Nieudane podwozie Karasia - część 2

Druga część artykułu o technicznych aspektach użytkowania konstrukcji PZL.23 B Karaś.

TWARDE LĄDOWANIE

W jakich warunkach dochodziło do uszkodzeń podwozia? Podczas lądowania podwozie samolotu jest poddawane różnorodnym obciążeniom. Na początku przykład prawidłowego lądowania.

Samolot PZL.23B Karaś podchodzi do lądowania. Wyrównuje, gdy środek masy znajduje się na wysokości H = 2,5m, po czym ląduje z prędkością opadania  v = 2 m/s, w momencie przyziemienia płoza ogonowa znajduje się nad ziemią.


Podany przykład dowodzi, że prawidłowo wykonane lądowanie nie obciąża konstrukcji samolotu.

Typowe błędy popełniane podczas lądowania to:

1.    niewłaściwy dobór prędkości podchodzenia;
2.    wyrównanie samolotu na zbyt dużej wysokości;
3.    wyrównanie samolotu na zbyt małej wysokości.

Prawidłowe podejście do lądowania powinno odbyć się na prędkości optymalnej, a wyrównanie powinno się rozpocząć  na wysokości 6 – 8 m, kończyć zaś na wysokości 0,5 – 1 m. W końcowej fazie podchodzenia pilot ściąga drążek zwiększając kąt natarcia, dzięki czemu wzrasta siła nośna, a tor lotu staje się równoległy do ziemi, dlatego potrzebny jest niewielki zapas prędkości ponad prędkość minimalną, ponieważ sama zmiana kąta natarcia nie spowoduje wzrostu siły nośnej i samolot gwałtownie zetknie się z ziemią. Zbyt duży zapas prędkości pod koniec podchodzenia do lądowania również nie jest pożądany. Wydłuża on fazę wytrzymania. Zakończenie etapu wyrównania na zbyt dużej wysokości powoduje znaczne przepadnięcie samolotu. Przepadnięcie na dużej wysokości kończy się uszkodzeniem podwozia, a nawet kadłuba. Jeżeli pilot wyrówna samolot na zbyt małej wysokości, a prędkość samolotu przekracza prędkość lądowania, to samolot ponownie oderwie się od ziemi wykonując podskok zwany „kangurem” lub „kozłem”. 


Karaś odznaczał się wytrzymałą konstrukcją o czym świadczą całkiem udane próby bombardowania z lotu nurkowego. Podwozie było najsłabszym zespołem samolotu. Poniżej podajemy dwa przykłady ekstremalnego lądowania, które mogło prowadzić do zniszczenia podwozia:

- Po pierwsze, samolot PZL. 23B Karaś podchodzi do lądowania z dużą ustaloną prędkością pionową v = 6,5 m/s (23,4 km/h). W momencie przyziemienia płoza tylna znajduje się nad ziemią. Lotnisko ma nawierzchnię trawiastą. Naszym zadaniem jest obliczenie sił poziomej i pionowej działających na podwozie oraz wielkość obciążenia. Dane: ha - skok amortyzatora (0,2 m), ηa – współczynnik pełnoty amortyzatora (0,75), i - przełożenie amortyzacji (1), hp - skok pneumatyka (0,16 m), ηp - współczynnik pełnoty pneumatyka (0,45), μ – współczynnik tarcia (0,1). Ponieważ ruch jest z założenia ustalony, musi istnieć równowaga sił, a wobec tego: Pz = mg. Stąd energia lądowania:


Obciążenie podwozia przekracza wartość obciążenia niszczącego, zatem konstrukcja samolotu mogła ulec zniszczeniu. W normalnych warunkach prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest niewielkie. Przy prawidłowym lądowaniu prędkości dochodzą do 2 – 2,5 m/s. Ekstremalne lądowanie może być wynikiem błędu pilota lub awarii silnika. Jednak w praktyce zdarzały się takie wypadki, bo własności lotne maszyny były diametralnie różne od dwupłatowych samolotów liniowych.

Po drugie, PZL.23B podczas lądowania stracił siłę nośną. Środek masy samolotu znajdował się na wysokości H = 4,5 m nad poziomem nawierzchni lotniska. Samolot opadł na koła główne z płozą ogonową uniesioną nad ziemią. Zajmiemy się obliczeniem pionowego obciążenia podwozia oraz współczynnika Δn. Do obliczeń przyjmujemy dane z poprzedniego przykładu, przyjmując, że podana geometria dotyczy podwozia ugiętego. Mamy do czynienia z nietypowym „lądowaniem”, dlatego zakładamy, że prędkość pionowa wynosi zero, więc energia lądowania jest w całości energią potencjalną.


Obciążenie niszczące w przypadku samolotu PZL.23.B Karaś wynosi 9,7 przy ciężarze 2893 kG, natomiast przy ciężarze maksymalnym malało do 7,8. Z obliczeń wynika, że do zniszczenia podwozia dochodziło przy obciążeniach ponad 30 ton. Zatem amortyzatory musiały wykonać wielką pracę, aby zaabsorbować i rozproszyć tak dużą energię lądowania. Do obliczeń przyjęliśmy wartość współczynnika pełnoty wykresu pracy amortyzatora wynoszący – 0,75. Zdaniem wielu autorów, amortyzatory Avia nie osiągały zakładanych parametrów w związku z tym możliwości absorpcji energii lądowania były dużo niższe i do uszkodzenia dochodziło przy niższych obciążeniach, niestety nie dysponujemy materiałami, które wyjaśniały ten problem. Dlatego warto porównać siły jakie działają przy „normalnym” lądowaniu z siłami, które prowadziły do dewastacji konstrukcji samolotu. Z dużą dozą prawdopodobieństwa można postawić tezę, że sprawność amortyzatorów wynosiła około 80 % sprawności nominalnej.

Fotografie z okresu kampanii wrześniowej przedstawiające wraki PZL.23 ukazują często boczne deformacje goleni, co wskazywałoby na niewystarczającą stabilność podwozia w płaszczyźnie poprzecznej. Tylny zastrzał stabilizował podwozie w płaszczyźnie podłużnej, natomiast niewielkie trójkątne wsporniki raczej nie zapewniały wystarczającej sztywności podwozia w płaszczyźnie poprzecznej, dlatego w PZL. 46 Sum zastąpiono je drugim poprzecznym zastrzałem zapobiegającym ukręcaniu się goleni. Wzmocnienie goleni dwoma daleko zakotwiczonymi zastrzałami rozstawionymi o 90 stopni zapewniało przeniesienie sił na całą strukturę skrzydła i stabilizację w obu płaszczyznach, niestety poprzeczny zastrzał pogarszał wygląd i aerodynamikę samolotu, oraz co tu kryć – świadczył o nieporadności głównego konstruktora.

Przy okazji warto przeanalizować wartości momentów: gnącego i skręcającego dla amortyzatora Avia 85200. Otóż nie są one zbyt wysokie i wynoszą odpowiednio 1110 kG/m i 1220 kG/m. Jeżeli porównamy efektywność i wytrzymałość amortyzatorów z wielkością działających na nie sił, to wniosek może być tylko jeden. Podstawową przyczyną uszkodzeń podwozia były źle dobrane amortyzatory. Sprawa znalazła rozwiązanie poprzez zastosowanie nowych amortyzatorów o skoku 290 mm, wyposażonych w zawory regulujące przepływ oleju pomiędzy komorami, dopiero w samolocie PZL. 46 Sum.


Doskonałym przykładem do naśladowania była ewolucja podwozia Stukasa. Samolot Ju 87 A nie miał w sobie nic z drapieżnej elegancji późniejszych maszyn Junkersa. Jego sylwetkę psuła  prymitywna konstrukcja podwozia. Koła „Antona” były wysunięte do przodu, golenie były podparte zastrzałami bocznymi i podwójnymi tylnymi wspornikami, a osłony podwozia przypominały ugięte łapy wielkiego niedźwiedzia. Skomplikowana budowa podwozia generowała wzrost ciężaru i oporu aerodynamicznego, nie zapewniając dostatecznej wytrzymałości. W porównaniu do Ju 87A, podwozie Karasia było znacznie lepszej próby. Problemy te niezwykle skutecznie rozwiązano w następnej wersji Stukasa oznaczonej Ju 87B. Podwozie „Berty” wzmocniono, ale nade wszystko uproszczono jego konstrukcję, ograniczając się do jednej goleni z widelcem bez wzmocnień i zastrzałów.

Pojedynczą goleń montowano pod kątem prostym, a oprócz amortyzatora hydropneumatycznego zastosowano dodatkowy amortyzator sprężynowy umiejscowiony w punkcie mocowani goleni w skrzydle. Nowe podwozie Stukasa było efektywne i wytrzymałe ze względu na niezwykle solidną budowę centropłata oraz większe gabaryty amortyzatora, a tuleja, w której montowano goleń, podwozia przypominała lufę krótkiej armaty. Nowe osłony podwozia stały się znakiem rozpoznawczym Stukasa. Wersja Ju 87D charakteryzowała się dynamiczną sylwetką, a zgrabne owiewki o mniejszych gabarytach nadawały jej wizerunek drapieżnego ptaka, co ciekawe dopiero w wersji Ju 87D zastosowano dwuczłonowe owiewki ze skórzanym fartuchem pośrodku, podobne do osłon znacznie wcześniej montowanych w Karasiu. Układ jezdny Karasia powinien być zmodernizowany na wzór Junkersa Ju 87B. Zaniechanie spowodowało, że we wrześniu 1939 przy kołowaniu, startach i lądowaniach rozbito 23 samoloty, a w naprawach znajdowało się dalsze 55 Karasi, z tego większość z uszkodzonym podwoziem.


PODSUMOWANIE

Dopiero w samolocie PZL.46 Sum, który był ulepszoną wersją Karasia, wyeliminowano wady podwozia pierwowzoru. Pod względem możliwości bojowych, stanowił on następne ogniwo w ewolucji samolotu liniowego. Podwozie PZL.46 Sum charakteryzowało się solidną konstrukcją, jednak z punktu widzenia czystości aerodynamicznej było krokiem wstecz. Z 210 wyprodukowanych Karasi w wersji B, w boju wrześniowym udział wzięło około 114, w szkolnictwie, w rezerwie i w remontach było około 75 Karasi. Tuż przed wybuchem wojny, na podstawie zarządzenia szefa SG z dnia 10. stycznia 1939 rozformowano i skreślono z tabel mobilizacyjnych pięć eskadr liniowych. Trudno zrozumieć dlaczego w sytuacji bezpośredniego zagrożenia wojennego, sprzęt wystarczający do pełnego wyposażenia pięciu eskadr nie był naprawiany, tymczasem w zakładach PZL WP 1 w pośpiechu kończono eksportową serię PZL 43A dla Bułgarii.

Katastrofy i wypadki w lotnictwie polskim stanowiły ogromną daninę lotniczej krwi. Czas katastrof lokalizuje się zwykle w początkowym okresie rozwoju lotnictwa, kiedy to maszyny: włoski Ansaldo Balilla i francuski SPAD powodowały istne spustoszenie wśród pilotów myśliwskich.

Nieco przemilczaną kwestią są liczne katastrofy nowocześniejszego sprzętu PZL.23 Karaś i PZL.37 Łoś. PZL.23 był maszyną trudną. Wśród pilotów starszej generacji, wyszkolonych na samolotach dwupłatowych, miał złą opinię. W ciągu trzech lat użytkowania wydarzyły się 23 katastrofy, w których zginęło 55 osób. W owianych ponurą legendą "latających trumnach" Ansaldo A-1 Balilla, w 20 katastrofach zginęło 18 pilotów. Podczas słynnej „manifestacji siły” wobec Litwy, 11 Karasi straciło podwozie, lądując po zmroku na rozkopanym lotnisku Porubanek. Nieoczekiwanie „naprężanie lotniczych muskułów” zamieniło się w pokaz nieudolności w dowodzeniu dużymi zgrupowaniami lotniczymi. Przed wybuchem wojny było to groźne memento – samosprawdzająca się przepowiednia wrześniowej tułaczki Brygady Bombowej.

LITERATURA

1.    A. Glass. Polskie Konstrukcje Lotnicze. Wyd. Stratus. Sandomierz 2008.
2.    K. Klobuch Geneza lotniczego września. Wyd. ZP Grupa. Piekary Śląskie 2009.
3.    E. Malak. Prototypy samolotów bojowych i zakłady lotnicze. IW ERICA. Warszawa 2011.
4.    W. Mazur. Samolot rozpoznawczo-bombowy PZL.23 Karaś. Wyd. Edipresse. Warszawa 2013.
5.    T. Pawłowski. Lotnictwo lat 30 XX wieku w P olsce i na świecie. Oficyna Wydawnicza RYTM. Warszawa 2011.
6.    P. Tarkowski. Metoda oceny gruntowych nawierzchni lotniskowych. University of Mechanical Engineering. Lublin
7.    Instrukcja użytkowania samolotu PZL. 23B Karaś Muzeum Lotnictwa. Kraków.
8.    Przewody giętkie Vipera. Amortyzatory olejowo powietrzne Awia. Muzeum Lotnictwa. Kraków.

Rysunki nr. 2,3,4 - Podręcznik dla studentów kierunku inżynieria lotnicza Politechniki Wrocławskiej, Wyznaczanie współczynnika obciążeń samolotu. www.wbc.wroc.pl