Śmigłowiec to jedyny statek powietrzny zdolny do zawisu w bezruchu, pionowego startu i lotu w dowolnym kierunku bez rozbiegu. Za tę elastyczność płaci wyższymi kosztami eksploatacji niż samolot — ale pracuje tam, gdzie samolot fizycznie nie dotrze. Sprawdź, jak trzydzieści lat prób i kilka kluczowych wynalazków z Rosji, Hiszpanii, Niemiec i USA złożyło się w maszynę, która do dziś ratuje życie na szczytach gór i pokładach okrętów.
Śmigłowiec to jedyny statek powietrzny, który potrafi zatrzymać się w bezruchu na kilkudziesięciu metrach wysokości, a potem ruszyć w dowolnym kierunku bez rozbiegu. Ta zdolność, niemożliwa dla żadnego samolotu, ma za sobą ponad sto lat prób, błędów i kilku przełomowych pomysłów. Kluczowe wynalazki przychodziły kolejno z Rosji, Hiszpanii, Niemiec i USA, zanim złożyły się w całość, którą znamy dziś.
Najważniejsze:
- Pierwszy udokumentowany lot maszyny wiropłatowej odbył się na początku XX wieku, ale w pełni sterowany śmigłowiec powstał dopiero kilkadziesiąt lat później, po intensywnych pracach wielu konstruktorów
- Za twórcę nowoczesnego śmigłowca uznaje się Igora Sikorskiego, konstruktora rosyjskiego pochodzenia pracującego w USA od 1919 roku; jego układ jednego wirnika nośnego ze śmigłem ogonowym obowiązuje do dziś w większości maszyn
- Bez śmigła ogonowego kadłub obracałby się w stronę przeciwną do wirnika, pilot całkowicie traciłby kontrolę nad maszyną
- Pionowy start i zawis wymagają od silnika największej mocy spośród wszystkich faz lotu, dlatego margines bezpieczeństwa jest wtedy najwęższy
- Śmigłowce pracują tam, gdzie samolot fizycznie nie może wylądować: na szczytach gór, pokładach okrętów, ciasnych polanach i dachach szpitali
Samolot kontra śmigłowiec: ten sam żywioł, zupełnie inna logika
Samolot lata dlatego, że jego nieruchome skrzydła, przecinając powietrze z dużą prędkością, wytwarzają siłę nośną. Musi więc cały czas się przemieszczać, żeby nie spaść. Śmigłowiec rozwiązuje ten problem inaczej: zamiast przemieszczać cały kadłub, obraca wirnik. To wirnik, jeden lub kilka, wytwarza siłę nośną, napędzany silnikiem. Efekt jest rewolucyjny: maszyna może wisieć w miejscu, wznosić się pionowo i lądować na skrawku ziemi niedostępnym dla żadnego samolotu.
Ale ta elastyczność ma swoją cenę ekonomiczną. Dlatego śmigłowiec nie zastąpił samolotu, uzupełnia go wszędzie tam, gdzie pas startowy jest luksusem, którego nie ma.
Droga od pierwszego szkicu do maszyny użytecznej trwała kilkadziesiąt lat. Brakowało przede wszystkim materiałów wystarczająco lekkich i wytrzymałych, teorii aerodynamiki wirników oraz silników o odpowiednim stosunku mocy do masy. Paul Cornu, z zawodu producent rowerów, miał dostęp do czegoś, czego brakowało wcześniejszym konstruktorom: stosunkowo lekkiego silnika spalinowego, który właśnie wtedy stawał się dostępny. To dlatego przełom nastąpił na początku XX wieku, a nie wcześniej.
Trzy etapy: od szkiców do maszyny gotowej do służby
Historię śmigłowca najlepiej rozumieć w trzech wyraźnych etapach, bo każdy przynosił inny rodzaj przełomu, i każdy obnażał inne braki poprzedników.
Etap pierwszy: udowodnić, że to w ogóle możliwe
Pierwszym człowiekiem, który uniósł się w powietrzu na maszynie wiropłatowej, był Francuz Paul Cornu, z zawodu producent rowerów, nie lotnik ani inżynier aeronautyki. Jego konstrukcja w 1907 roku osiągnęła zawis na wysokości około półtora metra przez ponad minutę. Kilka lat później duński inżynier Jacob C.H. Ellehammer zaprezentował własny „śrubowy samolot” na polach pod Kopenhagą: maszyna uniosła się na kilkadziesiąt centymetrów, po czym stojący obok konstruktor po prostu wyłączył silnik. Obie maszyny pokazały jedno: pionowy lot jest fizycznie możliwy. Żadna z nich nie była jednak sterowana, unosiły się i opadały bez możliwości kontrolowanego manewru.
Brakujące narzędzie do kierowania lotem opracował w 1911 roku rosyjski konstruktor Borys Juriew. Stworzył tarczę sterującą pozwalającą zmieniać kąt łopat wirnika, zarówno wszystkich jednocześnie (skok ogólny), jak i każdej z osobna w trakcie obrotu (skok okresowy). Bez tego mechanizmu pilot nie mógł kontrolować, w którą stronę maszyna się przechyli.
W 1923 roku Hiszpan Juan de la Cierva poszedł krok dalej, opracowując przegubowe zawieszenie łopat wirnika dla swojego wiatrakowca. Przeguby pozwalały łopatom swobodnie reagować na zmienne obciążenia aerodynamiczne podczas obrotu, co dramatycznie zwiększało stabilność i bezpieczeństwo lotu.
Etap drugi: pierwszy w pełni sterowany lot i wejście do służby (1936–1941)
Dopiero w 1936 roku, niemal trzydzieści lat po locie Cornu, powstał śmigłowiec, którym pilot mógł naprawdę sterować. Był to Focke-Wulf Fw 61, dzieło inżyniera Heinricha Fockego. Układ poprzeczny, z dwoma wirnikami umieszczonymi po bokach kadłuba, okazał się skuteczny i maszyna potwierdziła, że śmigłowiec to nie ciekawostka, to realny pojazd.
Pierwszym śmigłowcem, który faktycznie trafił do służby operacyjnej, był natomiast Flettner Fl 282. Jego prototyp oblatano w 1941 roku; była to dwumiejscowa maszyna obserwacyjna i łącznikowa, używana przez niemiecką marynarkę wojenną początkowo przy eskortowaniu konwojów morskich, a następnie do współdziałania z oddziałami artylerii. Do roku 1943 zbudowano około dwudziestu egzemplarzy.
Etap trzeci: układ klasyczny, który przetrwał do dziś
Prawdziwy standard dla całej branży wyznaczył Igor Sikorski, rosyjski konstruktor, który osiedlił się w Stanach Zjednoczonych. Pracował równolegle z maszynami już będącymi w służbie, nie czekał na ich zakończenie: jego projekt Vought-Sikorsky 300 powstawał równolegle, gdy Flettner Fl 282 był jeszcze w fazie prototypu. Sikorski nie kontynuował cudzej pracy sekwencyjnie, prowadził własny, niezależny tor badań.
Kluczowym wynalazkiem tej maszyny było śmigło ogonowe. Rozwiązywało ono problem momentu reakcyjnego, siły, która bez tego mechanizmu obracałaby cały kadłub w kierunku przeciwnym do wirnika nośnego. Bez śmigła ogonowego pilot traciłby kontrolę nad maszyną: kadłub kręciłby się sam, niezależnie od woli pilota. Układ jednego wirnika nośnego ze śmigłem ogonowym stał się od tamtej pory standardem w większości śmigłowców na świecie.
Kolejnym modelem Sikorskiego był R-4, oblatany w 1942 roku na zlecenie US Navy i wyprodukowany w liczbie 131 sztuk. Maszyny te znalazły praktyczne zastosowanie, służąc do ewakuacji zestrzelonych pilotów z trudno dostępnych terenów.
Dlaczego śmigłowiec zawisa, a samolot nie może
Sekret leży w dźwigni skoku ogólnego. Pilot zmienia nią kąt natarcia wszystkich łopat wirnika jednocześnie, im większy kąt, tym więcej powietrza łopaty „chwytają” i tym większa siła nośna. Wyobraź sobie, że trzymasz otwartą dłoń poziomo za oknem jadącego samochodu, czujesz niewielki opór. Gdy zaczniesz przechylać dłoń ku górze, powietrze zaczyna ją unosić. Łopaty wirnika działają na tej samej zasadzie aerodynamicznej, ale muszą obracać się z bardzo dużą prędkością przez cały czas, przy niskich obrotach, jak powolny ruch dłoni, siła nośna byłaby zupełnie niewystarczająca. Skala problemu jest tu zasadnicza: to właśnie odpowiednia prędkość obrotowa, a nie sam kąt łopat, decyduje o tym, czy maszyna uniesie się w powietrze.
Ruch dźwigni jest sprzężony z regulacją mocy silnika. Gdy pilot zwiększa kąt łopat, silnik automatycznie dostaje więcej mocy, żeby utrzymać stałą prędkość obrotową wirnika. Dzięki temu śmigłowiec może regulować siłę ciągu niezależnie od prędkości poziomej i płynnie przemieszczać się w górę lub w dół, bez rozbiegu, bez pasa startowego.
Pionowe wznoszenie pochłania największą moc ze wszystkich faz lotu, bo opór indukowany jest wtedy najwyższy, a silnik pracuje często przy maksymalnym obciążeniu. Oznacza to, że margines rezerwowej mocy jest minimalny, właśnie dlatego piloci wykonują tę fazę tylko wtedy, gdy warunki terenowe naprawdę tego wymagają. Gdy silnik zawiedzie w powietrzu, śmigłowiec nie spada bezwładnie: przechodzi w lot autorotacyjny, w którym wirnik nadal się obraca, napędzany przepływem powietrza napływającego od dołu. To odpowiednik lotu szybowego samolotu, pozwala na kontrolowane opadanie i lądowanie nawet bez napędu.
Manewrowość śmigłowca wykracza daleko poza możliwości samolotu. Łącząc ruch postępowy z obrotem wokół osi wirnika, maszyna może wykonać piruet, poruszać się po okręgu, utrzymując dziób skierowany cały czas w jeden punkt w środku tego okręgu. Żaden samolot tego nie potrafi.
Gdzie pracują śmigłowce, i dlaczego samolot ich tam nie zastąpi
Zdolność do pionowego startu, zawisu i lotu z bardzo małą prędkością otwiera śmigłowcom miejsca całkowicie niedostępne dla samolotów. W lotnictwie cywilnym sprawdzają się przy przewozie ładunków i osób w terenie pozbawionym infrastruktury lotniskowej, w ratownictwie medycznym, akcjach gaśniczych, operacjach policyjnych oraz w agrolotnictwie. W zastosowaniach wojskowych pełnią role transportowe, rozpoznawcze, służą bezpośredniemu wsparciu sił naziemnych i zwalczaniu jednostek podwodnych. Wspólny mianownik jest jeden: wszędzie tam, gdzie lądowanie na pasie startowym jest niemożliwe lub byłoby zbyt wolne.
Ceną za tę elastyczność jest jednak ekonomika. Samolot transportuje kilkaset osób przy stosunkowo niskim koszcie jednostkowym, śmigłowiec, kilkanaście lub kilkadziesiąt osób przy znacznie wyższym zużyciu paliwa i intensywniejszej obsłudze technicznej. Dlatego oba typy maszyn współistnieją, zamiast się zastępować: każdy dominuje w swojej niszy, a granica między nimi przebiega dokładnie tam, gdzie kończy się możliwość zbudowania pasa startowego.
Alternatywy dla śmigła ogonowego
Układ jednego wirnika nośnego ze śmigłem ogonowym, spopularyzowany przez Sikorskiego, to dziś dominujący standard, ale nie jedyny. Konstruktorzy od dekad testują inne drogi eliminacji momentu reakcyjnego.
Wirniki mogą być ustawione współosiowo: jeden nad drugim, obracające się w przeciwnych kierunkach, co sprawia, że ich momenty reakcyjne wzajemnie się znoszą. Ten układ, kojarzony z rosyjską wytwórnią Kamowa, dopracowano i rozwinięto po wcześniejszych próbach włoskiego konstruktora Corradina D’Ascanio, którego dwuwirnikowy śmigłowiec D’AT3 ustanowił w październiku 1930 roku trzy rekordy FAI: długotrwałości lotu, długości przelotu w linii prostej oraz wysokości.
Innym rozwiązaniem jest układ podłużny, w którym dwa wirniki rozmieszczone są wzdłuż kadłuba, jeden z przodu, drugi z tyłu. Pionierem tego podejścia był Frank Piasecki, konstruktor polskiego pochodzenia. Istnieje też układ krzyżowy, znany jako układ Flettnera, w którym dwa wirniki nachylone ku sobie zazębiają się lotem łopat, to właśnie na tej zasadzie działał Flettner Fl 282. Każde z tych rozwiązań likwiduje moment reakcyjny inną metodą i ma swoje własne zalety oraz kompromisy eksploatacyjne.
W 1955 roku oblatano natomiast maszynę, która przekraczała granicę między śmigłowcem a samolotem, zmiennopłat Bell XV-3, posiadający cechy obu typów statków powietrznych.
Najczęściej zadawane pytania
Dlaczego samolot nie potrafi startować pionowo jak śmigłowiec?
Samolot wytwarza siłę nośną dzięki nieruchomym skrzydłom, które muszą przecinać powietrze z dużą prędkością, bez rozbiegu skrzydła nie mają z czego tej siły czerpać. Śmigłowiec obraca wirnik i sam wytwarza potrzebny przepływ powietrza, niezależnie od tego, czy cały kadłub się przemieszcza. To fundamentalna różnica konstrukcyjna, nie kwestia mocy silnika.
Co to jest śmigło ogonowe i czy każdy śmigłowiec je ma?
Śmigło ogonowe przeciwdziała sile, która bez niego obracałaby kadłub w kierunku przeciwnym do wirnika. Nie każda maszyna je posiada, alternatywą są układy dwuwirnikowe (współosiowy, podłużny, krzyżowy), opisane szerzej w sekcji powyżej.
Co się stanie, jeśli w śmigłowcu wysiądzie silnik?
Śmigłowiec przechodzi w lot autorotacyjny: wirnik nadal się obraca, napędzany przepływem powietrza napływającym od dołu. Pilot może kontrolować opadanie i bezpiecznie wylądować, podobnie jak szybowiec ląduje bez napędu. To celowo zaprojektowana właściwość bezpieczeństwa, a nie szczęśliwy przypadek.
Dlaczego pionowe wznoszenie jest najbardziej wymagającą fazą lotu?
Opór indukowany jest wtedy najwyższy, a silnik pracuje często przy maksymalnym obciążeniu, margines rezerwy mocy jest minimalny. Awaria napędu w tej fazie pozostawia pilotowi najmniej czasu i opcji na bezpieczną reakcję, dlatego pionowe wznoszenie stosuje się tylko wtedy, gdy warunki terenowe absolutnie tego wymagają.
Fot. Julian Herzog ( Website ) / Wikimedia Commons (CC BY 4.0)
Komentarze (0)