PZL.42 - polski nurkowiec, część 2

Druga część opracowania poświęconego eksperymentalnemu samolotowi PZL 42, który był jedną z wersji PZL-23 Karaś.


PRĘDKOŚĆ

Aby poznać możliwości płatowca, zacznijmy od czysto teoretycznego obliczenia prędkości maksymalnej jako funkcji  współczynnika obciążenia . Warunki lotu są następujące: lot na wysokości 100 m, gęstość powietrza ρ = 1.226 kg/m, współczynnik siły nośnej  Cz = 1,4, współczynnik obciążenia niszczącego n = 11, współczynnik obciążenia dopuszczalnego = 7,3. Prędkość lotu obliczymy przekształcając powyższy wzór do postaci: V=√2×n×mg/S×ρ×Cx

W założonych warunkach lotu samolot uległby destrukcji przy prędkości 405 km/h. Jest to wielkość czysto teoretyczna ponieważ samolot nie był w stanie osiągnąć tak wysokiej prędkości ani siły nośnej, wymagałoby to ogromnej mocy silnika. Obciążenia dopuszczalne przekroczyłby przy prędkości lotu ponad 330 km/h i w tym przypadku leżała ona poza realnymi możliwościami maszyny. Przedstawione wartości dowodzą jedynie, że PZL.42 miał duży zapas wytrzymałości, w związku z czym instytucjonalne ograniczenia prędkości w locie poziomym, prostoliniowym były zbyteczne.

Jak wiadomo ze względu na dużą różnicę pomiędzy średnicami silnika i kadłuba, w seryjnych wersjach Karasia następowało zmniejszenie prędkości opływu pomiędzy skrzydłem, a kadłubem.        

Silnie zaburzony, rozbieżny strumień odrywał się w tylnej  części kadłuba i wytracał energię na usterzeniu poziomym powodując trzepotanie (bufetting) usterzenia poziomego. Usterkę wyeliminowano poprzez oprofilowanie kadłuba i powiększenie kąta zaklinowani statecznika, co niestety negatywnie odbiło się na aerodynamice samolotu. Podczas badań w ITL stwierdzono, że przy prędkości około 320 km/h usterzenie poziome traciło swoją skuteczność. Przyczyną było płaskie ukształtowanie dachu kokpitu, który odchylał ku górze strumień powietrza, pozostawiając usterzenie w „aerodynamicznym cieniu”. Dodatkowo dłuższe loty z prędkością maksymalną powodowały przepalanie się kolektorów spalin.

Po badaniach w ITL  kierownik mjr. Aleksander Brzazgacz pismem nr 1770-62/Uz.PT  z dn.21. 05.38. zalecał  ograniczenie prędkości nurkowania do 310 km/h. Do zaleceń ITL dostosował się dowódca 1. P.L., który rozkazem nr 153/38 z dn. 15.06.38. ograniczył prędkość maksymalną samolotów PZL.23B Karaś do 319 km/h. Możliwości samolotu były większe.

Tabela nr 1 przedstawia obliczeniowe prędkości maksymalne trzech wersji Karasia. Obliczenia wykonaliśmy „metodą mocy” według wzoru: Vmax=√ 2N/ρ×S×Cx


Wersja PZL.43A była wyposażona w śmigło przestawialne na ziemi firmy Gnome-Rhone; natomiast PZL.23B I PZL.42, w stałe śmigła Szomański B-17bII. Przyjęliśmy, że sprawność obu śmigieł przy maksymalnych obrotach silnika wynosiła ok. 80%.

W załączniku do referatu na XVI posiedzenie KSUS podano, że prędkość maksymalna PZL.23B wynosiła od 355 do 325 km/h, w zależności od obciążenia. W katalogu eksportowym PZL przedstawiono 342 km/h. Według francuskiego attache wojskowego w Sofii płk. Limerani PZL.43 osiągał 380km/h (W. Mazur). Można by dalej podawać różne wielkości Vmax ponieważ PZL.23 był samolotem chimerycznym. W wielu opracowaniach podaje się, że po usunięciu gondoli bombardierskiej osiągi PZL.42 uległy niewielkiej poprawie. Przyrost prędkości był niezbyt duży, ponieważ gondola znajdowała się w „aerodynamicznym cieniu” powodowanym przez nisko opuszczony silnik.

NURKOWANIE

W mechanice lotu „lotem nurkowym” określa się lot ślizgowy na kącie natarcia o zerowym współczynniku siły nośnej Cz=0. W praktyce lotem nurkowym nazywamy niekiedy bardzo stromy lot ślizgowy, odbywający się na kącie zbliżonym do 90 stopni w stosunku do ziemi. W locie nurkowym ciężar samolotu równoważony jest przez opór powietrza. Ponieważ współczynnik oporu jest wielokrotnie mniejszy od współczynnika siły nośnej, prędkość osiągana w locie nurkowym jest bardzo wysoka.

Krytycznym momentem jest wyrwanie samolotu z lotu nurkowego. Podczas wyrwania w najniższym punkcie toru lotu siła nośna równoważy ciężar samolotu i siłę odśrodkową, opór zaś jest pokonywany siłą bezwładności, zatem wyrwanie - zwłaszcza gwałtowne, bardzo obciąża konstrukcję samolotu.

Instrukcja samolotu PZL.23B dopuszczała lot nurkowy z prędkością do 310 km/h, ogranicza również obroty silnika do 2725/min przy zamkniętej przepustnicy. Autor instrukcji używał jędrnego języka, więc warto go zacytować: „ponieważ w czasie nurkowania samolot staje się ciężki na łeb, należy przed nurkowaniem zrobić go ciężkim na ogon (przy pomocy regulacji Flettnera), co ułatwi później wyprowadzenie z nurkowania lub ograniczenie szybkości lotu”.


                                                                       PZL-23B Karaś

Z obliczeń wynika, że PZL.42 przy ciężarze całkowitym 2700 kg  mógł w pionowym nurkowaniu osiągnąć prędkość, dwukrotnie wyższą od dopuszczalnej. Wszystkie „rasowe” bombowce nurkujące wyposażone były w hamulce aerodynamiczne, które umożliwiały nawet pionowe nurkowanie bez przekroczenia dopuszczalnej prędkości. Nurkowce zbliżone budową do Karasia nurkowały z niewielką prędkością (SBD-3–444 km/h, D3A1–445 km/h), Junkers Ju-87 ze względu na mocną konstrukcję osiągał w nurkowaniu prędkości zbliżone do 600 km/h.

Standardowe nurkowanie rozpoczynano z wysokości około 5000 m, zrzut bomby następował z wysokości od 1000 do 500 m. Podczas nurkowania samolot leciał z ustaloną prędkością. Konstrukcja maszyny była co prawda poddawana sile oporu, ale jej obciążenia nie były wysokie, przy nurkowaniu na dużych kątach nie występowała również siła nośna. Przestawialne śmigło ustawione na maksymalny skok nie powodowało nadmiernych obrotów silnika.

Karaś nie był przystosowany do nurkowania. Mógł zrzucać bomby za stromego lotu ślizgowego, taki sposób ataku nie zapewniał wystarczającej celności. Gdyby jednak doszło do pionowego nurkowania dopuszczalna prędkość została by przekroczona po 300-400 metrach, dalsze nurkowanie groziłoby nadmiernym rozkręceniem się silnika i flatterem skrzydeł. W obydwu przypadkach zakończyłoby się to rozsypaniem samolotu w powietrzu.


                                            PZL.43 zdobyty przez Niemców w roku 1939

Samo śmigło naturalnie hamuje nurkujący samolot, ale nieumiejętne operowanie mechanizmem zmiany skoku śmigła może być źródłem poważnych problemów, o czym głęboko przekonał się Ernst Udet testując konkurencyjny w stosunku do Ju-87 bombowiec nurkujący Heinkel He 118. Udet nie wziął sobie do serca wskazań Heinkla o konieczności zwrócenia szczególnej uwagi na system zmiany skoku śmigła i nazbyt gwałtownie wprowadził samolot w nurkowanie. Śmigło w jednym momencie samoistnie przestawiło się w chorągiewkę i powodując gwałtowną redukcję obrotów zdemolowało mechanizm przekładni, na skutek gwałtownych drgań samolot rozpadł się w powietrzu. Szef Technisches Amt musiał pospiesznie wyskoczyć z kabiny, przy czym zahaczył butem o jej rant i spadał dalej razem z rozpadającym się samolotem. Wreszcie udało mu się pozbyć buta i w ostatniej chwili uruchomił spadochron.

Podczas nurkowania pod kątem 90 stopni siła nośna ma wartość zerową, groźny jest zatem moment skręcający skrzydła, który równoważony jest momentem od siły na usterzeniu poziomym. Flatter skrzydeł polega na tym, że przy niewielkim wychyleniu lotek następuje skręcenie skrzydła pogłębione naporem powietrza. Sprężystość skrzydeł powoduje powrót do poprzedniego położenia, a następnie odkształcenie się skrzydła w przeciwnym kierunku, ponownie pogłębione naporem powietrza. Drgania tego typu charakteryzują się dwoma stopniami swobody: pierwszy to skręcenie się skrzydeł, a drugi to wychylenie się lotki względem swej osi. Przy skręceniu się skrzydła bezwładność niewyważonych masowo lotek wywołuje ich wychylenie przeciwne do kierunku skręcania, zjawisko to nazywano rewersem lotek, czyli ich odwrotnym działaniem. Zjawisko ma cykliczny charakter i przy wzrastającej amplitudzie skręcania nieuchronnie prowadzi do zniszczenia konstrukcji.

Flatter ma wiele postaci. Podczas nurkowania niebezpieczny bywa flatter pokrycia wynikający z jego niedostatecznej grubości. Przyczyną ograniczenia prędkości nurkowania Mitsubishi A6M2 (629 km/h) było słabe poszycie skrzydeł. Wadę tę poprawiono w A6M3 (667 km/h) wyeliminowano dopiero w A6M5 (740 km/h).

Duże podwójne usterzenie pionowe może być przyczyną kłopotów. Pierwszy prototyp Ju-87 V1 Nr 4921 rozbił się na skutek drgań, które doprowadziły do oderwania się prawego statecznika pionowego. Drugi prototyp wyposażono w sztywniejszy pojedynczy statecznik. Podwójne stateczniki  testowano ze względu na powiększenie pola obstrzału tylnych km-ów, podobnie jak to miało miejsce w PZL.42. Wadą takiego układu jest mała sztywność, a duże momenty od sił na usterzeniu pionowym muszą być równoważone cięższą konstrukcją całości usterzenia. Dodatkowe problemy pojawiały się podczas wyprowadzania z lotu nurkowego. Relacje z prób potwierdzają niską skuteczność sterów wysokości przy dużych prędkościach lotu. Wyprowadzenie z lotu nurkowego odbywa się zwykle do lotu poziomego lub wznoszącego. Wyprowadzenie wykonane szybko nazywa się wyrwaniem. Wyrwanie samolotu PZL.42 było trudne. Ponieważ wyrwanie odbywa się po torze łukowym, oprócz siły oporu i ciężaru, na samolot działa siła odśrodkowa Po, przeciwdziałająca zakrzywieniu toru lotu.


                                   PZL.23 Karaś na Wystawie Lotniczej w Sztokholmie. Rok 1936

W pierwszej chwili wyrwania z lotu nurkowego, które polega na ściągnięcia drążka, siła nośna Pz równoważy siłę odśrodkową Po, ciężar samolotu Q równoważony jest przez opór Px. W najniższym punkcie toru wyrwania siła nośna Pz  równoważy ciężar samolotu oraz siłę odśrodkową, opór jest pokonywany siłą bezwładności samolotu, który w czasie wyrwania zmniejsza swoją prędkość lub równoważony jest przez siłę bezwładności i ciąg śmigła, jeżeli pilot otworzy przepustnicę silnika. Ponieważ w locie poziomym, wznoszącym i ślizgowym siła nośna równa jest ciężarowi oraz sile odśrodkowej, wyrwanie zwłaszcza gwałtowne obciąża mocno konstrukcję samolotu. Współczynnik obciążenia w najniższym punkcie toru możemy łatwo obliczyć wykorzystując zależność: n = Pz/Q = Q+Po/Q = 1 + V2/g*R

Ponieważ, jak już wspominaliśmy, prędkość lotu nurkowego może być bardzo duża, gwałtownemu wyrwaniu towarzyszą  duże obciążenia , mogące doprowadzić do zniszczenia samolotu w powietrzu. 

Tabela nr 2 przedstawia obciążenia działające na samolot w momencie  wyrwania.


Tabela pokazuje rozkład obciążeń, które działają na samolot podczas wyrwania z pionowego nurkowania. W czerwonych polach zaznaczyliśmy obciążenia wyższe od dopuszczalnych dla PZL.42 (n=7,3) nie przekraczające wszakże wartości obciążeń niszczących, które zaznaczyliśmy szarym paskiem (n=11). Cały obszar pozostawiony na biało obejmuje wartości obciążeń nie stanowiących zagrożenia dla konstrukcji PZL.42. Ograniczenie prędkość nurkowania dla Karasia B do 310 km/h, nie wynikało z braku wytrzymałości konstrukcji, lecz dotyczyło własności lotnych samolotu. PZL.42 mógł być zatem punktem wyjścia do budowy bombowca nurkującego. Przy współczynniku obciążenia niszczącego rzędu 13–14, byłby samolotem porównywalnym do SBD Dauntless czy Aichi D3A.

PODSUMOWANIE

Oryginalna próba stworzenia z Karasia - bombowca nurkującego, zakończyła się niepowodzeniem. PZL.42 był samolotem doświadczalnym, dlatego nie można mówić o jego porażce czy sukcesie, ponieważ nawet negatywny wynik próby niesie ważne informacje. Głębszy sens ma za to pytanie: dlaczego doświadczeń zdobytych w czasie prób PZL.42 nie wykorzystano do budowy bombowca nurkującego z prawdziwego zdarzenia? Przykładem (choć nie najlepszym) może być, bułgarski nurkowiec DAR-10F wzorowany na Karasiu. Nawet pobieżna analiza konstrukcji wskazuje, że czwarty prototyp był wzorem do budowy eksportowej wersji  Karasia (PZL.43) i jego następcy, którym okazał się liniowy PZL.46 Sum. Zakres zmian objętych projektem był zbyt wąski jak na potrzeby bombowca nurkującego.


                                                             Bułgarski samolot DAR-10

PZL.42 był pięknym samolotem i w przypadku powodzenia prób, mógłby służyć za argument w dyskusji nad przyszłością lotnictwa pola walki. Należy sądzić, że dosyć przypadkowa adaptacja seryjnego samolotu liniowego na bombowiec nurkujący, wynikała z analizy najnowszych tendencji w światowym lotnictwie i w jakiejś mierze była nawiązaniem do doświadczeń prowadzonych w wielu państwach nad samolotem wsparcia ogniowego wojsk lądowych. Pomimo tego, zabiegi czynione wokół maszyny były prowizoryczne i przypadkowe. Czy były one początkiem procesu, który miał doprowadzić do powstania polskiego Stukasa? Pułkownik L. Rayski, ppłk. S. Stachoń, mjr. A. Brzazgacz w polskim lotnictwie stanowili elitę, byli doskonale zorientowani w kierunkach rozwoju Luftwaffe.

Nic dziwnego, że prawdopodobnie w tym kręgu narodził się pomysł na adaptację prototypu Karasia do roli bombowca nurkującego. Niestety nie po raz pierwszy i nie ostatni decydenci otrzymali nauczkę, że w lotnictwie nie ma dróg na skróty, a każde łatwe rozwiązanie kończy się porażką Bombowiec nurkujący powinien być zaprojektowany od podstaw. W przypadku eksperymentalnej adaptacji Karasia należało dopracować aerodynamikę samolotu, wzmocnić konstrukcję, zaprojektować hamulce aerodynamiczne, wyrzutnik bomb 300 kg, wymienić śmigło na przestawialne w locie. Dlatego wstrzemięźliwa reakcja S. Prausa, nie powinna dziwić. Kto jak nie on mógł lepiej znać słabe strony Karasia? Ale próby przyniosły również cały szereg pozytywnych doświadczeń, które znalazły zastosowanie w eksportowych wersjach Karasia i jego następnym wcieleniu - PZL.46 Sum.