Lipkowski śmigłowiec, 1904

Śmigłowiec pionierski typu zespolonego (tzw. rotodyna). Polska / Rosja.
Wirnik nośny śmigłowca projektu Józefa Lipkowskiego. (Źródło: archiwum).
W 1902 r. w Anglii i we Francji inż. Józef Lipkowski zgłosił do opatentowania rozwiązanie aparatu latającego w układzie śmigłowca. Już w 1902 r. otrzymał patent francuski nr 321 578, a w 1903 r. wydano mu patent angielski nr 11.616.

Przedmiotem ochrony praw wynalazczych był śmigłowiec wielowirnikowy (2, 4, 8, 12 wirników), z przeciwbieżnymi wirnikami osadzonymi na współosiowych, pionowych wałach (w każdej parze obraca­nych przeciwbieżnie), zaopatrzony w gondolę, mechanizmy transmisji napędów oraz sterownicę.

Był to śmigłowiec typu zespolonego (rotodyny), z jednym lub dwoma śmigłami napędowymi, z pojedynczym lub zdwojonym usterzeniem pionowym i poziomym, w różnych konfiguracjach. Model podstawowy stanowił dwuwirnikowy śmigłowiec z wirnikami przeciwbieżnymi, osadzonymi współosiowo, w układzie rotodyny. Miał dwułopatowy wirnik, o powierzchniach skręconych śrubowo, którego łopaty, niewielkim skoku, nastawione są pod optymalnym kątem natarcia. Każda zajmowała połowę powierzchni koła. Stosować można było wirniki wielołopatowe w różnych konfiguracjach łopat (2, 4, 6, 8 lub więcej) wachlarzowo rozłożonych wokół osi, zawsze spiralnie. Szkielet wirnika stanowiła drewniana lub aluminiowa obręcz, stalowe szprychy i piasta, stanowiące oparcie dla płóciennego pokrycia (obustronnego). Każdy wirnik usztywniony był do specjalnych pierścieni umieszczonych na wale napędowym, nad i pod wirnikiem. Możliwa była też inna konfiguracja łopat wirnika. Można było umieszczać je na wale schodkowo. Do lotu poziomego służyło śmigło ciągnące (jedno lub dwa, o dowolnej liczbie łopat i konstrukcji podobnej do wirnika nośnego, lecz charakteryzujące się dużym skokiem).

Wirniki i śmigła ciągnące mogły pracować na napędzie zespolonym, z jednego silnika napędowego umieszczonego w kadłubie, lub na napędzie indywidualnym, np. z dwu silników. W każdym przypadku mechanizmy transmisji napędów, złożone z wałków, przekładni zębatych i pasowych, zaopatrzone były sprzęgła umożliwiające wyłączenie wirników lub śmigieł ciągnących lub ich grup. Prędkość postępową r. regulowano prędkością obrotową śmigieł ciągnących, którą można było zmieniać dzięki powiązaniu zespołu napędowo- śmigłowego z odpowiednią skrzynią biegów.

Zawiasowy ster kierunku (pojedynczy lub zdwojony), osadzony na osi pionowej, na wysięgniku w tyle kadłuba (lub w tyle i w przodzie równocześnie), można było zastąpić wirnikiem (jednym lub dwoma obracanymi przeciwbieżnie) na osi poziomej. Zmiany kierunku ciągu umożliwiają w tym wariancie sterowanie kierunkiem lotu. Prostokątne usterzenie poziome, zamontowane w poprzek kadłuba (pojedyncze lub zdwojone w przodzie i w tyle), zapewnia stabilność śmigłowca w locie poziomym. W trakcie wznoszenia lub lądowania aparatu, ster (stery) ten jest uwalniany i swobodnie zwisa na swej osi (ograniczając opory). W chorągiewkę można ustawiać także ster kierunku. Do realizacji tych i innych funkcji usterzenia służyły specjalnie opracowane konstrukcje mechanizmów sterowania i wyłączania sterów.

Śmigłowiec zaopatrzony był pod kadłubem w pewną liczbę pneumatycznych zderzaków amortyzujących konstrukcję w kontakcie z ziemią (poduszki kauczukowe wypełnione powietrzem). W innym wariancie zalecano odpowiednio amortyzowane podwozie kołowe.

Prace nad projektem śmigłowca Lipkowski rozpoczął ok. 1900 r. W latach 1903- 1905 podjął w Petersburgu budowę śmigłowca dwuwirnikowego, w układzie rotodyny, z dwoma silnikami spalinowy­mi o mocy 59 i 18 kW (80 i 24 KM) jeden miał służyć do napędu wirników nośnych, drugi- śmigła ciągnącego. Konstruktor zakładał, że przy średnicy wirników równej 16 m i przy ich prędkości obrotowej rzędu 60 obr./min i masie całkowitej statku powietrznego ok. 3000 kg, będzie możliwe osią­gnięcie prędkości lotu w granicach 75 lub 85 km/h, na pułapie do 6200 m, przy opadaniu własnym (w locie spadochronowym) 7 m/s.

(Wg [2]- pierwszy projekt z 1903 r.: masa własna- 2300 kg, w tym masa wirników- 960 kg, wałów napędowych- 280 kg, pozostałej konstrukcji śmigłowca - 550 kg, silnika większego- 360 kg, a mniejszego- 150 kg. Wersja z 1905 r., śmigłowiec wojskowy. Masa własna- 3880 kg, całkowita- 5320 kg, użyteczna- 1440 kg (w tym bomby- 490 kg, paliwo- 665 kg), czas lotu- 5 h).

W 1904 r. w Zakładach Putiłowskich wykonano jeden wirnik, który wykorzystano do pomiarów wartości siły nośnej. Jak pisze konstruktor: chodziło mi o wypróbowanie, czy można podnieść się z ziemi pionowo, bez poziomego napędu, tylko pod działaniem pionowego śmigła.

3.03.1905 r., w obecności m.in. Wiktora L. Kirpiczewa oraz Mikołaja L. Szczukina, wykonano pomiar siły nośnej wirnika (na wadze aerodynamicznej). Wirnik, o powierzchni łopat 200 m2, napędza­ny silnikiem elektrycznym o mocy 26 kW (30 KM) przy jego 40 obr./min, podniósł masę 778 kg, co odpowiadało obciążeniu mocy 22,2 kg/KM. Chociaż było to o połowę mniej, niż przewidywał konstruk­tor, to i tak rezultat był pomyślny, jeśli się zważy, że wcześniej nie przekraczano wartości 10 kg/KM208. Lipkowski zawdzięczał to temu, że dał łopatom kąt natarcia 3,5°, kąt odpowiadający maksymalnej spraw­ności wirnika. Zdawał sobie sprawę, że w praktyce będzie zmuszony przyjąć kąt większy, gdyż aparat będzie wznosił się do góry, co zmniejszy sprawność wirnika. Dlatego też przeprowadził dodatkowe próby z kątem nastawienia łopat 5, 6 i 8°. Dały one wartości siły nośnej odpowiadające 20,5,18,0 i 15,0 kg/KM. W ostatecznym projekcie przyjął wartość siły nośnej na 12,5 kg/KM i ustalił, że przy masie śmigłowca około 8500 kg (uzbrojonego w bomby) musi on dysponować silnikiem o mocy 514 kW (700 KM). Jednak wyniki pomiarów wartości siły nośnej wirnika zdają się być wyraźnie zawyżone.

Tutaj pojawił się problem silnika. Nie budowano wówczas silników tej wielkości, których obciążenie jednostkowe mocy umożliwiało ich montaż na statku powietrznym projektowanego typu. Lipkowski wy­jechał do Paryża, by tam szukać producenta odpowiedniego silnika. Zorientował się, że jest to niemożli­we. Dostrzegł również, że rozwój lotnictwa idzie inną drogą- w kierunku samolotu. Narastająca krytyka projektu sprawiła też, że zaczął spoglądać na niego z większą rezerwą, w końcu zrezygnował z kontynuacji prac.

Gdy Lipkowski przebywał we Francji i Anglii, do cara Rosji wpłynął raport omawiający jego prace i ich wyniki. Jego autor opracował go zapewne z upoważnienia Lipkowskiego. Zawierał ofertę i warunki budowy śmigłowca przeznaczonego dla armii rosyjskiej. Podkreślono, że wynalazcy składane są różne propozycje, ten jednak wolałby sprzedać swój śmigłowiec Rosji. Lipkowski proponował carowi wykona­nie 1 aparatu w terminie 3 miesięcy, przy czym dla utrzymania tajemnicy poszczególne części śmigłowca zamawiane byłyby w różnych firmach zachodnich i montowane w Rosji. Lipkowski zakładał, że koszt budowy śmigłowca wyniesie około 75 000 rubli, kolejne zaś aparaty będą mogły być wykonane szybciej i taniej. Korzystając z pośrednictwa autora raportu dla cara, Lipkowski prosił o zamówienie u niego śmi­głowca. Deklarował osobisty udział w organizacji prac, montażu, prowadzeniu prób w locie, a także pracę w charakterze pilota w działaniach na froncie wojny rosyjsko- japońskiej.

Do raportu tego załączono tablicę obejmującą dane techniczne śmigłowca o masie własnej rzędu 3800 kg i udźwigu ok. 1450 kg, opinię o śmigłowcu opracowaną przez prof. W.L. Kirpiczewa, który podkreślał, że Lipkowskiemu udało się znaleźć praktyczne rozwiązanie dla tak ważnego problemu jak mechaniczna żegluga powietrzna oraz opinię prof. M.L. Szczukina, mówiącą o wynikach prób z wirnikiem w dniu 3.03.1905 r.

W tym czasie śmigłowiec Lipkowskiego stanowił przedmiot uwagi Komitetu Technicznego GIU. Prof. Mikołaj Żukowski opracował dla niego własną opinię, krańcowo różniącą się w konkluzji od stanowiska profesorów Kirpiczewa i Szczukina. Odmówił on projektowi Lipkowskiego oryginalności, wskazując, że analogiczne idee wysuwał już Juliusz Verne. Podkreślił jednak, że Lipkowski opracował oryginalny kształt wirnika, który przy dużej średnicy i małych kątach natarcia łopat oraz prędkości kątowej pozostaje zgodny z teorią. Żukowski, biorąc za punkt wyjścia dane podawane przez Lipkowskiego w jego broszurze Letatelnyj pribor sistemy inżenera J.J. Lipkowskogo, wydanej w Petersburgu w 1903 r., przeprowadził własny rachunek siły nośnej wirnika i mocy niezbędnych do jego pracy. Doszedł do wniosku, że autor projektu przyjął współczynniki, których stosowanie zawyża wartości siły nośnej wirnika, zaniża niezbędne wartości liczby jego obrotów, ciężary itp. W konkluzji stwierdzał, że nadzieja sukcesu w przypadku realizacji śmigłowca Lipkowskiego jest wątpliwa.

Równie sceptyczne stanowisko zajął Komitet Elektrotechniczny GIU, który oceniał wartość praktyczną  projektu Lipkowskiego dla armii. W rezultacie władze rosyjskie nie zaangażowały się w propozycje wynalazcy

Mimo że jego działania nie przyniosły sukcesu, to jednak wywarły wpływ na rosyjską myśl lotniczą. . Lipkowski jest uważany za ojca śmigłowca wielowirnikowego, a idee kreślone przezeń w patencie z 1902 r. żyją chociażby w rozwiązaniach technicznych rodziny śmigłowców Kamowa.

Konstrukcja (projekt z 1903 r.):
Śmigłowiec dwumiejscowy, dwuwirnikowy o konstrukcji metalowej.
Kadłub kratowej konstrukcji stalowej. W kadłubie znajdowały się silnik, zbiornik paliwa, miejsce dla załogi i ładunek bomb. Z przodu kadłuba śmigło ciągnące, z tyłu stery, kryte jedwabiem. Kabina odkryta.
Podwozie trójgoleniowe.
Wirniki dwułopatowe. Łopaty bardzo szerokie, zajmujące ćwierć powierzchni każdego koła. Konstrukcja wirnika: drewniane obręcze, stalowe szprychy, pokrycie z jedwabiu nasyconego gumą. Wirnik usztywniony względem wału za pomocą licznych drutów.

Napęd- 2 silniki: silnik napędzający wirniki o mocy 80 KM, silnik napędzający śmigło o mocy 24 KM.

Dane techniczne, projekt z 1903 r. (wg [2[):
Średnica wirnika- 16 m, długość bez wirników- 12,3 m, wysokość- 16 m.
Masa własna- 2300 kg, masa użyteczna- 700 kg, masa całkowita- 3000 kg.
Prędkość maksymalna- 80 km/h, pułap- 6200 m, opadanie (w locie spadochronowym)- 7 m/s.

Galeria

  • Układ i konstrukcja śmigłowców wielowirnikowych projektu Józefa Lipkowskiego, 1902 r. (Źródło: Januszewski S. ”Wynalazki lotnicze Polaków 1836- 1918”).
  • Układ i konstrukcja śmigłowców wielowirnikowych projektu Józefa Lipkowskiego, w tym szczegóły konstrukcji. (Źródło: Januszewski S. ”Wynalazki lotnicze Polaków 1836- 1918”).

Źródło:

[1] Glass A. ”Polskie konstrukcje lotnicze 1893-1939”. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa 1977.
[2] Glass A. ”Polskie konstrukcje lotnicze do 1939”. Tom 1. Wydawnictwo STRATUS. Sandomierz 2004.
[3] Januszewski S. "Pionierzy. Polscy pionierzy lotnictwa 1647- 1918. Tom 1". Fundacja Otwartego Muzeum Techniki. Wrocław 2017.
[4] Januszewski S. "Tajne wynalazki lotnicze Polaków: Rosja 1870-1917". Wydawnictwo: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 1998.
[5] Januszewski S. "Wynalazki lotnicze Polaków 1836- 1918". Fundacja Otwartego Muzeum Techniki. Wrocław 2013.
blog comments powered by Disqus