Silnik turboodrzutowy SO-1/SO-3

LMW-IPL-7, LMW-IPL-13

Silnik SO-3 na ekspozycji w pawilonie muzeum

Polska chcąc rozwijać powojenne lotnictwo, nie mogła opierać się wyłącznie na imporcie, lecz potrzebowała uruchomić produkcję własnych silników odrzutowych. Ówcześnie był to jeden z wyznaczników nowoczesności i rozwiniętego przemysłu. W Polsce, ze względu na skromne możliwości zarówno technologiczne, przemysłowe jak i finansowe, rozwój ten przebiegał nieco inaczej niż w takich krajach, jak USA, ZSRR czy Wielka Brytania, które były uznawane za potęgi gospodarcze. W wyżej wymienionych, przodujących technologicznie państwach, w wielu instytutach badawczych czy biurach projektowych w dziedzinie silników lotniczych postępował rozwój poprzez badanie różnych technologii napędu odrzutowego a także metalurgii (badanie w szerokim zakresie właściwości samych metali oraz ich stopów) jak i rozwijanie najróżniejszych koncepcji napędów lotniczych, od klasycznych i nadal powszechnie używanych śmigłowych, poprzez turbośmigłowe, odrzutowe jednoprzepływowe i dwuprzepływowe, po tak zaawansowane napędy jak silniki strumieniowe. Opracowane w danym kraju typy silników udostępniano rodzimym konstruktorom, jako propozycje napędu. Reasumując, choć już ówcześnie nie była to ścisła reguła, jednak w początkowym okresie rozwoju to konstruktorzy napędów dawali impuls do działania konstruktorom samolotów a nie odwrotnie. Mając napęd o określonych możliwościach, można było myśleć o opracowaniu samolotu osiągającego projektowane parametry i przeznaczonego do wykonywania określonych zadań. W ten sposób w drugiej połowie lat 50-tych powstały tak zaawansowane silniki odrzutowe, jak choćby dla przykładu jedno-wałowe, amerykański General Electric J79 (ciąg 52,96 kN bez dopalania) czy radziecki R-15-300 (73,50 kN bez dopalania), brytyjski dwu-wałowy Bristol „Olympus” (od 41 kN do 60 kN bez dopalania) czy też niezmiernie awangardowy technologicznie jak na owe czasy J58 (111,21 kN bez dopalania) czyli napęd samolotu rozpoznawczego SR-71 „Blackbird” (w pierwszej odmianie produkcyjnej z 1959 roku, w  wersji jednomiejscowej oznaczony jako A-12), który był połączeniem jednoprzepływowego silnika odrzutowego i strumieniowego w każdej z dwóch gondoli.

Przekrój silnika SO-1 na ekspozycji w pawilonie.

W Polsce, tak jak innych krajach o podobnym potencjale gospodarczym, z przytoczonych wyżej powodów czyli skromnych możliwości, chcąc skonstruować rodzimy samolot odrzutowy, postąpiono nieco odwrotnie. Najpierw powstała koncepcja samego samolotu a następnie określono, jakiej mocy potrzebny byłby silnik do jego napędu. Nie posiadając doświadczeń w tym zakresie, posłużono się, co było ówcześnie i trzeba podkreślić, nadal jest spotykane, podpatrywaniem, jak podobny typ napędu skonstruowano w innych krajach. Rzeczą oczywistą było zwrócenie uwagi na przodujące państwa, głównie Wielką Brytanię, która prowadziła w latach 50-tych stosunkowo otwartą politykę sprzedaży technologii lotniczych. Przykładem niech będzie wizyta radzieckich naukowców i konstruktorów, połączona z przedstawieniem najnowocześniejszych projektów silników oraz zapoznaniem z praktycznie wszystkimi brytyjskimi wytwórniami lotniczymi – co poskutkowało zakupem a następnie bezprawnym skopiowaniem przez Rosjan konstrukcji brytyjskich (nazwanych RD-45 i RD-500). Podobnym tokiem działania posłużono się także w Polsce, zakupując w zasadzie nielegalnie w Jugosławii silnik Rolls-Royce „Viper 8” o ciągu 7,80 kN, który zamierzano zbadać, przetestować i skopiować na potrzeby polskiego lotnictwa. Niestety nawet ten stosunkowo prosty i słaby silnik odrzutowy okazał się nie lada problemem dla polskich inżynierów, mających dobrą wiedzę teoretyczną, jednak nie dysponujących odpowiednimi materiałami ani precyzyjną technologią obróbki i wykonania. Wzorowany na brytyjskiej konstrukcji, polski silnik HO-10 miał nie tylko mniejszą moc od oryginału ale także bardzo małą żywotność.

Widok w zbliżeniu na nieregulowaną dyszę wylotową oraz wieniec łopatek jednostopniowej turbiny.

Doświadczenie praktyczne dotyczące napędów odrzutowych polscy inżynierowie zdobywali poprzez obsługę, eksploatację i produkcję licencyjną silników RD-45 oraz WK-1 (Lis-1, Lis-2, Lis-5) a nieco wcześniej także przez eksploatację RD-500 używanych w myśliwcach Jak-23. Wszystkie uznano jednak dość szybko za nie perspektywiczne, bowiem posiadały sprężarkę odśrodkową, przez co silniki miały duży przekrój poprzeczny, a zwiększenie ciągu wiązało się jeszcze z jego powiększeniem. Ówcześnie jedynym, który niejako mógł posłużyć za wzór rozwiązań technicznych, będąc dostępnym oficjalnie dla polskich inżynierów, był pierwszy w Polsce silnik ze sprężarką osiową, RD-9B, używany na wprowadzonych do polskiego lotnictwa pod koniec lat 50-tych samolotach MiG-19. Była to jednak już dość skomplikowana konstrukcja o ciągu bez dopalania 25,49 kN. Napęd ten nie był jednak w Polsce produkowany na zasadach licencji, więc zapewne nie było do niego pełnej dokumentacji technicznej. Nawiasem mówiąc, Rosjanie w ramach swojej bratniej przyjaźni z PRL, do produkcji licencyjnej w naszym kraju dopuścili jedynie silnik RD-45/WK-1/WK-1F, wiedząc, że konstrukcje te szybko staną się przestarzałe. Mimo to samoloty Lim-5 z silnikiem Lis-5 (WK-1F) wycofano z eksploatacji dopiero w 1993 roku! Żaden silnik o dużym ciągu ze sprężarką osiową nigdy nie był w Polsce produkowany, nawet R-11F (osiągający ciąg 37-38 kN bez dopalania) zastosowany w MiG-21, mimo że globalnie mieliśmy ich na stanie ponad 500 sztuk! Jedynym polskim osiągnięciem w tej dziedzinie do dziś jest SO-1 i jego modyfikacje, choć to konstrukcja o małym ciągu.

Widok w przekroju na konstrukcję stożkowej dyszy wylotowej.

Prace nad silnikiem SO-1 (czyli Silnik Odrzutowy Pierwszy) mającym osiągać ciąg maksymalny 9,81 kN rozpoczęto już w 1956 roku w Instytucie Lotnictwa w Warszawie i od samego początku były prowadzone pod bacznym okiem wywiadu i kontrwywiadu wojskowego. Program prac nad silnikiem SO-1 otrzymał kryptonim „Kaszub”. Nazwę tę w kręgu lotniczym znamy szeroko dopiero z okresu rozwoju samolotu I-22 „Iryda”, kiedy docelowe silniki do tego samolotu oficjalnie określano tą nazwą (PZL K-15 „Kaszub”). Instytut Lotnictwa miał duże zaplecze, choć było ono jedynie natury badawczej. Projektowaniem silnika turboodrzutowego zajął się Zakład Silników IL, który jeszcze przed 1960 rokiem, planując w kraju produkcję i rozwój napędów odrzutowych, został powiększony a także przeorganizowany w Ośrodek Silników.

Pierścieniowa komora spalania silnika. Po lewej widoczne łopatki wieńca turbiny a po prawej wieniec nieruchomej kierownicy strug.

Twórcą koncepcji silnika SO-1 został Kazimierz Rogalski. W składzie kadry projektowej byli między innymi także Jerzy Kucharski, będący ówcześnie kierownikiem Ośrodka Silników,  inżynier mechanizmów i przekładni Leszek Piechowski, inżynier systemów paliwowych Donat Gruszczyński oraz  Jan Bierut, syn Bolesława Bieruta, figurujący w składzie pracowników pod przybranym nazwiskiem czy inaczej pseudonimem Jana Chilińskiego, wykształcony na inżyniera w Moskwie (później otrzymał stanowisko wiceministra Przemysłu Ciężkiego). Podobno to dzięki niemu, mimo poważnych problemów, prace nad silnikiem SO-1 nie zostały nigdy wstrzymane.

Sprężarka silnika. Od prawej - trzy stopnie sprężarki niskiego ciśnienia, cztery stopnie wysokiego ciśnienia oraz nieruchomy wieniec kierownicy sprężarki.

W 1959 roku gotowe były dwa egzemplarze prototypowe silnika SO-1. Jednak przeprowadzone uruchomienia wykazały wiele wad, które sprawiały, iż silnik zacierał się. Złe było smarowanie, niedostatecznie sztywny okazał się wał główny sprężarki, powstawały niewiadomej natury niedopuszczalne drgania już przy obrotach niewiele przekraczających połowę planowanych na 15 600 obr/min maksymalnych wartości. Słabej jakości i wytrzymałości były też materiały konstrukcyjne. Od 1962 roku dołączył trzeci prototyp, jednak uległ uszkodzeniu już przy pierwszym uruchomieniu. Pod koniec tego samego roku do badań dołączył czwarty prototyp oznaczony jako „Wersja  II”, ale i on nie poprawił sytuacji. Na początku 1963 roku zbudowano „Wersję III”, która okazała się właściwą koncepcją, toteż szybko wykonano trzy egzemplarze tej odmiany, aby przyspieszyć badania (silniki SO-1 nr fabr.06, nr fabr.07 i nr fabr.08). Ta odmiana w kwietniu 1964 roku uzyskała certyfikat 100 godzin bezawaryjnej pracy, jednak przednie łożysko wału mogło pracować nieprzerwanie jedynie 50 godzin!

Widok na sprężarkę i pierścieniową komorę spalania.

Niestety prace nad silnikiem mimo wszystko przebiegały dość wolno i z dużymi opóźnieniami w stosunku do harmonogramu. Pierwszy lot samolotu TS-11 „Iskra” z silnikiem SO-1 (prototyp samolotu nr 03) nastąpił dopiero 28 kwietnia 1964 roku. Lot testowy wykonał pilot doświadczalny Instytutu Lotnictwa inż. Ludwik Natkaniec. W latach 1964-1965 wykonano szerokie badania silnika SO-1 na latającej hamowni, stworzonej na bazie samolotu bombowego Ił-28 (numer burtowy 119). Jednak wdrożenie do produkcji seryjnej w WSK-Rzeszów napotkało na spore trudności różnej natury, więc rozpoczęto ją początkowo na małą skalę (seria przedprodukcyjna 3 sztuki oraz seria informacyjna 10 sztuk) z kolejnym opóźnieniem, w drugiej połowie 1967 roku. Dopiero ponad rok później, 31 grudnia 1968 roku fabrykę WSK-Mielec opuścił pierwszy samolot TS-11 „Iskra” z docelowym, seryjnym już silnikiem SO-1 (samolot o numerze 1H-03-26).

Na wale głównym, pod opływową osłoną umieszczona jest prądnica.

W późniejszym okresie silniki SO-1 udoskonalano przede wszystkim pod względem zwiększenia trwałości i bezawaryjności oraz usunięcia wad zaś w drugim etapie rozwoju starano się powiększyć ciąg. W wyniku tych prac powstały odmiany nazwane SO-3 o ciągu 9,8 kN  i resursie 1600 godzin oraz SO-3W o ciągu zwiększonym do 10,8 kN i resursie 1200 godzin. Odmiana silnika SO-3B o ciągu 10,8 kN powstała prawdopodobnie w jednym egzemplarzu i została zamontowana na prototypie TS-11 „Iskra” 200BR (numer burtowy 0823 i fabryczny 4H-08-23). Zbudowano 586 silników SO-1/SO-3 wszystkich odmian.

Widok na wlot do silnika SO-3. Za podporami osłony wału (umieszczonymi co 120 stopni), widoczna jest nieruchoma kierownica strug powietrza a za nią pierwszy stopień sprężarki.

Silnik turboodrzutowy SO-1/SO-3 jest konstrukcją jednoprzepływową, jednowałową, z siedmiostopniową sprężarką osiową (trzy stopnie niskiego ciśnienia oraz cztery stopnie wysokiego ciśnienia), pierścieniową komorą spalania i jednostopniową turbiną oraz stożkową dyszą wylotową bez regulacji. Silnik nie posiada dopalacza.

Dane techniczne SO-1:

- ciąg 9,80 kN (1000 kG)
- długość 2,15 m
- średnica 0,706 m
-  masa suchego silnika 303 kg.
- przepływ powietrza na wylocie dyszy 17,8 kg/s.
- resurs dopuszczalny między remontami – 200 godzin pracy
- resurs całkowity – 1000 godzin pracy

Tekst i foto: Jarosław Sobociński

***