Lotnicze silniki parowe. Zarys historii i rozwoju

Autor Edward Kocent-Zieliński (artykuł ze starej strony “Samoloty 1,5 z dodanymi ilustracjami)

Chęć kierowania aparatami latającymi sprowadziła rozważania teoretyków i praktyków żeglugi powietrznej początku drugiej połowy XIX wieku do stwierdzenia konieczności zastosowania w nich napędu mechanicznego.

Dysponowano wówczas jednak tylko dwoma źródłami takiego napędu – silnikiem elektrycznym i parowym. Pierwszy z nich próbowano wykorzystać głównie do sterowców, przy czym próby te w kilku przypadkach przebiegły z pewnym powodzeniem (Tissandier, Renard i Krebs).

Jednakże wykazały one bez wątpliwości, że napęd elektryczny jest napędem “nieodnawialnym” (a przynajmniej trudnoodnawialnym), co powodowało jego małą autonomiczność i niewielkie zaangażowanie mocy. Przeszkodami głównymi były ograniczone pojemnośći elektryczne baterii oraz ich waga i rozmiary. Cechy te zmniejszały zastosowanie napędu elektrycznego w sterowcu i zupełnie dyskwalifikowały go w odniesieniu do samolotu. Na placu boju pozostały więc tylko silniki parowe.

Tłokowa maszyna parowa wynaleziona przez Jamesa Watta jeszcze w XVIII wieku (1765 rok) jako nowe źródło energii mechanicznej w swej pierwotnej formie z całą pewnością nie mogła być źródłem napędu balonów, będących jedynymi wówczas maszynami latającymi. Jednakże w upływających latach swego istnienia podległa ona zmianom i udoskonaleniom, do których należały przede wszystkim:

– podniesienie ciśnień pracy
– podniesienie temperatury pary (przegrzanie)
– zastosowanie wielokrotnego rozprężania pary i
– regeneracja ciepła.

Zmiany te były możliwe dzięki ogólnemu rozwojowi techniki opartemu na podstawach naukowych. W tym także i technologii produkcji elementów metalowych, z których budowano maszyny parowe, a więc blach kotłowych, rur wysokociśnieniowych, precyzyjnych odlewów i detali wykonywanych na obrabiarkach. Do tego dochodziły coraz doskonalsze rozwiązania konstrukcyjne poparte obliczeniami. Wszystko to powodowało, że napęd parowy uzyskiwał z czasem mniejszą masę własną, większą sprawność i większą moc.

W miarę upływu czasu i prac eksperymentalnych w powszechnym użyciu znalazły się nowe typy kotłów (lżejsze i wydajniejsze) oraz wysokociśnieniowe maszyny wielokrotnego rozprężania. Cezurą inną był rok 1884, w którym Parsons przedstawił pierwszy egzemplarz turbiny parowej – pierwszego silnika cieplnego pracy ciągłej.

Faktem jest, że większość unowocześnień maszyn parowych można datować na koniec XIX wieku. Dlatego głównie te lata obfitowały w projekty i próby zastosowania napędu parowego w lotnictwie.>Poczynania te jednakże miały swój wcześniejszy rodowód.

W roku 1842 pierwszy projekt samolotu parowego przedstawił William Henson. Samolot ten – dość poprawnie opracowany – miał być wyposażony w silnik o mocy 25-30 KM, co – jak zresztą określił później sam Henson – było mocą zbyt małą dla płatowca o masie ok.1360 kg i powierzchni nośnej 140 m². Sama maszyna dwucylindrowa “bliźniacza” nie przedstawiała swym pomysłem niczego nowego. Nowatorskim był natomiast kocioł, lekki i wydajny. Mimo braku realizacji projekt ten stał się inspiracją działania innych wynalazców oraz podstawą do szerokiej dyskusji poświęconej przyszłości napędu lotniczego. Dyskusja ta i opracowania teoretyczne były zapewne powodem, dla których lata późniejsze obfitowały w liczne modele samolotów z napędem parowym.

W roku 1843 dokonał szeregu udanych startów i lotów model Phillipsa napędzany małą maszynką parową o mocy ok. 0,5 KM. Sam Henson także pracował w latach 1844-1847 nad modelami samolotów wraz ze swym współpracownikiem Stringfellowem. Jeden z nich miał rozpiętość 6 m i masę 12 kg. Model ten napędzała jednocylindrowa maszyna dająca 300 obr/min. ze średnicą cylindra 38,1 mm i skokiem tłoka 76,2 mm. Całość stanowiła miniaturę płatowca patentu z 1842 roku.

Po wyjeździe Hensona do Ameryki podobne prace kontynuował Stringfellow w roku 1848 z modelem o rozpiętości płatów 3,04 m, długości 1,67 m i powierzchni nośnej 1,3 m². Model ten – ważący wraz z silnikiem (o średnicy cylindra 19 mm i skoku tłoka 50,8 mm) i paliwem ok. 3,9 kg – wykonał po kilku poprawkach wiele udanych lotów. Napędzały go dwa śmigła średnicy 0,4 m.

W roku 1852 Henri Giffard zbudował sterowiec z maszyną parową o mocy 3 KM i masie wraz z kotłem 240 kg, która umożliwiła w pełni kierowany lot z prędkością ok.11 km/h (29 września 1852). Sterowiec napełniony gazem świetlnym miał objętość 32500 m³ przy długości 44 m i średnicy 12 m. Zespół napędowy z kotłem pracujący na parze nasyconej o ciśnieniu ok. 3 atm zawieszony był 6 m pod balonem. Maszyna Giffarda była pierwszym cieplnym silnikiem lotniczym zastosowanym praktycznie.

Model ornitoptera z małą maszyną parową zbudował w roku 1860 Smiths.

Stringfellow starał się natomiast dalej udoskonalać parowy napęd modeli. W roku 1867 zbudował nowy model trójpłata o masie 5,4 kg, powierzchni nośnej 2,6 m², z maszyną o mocy 0,33 KM, który demonstrował w Crystal Palace. W rok później został twórcą maszyny – tym razem podwójnego rozprężania – o mocy 1 KM, za którą otrzymał nagrodę od Królewskiego Związku Awiatycznego w Londynie. Znajduje się ona dziś w zbiorach Smithsonian Institution.

Małe maszyny parowe budował także Ponton d’Amercourt. Jedma z nich, dwucylindrowa, zabudowana do modelu helikoptera z roku 1862, miała średnicę cylindrów 15 mm przy skoku tłoka 40 mm i ważyła ok. 2 kg.

W końcu lat 70-tych XIX wieku najlżejsze silniki parowe uzyskały masy jednostkowe rzędu 18-20 kg/KM. Przyczyniło się do tego podwyższenie ciśnienia pary do 10 atm, połączone z większą wydajnością nowego typu kotłów (np. Hensona czy braci Temple – przynajmniej w próbach lotniczych). Maszyny te jednak, choć systematycznie udoskonalane, nie nadawały się jeszcze do napędu samolotów mogących być uznane za użytkowe, mimo wielu obiecujących eksperymentów z modelami.

I tak np. w roku 1875 udany model samolotu zbudował Thomas Mory. Maszyna w nim zastosowana miała moc ok. 3 KM przy masie 98 kg, a sam model prezentowany był z powodzeniem w Crystal Palace.

Eksperymenty z modelami samolotu parowego przeprowadzał Gustaw Tatin. Jeden z nich – z maszyną o mocy 1,3 KM – był znacznie dojrzalszy technicznie od późniejszych konstrukcji i projektów Clementa Adera.

Gustaw Truwe zbudował w roku 1891 model ornitoptera o masie 3,5 kg z maszyną parową własnego pomysłu. Również dobre wyniki lotów modeli z maszyną parową o mocy ok.0,2 KM i 0,6 KM uzyskiwał Hargrave działający w Australii i Stanach Zjednoczonych w latach 1891-1893. Masy jednostkowe tych silników wynosiły już ok. 3,19 kg/KM.

Jednym z pionierów napędu parowego w lotnictwie był wówczas Enrico Forlanini. Zbudował on w roku 1877 model helikoptera napędzanego dwucylindrową maszyną parową o mocy 0,25 KM. Model ten wykonał kilka lotów. Forlanini wykonał prócz tego kilka maszyn parowych z przeznaczeniem lotniczym. Pierwsza z nich, dwucylindrowa z układem cylindrów V 90, przeznaczona była do samolotu. Przy średnicy/skoku tłoków 90/100 mm osiągała moc 8 KM. Drugą była maszyna przeciwbieżna o mocy 3 KM i średnicy/skoku tłoka 60/60 mm. Obok Forlaniniego również w roku 1877 Dieuaide zbudował także model helikoptera z dwucylindrową maszyną o mocy 1 KM.

Próby z modelami samolotów parowych przeprowadzał w USA od roku 1893 Samuel Pierpont Langley, stosując w nich maszyny o mocy do 1,5 KM. Z modeli tych zasługuje na uwagę Aerodrome No. 5, oblatany 9 maja 1896 roku. Miał on rozpiętość 4,1 m, masę 14 kg i maszynę o mocy 1 KM. Model ten przeleciał w drugiej próbie zupełnie poprawnie odległość 1 km, utrzymując wysokość 30 m.

Następny, podobny model nazwany Aerodrome No. 6 z mocniejszym silnikiem oblatany został 28 listopada 1896 roku i przeleciał 1200 m w czasie 1 min. i 45 sek. Ostatnim modelem tego typu był oblatany 8 kwietnia 1903 roku egzemplarz z maszyną o skoku/średnicy cylindra 70/33 mm i masie 2,9 kg/KM. We wszystkich tych modelach zastosowane maszyny wykazały swą całkowitą przydatność.

Przydatność ta była efektem wspomnianego rozwoju konstrukcji napędu parowego w końcu XIX wieku. Jak było powiedziane wyżej, zastosowano powszechnie do niego parę przegrzaną, co umożliwiło istotny wzrost stosowanych ciśnień, temperatur i obrotów, a więc i mocy. Nawet w okrętowych silnikach tego typu zmniejszyły się znacznie masy jednostkowe: z 1540 kg/KM w roku 1832 do 400 kg/KM w roku 1890 przy 400-500 obr/min.

Na poprawę jakości napędu parowego wpłynęło również opracowanie silników parowych wielokrotnego rozprężania, podwójnego i potrójnego, które zastąpiły stosowane dotąd niepodzielnie układy wielocylindrowe typu bliźniaczego. Opracowano dwa systemy pracy maszyny z wielokrotnym rozprężaniem: typu “compound”, tj. z osobnymi cylindrami różnej średnicy pracującymi na wspólny wał korbowy i układ “posobny”, podwójnego rozprężania, w którym dwa cylindry – wysokiego i niskiego ciśnienia – były jeden za drugim, a ich tłoki na jednym tłoczysku pracowały na wspólny korbowód. Zastosowano w tych maszynach tzw. receivery, tj. zbiorniki wyrównujące ciśnienia między cylindrami, co wpłynęło na stabilizację pracy. Aby podnieść wydajność i sprawność kotłów wprowadzono skraplacze z wymuszonym chłodzeniem.

W związku z daleko idącymi udoskonaleniami maszyn parowych eksperymentowano, tworząc konstrukcje niekiedy bardzo nietypowe i progresywne, jak np. bezkorbowy silnik lotniczy podwójnego rozprężania Claude Jauberta zbudowany w roku 1879.

W końcu lat osiemdziesiątych przeprowadzano również wiele prób zamiany w maszynach tłokowych pary wodnej na pary innych mediów, np. spirytusu, eteru, benzyny, nafty. Eksperymenty te były tyle niebezpieczne co w większości nieudane, choć przykładowo jedna z firm tym problemem się interesująca Escher-Wiss budowała silniki naftowe o mocach wprawdzie niewielkich (2 do 4 KM), ale o w miarę korzystnych parametrach kg/KM.

Bardzo interesującą i udaną maszynę parową potrójnego rozprężania zbudował we Francji w latach 1886-1888 na zlecenie rosyjskiego Ministerstwa Wojny Gabriel Jon z przeznaczeniem dla sterowca. Maszyna ta, o początkowej mocy 43,5 KM przy 400 obr./min z masą 450 kg (całość zespołu 1900 kg), po zastosowaniu kondensatora miała moc 52 KM, a z nowym kotłem De Dion&Trepardoux masę całości 1010 kg.

Sam sterowiec, mimo jego zbudowania i przesyłki do Rosji, nie został nigdy wypróbowany z uwagi na wzrost kosztów spowodowanych licznymi żądanymi zmianami napędu i kadłuba.

W roku 1893 Parsons zbudował model z maszyną 0,25 KM przy 1200 obr./min o średnicy cylindra/skoku tłoka 31,75/50,8 mm. Paliwem był spirytus.

Do istotnych osiągnięć w zakresie budowy wysokosprawnych silników parowych przyczyniali się w tych latach także twórcy pojazdów drogowych, jak np. Leon Serpollet, markiz De Dion czy rodzina Bollee z Le Mans, budująca bardzo udane samochody parowe w latach 1870-1880.

Lecz już nieco wcześniej Etienne Lenoir próbował stworzyć silnik spalinowy wzorowany stricte na maszynie parowej dwustronnego działania, ale wobec nikłych średnich ciśnień użytecznych, a co za tym idzie małych mocy jednostkowych, silnik ten nie stworzył konkurencji dla swego pierwowzoru. Wprawdzie silnik ten ze względu na duże masy jednostkowe nie mógł być silnikiem lotniczym, ale sama myśl wewnętrznego spalania zastosowana w jego konstrukcji była godną uwagi.

Rozwój tej myśli sprawił, że druga połowa XIX wieku stała się wkrótce czasem pionierskich poczynań w dziedzinie budowy tłokowych silników spalinowych, bowiem Mikołaj Otto budował je już od roku 1864, a Gottlieb Daimler opracował swój silnik tego typu w roku 1883. Swój silnik Otto wytwarzał nieco później seryjnie w Canstatt w wielu systematycznie ulepszanych wersjach. Należy tu dodać, że miał on początkowo układ przeniesienia napędu zębatkowy, podobny maszynom parowym Watta produkowanym w XVIII wieku przez Boultona w Soho.

Firma ta w roku 1889 próbowała zbudować silnik do samolotu na zamówienie jednego z pionierów lotnictwa Kressa. Niestety silnik ten po wykonaniu miał masę 380 kg przy 30 KM mocy. Przekreślało to z miejsca jego możliwości zastosowania w samolocie i zarazem ilustrowało ówczesne możliwości konstrukcyjno -technologiczne.

W możliwościach tych orientował się już wcześniej Clement Ader i dlatego postanowił zastosować w swym samolocie “Eole”, zbudowanym w latach 1882-1889, dwucylindrową maszynę parową o mocy 20 KM.

Ponieważ “Eole” nie spełnił oczekiwań trwałego lotu, Ader zajął się budową lepszego i większego samolotu nr. 2 z mocniejszą i doskonalszą maszyną napędową. Maszyna ta, czterocylindrowa, była zbudowana w systemie podwójnego rozprężania typu “posobnego”. Przy masie własnej 32 kg uzyskiwała 30 KM mocy, napędzając jedno śmigło o dużej średnicy. Rurkowy kocioł typu La Mont ze skraplaczem, opalany spirytusem, dostarczał pary nasyconej, a cały samolot gotowy do lotu ważył 290 kg przy obciążeniu powierzchni nośnej ok. 10,2 kg/m² i obciążeniu mocy 15 kg/KM.

Samolot ten, mimo parametrów napędu długo nie osiągalnych przez silnik spalinowy (tylko 3 kg/KM), dokonał zaledwie dwu krótkich lotów-skoków: pierwszego 9 października 1890 roku i drugiego we wrześniu 1891 roku (po zmianie kotła na wydajniejszy), w którym został uszkodzony.

Następnym samolotem Adera był Avion III, tym razem wyposażony w dwie maszyny parowe i dwa śmigła. Maszyny były podobne konstrukcyjnie do zastosowanych w samolocie nr. 2, z cylindrami o średnicy cylindra wysokiego ciśnienia 65 mm i niskiego 100 mm. Przy masie 23 kg, ciśnieniu pary 12-15 atm i 110 obr./min osiągały one 22-23 KM mocy, co dawało 1,09 kg/KM – wskaźnik również długo nie osiągalny w silnikach spalinowych. Układ obiegu wody był zamknięty wyposażony w skraplacz z 1600 rurek miedzianych nad kadłubem, palniki spirytusowe, a napęd śmigieł bezpośredni. I tu masa całkowita samolotu wynosząca 400 kg dawała bardzo korzystny wskaźnik obciążenia mocy rzędu 10 kg/KM.

Samolot ten wykonał także krótki lot-skok zakończony uszkodzeniem. Do niepowodzenia próby przyczynił się – podobnie jak w przypadku poprzednim – nieprawidłowy pilotaż, konstrukcja samego płatowca uniemożliwiająca mu lot sterowany oraz niewłaściwe warunki startu.

Wyniki te nie wpływają jednak na fakt doskonałości technicznej zastosowanego napędu, przy którego uwzględnieniu należy uznać maszyny parowe Adera za silniki całkowicie w owym czasie przydatne do celów lotniczych.

Rozpatrując kwestię napędu parowego samolotów należy także wspomnieć o pracach A. Możajskiego w Rosji (1883 rok). Był on kapitanem marynarki i zaprojektował bardzo poprawną konstrukcję samolotu zaopatrzonego w dwie maszyny parowe zamówione w Anglii, napędzające 3 śmigła. Były to silniki podwójnego rozprężania. Większy z nich miał cylindry o średnicach 95/190,7 mm i skoku 127 mm. Przy 300 obr./min osiągał moc 20 KM z masą 47,6 kg. Mniejszy o masie 28,6 kg i cylindrach 63,5/127 mm i skoku 88,9 mm osiągał moc 10 KM przy 450 obr./min. Do wyposażenia maszyn należał kondensator pary i jeden kocioł parowy systemu Hersengroff o masie 64,4 kg.

Zastosowane maszyny okazały się jednak zbyt słabe i próby lotu całości konstrukcji były nieudane. Sam Możajski próbował zbudować później znacznie lepsze silniki, ale wobec braku funduszy nie doprowadził swego zamierzenia do końca.

W historii lotniczych maszyn parowych znaczące miejsce zajęły także prace Hirama Maxima. Był on z wykształcenia inżynierem elektrykiem, ale pieniądze na eksperymenty lotnicze, którymi interesował się od dawna, dał mu wynalazek karabinu maszynowego.

W roku 1894 zbudował on wielki samolot (czteropłat, później dwudwupłat) o powierzchni nośnej 540/140 m² o masie ok. 4 ton. Do samolotu tego zabudował dwie własnej konstrukcji maszyny parowe. Były to jednostki typu “compound” w układzie leżącym. Cylindry miały średnice 125 mm i 200 mm przy skoku 305 mm. Obie maszyny uzyskiwały moc 2×180 KM przy 375/400 obr./min. Pary do obu silników dostarczał kocioł rurkowy systemu Thornycroft. Zbudowany był on w formie trójkąta, którego boki tworzyło 300 miedzianych rurek o średnicy 10 mm zgiętych do kształtu V. Wewnetrzną konstrykcję kotła uzupełniał przegrzewacz składający się z 700 podobnych rurek giętych faliście o długościach od 1,4 do 2,4 m. Para była zbierana w szczytowym zbiorniku kotła połączonym z rurkami o średnicy 250 mm i długości 2,4 m. Kocioł izolowany otuliną azbestową miał długość 2,4 m, szerokość 1,5 m i wysokość 1,8 m. Do wyposażenia kotła należały także kondensator pary (obieg wody był zamknięty) i palniki benzynowe. Kondensator złożony z ułożonych obok siebie 500 rurek miedzianych o średnicy 37 i długości 1200 mm stanowił część konstrukcji płata. Odpowiednia pompa kierowała z niego wodę do kotła. Palniki o 765 otworach zasilane były parami benzyny ze specjalnego generatora. Ciąg-nadmuch w kotle realizował osobny wentylator. Zużycie paliwa kształtowało się na poziomie 400 g/KM.

Próby samolotu wykazały możliwość lotu, którą zniweczyła ostrożność samego Maxima. Ostrożność ta, połączona ze zbyt trudnym sterowaniem (jedna z maszyn napędzała koła podwozia umieszczone na torze) spowodowała uszkodzenie tej bardzo obiecującej konstrukcji.

Sumarycznie, ówczesne instalacje parowych maszyn lotniczych (i nie tylko lotniczych) wysokiej wydajności były dość skomplikowane mimo zaawansowania technicznego. Komplikacje te w połączeniu zazwyczaj z niedoskonałością płatowców były głównymi przyczynami możliwych, choć nieudanych lotów. Lecz wtedy lepszych silników nie było i to stanowiło dylemat.

Wymiar rozterek jakie stwarzał ten fakt ówczesnym pionierom lotnictwa niech przedstawi fragment pamiętnika J. Hoffmanna w którym pisał: “…Stanęłem przed pytaniem wyboru silnika. Przemysł samochodowy nie mógł mi dostarczyć w roku 1901 silnika, który byłby lżejszy od 15 kg/KM, a w tym czasie potrzebny był mi silnik nie większy niż połowa tego. Przy czym liczyłem się z mocą 30 KM, a silniki Bouchet najlżejsze używane w doświadczeniach sterowcowych dawały moc 3 KM ! Tym sposobem, po przemyśleniu wróciłem znów do silnika parowego…”.

W latach 1900-1903 nie udało się opracować silnika benzynowego o masie jednostkowej 7-8 kg/KM. Hoffmann zbudował więc maszynę parową o mocy 30 KM i masie jednostkowej 7 kg/KM, tj. gorszej niż Adera, Maxima a nawet Możajskiego.

W tym samym czasie Hering zbudował swą maszynę przeciwbieżną (!) o mocy 7 KM pracującą z ciśnieniem 16 atm i o obciążeniu mocy 1,2 kg/KM. Prace nad możliwymi udoskonaleniami tych wszystkich konstrukcji przerwał szybki rozwój silników spalinowych.

Trzeba jednak powiedzieć, że maszyna parowa próbowała się “nie dać”. W roku 1906 Fred Marriott jako pierwszy uzyskał na samochodzie Stanley prędkość ponad 200 km/h (dokładnie 204,404 km/h). W rok później “błąd pilotażu” spowodował katastrofę tego samochodu. Niemniej jednak Marriott osiągnął prędkość ponad 290 km/h z niesłychanie lekką maszyną parową o gigantycznej jak na jej wymiary i masę mocy ponad 200 KM !

Osiągnięcie to było również miarą niedoskonałości ówczesnych silników spalinowych. Prostota ich konstrukcji i obsługi pozostawiła jednak wkrótce daleko w tyle tłokową maszynę parową, dominując napędy lotnicze, choć maszyny takie zarówno przed pierwszą wojną światową jak i po jej zakończeniu stanowiły źródło napędu wielu interesujących pojazdów samochodowych produkowanych przez wiele firm.

Powodzenie tych firm w zakresie rozwoju silników parowych trakcyjnych stało się w latach międzywojennych punktem uwagi pewnych kręgów konstruktorów z różnych krajów, skierowanym w stronę powrotu do tłokowych silników parowych w lotnictwie. Dotyczyło to zwłaszcza efektów prac kilku firm amerykańskich (Doble, White, Stanley, Besler, Delling) działających w końcu lat dwudziestych.

W tym samym czasie zbudował swój silnik parowy z przeznaczeniem lotniczym także w USA Harold Johnston. Silnik ten osiągał moc 90 KM przy 900-1000 obr./min, przy ciśnieniu pary 112 atm. Został on zabudowany w samolot, o którego osiągach brak informacji. Podobnie brak informacji o próbach lotniczego silnika parowego konstrukcji Plarffa. Silnik ten miał wskaźnik mocy 2,2 kg/KM.

Podobne układy napędowe przechodziły próby w ZSRR w Moskiewskim Instytucie Lotniczym (MAI) w latach 1934-1938. Jeden z nich miał 150 KM mocy przy 75 atm ciśnienia pary i 180 KM przy 100 atm. W MAI opracowano także w 1934 roku 6-cylindrową “gwiazdę” parową podwójnego rozprężania z rozrządem Knight, przeznaczoną do samolotu U-2. Ten interesujący silnik pracował z parą przegrzaną o ciśnieniu 60 atm i temperaturze 380^oC. Cylindry o średnicy 80/126 mm przy skoku tłoka 72 mm. Przy średnicy 600 mm i masie maszyny 90 kg wskaźnik mocy wynosił zaledwie 0,9 kg/KM przy 1800 obr/min !

Po wyżej przedstawionym krótkim przeglądzie prób zastosowania tłokowych maszyn parowych w lotnictwie powstaje pytanie: jak kształtował się rozwój parowego tłokowego silnika lotniczego ? Do czego głównie dążono w jego budowie ? Zapewne głównie do najbardziej istotnego dla lotnictwa powiększenia wskaźnika KM/kg dla zespołu napędowego. Element ten, może mniej istotny dla sterowców, był decydujący w maszynach cięższych od powietrza. Zagadnienie to wpływało praktycznie na całość konstrukcji silnika parowego, od kotła z osprzętem do samej maszyny.

Autonomiczność napędu parowego wymagała możliwie najwydajniejszych kotłów przy jak najmniejszym zużyciu paliwa. Zrealizowane to zostało przez odejście od paliw stałych (koks, węgiel jak np. u Giffarda) i opalanie paliwami ciekłymi (spirytus, nafta, benzyna) oraz przez zastosowanie kotłów wodnorurkowych rozmaitych systemów, głównie od końca XIX wieku z przegrzewaczami pary. Kotły takie gwarantowały dużą szybkość uzyskania żądanych ciśnień, temperatur i wydajności pary. W celu poprawienia w znacznym stopniu tak autonomiczności silnika, jak i jego sprawności, zastosowano kondensatory par odlotowych regenerujące ciepło.

Aby w sposób maksymalny wykorzystać energię pary wodnej zbudowano maszyny wielokrotnego rozprężania. Działały one bądź jako wielocylindrowe, najczęściej dwucylindrowe, a rzadko trzy (np. maszyna G. Jona), pracujące na osobne wykorbienia bądź jako “posobne” (patrz omówienie maszyn C. Adera).

Rozrząd maszyn wymagający różnego napełniania cylindrów w zależności od obciążenia mocy był realizowany początkowo stawidłami systemu Stephensona, Allana-Tricka i Goocha, a później Walschaerta Heusingera, co było zbieżne z konstrukcjami ówczesnych parowozów i maszyn okrętowych. Stawidła te dawały łatwość regulacji mocy (napełniania). Z tego samego względu rozrząd większości lotniczych maszyn parowych był suwakowy, najpierw z suwakami płaskimi, a później z suwakami tłoczkowymi z uwagi na znaczne powiększenie ciśnień i temperatur pary. Ewenementem bywały rozwiązania inne z trudną regulacją, jak np. rozrząd suwakowy wzorowany na systemie Knight wspomnianego silnika lotniczego zbudowanego w ZSRR.

Z uwagi na kłopoty regulacyjne nie stosowano także, nawet w projektach lotniczych, silników parowych systemów jednostronnej pracy i rozrządu zaworowego (np. Lentz, Caprotti). Systemy te ponadto obok większych mas dawały mniejsze moce.

W budowanych maszynach stosowano – podobnie jak przy silnikach spalinowych – różne układy cylindrów. Od rzędowych, poprzez przeciwbieżne do widlastych. Układy te, obok kwestii lepszej lub gorszej zabudowy, dawały oszczędności na masie całości napędu. Oszczędność taką dawał także np. układ “posobny” maszyny (co sprawdziło się u Adera).

W miarę rozwoju techniki starano się w jakiś sposób uprościć obsługę maszyny parowej, w której obok podawania paliwa sterowaniu podlegała wydajność kotła (napełnienie) oraz wydajność palników na paliwa ciekłe. Zastosowanie ich zamiast zwykłych palenisk (np. u Giffarda) opalanych węglem lub koksem tą kontrole umożliwiło. Kontrola taka była realizowana początkowo za pomocą układów ręczno-mechanicznych, a później elektromechanicznych, co rzeczywiście minimalizowało obsługę i skracało uruchomienie (Doble, Besler w 30 sekund). Działo się to jednak za cenę dość skomplikowanej instalacji elektrycznej niskonapięciowej (przeważnie 12 V) z prądnicą, baterią, rozrusznikiem i urządzeniami pomocniczymi (podmuch kotła, pompa paliwa, liczne elektrozawory, przekaźniki i czujniki) oraz wysokonapięciowej z cewką zapłonową i świecą (do zapłonu paliwa w kotle).

Całość prac nad lotniczymi tłokowymi maszynami parowymi w ciągu przeszło wieku spowodowała wzrost mocy praktycznie od 3 KM do ponad 100 KM przy parametrach kg/KM porównywalnych do współczesnych silników wewnętrznego spalania. Sprawiło to zastosowanie nowych technologii wykonawczych, wysokich ciśnień (ponad 100 atm), temperatur pary sięgających ponad 400 stopni C oraz obrotów rzędu 1600-2000 obr./min. Mimo poprawności działania silniki te okazały się jednak skomplikowanymi i trudnymi w eksploatacji. Ponadto nie mogły one konkurować ze spalinowymi choćby ze względu na niższe moce i małą przy nich autonomiczność. Dlatego też konstruktorzy parowych napędów lotniczych skierowali się w stronę turbin, mniej złożonych i rokujących uzyskanie lepszych parametrów.

Turbiny parowe stosowano od dość dawna w energetyce i budownictwie okrętowym. Od praktycznie początku XX wieku czyniono również próby z turbinami spalinowymi, lecz technologie ówczesne nie pozwalały na wytworzenie łopatek wirników znoszących temperatury o wiele wyższe niż temperatury pary przegrzanej, tj. ok 1500^oC, połączone z wielkimi obciążeniami wytrzymałościowymi. Z licznych pierwszych prób (np. prof. Moss w USA czy Rateau we Francji) wynikało, że chwilowo problemu lotniczego silnika turbospalinowego nie można opanować technologicznie. Postanowiono więc go obejść przy pomocy turbiny parowej.

W wyniku tych rozważań powstał szereg projektów i modeli działających silników turbośmigłowych parowych, w których komory spalania były równocześnie “paleniskami” wysokociśnieniowego kotła parowego dostarczającego pary do obracania wielostopniowej turbiny. Komory te były zasilane z gaźników lub wtryskowo, a obiegi wody zamknięte. Gazy spalinowe wytwarzały dodatkowy ciąg.

Do bardziej znanych tego typu konstrukcji należała turbina H. Vorkaufa z 1932 roku, dwustopniowa z osobnym wirującym kotłem. Miała ona średnicę 710 mm, 2200 obr./min i moc rzędu 700-800 KM.

Z tego samego czasu pochodził silnik do latającej łodzi firmy General Electric, złożony z dwóch turbin o mocy 2300 KM przy 2000 obr./min. Zasilał go kocioł typu La Mont. Instalacja ważyła 3334 kg, co dawało 1,436 kg/KM.

Turbinę parową podobną do Vorkaufa zbudował Hittner. Miała 5 stopni i zasilanie wtryskowe komór spalania. Reduktor zmniejszał obroty z 15-20 tys./min do 2000 obr./min. W Wielkiej Brytanii zbudowano w roku 1936 parową turbinę lotniczą jednostopniową. Jak pisał ówczesny “Flight”, spodziewano się mocy rzędu 2000 KM, masy jednostkowej 1,8 kg/KM i zużycia paliwa 160 g/KM/h.

Z końcem lat 30-tych próby z silnikiem turbinowo-parowym prowadzili także Włosi, a konkretnie firma Italo-Rafaello. W przedstawionym projekcie sprężarkę powietrza napędzała turbina parowa zasilana z kotła wodnorurkowego umieszczonego z przegrzewaczem w dyszy wylotowej. Układ wodno-parowy był zamknięty. O wykorzystaniu tego projektu brak informacji.

Jak już było wspomniane prace nad parowymi turbinowymi silnikami lotniczymi na przełomie lat trzydziestych i czterdziestych były stymulowane głównie niedostatkami technologicznymi, z których wynikały trudności w budowie komór spalania i turbin pracujących w warunkach wysokich temperatur i znacznych – przynajmniej w przypadku turbin – sił odśrodkowych. Niebagatelne były także koszty, które przewidywano dla produkcji masowej tego typu silników. Okoliczności wojenne spowodowały jednak zmianę podejścia do tego zagadnienia.

W roku 1944 w Niemczech zbudowano lotniczą turbinę parową firmy Osermaschinen GmbH o mocy spodziewanej 6000 KM przy 6000 obr./min. Napędzać ona miała wysokoobrotowe lub niskoobrotowe śmigła przez przekładnię obniżającą te obroty do 400-500 obr./min. Jako paliwo w komorach spalania zastosowana była mieszanina 65% proszku węglowego i 35% benzyny. Prób przeprowadzanych na samolocie Messerschmitt Me 264 wobec sytuacji wojennej nie ukończono. Wcześniej, w roku 1942, nie ukończono także prób lotniczej turbiny parowej AEG, prowadzonych przez dr. Friedricha Munigera.

Eksperymenty te miały najprawdopodobniej swe źródło w próbach uzyskania w miarę taniej i wydajnej metody osiągnięcia wysokich mocy w trudnej sytuacji ekonomicznej III Rzeszy, dotyczącej zwłaszcza metalurgii i przemysłu paliw. Z pewnością także chodziło o zastosowanie takiego napędu dla samolotów bardzo dalekiego zasięgu mogących zagrozić Stanom Zjednoczonym, do których zaliczał się wspomniany Me 264.

Wkrótce jednak, nawet w samych Niemczech, rozwój technologiczny silników turbospalinowych wykazał niecelowość tej linii konstrukcyjnej turbin lotniczych. Równocześnie, mimo technicznych możliwości budowy, silnik tłokowo-parowy stał się również niecelowym z uwagi na brak konkurencyjności wobec spalinowego (masa jednostkowa, zużycie paliwa, komplikacja konstrukcji itp.).

Praktycznie więc na roku 1944 zakończyły się próby zastosowania unowocześnionego napędu parowego w lotnictwie. W latach późniejszych próby te z rozmaitymi skutkami, niekiedy rokującymi pewne nadzieje, przejęli konstruktorzy samochodów. Po wojnie zbudowanych zostało kilka seryjnych pojazdów drogowych: samochodów i ciągników parowych (np. NAMI, Raba, Williams). Próby nad tym napędem prowadzili także Japończycy w latach 60-tych i 70 tych. W roku 1975 pisano o rzekomo bardzo udanych eksperymentach szwedzkich nad samochodowym silnikiem parowym o mocy 160 KM przy 3000 obr./min w układzie 9-cylindrowej gwiazdy.

Z różnych względów, być może pozamerytorycznych, próby te, a także prezentacje rozmaitych pomysłów, nie doprowadziły jednak do zbudowania nowoczesnego i wydajnego silnika parowego do dnia dzisiejszego. Niemniej jednak, jak doniósł niedawno “New Scientist”, są znów prowadzone eksperymenty nad silnikami parowymi nowej generacji, stymulowane tym razem kwestiami ekologii i oszczędności paliw. Firma niemiecka Enginion opracowała i uzyskała patent na silnik z katalitycznym spalaniem w systemie z wirującym tłokiem i zamkniętym obiegiem wody. Podobno egzemplarze takiego silnika były próbowane na samochodach Skoda Fabia z bardzo obiecującymi wynikami.

Czy doprowadzi to do zbudowania napędu parowego także i dla lotnictwa – pokaże czas.