4 februari 2011, redigerad 30 september 2012

Propellern

Propellern är en märklig konstruktion, vare sig den verkar i luft eller vatten.

På många sätt är den inte så olik en flygplansvinge, eftersom den färdas med hög fart genom luften (eller vattnet) och då skapar ett undertryck på ovansidan och ett övertryck på undersidan: tillsammans driver dessa tryckskillnader propellerbladet framåt genom det medium där den virvlar runt. 

Å andra sidan är den i princip ett utsnitt ur en spiralgängad skruv (ett av dess engelska namn är mycket riktigt Airscrew): för varje varv den snurrar runt sin axel rör den sig framåt längs med axeln i proportion mot gängningens stigning. Men här kommer en komplikation: propellerns blad är långa från navet till spetsen, och alla delar av dess längd måste röra sig lika långt framåt för varje varv. Detta gör att propellerns stigning inte är likformig utan är störst inne vid navet och minst ute vid spetsen – vid navet är ju varvet kort i centimeter räknat,  liksom sträckan propellern färdas längs med sin axeln, men propellerns nav måste på den korta vägen röra sig lika långt framåt som spetsen rör sig framåt längst ut i periferin.

Till sist - och det är detta som ibland får tillvaron att gå runt för mig - fullbordar varje enskild del av propellerbladets sträckning ett varv runt axeln samtidigt med alla andra delar, men varje del rör sig i sin egen fart genom luften efter vattnet; detta eftersom avståndet från axeln ökar och därmed diametern på den cirkel som skall fullbordas. Den sista egenskapen delar propellern med hjulet. 

För propellerkonstruktörerna är dessa egenskaper självklara och bagatellartade: jag tänker på oss vanliga amatörer.

En följd av detta att propellerns olika delar håller olika hastighet gör att det i flygets barndom var svårt att utnyttja en stark motors höga varvtal fullt ut.  Ju fortare motoraxeln snurrar, desto fortare måste ju propellerns spets färdas genom luften för att hinna med att fullborda sitt varv samtidigt med navet. Det händer därför lätt att propellerspetsens hastighet närmar sig ljudhastigheten. Då uppstår svårkontrollerad turbulens som får kan få propellerbladet att splittras (inte minst gäller detta propellrar av trä).

Det är för övrigt genom denna turbulens som mycket av propellerplanens buller uppstår: detta är i princip ingenting annat än överljudsbangar från propellerspetsen. För varje propellerdiameter finns med andra ord ett bestämt maximalt varvtal som inte går att överskrida.  Det var inte förrän på 1950-talet som aerodynamikerna fick grepp om problemen med den turbulens som uppstår när man passerar ljudvallen. På 1930-talet fick man pröva sig fram, medan motorernas styrka växte liksom deras varvtal. Man visste naturligtvis att det gick att röra sig fortare än ljudet – det framgick om inte annat av gevärskulans hastighet. Men att hitta den rätta strömlinjeformen för flygplanen (och propellern) var inte det lättaste.

Det brittiska jaktplanet Supermarine Spitfire hade fått vingar och en flygkropp som var aerodynamiskt mycket effektiva och det var inte omöjligt att komma nära ljudhastigheten i dykning, särskilt från hög höjd. Pierre Clostermann, en av de mest berömda fria franska jaktflygarna i RAF under andra världskriget, beskriver följderna av en brant dykning med en Spitfire:

The speed increased dizzily. At these heights you have to be careful because you soon reach the speed of sound and then, look out! There is a strong risk of finding yourself hanging on a parachute, in your underpants, in less time than it takes to describe it. (Clostermann, 2004: 131)

För propellerns del blev första lösning konstruktörerna kom på att tillverka den av metall, inte av trä, vilket gjorde den mer motståndskraftig mot turbulensen. Den andra lösningen var att ge den tre eller fyra blad i stället för bara två. På det viset kunde man bättre utnyttja motorns råstyrka utan att varvtalet ökades. Den tredje lösningen var att sätta in en enkel växellåda, som tog ner motorns varvtal till ett som bevarade propellerns effektivitet.

Den lösningen kombinerades genast med den fjärde, som var att göra propellerbladens stigning variabel. Både Hurricane och Spitfire fick ett reglage med vars hjälp piloten kunde ställa om stigningen från fin till grov (det fanns bara två lägen).

Fin stigning använde man vid starten, då planets hastighet genom luften skulle öka från noll till hundrafemtio kilometer i timmen. Motorn behövde då varva ut helt och hållet. När planet lättat, hastigheten genom luften ökade och landningsställen fällts in minskade motståndet mot luften och propellerstigningen ställdes om till grov. Utan att öka varvet utnyttjade man då motorns styrka effektivare. I början ställde detta till problem för ovana piloter: den som glömde ställa om till fin stigning och försökte starta planet med grov propellerstigning fick uppleva hur planet visserligen rullade fortare och fortare men ändå inte nådde lättningshastigheten innan startbanan tog slut: vid bangränsen kom kraschen oundvikligen.

Willy Messerschmitt valde att göra stigningsreglaget steglöst i sitt jaktplan, BF 109. De tyska jaktpiloterna snart kom på att man kunde utnyttja detta i luften för att öka hastigheten över den nominella toppfarten eller för att fortare stiga till hög höjd. De ställde stigningen på den finaste graden, lät motorn varva upp så mycket den kunde, varefter de slog om till grövsta stigningsläget. Eftersom motorn gick på högsta varv gjorde planet då ett ryck medan motorvarvet sjönk; när accelerationen upphört ställde piloten om till fin stigning igen och upprepade manövern gång på gång. Motor- och propellerljudet från en Messerschmitt BF 109 hördes därför ofta som ett stigande och fallande ylande och skilde sig därför markant från de engelska planens jämna vrål. Nere på marken lärde sig den brittiska luftbevakningen och civilbefolkningen på så sätt att höra skillnaden mellan eget jaktflyg och fientligt.

Växellådan, som monterades framför motorn, placerade propelleraxeln på en annan höjd än motoraxeln. Alla de flygplan som använde sig av Daimler-Benz upp-och-nervända V-12-motorer, alltså Messerschmitt som italienska jaktplan (och till och med vår egen J21) - har en väldigt karakteristisk nos, som slokar i en markant båge från förarhytten till propellern. Detta gav piloten bra sikt framåt när planet rullade på marken. En Spitfire hade tvärtom en rättmonterad Rolls-Royce Merlin, också en V-12:a, med ventilkåpor som stack upp ur flygplanskroppen på var sida; motorhuven var dessutom rak. Spitfirepiloter hade därför väldiga problem med sikten rakt framåt när de taxade ut till start (och även under starten tills stjärten lättat) - antingen fick de köra i sicksak eller blint lita på försynen. Men tack vare växellådan blev det möjligt att montera ett vapen i form av en kulspruta eller automatkanon i propelleraxeln och låta vapnets mynning sticka ut genom spinnerspetsen. Eftersom det oftast handlade om V-motorer (med två cylinderrader, som framifrån sett tillsammans bildar ett V) låg vapnet längst inne i vinkeln mellan cylindrarna. Den lösningen användes inte så ofta som man gärna vill tro i Messerschmitt BF 109 - alla modellerna av det planet har visserligen ett hål längst fram i spinnern men oftast handlar det om ett luftintag, inte om en vapenöppning. Den första modell som faktiskt hade en automatkanon (först 15 mm, senare 20mm) i spinnern var BF 109 F-4. Piloterna var inte nöjda med en beväpning om bara en kanon och två kulsprutor, så redan sena exemplar av samma modell hade en kanon i vardera vingen, monterade i en vapengondol. Därefter verkar kanonerna ha stannat i vingmontaget.

Inom parentes: Italienska jaktplan med DB-motorer var Fiat (G.55 Centauro, G.56), Macchi (C.202 Folgore, C.205V Veltro, C.205N Orione), Reggiane (RE.2001 Falco II, RE.2005 Sagittario). Flera av dem bedömdes likvärdiga med eller bättre än samtida tyska och allierade jaktplan utom möjligen i fråga om beväpningen, eftersom italienarna hade en tendens att sätta in för få och klena vapen i sina maskiner. Det svenska jaktplanet J21 hade en DB-motor monterad akter om piloten med skjutande propeller. Här var självfallet inte sikten något problem, eftersom planet hade landningsställ med noshjul. För att inte piloten skulle hamna i propellern om han måste hoppa, fick planet en katapultstol (en väldig nyhet på den tiden).