowicie. Latamy dziś niemal na co dzień, i to nie tylko na krótki dystanse, ale także pokonując trasy pomiędzy kontynentami, wynoszące tysiące i dziesiątki tysięcy kilometrów. Wszystko to m.in. dzięki ogromny postępowi, jaki dokonał się w dziedzinie napędu. Powszechnie dziś korzysta się z silników tłokowych (w mniejszych maszynach), silników turbośmigłowych oraz silników turbinowych i ich pochodnych, np. turboodrzutowych, turboodrzutowych dwuprzepływowych i turbowentylatorowych, z których korzysta się w dużych samolotach. Jednak napędy te, to nie jedyne pomysły na napędzanie samolotów, z jakimi mieliśmy do czynienia w historii lotnictwa, i niejedyne napędy, z których być może będą korzystać latające maszyny. Oczywiście warto pamiętać, że materiał ten nie wyczerpuje tematu, a jedynie przybliża niekonwencjonalne typy napędów, które były są lub być może będą stosowane w maszynach latających.
Samoloty i konstrukcje parowe
Pierwszym człowiekiem, o którym można powiedzieć, że podróżował na pokładzie samolotu był Clement Ader. Jego maszyna, nazwana Eole napędzana była silnikiem parowym. Miała skrzydła w kształcie skrzydeł nietoperza i udało się jej przelecieć 50 metrów. Zbudowano ją w latach 1882–1890. Konstrukcjami Adera zainteresowało się francuskie wojsko, jednak pod dwóch nieudanych próbach, w 1897 roku, zrezygnowano z jego projektu – deklaracji o możliwościach jego konstrukcji nie udało się potwierdzić oficjalnymi raportami.
Pierwszą parową maszyną latającą był Ariel, powietrzny parowóz, opatentowany w 1842 roku. W praktyce okazał się jednak niezdolny do lotu, ponieważ jego ciężki silnik parowy nie miał wystarczającej mocy. Jego konstruktorzy, William Samuel Henson i John Stringfellow zbudowali w 1848 roku nieco bardziej udany model, któremu udało się dokonać przelotów w hangarze na bardzo krótkie odległości.
Wielu innych konstruktorów twierdziło, że zbudowało samoloty parowe zdolne do lotu. Gustave Whitehead opowiadał nawet, że na długo przed pierwszym lotem odwiedził go jeden z braci Wright, aby zobaczyć jego maszynę, którą rzekomo latał, tak skutecznie, że jego palacz i pasażer został ranny w wypadku lotniczym. Maszyna rzekomo uderzyła w górne piętro budynku mieszkalnego. W latach 30. XX wieku pracowano nad dwupłatowcem parowym, opartym na maszynie Travel Air 2000. Parowa odmiana napędzana była 150-konną jednostką w układzie widlastym.W 1934 roku prasowe doniesienia mówiły o samolocie zaprojektowanym przez niejakiego Huettnera, głównego inżyniera w Klingenberg Electric Works w Berlinie. Jego samolot ponoć wykorzystywał obrotowy kocioł w połączeniu z turbiną parową. Maszyna ponoć była zdolna do osiągnięcia 420 km/h i 60-godzinnych przelotów bez międzylądowań. Te rewelacja nie zostały jednak nigdy potwierdzone. Berliński reporter czechosłowackiej gazety, w której ukazał się artykuł o tym projekcie, został aresztowany, a tematu nigdy więcej nie poruszono. W 1938 roku nad podobną konstrukcją pracowano w brytyjskiej firmie Aero Turbines Limited, która jednak przestała istnieć w 1948 roku i nigdy jej nie ukończono. Podczas II wojny światowej niemieccy inżynierowie pracowali także nad parową odmianą Messerschmitta Me 264. Nigdy go jednak nie zbudowano. Ostatnie doniesienia o zastosowaniu silników parowych w konstrukcjach latających pochodzą z lat 60. XX wieku, kiedy to Don Johnson z Thermodynamic Systems Inc. Przedstawił rysunki koncepcyjne silnika, mającego napędzać helikopter Hughes 300. Nie powstał jednak ani jeden prototyp.
Na węgiel
W sytuacjach kryzysowych często sięga się po nietypowe rozwiązania. Tak właśnie stało się podczas II wojny światowej. Niemiecki projektant Alexander Lippisch wpadł na pomysł napędzania samolotu węglem. Idea bazowała na silniku pulsacyjnym, tyle tylko, że zamiast konwencjonalnego paliwa stosowany miał w nim być właśnie węgiel. Nie wiadomo niestety dokładnie, czy paliwem była stała postać węgla, np. drobny miał lub koks czy też paliwo ciekłe powstałe właśnie z węgla. Konstruktor pracował jednak nad kilkoma projektami. Wszystkie oparte były na konstrukcji typu delta. Pierwsza maszyna, której założenia określono na etapie wstępnych badań, miała być naddźwiękowym myśliwcem, taranującym swoich przeciwników. Tutaj zakładano jeszcze zastosowania konwencjonalnego paliwa ciekłego. Następną inkarnację projektu nazwano Lippisch P.12. Nigdy do końca jej nie zdefiniowano, jednak wiadomo, że miała to być konstrukcja w formie latającego skrzydła w układzie delta z silnikiem strumieniowym. Późniejsze jej wersje obejmowały także ustrzeżenie pionowe w formie grubej „płetwy”. Kolejną wersją maszyny była P.13a, bardzo podobna do poprzedniej, jednak w jej wypadku testowano także wariant z prostokątnym dziobem, służącym do wspomnianego już taranowania wrogich jednostek. W 1944 roku Lippisch, w związku z tym, że dostępność paliwa konwencjonalnego była mocno ograniczona, zaproponował, aby maszyna napędzana była węglem. Ba, był zdania, że jest to paliwo nawet lepsze niż ciekłe, bo łatwiej kontrolować komorę spalania. Początkowo w silniku miał być zastosowany kosz z metalowej siatki, w którym znajdowałby się węgiel brunatny. Pochodzący z jego spalania tlenek węgla miałby następnie być zmieszany i spalony w połączeniu z powietrzem, tym samym wytwarzając ciąg. Układ okazał się nieskuteczny, więc opracowano obrotową komorę spalania, aby poprawić sprawność termodynamiczną konstrukcji. Z powodzeniem przetestowano ją w Austrii w 1944 roku na modelach w skali. W pełnej wielkości projekt zbudowano jako szybowiec DM-1. Miał on 6,7 metra rozpiętości skrzydeł. Lippisch nie był jednak zainteresowany, aby projekt ukończyć, a jego zaangażowanie w konstrukcję DM-1 miało na celu jedynie zajęcie studentów uniwersytetów w Darmstadt i Monachium, aby ci nie zostali wcieleni do wojska. Konstrukcja nie została ukończona. Lippisch ratował się ucieczką, kiedy do Wiednia wkroczyła Armia Czerwona, a sam DM-1 trafił w amerykańskie ręce. Replika maszyny znajduje się w Military Aviation Museum w Virginia Beach. Co jakiś czas pomysł na zasilanie silników węglem pojawia się jednak na nowo. Z węgla można byłoby bowiem wytwarzać konwencjonalne paliwo, podobnie, jak robimy to w przypadku ropy naftowej.
Napęd atomowy
Taki pomysł padł podczas zimnej wojny. Polegał on na konstrukcji silnika odrzutowego, w którym sprężone powietrze podgrzewane było ciepłem pochodzącym nie ze spalania konwencjonalnego paliwa, ale z reakcji rozszczepienia. Prace takie prowadzone były zarówno w USA jak i w ZSRR. Żaden z krajów nie zbudował jednak maszyny zdolnej do operowania w powietrzu. Problemami okazały się osłona przed promieniowaniem i liczne awarie. Na ich drodze stanęło także pojawienie się atomowych okrętów podwodnych, co znacznie zmniejszyło zasadność latających nuklearnych konstrukcji, które docelowo miały być przede wszystkim bombowcami strategicznymi, zdolnymi do unoszenia się w powietrzu przez nawet kilka tygodni.
W USA prace rozpoczęto już w 1946 roku. Projekt NEPA zakładał zastosowanie energii jądrowej w statkach powietrznych. W 1951 r. zastąpiono go projektem Aircraft Nuclear Propulsion, gdzie badano silniki odrzutowe o napędzie atomowym. Były to dwa typu jednostek – z bezpośrednim obiegiem powietrza, nad którą pracowało General Electric oraz z pośrednim obiegiem (Pratt & Whitney). Zakładno, że jako patforma badawcza posłużą dwa bombowce Corvair B-36 Peacemaker. Jeden z nich posłużyć miał do zbadania możliwości ekranowania reaktora. Drugi miał być platformą badawczą dla samego silnika. Projekt został jednak anulowany przed ukończeniem drugiej z maszyn, oznaczonej kryptonimem X-6. Nad zastosowaniem energii atomowej w silnikach pracowano także w ramach projekti Pluton. Zakładał on budowę atomowego silnika strumieniowego, który tym razem nie miałby napędzać samolotu, ale naddźwiękowy pocisk rakietowy. Ten projekt także został odwołany.
Nad energią atomową pracowano oczywiście także w ZSRR. Radzieckim naukowcom udało się zbudować latającą maszynę. Tupolew Tu-95LAL był latającym laboratorium atomowym. W latach 1961-1965 wykonał on ponoć 40 lotów badawczych. Celem było stworzenie bombowca strategicznego o ogromnym zasięgu, zdolnego do misji trwających bardzo długo bez konieczności tankowania. Projekt rozpoczęto w 1955 r. Samolot finalnie wyposażono w reaktor umieszczony w luku bombowym. Większość lotów testowych przeprowadzana była przy wyłączonym reaktorze i skupiała się na ochronie przed promieniowaniem. Do ochrony zastosowano płynny sód, tlenek berylu, kadm, parafinę oraz blachy stalowe. Skuteczność ekranowania była jednak kwestionowana. Choć większość źródeł twierdzi, że było co najmniej wystarczająco wydajne, aby uzasadnić dalsze prace, to zdecydowano się jednak na budowę kolejnej, bardziej zaawansowanej maszyny – Tupolewa Tu-119, będącego rozwinięciem Tu-95LAL. Ten nigdy nie został ukończony. Projekt odwołano ze względu na koszty i kwestie środowiskowe. Okupiony został także ofiarami w ludziach. Pilot testowy Tu-95LAL tak pisał do szkockiego dziennikarza George’a Kerevana: „Wszyscy byliśmy napromieniowani, ale zignorowaliśmy to. Z dwóch załóg przeżyło tylko trzech mężczyzn – młody nawigator, nawigator wojskowy i ja. Pierwszy, który odszedł, umierał trzy lata”.
Wodór
Kolejny typ napędu lotniczego, o którym warto wspomnieć to paliwo wodorowe. Korzysta się z niego już od dawna. Nie chodzi jednak o spalanie samego wodoru, lecz o wykorzystanie ogniw paliwowych. Używa się ich już od jakiegoś czasu także w motoryzacji, choć sam pomysł nie jest nowy, bo zasadę ich działania ogniw wodorowych odkrył w 1838 roku niemiecko-szwajcarski chemik Christian Friedrich Schönbein.
Samoloty skonstruowane w oparciu o nie są, podobnie jak samochody wodorowe, de facto elektryczne. Wodór wykorzystywany jest do wygenerowania prądu w reakcji chemicznej z tlenem pochodzącym z powietrza. Wynikiem tej reakcji jest para wodna, co czyni wodorowe samoloty naprawdę ekologicznym środkiem transportu. Dlatego też konstruktorzy uważają, że warto nad takimi maszynami pracować. Nad napędem wodorowym w ramach projektu Unii Europejskiej CRYOPLANE pracował na przykład Airbus. Potwierdzono techniczną wykonalność takiej maszyny, jej bezpieczeństwo, opłacalność oraz brak wpływu na środowisko naturalne.
Nad samolotem wodorowym pracował również Boeing. Na bazie austriackiej dwumiejscowej mazsyny Diamond Aircraft Industries DA20 zbudował on Theator Airplane zasilany właśnie ogniwami wodorowymi. Lekki samolot wymagał bardzo małej mocy. Do startu wystarczało mu 45 kW, a do utrzymania się w powietrzu zaledwie 20 kW. Pierwszym pasażerskim samolotem, którego paliwem jest wodór jest HY4. Jego pierwszy lot odbył się na lotnisku w Stuttgarcie w Niemczech 29 września 2016 r. Maszyna ma możliwość przechowywania 9 kg ciekłego wodoru. Jej ogniwa 4 paliwowe mają moc 11 kW każde. Akumulatory, które wykorzystano to dwie jednostki o pojemności 10 kWh każda. Powstała w DLR Institute of Engineering Thermodynamics należącym do niemieckiej agencji kosmicznej DLR.
Nad maszynami wodorowymi pracował także Tupolew, w którego biurach skonstruowano Tu-155, wodorową odmianę Tu-154. Był to pierwszy eksperymentalny samolot, który wykorzystywał do napędu wodór. Tutaj jednak był to konwencjonalny silnik spalający ciekły wodór lub skroplony gaz ziemny (LNG).
Energia elektryczna
Zastosowanie energii elektrycznej do napędu pojazdów ma długą tradycję. Zanim na drogach powszechnie zagościły samochody spalinowe, normą było to, że auta poruszane są silnikami elektrycznymi. Tak jak dziś powraca się do tej metody zasilania w motoryzacji, tak też eksperymentuje się z nią w samolotach. Widać to choćby w opisanym wyżej konstrukcjach zasilanych wodorem, z których większość współcześnie testowanych jest faktycznie elektryczna. Tutaj skupimy się jednak na maszynach wykorzystujących inne sposoby magazynowania energii elektrycznej – np. akumulatory czy ogniwa słoneczne.
Pierwszy załogowy lot swobodny samolotem o napędzie elektrycznym, MB-E1 , odbył się dopiero w październiku 1973 r. MB-E1, a w zasadzie Brditschka HB-3 to motoszybowiec z silnikiem Bosch KM77 o mocy 11-13 KM, zasilanym z akumulatorów Ni-Cd. Maszynie udały się loty do 12 minut na wysokości do 380 metrów.
Jednym z najbardziej znaczących samolotów elektrycznych jest jednak maszyna, która nie korzysta z innej techniki. W latach 2015-2016 zasilany ogniwami fotowoltaicznymi Solar Impulse 2 okrążył naszą planetę. Rozpiętość skrzydeł z Solar Impulse 2 wynosi 71,9 m, czyli tylko nieco mniej niż Airbusa A380, największego pasażerskiego samolotu świata, ale austriacki Impulse waży tylko 2,3 tony. Zbudowano go z włókna węglowego. Na pokładzie znajdują się 4 silniki elektryczne, 4 zestawy akumulatorów o pojemności 41 kWh każdy oraz 17248 ogniw fotowoltaicznych zamocowanych na górnych powierzchniach skrzydeł i statecznika poziomego. Łącznie mają one powierzchnię 269.5 m2 i dostarczają 66 kW mocy. Maszyna może rozpędzić się do 140 km/h, ale jej prędkość przelotowa to 90 km/h dzień i 60 km/h w nocy. Maksymalnie może wznieść się na 12 000 m.
Siła mięśni
Na koniec napęd z punktu widzenia lotnictwa dość niekonwencjonalny, lecz jednocześnie bardzo zwykły. Chodzi bowiem o siłę ludzkich mięśni. Wczesne próby lotu na takich maszynach kończyły się zwykle niepowodzeniem. Na przeszkodzie stawał zazwyczaj bardzo niekorzystny dla nich stosunek mocy do masy. Nasze ciało może generować ograniczoną ilość energii, samolot musi być więc bardzo lekki, abyśmy mogli nadać mu prędkość odpowiednią, aby w ogóle miał szansę latać.
Pierwsze próby prowadzono już na początku XIX wieku. W 1904 r. Steward Winslow zbudował taką maszynę na bazie roweru. Podczas próby nie udało się udowodnić, że może ona latać. Zawiodło… rowerowe koło. Pierwszym samolotem, który mógł wznieść się w powietrze napędzany siłą mięśni był Cycleplane, opracowany przez W. Fredericka Gerhardta w 1923 r. Miał 7 skrzydeł i mógł krótko utrzymywać się w powietrzu, głównie za sprawą tego, że pęd nadawało mu wstępne holowanie za samochodem. Pierwsze 20 metrów siłą mięśni udało się osiągnąć dopiero w 1934 r. 11 lipca 1934 r. Zaschka-HPA (Zaschka Human-Power Aircraft) przeleciał około 20 metrów na berlińskim lotnisku Tempelhof.
Pierwszym samolotem, któremu udało się za to samodzielnie wystartować, wykonać lot i wylądować, będąc napędzanym wyłącznie ludzką siłą był s Man Powered Aircraft (SUMPAC). Zbudował go na uniwersytecie w Southampton Derek Piggott. Maszyna 9 listopada 1961 r. pokonała 650 metrów. Tydzień później rekord ten pobił Hatfield Puffin na maszynie The Hatfield Man Powered Aircraft Club skonstruowanej w de Havilland Aircraft Company. 908 metrów okazało się nie do pobicia przez aż 10 lat.
Pod auspicjami Towarzystwa Royal Aeronautical przemysłowiec Henry Kremer utworzył nagrodę za wykonanie lotu na trasie „ósemki” wyznaczonej pomiędzy znacznikami oddalonymi o pół mili od siebie. Oczywiście maszyna taka musiała być napędzana wyłącznie siłą ludzkich mięśni. Pierwszą nagrodę Kremera zdobył Gossamer Condor 2. 23 sierpnia 1977 roku wykonał lot na dystansie 2172 m. Drugi rekordowy lot był znacznie dłuższy. Maszyna tego samego konstruktora, Paula MacCready’ego 12 czerwca 1979 r. pokonała 35,82 km. Aktualnie na świecie wg różnych szacunków użytkowanych jest około setka samolotów napędzanych siłą ludzkich mięśni.
Jednym z ciekawszych jest MIT Daedalus opracowany na MIT. Posiada on rekord świata. 23 kwietnia 1988 r. poleciał na odległość 115,11 km z Krety na Santorini. Maszyna waży zaledwie 31 kg. Jego skrzydła pokryte są mylarem o grubości zaledwie 8 mikrometrów.
