5773
4
Окончание прошлого поста был о эволюции поршневых авиадвигателей и теперь пришло время узнать о причинах отставки
Любой, даже мало сведущий в авиации человек знает, что время в котором мы с вами живем – это эра реактивной авиации. Поршневой авиационный двигатель с воздушным винтом хоть и не канул в лету, но позиции свои уже давно сдал. Однако далеко не все задаются вопросом: « А почему, собственно, так произошло? Чем поршневой хуже реактивного?» Ответ достаточно прост, как всегда :-).
Со времен первого полета Братьев Райт авиация совершенствовалась все ускоряющимися темпами. Очень быстро стало ясно, что для войны и армии она имеет очень большое значение. Уже в Первую Мировую пока еще примитивные самолеты достаточно активно участвовали в боевых действиях. А во Второй Мировой роль авиации была просто огромной. Одна из важнейших характеристик военного самолета (хотя в наше время не только военного :-)) – это скорость, и вполне естественно, что задача ее увеличения всегда стояла перед создателями самолетов.
Первоначально эта задача довольно успешно выполнялась. Начиная с 50-ти км/ч для первых аэропланов, она выросла уже в 20-х годах до 320 км/ч. Интересно, что в это время человек на самолете обогнал самую быструю птицу на свете – сокола-сапсана, который не летает быстрее 315-ти км/ч. А уже к началу второй мировой войны максимально достигнутая скорость была порядка 750 км/ч. И вот тут дело, так сказать, застопорилось :-). Несмотря на постоянную работу по модернизации поршневых авиационных двигателей и их движителей винтов, становилось ясно (уже в конце 30-х годов), что они близки к границе своих возможностей.
Со времен первого полета Братьев Райт авиация совершенствовалась все ускоряющимися темпами. Очень быстро стало ясно, что для войны и армии она имеет очень большое значение. Уже в Первую Мировую пока еще примитивные самолеты достаточно активно участвовали в боевых действиях. А во Второй Мировой роль авиации была просто огромной. Одна из важнейших характеристик военного самолета (хотя в наше время не только военного :-)) – это скорость, и вполне естественно, что задача ее увеличения всегда стояла перед создателями самолетов.
Первоначально эта задача довольно успешно выполнялась. Начиная с 50-ти км/ч для первых аэропланов, она выросла уже в 20-х годах до 320 км/ч. Интересно, что в это время человек на самолете обогнал самую быструю птицу на свете – сокола-сапсана, который не летает быстрее 315-ти км/ч. А уже к началу второй мировой войны максимально достигнутая скорость была порядка 750 км/ч. И вот тут дело, так сказать, застопорилось :-). Несмотря на постоянную работу по модернизации поршневых авиационных двигателей и их движителей винтов, становилось ясно (уже в конце 30-х годов), что они близки к границе своих возможностей.
Основные причины две. Первая – это сам поршневой авиационный двигатель (точнее принцип его действия). Для лучшего понимания позволю все-таки себе привести маленькую формулу :-). Дело в том, что для любого двигателя есть такое понятие, как полезная мощность Р. Она равна произведению тяги двигателя R (создаваемой, как мы помним, воздушным винтом) на скорость движения летательного аппарата (т.е. на его перемещение в единицу времени) V: P = RV. Мощность поршневого двигателя при изменении скорости меняется мало, поэтому из формулы видно, что при увеличении скорости ( то самое, к чему мы стремимся :-)) тяга двигателя будет падать.
Однако это как раз то, что нам совсем не нужно. Ведь с ростом скорости увеличивается сопротивление воздуха и единственное, что мы можем ему противопоставить – это тяга. Надо, чтобы движок «тянул» ( иначе самолет совсем остановится))) Это сопротивление в зоне не очень больших скоростей увеличивается пропорционально квадрату скорости полета, а когда скорость полета приближается к скорости звука, то сопротивление уже растет пропорционально четвертой-шестой степени скорости полета. И для того, чтобы такое сопротивление преодолеть и далее разгонять самолет нужно мощность двигательной установки увеличивать пропорционально скорости полета в пятой-седьмой степени. Например, в околозвуковой области для того, чтобы увеличить скорость всего на 10%, нужно мощность двигателя увеличить вдвое.Но что такое мощность поршневого двигателя? Как бы не изощрялась наука и какие бы новые технологии не придумывались, в конечном итоге мощность зависит от количества цилиндров, площади поршней и т.д. То есть чем больше двигатель, тем он мощнее, а величина — это масса. А масса – это враг авиации. Зачастую при проектировании самолета идет битва чуть ли не за каждый грамм веса, особенно для истребителя. По примерным расчетам для совсем умеренной тяги в 3000 кг и средней скорости в 1000 км/ч масса авиационного поршневого двигателя составила бы примерно 15 тонн. Цифра совсем несуразная :-). Ведь, например, масса пустого истребителя СУ-27 – 16 тонн, МИГ-29, соответственно 10,9 тонны. И летают они с гораздо большей скоростью, чем 1000 км/ч. Думаю, здесь дальнейшие комментарии излишни :-)… Летать на больших скоростях с поршневым двигателем просто невозможно.
Однако это как раз то, что нам совсем не нужно. Ведь с ростом скорости увеличивается сопротивление воздуха и единственное, что мы можем ему противопоставить – это тяга. Надо, чтобы движок «тянул» ( иначе самолет совсем остановится))) Это сопротивление в зоне не очень больших скоростей увеличивается пропорционально квадрату скорости полета, а когда скорость полета приближается к скорости звука, то сопротивление уже растет пропорционально четвертой-шестой степени скорости полета. И для того, чтобы такое сопротивление преодолеть и далее разгонять самолет нужно мощность двигательной установки увеличивать пропорционально скорости полета в пятой-седьмой степени. Например, в околозвуковой области для того, чтобы увеличить скорость всего на 10%, нужно мощность двигателя увеличить вдвое.Но что такое мощность поршневого двигателя? Как бы не изощрялась наука и какие бы новые технологии не придумывались, в конечном итоге мощность зависит от количества цилиндров, площади поршней и т.д. То есть чем больше двигатель, тем он мощнее, а величина — это масса. А масса – это враг авиации. Зачастую при проектировании самолета идет битва чуть ли не за каждый грамм веса, особенно для истребителя. По примерным расчетам для совсем умеренной тяги в 3000 кг и средней скорости в 1000 км/ч масса авиационного поршневого двигателя составила бы примерно 15 тонн. Цифра совсем несуразная :-). Ведь, например, масса пустого истребителя СУ-27 – 16 тонн, МИГ-29, соответственно 10,9 тонны. И летают они с гораздо большей скоростью, чем 1000 км/ч. Думаю, здесь дальнейшие комментарии излишни :-)… Летать на больших скоростях с поршневым двигателем просто невозможно.
Lockheed SR-71 Blackbird. Американский разведчик. Максимальная скорость в 3,3 раза превышает скорость звука. Какие уж тут винты :-)...
Однако считаю нужным упомянуть еще об одной причине, не напрямую, но все же касающейся нашего вопроса. Это воздушный винт. Для поршневого авиационного двигателя – это, к сожалению, единственный «преобразователь мощности в движение», то есть движитель. И у него существует такое неприятное явление, как «эффект запирания». Он выражается в том, что на больших скоростях при увеличении мощности винт уже не в состоянии увеличить тягу. Он как бы«запирается», становится «тормозом» 🙂 . Физика этого явления достаточно сложна, но по простому говоря это объясняется тем, что определенные участки лопастей (особенно близкие к концам) при увеличении скорости вращения (или же увеличении диаметра винта, что равносильно увеличению скорости вращения для концов лопастей) начинают двигаться в воздухе с около- или сверхзвуковой скоростью. А это уже аэродинамика сверхзвука, и законы в ней работают другие. Традиционный винт на таких скоростях уже не может корректно выполнять свое предназначение. Стоит сказать, что довольно давно ведутся работы по созданию сверхзвуковых винтов, но пока ощутимых практических результатов не достигнуто.Вот, пожалуй, и все. Таковы основные причины, из-за которых турбореактивный двигатель сменил поршневой и стал основой современной авиации. Произошло это главным образом из-за того, что поршневой движок проиграл «битву за вес». ТРД при одинаковой мощности несравнимо легче поршневого, и тяга его во всем диапазоне скоростей меняется вобщем–то мало, что значительно повышает его конкурентноспособность. Поршневой авиационный двигатель на малых скоростях конечно гораздо экономичнее, чем ТРД, но многолетняя практика человечества говорит о том, что коэффициент полезного действия не всегда в нашей жизни является определяющим.
современные поршневые двигатели
Двигатель Rotax-912, рядный. Устанавливается на легкие спортивные самолеты Sports-Star Max
Источник:
Ссылки по теме:
- Судьба модели самолета Калинин К-7 может оказаться лучше, чем реального прототипа
- 30 сцен на борту самолета, которых вы предпочли бы никогда не видеть
- Опытный пилот ответил на популярные вопросы, касаемые авиации
- Гондолопланы: на чем мы будем летать в недалеком будущем
- Что за след оставляют самолеты в небе?
Новости партнёров
реклама
1. двигатель. ДВС производит мощность, которая не зависит от скорости полёта. Потребная же для полёта мощность растёт как куб скорости (поясняю: мощность - это сила, умноженная на скорость. Нужная сила равна сопротивлению, то есть растёт как квадрат скорости. Ну и умножаем на скорость - получаем куб). Потому потребность в мощности растёт, а предоставляемая двигателем - та же. Вот и граница. Наращивать мощность ДВС кубически - задача неподъёмная.
реактивный двигатель производит тягу, и его мощность растёт вместе со скоростью полёта, (потому для них и приводят тягу, а не мощность). Потому, даже без учёта того, что турбодвигатель проще и легче при равной мощности - он гораздо выгоднее поршневого для растущих скоростей.
2. движитель. Поскольку потери растут минимум, как квадрат скорости, наиболее выгодно отбрасывать струю со скоростью, только незначительно превышающей скорость полёта. Нужная же тяга получается сечением струи (это всего лишь линейный рост потерь).
Потому, когда скорость близка к нулю (скажем, вертикальная - у вертолёта), нужен огромный винт, дающий медленную струю с большим сечением.
Выше скорость - меньше винт, отбрасывающий более быструю струю (винтовой самолёт)
Ещё выше - двухконтурный двигатель, где усредняется скорость реактивной струи и струи от винта (ступеней вентилятора). Пока скорость относительно низкая, 700-900 км/час, степень двухконтурности доходит до 10 и даже 14. За тысячей двухконтурность уже порядка 2, к двум тысячам степень двухконтурности всё ниже.
За 2000км/час лучше чисто реактивный двигатель, а за 3000 уже надо думать о прямоточном, торможение струи турбиной уже мешает.
ДВС же выбора не даёт - только винт, что ограничивает скорость.
Что касается частностей, вроде эффектов сжимаемости воздуха на концах лопастей и так далее - это уже технические подробности, уточняющие принципиальные положения, растущие из термодинамики.
Можно ссылки, или сами придумали для красного словца?
Вам что, квадрата недостаточно :) ?
Она и так непреодолимую стену выстраивает.
-гуглим "околозвуковая скорость"
-)))
Вокруг воздушного винта ОГРОМНЫЙ ДИАПАЗОН ДАВЛЕНИЙ с разных сторон и мест, в зависимости от радиуса, от почти вакуума с внешней, до уплотненной с внутренней. А в средах с разной плотностью соответственно разная СЗ. И При чем тогда ваша конкретная величина СЗ в нормальных условиях?
" В воздушной среде немного по другому." - ну дак я и написал "газ и жидкость имеют разные свойства". Главное отличие - несжимаемость и "нерастягиваемость" жидкости, и поэтому там, где пузырьки, в газе разряжение. Ну и действие жидкости с пузырьками не равно действию разряженного газа. Поэтому и было "что то типа", т.е. ПОДОБНО, но не равно.
В посте написано очень скупо, но корректно. А у Вас, извините, ерунда получилась.