Jednak próby kontynuowano nadal, lecz na razie na etapie małych modelów samolotów. I tak np. model wykonany przez Stringfellow’a w 1848 napędzany silnikiem parowym o średnicy tłoka 19 mm i skoku 50,8 mm, przy rozpiętości płatów samolotu 3,04 m i długości kadłuba 1,67 m, wykonał wiele udanych lotów. Największym ówczesnym modelem samolotu napędzany silnikiem parowym był zbudowany przez Samuela Pierpont Langley’a, Aerodrome No 5. Miał masę 14 kg, rozpiętość 4,1 m a napędzał do silnik parowy o mocy 1 KM z jednym śmigłem o średnicy 0,4 m. Model ten przeleciał odległość 1 km, utrzymując wysokość 30 m. Silniki parowe stosowano też do napędu sterowców. I tak w roku 1852 Henri Giffard zbudował sterowiec napełniany gazem świetlnym, o objętości 3 500 m3, długości 44 m i średnicy 12 m. Zespół napędowy zawieszony był 6 m pod balonem. Wyposażony był w kocioł pracujący na parze nasyconej o ciśnieniu 3 atm. zasilający silnik parowy o mocy 3 KM. Cały zespół ważył 240 kg ale zapewniał w pełni kierowany lot z prędkością ok. 11 km/h. Pierwszy lot odbył się 29 września 1852 i był to pierwszy silnik cieplny zastosowany praktycznie locie kontrolowanym statku powietrznego.
Próby z silnikami parowymi do zastosowania w lotnictwie trwały nadal. Lecz nadszedł rok 1903 i na arenę wkroczył tłokowy silnik spalinowy. Bracia Wrght zamontowali go w swoim samolocie o nazwie Flyer. Chcieli na początek dopasować jeden z istniejących silników samochodowych, ale wszystkie okazywały się za ciężkie. Na własny więc użytek zbudowali lekki, 4 cylindrowy silnik benzynowy o mocy 12 KM, który napędzał dwa śmigła pchające. Do przeniesienia napędu użyli łańcuchów rowerowych (bracia byli mechanikami rowerowymi). Wielu inżynierów lotnictwa uważa, że to nie własności aerodynamiczne, a właśnie konstrukcja silnika, który miał wystarczająco dużą moc w stosunku do swojej masy i wytwarzający poprzez śmigła relatywnie duży ciąg, pozwoliła Flyer’owi Oryille’a i Wilbur’a Wright’ów unieść się w powietrze.
Rys. 1. Pierwszy tłokowy silnik lotniczy konstrukcji braci Wright użyty w pierwszym locie samolotu.
Po tym historycznym locie lotnictwa rozpoczęła się na dobre. W pierwszym okresie, przed I WŚ. konstruktorzy starali się doskonalić spalinowe silniki tłokowe: głównie zwiększać moc i niezawodność. Były to silniki z zapłonem iskrowym, z reguły w układzie rzędowym. Ich średnia moc wachała się w granicach 50 – 60 KM, maksymalnie do 100 KM. W 1908 roku Francuz, Rene Lorin opracował ideę napędu odrzutowego opierającą się na wykorzystaniu wyrzutu spalin powstałych podczas pracy silnika tłokowego. W 1910 ideę tą rozszerzył i zrealizował w praktyce rumuński inżynier pracujący we Francji Henry Coanda. Opracował on pierwszy działający prototyp silnik odrzutowego, wykorzystując do napędu sprężarki lotniczy silnik rzędowy Clerget. Ale mimo, że jego pierwszy samolot z napędem odrzutowym-Coanda-1910, odbył krótki lot, prace nad tym typem napędu nie były kontynuowane. Czas napędu odrzutowego jeszcze się nie nadszedł. Silniki tłokowe dominowały nadal.
A na tym polu sytuacja zmieniła się, kiedy bracia Laurent i Louis Segun skonstruowali i zbuduwali w 1912 pierwszy gwiazdowy silnik rotacyjny pod nawą Gnome. Generalnie silniki gwiazdowe wykazały ogromną przydatność do napędu samolotów. Pierwsze silniki gwiazdowe posiadały 5-9 cylindrów, układ pojedynczej gwiazdy a ich niewątpliwą zaletą była prostota budowy i obsługi, głównie ze względu na to, że nie posiadały oddzielnego układu chłodzenia. Silniki gwiazdowe chłodzone były powietrzem, stąd ich cylindry miały specjalnie ukształtowane ożebrowanie zewnętrzne, które pozwało szybko odprowadzać ciepło podczas przepływu powietrza. Dodatkowo ze względu na swój kształt, stosunkowo łatwo było je zamontować do płatowca i były przy tym stosunkowo lekkie. Silnik gwiazdowy miał centralny wał korbowy a jego odmiana, silnik rotacyjny, charakteryzował się tym, że wał był nieruchomy, stanowiąc element mocowania silnika do płatowca, a kadłub silnika wraz z cylindrami obracały się wirowały (rotowały) wokół wału. Gwiazdowe silniki rotacyjne były stosunkowo niezawodne, osiągały moc nawet do 220-230 KM (średnio w granicach 100 KM ) i świetne nadawały się do napędu samolotów. Kiedy rozpętała się I WŚ. wiele samolotów bojowych, głównie lekkich i zwrotnych myśliwców wszystkich walczących stron, napędzanych było silnikami rotacyjnymi. Jednak rotacyjny miał dwie zasadnicze wady: były nimi tzw. efekt żyroskopowy oraz siły Coriolisa. Efekt żyroskopowy, powstały podczas rotacji całego silnika (mimo wszystko dość sporej masy) powodował, że samolot był asymetryczny w pilotażu (zwrot w prawą i lewą stronę wykonywał z różną prędkością kontową). Co prawda doświadczeni piloci potrafili to wykorzystać w walce, ale generalnie było to zmorą pilotów, zwłaszcza młodych. Siły Coriolisa prowadziły do szybszego zużywania się części silnika, a dodatkowo prędkości rotacji nie można było zwiększać w nieskończoność – w końcu zaczęły się z silników urywać cylindry. To było głównym ograniczeniem konstrukcyjnym, bo uniemożliwiało zwiększenie ich mocy poza górny pułap 200 – 230 KM. Silniki rotacyjne stosowano w lotnictwie do połowy lat trzydziestych.
Fot. 2. Silnik rotacyjny w układzie podwójnej gwiazdy
Fot.3 . Silnik rotacyjny Clerget w układzie pojedynczej gwiazdy. Widoczne wnętrze korpusu silnika.
Natomiast silnik gwiazdowy z ruchomym wałem napędzającym śmigło nadal rozwijał się z powodzeniem, zachowując swoje zalety a nie posiadając wad silnika rotacyjnego. Moce tych konstrukcji rosły dość szybko, zmieniał się także ich wygląd: ponieważ zwiększała się liczba cylindrów (14-18), silniki zaczęto budować w układzie podwójnej gwiazdy. Jednak w miarę, jak rosła prędkość samolotów doskonalono ich aerodynamikę, okazało się, że kształt silnika gwiazdowego generuje stosunkowo duży opór powietrza. Zwrócono więc większą uwagę na silniki rzędowe. Miały one co prawda bardziej skomplikowaną budowę, bo wyposażone były w dodatkowy układ chłodzenia cieczą, ale ich opór czołowy był znacznie mniejszy. Powstało wówczas wiele nowych rozwiązań technicznych a ich układ z jednorzędowego zmieniał się na wielorzędowy (głównie był tu układ typu V). Udoskonaleniu uległy ponadto układy smarowania i chłodzenia. W drugiej połowie lat trzydziestych silniki rzędowe uważane były za rewelacyjne rozwiązanie napędu lotniczego.
Ale lata 30-te kończyły się. I kończyły źle: wojną domową w Hiszpanii, gdzie lotnictwo (niestety) ponownie pokazało swoją drapieżną stronę w postaci samolotów bojowych. W tym konflikcie tym brały udział samoloty bojowe, myśliwskie i, coraz częściej, bombowe napędzane silnikami tłokowymi gwiazdowymi i rzędowymi. Już wtedy nastąpiło znaczne przyśpieszenie rozwoju konstrukcji lotniczych, zwłaszcza silników, które swoje apogeum miało w okresie II WŚ., w latach 1940-45. Tłokowe silniki lotnicze przeszły gwałtowną, przyśpieszoną ewolucję. Przede wszystkim wzrosłą znacznie ich moc: standardem stały się silniki o mocach 700-900 KM na początku lat 40-tych po średnio 1200 – 2200 KM w latach 1944-45. Aby tego dokonać konstruktorzy wprowadzili wiele nowatorskich rozwiązań: bezpośredni wtryska paliwa do cylindrów, wtrysk wody lub mieszanek wody z alkoholem, które podnosiły stopień sprężania i krótkotrwale zwiększały moc. Zaczęto również stosować paliwo lotnicze o zwiększonej liczbie oktanowej wynoszącej nawet 130-145. Wszystko to powiększało znacznie osiągi silników, samoloty okresu II WŚ. dzięki temu były w stanie latać z prędkościami w granicach 600 km/h. Dała się zauważyć jeszcze jedna tendencja: silniki rzędowe, uznane wcześniej za rewelację, zaczęły na powrót przegrywać na rzecz silników gwiazdowych, które wykazały swoją większą przydatność w warunkach bojowych, głównie za względu na mniejszą masą, prostszą konstrukcję, łatwiejszą obsługę a przede wszystkim większą odporność na polu walki. Nie zmieniło to faktu, że generalnie silniki tłokowe zbliżały się do kresu swoich możliwości. Zastosowanie wspomnianych rozwiązań zwiększało ich moc, ale zarazem obniżało ich żywotność, tzw. resurs, który wynosił wówczas od kilkuset do 1000 – 1500 godzin, zależne od przeznaczenia samolotu. Pojawiło się jeszcze jedno bardzo istotne ograniczenie: moc silnika tłokowego spadała wraz ze wzrostem wysokości lotu. Aby temu zaradzić, wprowadzono system doładowania sprężonym powietrzem. To częściowo zniwelowało problem, ale skomplikowało dodatkowo konstrukcję silnika i zwiększyło jego masę. Samoloty mogły latać szybko i na dużych wysokościach, ale było już wiadomo, że napęd tłokowy przestaje być perspektywiczny i kończą się jego możliwości zwiększania osiągów. Ogromnym ograniczeniem było samo źródło ciągu: śmigło. Ponieważ ciąg śmigła jest wprost proporcjonalny do czwartej potęgi jego średnicy, więc początkowo wzrost prędkości lotu uzyskiwano poprzez zwiększenie średnicy śmigła i ilości łopat (z dwóch do czterech). Lecz do napędu dużego śmigła potrzeba silnika o odpowiednio dużej mocy, a wiec i cięższego. Poza tym średnicy śmigła nie można zwiększać w nieskończoność.
Samoloty latały co prawda coraz szybciej, ale granicą zespołu napędowego silnik tłokowy-śmigło okazał się prędkość 700 km/ (maksymalnie 756 km/h jak np. samolot Republic P-47M/N Thunderbolt). Wynikało to już zapraw aerodynamiki, ponieważ sprawność śmigła spada gwałtownie wówczas, kiedy końcówki łopat osiągają prędkość dźwięku (krytyczną prędkość 1 Macha), a to następuje właśnie przy prędkości samolotu w granicach 700 km/h. Wówczas zastosowanie nawet silnika o bardzo dużej macy nie zmienia tej sytuacji. To wszystko sprawiło, że w latach 1945-50 silnik tłokowy przestał być perspektywiczny. Osiągnął szczyt swoich możliwości konstrukcyjnych i wydajnościowych. Każda nowa modernizacja skutkowała tylko dodatkową komplikacją konstrukcji i wzrostem masy. Trzeba te sobie zdać sprawę, czym stał się przez ten okres rozwoju silnik tłokowy: potężnym monstrum o 18 – 28 cylindrach, w układzie V lub piętrowym w przypadku silników rzędowych lub podwójnej, a nawet poczwórnej gwiazdy, napędzający śmigło, którego średnica miała nawet do 6 metrów. Moc maksymalna takiego „monstrum” dochodziła do 2 500 kW (3350 KM), co umożliwiało prędkość przelotową w granicach 600 km/h i generowało wibracje i hałas sięgający 75 dBA. A co gorsza żywotność takiej konstrukcji ( resurs, czyli okres międzynaprawczy) silnika tłokowego nigdy nie przekroczył 3000 godzin.
Co prawda silniki tłokowe nigdy nie przestały być używane, ale ich dominacja definitywnie się zakończyła. Na arenę wkroczył napęd odrzutowy...
quot;Rolls_Roys_Merlin_zdjcie" src="/images/stories/Styczen2010/Rolls_Roys_Merlin_zdjcie.jpg" height="368" width="490" />
Fot. 4. Silnik tłokowy Rolls-Roys Merli. Jeden z najlepszych tłokowych silników rzędowych II WŚ.
Fot. 5. Silnik tłokowy Daimler Benz DB rodzina 600. Jedne z najlepszych niemieckich silników tłokowych okresu II WŚ.
Rys. 6. Prędkości maksymalne samolotów w latach 1903-1945
Maciej Ługowski