Nieudane podwozie Karasia - część 1

PZL.23 B wymyka się jednoznacznym ocenom. Karaś nie pozostawił po sobie heroicznego mitu. Walczył dzielnie, lecz krótko, po czym popadł w zapomnienie i długo czekał na obiektywny osąd. Był symbolem sukcesu w ryzykownej grze o modernizację polskiego lotnictwa, a krótko potem stał się ofiarą błyskawicznego postępu w technice lotniczej. PZL.23 B Karaś powstał na drodze kompromisu pomiędzy konserwatywnie zdefiniowanymi potrzebami wojska, ograniczonymi możliwościami przemysłu i ambitną koncepcją projektanta wychodzącą daleko poza ówczesną doktrynę użycia lotnictwa. W istocie był to typ lekkiego, dolnopłatowego bombowca, zbyt „ciężki i szybki” jak na samolot liniowy. Miał kilka wad konstrukcyjnych, które ograniczały jego osiągi i własności bojowe, ale w polskim lotnictwie stanowił duży postęp.

Wbrew intencjom projektanta Karaś, nie był przystosowany do korzystania z przygodnych lotnisk polowych, ani funkcjonowania w prymitywnych warunkach frontowych. Ze względu na zawodne podwozie wymagał lotnisk o dobrej nawierzchni, a nowoczesna konstrukcja czyniła go zależnym od rozbudowanego zaplecza warsztatowego. Podczas prób w ITL samolot wykazał się możliwościami atakowania celów naziemnych oraz bombardowania z lotu nurkowego.


Prototyp PZL.23/IV traktowany jako demonstrator technologii, stanowił interesujący wzorzec do budowy  bombowca nurkującego, o czym już pisaliśmy.

Jednak maszynę wywodzącą się z innowacyjnego nurtu rewolucji lotniczej lat trzydziestych na siłę wtłoczono w przestarzałą koncepcję samolotu liniowego. Funkcję samolotu liniowego mogły z powodzeniem pełnić zmodernizowane Potezy XXV z silnikiem Jupiter VIIF. Ani inspektorom GISZ-u, ani szefostwu SG nie czyniło to wielkiej różnicy, natomiast konstrukcja Karasia nawiązująca wprost do amerykańskich samolotów pola walki takich jak Northrop A17, czyniła go kandydatem do roli pierwszego polskiego szturmowca. Niestety w ówczesnych warunkach było to całkowicie nierealne.

BUDOWA PODWOZIA

Stałe podwozie samolotu PZL.23B Karaś uznawano za nieskomplikowane, tańsze i pewniejsze od podwozia chowanego hydraulicznie. Jednak rozwiązania techniczne zastosowane w jego konstrukcji budziły wiele zastrzeżeń. Podwozie główne składało się z dwóch pojedynczych goleni, z których każdą usztywniono po bokach dwoma stalowymi wspornikami w kształcie trójkąta, oparte były na dźwigarze przednim i wsparte zastrzałem umocowanym na dźwigarze tylnym. Golenie połączono ze skrzydłem za pomocą frezowanego wielowypustu, który uniemożliwiał obrót podwozia, a koła o rozmiarach 775 x 240 zamocowano w stalowym widelcu. Konstrukcja podwozia była więc cięższa i droższa od nieznanego jeszcze podwozia o prowadzeniu nożycowym zastosowanym w Łosiu. Do amortyzacji podwozia użyto amortyzatorów olejowo-powietrzne Avia 85200X B lub X C, płoza ogonowa amortyzowana była pojedynczym amortyzatorem Avia 30100PB.

Konstruktorem amortyzatorów był Stanisław Bardadin z PZL, nadzorujący następnie ich konstrukcję w wytwórni Avia. W zakładach Avia cechowanie amortyzatorów przedstawia się następująco: dwie pierwsze cyfry określają średnicę tłoka, a trzy następne jego skok. Dodatkowo literą – P oznaczano amortyzatory pracujące w układzie normalnym, natomiast literą – R w układzie odwróconym, literami X – Y – Z oznaczano amortyzatory specjalne, literą A oznaczano znormalizowane końcówki amortyzatora, literami od B poczynając końcówki specjalne. Moment skręcający amortyzatora wynosił 1220 kG/m, natomiast moment gnący 1110 kG/m. Wielu autorów podkreśla, że główną przyczyną awarii podwozia były wadliwie działające amortyzatory. O tym piszemy w dalszej części artykułu. Naszym zdaniem podwozie było najsłabszą stroną samolotu i wymagało wzmocnienia, ale w lepszym stylu niż zrobiono to w PZL. 46.


OBCIĄŻENIA PODWOZIA W CZASIE RUCHU NA ZIEMI

Podwozie samolotu ma za zadnie umożliwić postój i ruch samolotu na ziemi oraz przyjąć i rozproszyć energię wynikającą z ruchu samolotu podczas lądowania. Znajomość obciążeń, jakie powstają w tych okolicznościach, umożliwia prawidłowe zaprojektowanie podwozia. Energia jaką musi pochłonąć podwozie jest sumą energii kinetycznej opadania pionowego i energii potencjalnej:

E = mv2/2 + (mg – Pz) × h

gdzie:

E – energia samolotu związana z ruchem pionowym, v – prędkość pionowa samolotu w chwili przyziemiania, h – wysokość środka masy od chwili przyziemienia do całkowitego ugięcia amortyzacji, Pz- siła nośna


Rysunek nr 1.

Energia ta powinna być mniejsza lub co najwyżej równa pracy amortyzacji wyrażonej jako:                       

L = Z/(i × ηa × ha + ηp × hp)

gdzie:

L- praca amortyzacji, Z- maksymalna siła działająca na podwozie, ha- skok amortyzatora, ηa - współczynnik pełnoty wykresu pracy amortyzatora, i- przełożenie amortyzacji równe stosunkowi obniżenia środka masy do skoku amortyzacji, hp- skok pneumatyka, ηp - współczynnik pełnoty wykresu pracy pneumatyka.

Siłę poziomą określa się jako:

X = Z×μ

gdzie: μ – współczynnik tarcia, Z- maksymalna siła działająca na podwozie

PZL. 23 miał tendencję do lądowania „na łeb”. Aby temu zapobiec pilot powinien umiejętnie operować trymerem, klapami i sterem wysokości, co wymagało dobrego wyszkolenia technicznego, dlatego początkowo wypadki łączono ze słabym poziomem wyszkolenia pilotów. Dopiero później zwrócono uwagę na niedostateczną pracę amortyzatorów. Konstrukcja była niszczona wskutek działania pionowej siły Z oraz poziomej siły X (Rys.1). Podczas lądowania  niezaabsorbowana przez amortyzator energia opadania niszczyła konstrukcję skrzydła, a dalszy proces polegał na jego głębokiej deformacji przez siłę poziomą X. Należy zwrócić uwagę, że podczas lądowania zasadniczy wpływ na obciążenie konstrukcji wywiera pionowa siła Z, wartość siły poziomej X zależy od współczynnika tarcia i w normalnych warunkach jest wielokrotnie niższa od siły Z.


                                                                     Źródło: mysliwcy.pl

Opór toczenia koła podwozia samolotu na nieutwardzonej nawierzchni gruntowej lub trawiastej determinuje osiągi samolotu przy starcie i lądowaniu. Wartość współczynnika oporu toczenia dla lotniska trawiastego wynosi dla trawy krótkie 0,05, trawy długiej 0,08 oraz w przypadku długiej mokrej trawy wzrasta do 0,13. W terminologii lotniczej pojęcia takie jak współczynnik tarcia i współczynnik przyczepności są tożsame podobnie jak terminy przyczepność i szczepność. Szczepność  posiada fundamentalne znaczenie w przypadku dobiegu, gdy samolot ma wytracić swoją energię kinetyczną na skutek siły tarcia. Wówczas, im większy współczynnik szczepności, tym szybciej samolot zatrzyma się na pasie.

AMORTYZACJA

Najprostszym sposobem amortyzacji jest koło z oponą pneumatyczną. Elementem amortyzującym jest pneumatyk, charakteryzuje go najniższy współczynnik pełnoty pracy amortyzatora – η. Jest to stosunek energii pochłoniętej przez rzeczywisty amortyzator (czyli praca amortyzatora – w tym przypadku pneumatyka) do energii pochłoniętej przez idealny amortyzator. Dla opony pneumatycznej wynosi η = 0,45. Inaczej mówiąc jest to stosunek pola leżącego pod charakterystyką amortyzatora przy jego ugięciu do pola prostokąta:

Z×hp  (Rys. 2)


Rysunek nr 2.

Podwozie samolotu umożliwia jego poruszanie się po ziemi i przejmuje siły dynamiczne występujące przy zetknięciu się samolotu z powierzchnią ziemi. W lekkich samolotach starszej generacji często spotykanym elementem sprężystym służącym amortyzacji była sprężyna. Sprężyna zdolna jest jedynie do amortyzacji energii. Po ugięciu sprężyny następuje jej „odbój” przy zerowym polu histerezy i sprężyna prawie w całości zwraca energię zamortyzowaną. Amortyzatory sprężynowe powodują tzw. „kozłowanie”, czyli nieakceptowaną skłonność samolotu do wykonywania serii podskoków. Praca sprężyny wynosi L =  Zh/2 i jest to pole leżące pod charakterystyką sprężyny (Rys. 3) współczynnik pełnoty pracy amortyzatora sprężynowego wynosi η= 0,5.



Rysunek nr 3.                               

Idealny amortyzator nie istnieje. Działania konstruktorów zmierzają do otrzymania jak największej pracy amortyzacji, przy możliwie małych ugięciach i wartościach reakcji pionowych Z, należy więc zwiększać pole leżące pod charakterystyką amortyzacji. Zapewniający maksymalną pracę po założonym ugięciu „idealny amortyzator” miałby wartość siły stałą od początku do końca swego ugięcia, co byłoby nie do przyjęcia podczas kołowania po nierównym terenie. Jak dotąd najlepszym rozwiązaniem jest amortyzator olejowo – powietrzny (Rys. 3). Po uderzeniu kół podwozia o ziemię  znaczna część energii uderzenia jest przetwarzana w amortyzatorze na energię ciśnienia powietrza sprężonego w wyniku przesuwania się tłoka w głąb cylindra. Ruchowi temu towarzyszy dławienie oleju przepływającego otworem do górnej części cylindra. Jednocześnie olej przedostaje się otworkami w górnej części tłoka do dolnej części cylindra. Ruch powrotny tłoka (tzw. odbój ) odbywa się pod wpływem ciśnienia powietrza.

Tłumiące oddziaływanie otworów w cylindrze i i tłoku wynika z oporów hydraulicznych, związanych z przetłaczaniem przez nie oleju. Uwalniające się przy tym ciepło stanowi równoważnik energii mechanicznej, rozpraszanej przez amortyzator. Krzywa odboju leży znacznie powyżej krzywej sprężania i dlatego współczynnik η może wynosić 0,8 i więcej. W przypadku Karasia przyjęliśmy wartość współczynnika ηa równą 0,75. Jest to wartość niewielka, adekwatna do poziomu techniki w latach trzydziestych. Biorąc pod uwagę opinię wielu historyków lotnictwa dotyczącą awaryjności podwozia, rzeczywista wartość współczynnika η była mniejsza.


Rysunek nr 4.

Koniec części 1. Zapraszamy do lektury części drugiej, która zostanie opublikowana już wkrótce. Będzie ona zawiera również podsumowanie i bibliografię.