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二战时战机头上那么小的螺旋桨怎么能让飞机飞的呢?也没看到飞机后边有喷气式的口?

电脑版   2020-11-26 08:25  

二战时战机头上那么小的螺旋桨怎么能让飞机飞的呢?也没看到飞机后边有喷气式的口?:这个问题涉及到飞机总体气动性能和涡桨/活塞动力两个方面的专业背景知识,老

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这个问题涉及到飞机总体气动性能和涡桨/活塞动力两个方面的专业背景知识,老鹰航空为了回到好这个问题,就从下面三个方面来解释一下吧:

1、飞机的升力产生机理;

飞机的升力本质上并不是来自于发动机产生的推力,而是由飞机机翼上下表面的压力差所产生的,这就是伯努利原理在起作用。飞机升力公式就是L=1/2ρV2SCL,L是升力,ρ是空气密度,V是速度(相对于空气的速度),S是机翼面积,CL是机翼升力系数。因此,要想让流经飞机机翼产生的升力超过重力,除了加大飞机机翼面积和提高机翼空气动力学性能之外,提高飞机的速度就是非常关键的。而发动机,无论是喷气式还是活塞式+螺旋桨这样的布局,其本质都是不断推动飞机向前加速,从而产生足够的速度,这样才可以保障飞机机翼产生足够的升力,使飞机离开重力束缚飞向天空。

2、飞机的推力需求量;

在航空工程界一般会使用一个专业参数来核算推力的需求,这就是所谓的“升阻比”,通俗的说就是升力和阻力的比值,对于二战时期大多数飞机而言,一般在8倍左右,以B-29这样的四发轰炸机为例,其最大起飞重量在60吨左右,那么起飞升力应该是在60吨,那么飞行阻力实际上只有7.5吨;再加上由四台发动机来均摊,也就是说每台发动机配合螺旋桨只需要输出1.875吨的推力就可以把60吨满载的B-29轰炸机推向天空了。

3、涡桨/活塞发动机+螺旋桨推力输出量;

二战时期飞机使用的动力装置基本上都是大功率活塞发动机+螺旋桨形式,极少数是早期的喷气式动力装置。但凡是采用螺旋桨形式的动力系统,发动机只是负责输出足够旋转力矩以便于让螺旋桨进行高速旋转,真正产生推力的其实还是螺旋桨。而螺旋桨产生推力的机理,本质上和机翼是一样的。影响螺旋桨产生推力大小的因素主要有:桨叶翼型、几何形状、桨叶扭转角、桨叶数量等。以上面提高的B29轰炸机为例,每个发动机需要输出1.875吨的推力,其螺旋桨采用的是四叶全金属大直径桨叶,平均到一个桨叶上只需要输出470kg的推力即可,这样的输出要求就很小了。这就是空气动力学的魅力所在。

所以,通过上面三个方面的解释就可以看出,相比于升力要求,螺旋桨发动机动力配置模式其实需要承担的推力要求并不是很高。


——问题就回答到这里了——

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(图片来自互联网公开图片,如侵则删。)

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历史小挖客说:螺旋桨可能是当时飞机上技术含量最高的一个部件。前面有答主答得很好,稍做一点补充和延伸。



飞机的升阻比

飞机能在天上飞,靠的是机翼产升的升力。螺旋桨产生的推力。推力只是让飞机加速到一定的速度,并不直接产生升力。在一定速度下,机翼会产生足够的升力。一战时期飞机特别是战斗机,要爬升得比对手更快,就要靠更大的机翼面积,大王牌里希特霍芬的座机福克式,为此采用了非常罕见的三层机翼,如下图。

如果飞机是保持高度匀速飞行,这时候飞机的推力等于阻力,升力等于重力,升力和阻力之比就称为升阻比。但升阻比不是个恒定不变的值,因为飞机速度范围很大,同一架飞机,只要是高度不变,这时候可以认为升力就是重力,但速度不同,要克服的阻力却差别巨大,推力自然也差别巨大。通常说一架飞机的升阻比,是指它的最大升阻比。

通俗的说,一架8吨重的飞机升阻比为8,那么它在保持稳定飞行所需要最小推力是1吨。如果要爬升、加速,这个推力就不够了。

题外话,升阻比还可以倒过来说。由于在稳定匀速飞行时,升力往往等于重量,推力常常等于阻力,因此我们把“升阻比”前后颠倒一下,就成了好多军迷津津乐道的“推重比”啦,现在一般100吨的客机,有20吨推力,推重比大约0.2。



以F-15战斗机为代表,推重比超过了1,因此可以实现不依赖机翼的垂直爬升,也被称为“垂直动力爬升”,意思是这时候机翼几乎没啥用,推力够了板砖都能上天!

螺旋桨的特点

突然发现这些东西好枯燥,看到这里的都是飞机的铁粉啊??后面尽量简单有趣点,既然推力这么重要,讲讲螺旋桨和推力的关系。话说如果螺旋桨产生推力如果超过飞机重量,是否也能不用翼了?当然可以,我们玩航模时俗称为“吊机”,很帅吧?可惜从来没靠这个撩到过妹纸。

说到螺旋桨,推力效率当然是最重要的,就是说给它多大的功率,它能产生多大的推力。这方面首先和螺旋桨叶片数量有关,而且是负相关!也就是说,1片叶片的螺旋桨叶片效率最高!可它转起来不平衡啊,所以实用螺旋桨2叶效率最高。



但功率大了以后,螺旋桨要保持2叶就不容易了,要充分发挥功率,2叶桨会很长或者桨叶很宽,这样会增加阻力,太长还会打到地面,所以只好增加桨叶的数量,2叶、3叶、4叶……虽然牺牲了一些推力效率,但却是真正实用的。



螺旋桨的推力,还跟飞机速度、桨的转速、桨叶螺距、弦长、倾角、相对厚度、来流方向……等等很多参数有关,这里就不一一展开了。飞机速度进一步提高接近音速时,螺旋桨的桨尖会率先突破音速,面临音障、气流分离等一系列问题,因此通常认为螺旋桨不适合高亚音速以上的高速飞机,这也是为什么现代战斗机上再也看不到它的原因。



不过一直有一些爱(蛋)好(疼)者,正在尝试制造超音速的螺旋桨飞机,采用高强度合金或者复合材料,制造大后掠刀状叶片,共轴反转,这样的叶片在超音速时仍能产生很强的推力!如上图。让我们试拭目以待吧??

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螺旋桨能够产生负压力把前面的空气吸走,螺旋桨的原理跟日常生活中的电风扇是类似的,只不过电风扇是对着人吹,而螺旋桨战机是对着机身吹。

关于螺旋桨的推力问题你的认知有误,螺旋桨在现在仍然用于大中型战机,所以你认为的螺旋桨推力小完全是错误的。

螺旋桨的推力第一个决定于螺旋桨转速,第二个决定于螺旋桨跟空气接触面积,但是二者还要相互匹配否则会造成动力下降,长叶螺旋桨或者多叶(五叶或者以上)螺旋桨使用于低速飞机,二叶或者三叶螺旋桨常用于要求速度的飞机。

因为五叶螺旋桨或者长叶(直升机)虽然与空气接触面积大了,但是使用长叶螺旋桨转速就要慢,而使用多叶则是螺旋桨重量增加要增加功耗,所以此类飞机通常飞的慢(同功率同质量)。

你看见以前的战斗机用的小螺旋桨它转速高所以推力也大,再者由于螺旋桨向机翼方向吹有助于提升升力,最后一点就是螺旋桨向后吹起能够给飞机前进的动力。

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“二战时战机头上那么小的螺旋桨怎么能让飞机飞的呢?也没看到飞机后边有喷气式的口?”简单来说就是螺旋桨使飞机前进,而飞机飞起来还需要机翼来提供升力。

伯努利定理

在日常生活中,我们都有等地铁的经历,当高速驶来的地铁从身边经过时,我们总能感受到一股力来将我们推向地铁,其实这股力和把飞机升到天上的力是一样的,它们都和伯努利定理有关。伯努利定理表明,在一个流体系统中,气体或者液体的流速越快,则压力越小。当地铁快速从我们面前经过时,我们面前的空气由于地铁的带动,其流速要大于我们身后的空气,由伯努利定理可知,我们身后的空气压力会高于身前,因此身后的空气会产生一个朝向地铁的推力,所以为了安全起见,我们等地铁时一定要站在警戒线之外。

伯努利定理由瑞典数学家丹尼尔·伯努利于1738年提出,伯努利认为不可压缩的理想流体沿着流管作定常流动时,随着流体流动速度的增加,其静压将逐渐减小动压逐渐增大,而流体的流动速度减慢时,则静压将逐渐增大动压逐渐减少,在流体流速变化过程中,流体的静压和动压之和保持不变,因此,伯努利定理其实也体现了理想流体定常流动中的能量守恒原理。

飞机升力来源

对于一个在空中飞行的螺旋桨飞机,其主要受到四个方向的力,既向后的空气阻力、螺旋桨提供的向前的推力/拉力、以及向下的重力和飞机自身产生的向上的升力,我们知道飞机之所以可以飞在天上,就是因为其自身产生的升力抵消了重力 ,那么飞机的升力是如何产生的呢?

由伯努利定理可知,在流体系统中流体的流速越快则压力越小,而飞机正是利用了这个原理来为飞行提供升力。我们沿垂直方向将飞机机翼剖开会看到下图所示的截面图。

如图所示,当前方的空气吹过机翼表面时被切割成上下两部分,虽然空气都是从机翼的前端流向后端,但是由于机翼上表面是弧形结构,这就造成空气从上表面流过时走过的实际路程要长一些,由此可知机翼上表面的空气流速要大于下表面,由伯努利定理可知,机翼上表面由于空气流速快会形成低压区,从而使机翼上下面受到的空气压力不同,而飞机机翼的升力正是来自于这种压力差。

知道了飞机升力的来源,再简单介绍下飞机螺旋桨拉力的来源,当飞机启动后,飞机前部的拉力式螺旋桨快速旋转,从而使飞机产生向前的力,值得注意的是这个力的产生原因也和伯努利定理有关,如果你仔细观察会发现,飞机的螺旋桨截面图和飞机机翼是非常相似的,旋转的螺旋桨其实就相当于在空气中快速飞行的机翼,因此螺旋桨产生的拉力也是来自于桨叶表面的压力差;

但是对于可变距螺旋桨来说,螺旋桨旋转产生的力一方面来自于伯努利定理造成的气压差,另一方面则来自于螺旋桨叶片产生扭角后具有了向后“推”空气的分量,根据力的相互作用原理,螺旋桨叶片也会受到向前的力,因此可变距螺旋桨产生的拉力来自于“压力差”和“空气反作用力”两个方面。



二战老飞机如何飞起来

通过上文可知,对于二战时期的螺旋桨飞机来说,当飞机螺旋桨启动后,由螺旋桨产生的拉力使飞机快速的向前滑行,同理,飞机的机翼也在空气中快速的前进,由于机翼上表面的弧形结构,造成机翼上表面受到的气压小于下表面,从而使飞机获得升力。随着飞机滑行的速度越来越快,机翼上下表面的气压差也会越来越大,当这种压力差大于飞机自身的重力时,飞机就会飞起。

因此,联系题目可知,二战时期的飞机,其螺旋桨虽然不直接通过飞机的升力,但是其通过拉动飞机快速前进,使机翼在空气中快速滑行,从而在飞机机翼表面产生气压差,进而产生升力。同样,对于飞机后面有喷气口的现代喷气式飞机来说,这种“喷气口”所起到的作用和“推力式螺旋桨”相同,都是对飞机产生向前的推力,但是飞机飞起来的升力还是主要作用在飞机的机翼上。

当然,仅通过螺旋桨也是可以使飞机起飞的,比如我们常见的直升飞机,直升飞机螺旋桨产生升力的原因其实和固定翼式飞机螺旋桨产生拉力的原因相同,参考<飞机升力来源>中间部分内容以及下图。

总结

综上所述,在理解“二战时战机头上那么小的螺旋桨怎么能让飞机飞的呢?也没看到飞机后边有喷气式的口?”这个问题时,我们需要了解飞机升力的来源,通过分析飞机机翼结构与理解伯努利定理可知,飞机的升力来自于机翼上下面的压力差,因此螺旋桨式飞机是依靠飞机螺旋桨拉动飞机前进,从而使飞机机翼表面产生压力差,进而使飞机获得向上的升力,随着飞机速度逐渐增加,当升力大于飞机自身的重力时飞机就飞起来了。

感谢浏览,我是漫步的小豆子,谢谢。

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你说螺旋桨小,真不知道你是怎么看的,多大的才叫大呢?



仔细看看螺旋桨,一片桨叶比人都长。

再看看人体的心脏,只有拳头大小。全身的血液流动都靠它驱动。如果心脏有人的脑袋那么大才够用吗?

机械部件的大小,首先要考虑强度,不能一运转就坏了。强度基本上就是与寿命同步。二要考虑效率。螺旋桨是越小越好,重量越轻,效率越高。三就是制造方便。越方便越便宜。二战时期德国的虎式坦克什么都好,就是制造麻烦。费时费力。虽然作战效果好,但是数量太少,不能改变战局。

飞机螺旋桨作为有动力飞机的推进部件,本身并不小,比人大很多。也许相当于飞机小,但那是效率高的体现。

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