壯志凌雲【空軍資訊】 為何運輸機還在用古早的螺旋槳？渦噴/渦槳/渦扇，三種飛機引擎有什麼區別？

二戰結束後 航空領域步入到了噴氣式時代 可爲什麼直到現在 軍用飛機尤其是運輸機 仍有很多采用的是螺旋槳推進方式呢 是換裝噴氣動力的條件不成熟嗎 本期老亨特就來跟大家聊聊 爲什麼螺旋槳式的運輸機難以被淘汰 首先大家可不要一聽到螺旋槳 就把它和活塞式發動機畫上等號 使用螺旋槳的現代軍用大型運輸機 它的發動機可不是那種老掉牙的玩意兒 二戰前的活塞式發動機 是一種利用一個或者多個活塞 將壓力轉換成旋轉動能的發動機 航空用的活塞發動機 是由汽車的活塞發動機發展而來 主要結構包括氣缸活塞連桿曲軸氣門機構等 發動機靠燃料產生壓力 燃料和空氣的混合物被注入氣缸內點燃 熱氣膨脹推動活塞向後運動 由於轉化出的是旋轉動能 所以活塞式發動機作爲飛機動力時 必須連帶上螺旋槳 這就造成了很多時候 人們容易將螺旋槳和活塞式發動機畫上等號 活塞式發動機加螺旋槳的組合之所以被取代 是因爲當飛機飛到800公里每小時的速度時 螺旋槳的槳尖部分實際上已經接近音速 這種跨音速流暢會讓螺旋槳的效率極具下降 推力下降 同時由於螺旋槳的迎風面積較大 帶來的阻力也較大 隨着飛行高度的上升 大氣變得稀薄 活塞式發動機的功率也會極具下降 也就是說 不管發動機的功率有多高 800到900公里每小時 基本就是螺旋槳飛機的速度極限 爲了突破這個極限 人們研究出了渦輪噴氣式發動機 世界航空開始步入噴氣式時代 渦輪噴氣式發動機從工作原理上講 和活塞式發動機沒有什麼區別 都需要有進氣加壓燃燒和排氣四個階段 不同的是 在活塞式發動機中 這四個階段是分時一次進行的 但在渦噴發動機中則是連續進行的 現代渦輪噴氣發動機的結構 由進氣道壓氣機 燃燒式渦輪和尾噴管四個部分組成 發動機啓動後 渦輪開始工作 帶動前面的壓氣機旋轉 從進氣道吸入大量空氣 然後被壓縮的空氣從壓氣室進入燃燒室 在這裏和噴出的燃油混合點火燃燒 產生燃氣併發出大量的熱 熱氣再進入渦輪 吹動它高速旋轉 從渦輪中流出的高溫高壓燃氣 在尾噴管中繼續膨脹 以高速從噴口向後排出 這一速度比氣流進入發動機的速度大得多 使發動機獲得了反作用的推力 與螺旋槳飛機不同 使用渦噴發動機的飛機 理論上速度是無上限的 蘇聯的傳奇戰鬥機米格25 採用的就是琉裏卡設計局的渦噴發動機 該飛機創下了3.3馬赫的戰鬥機速度記錄 和37250米的升險記錄 更別說許多戰鬥機 還在渦輪和尾噴管間之間設置的加力燃燒室 通過噴入燃油 讓未充分燃燒的燃氣再次燃燒 使發動機的推力瞬間增加到1.5倍左右 讓飛機的速度更上一層樓 看到這裏不少觀衆可能會有疑問 老亨特你不是要講現代運輸機和螺旋槳嗎 說這麼多渦噴發動機幹嘛 那當然是因爲 渦輪發動機和現代運輸機的發動機 在原理上有很多相似之處了 現代使用螺旋槳的運輸機 發動機不是老舊的活塞式 而是一種渦輪螺旋槳發動機 以下簡稱渦槳發動機 這種發動機的構造 基本上和戰鬥機使用的渦噴發動機一樣 它也有進擊到壓氣機 燃燒室 渦輪和尾噴管 但跟渦噴發動機不同的是 渦槳發動機多了兩個部件 螺旋槳和減速齒輪 由於發動機要帶動螺旋槳 且螺旋槳的轉速比發動機內的渦輪低得多 所以發動機必須安裝一套減速齒輪 使螺旋槳轉速大大降低 與渦噴發動機不同的是 渦槳發動機主要還是以 螺旋槳產生的拉力推力爲主 噴氣所產生的推力 只佔螺旋槳的九分之一左右 爲什麼大型運輸機用渦槳 不用渦噴呢 答案是沒有必要 我們上面提到 螺旋槳飛機的速度一般不會超過800多公里每小時 使用渦槳發動機的大型運輸機也不例外 速度一般比使用渦噴的戰鬥機要慢 但戰鬥機的職能是空中搏鬥 自然比較看重飛行速度 大型運輸機對速度的要求沒有那麼高 它最爲看重的是載重能力 基於這些要求 運輸機更適合使用渦槳發動機 渦槳發動機的推重比高 它通常採用多級渦輪或多級壓氣機 通過增加進氣口面積 提高發動機的輸出功率和速度 從而產生高於渦噴發動機的推力 與幾十噸重的戰鬥機不同 大型運輸機算上搭載的貨物 動輒就有上百噸 比如美國最大起飛重量70噸的C130運輸機 歐洲最大起飛重量140噸的A400M運輸機 蘇聯最大起飛重量250噸的NR2運輸機等 這些大型運輸機在平衡了油箱戰機身的比例後 選擇了推動效率和燃油係數很高的螺旋槳 作爲發動機的物理推動構建 相比於渦噴渦槳發動機的可靠性高 雖然渦槳發動機的燃燒式與渦噴發動機類似 但爲了從自排廢棄中回收較多的動力以驅動螺旋槳 渦槳引擎的渦輪端扇葉級數比較高 同時渦槳發動機可以採用多個單元獨立工作的設計 一旦其中某個單元出現故障 不會影響到整個發動機的工作 最後便是適應性強 渦槳發動機可以在各種氣候條件和高海拔的環境下使用 還具有較高的可導解能力 可以根據不同的使用需求進行調節 使其發揮更佳的性能 大型運輸機選擇渦槳發動機 可以獲得更大的載重能力和續航能力 至於速度的快慢 只能說對運輸機而言夠用就行 而且軍用運輸機大都需要進行空投作業 這時反而不需要太快的飛行速度 大型運輸機的載重量很大 因此從油耗性價比的角度考慮 也是渦槳發動機更適合這類飛機 除了渦槳發動機外 還有一類比較適合大型運輸機的發動機 那便是渦輪風扇發動機 它在渦盆發動機的基礎上增加了幾級渦輪 並由這些渦輪帶動一排或幾排風扇 消耗掉一部分渦盆發動機的燃氣排氣功能 從而進一步降低燃氣排出速度 風扇後的氣流分爲兩部分 一部分進入氧氣機 另一部分不經過燃燒直接排到空氣中 渦輪風扇發動機組合了渦盆和渦槳發動機的優點 它推力大 推進效率高 燃油消耗率低 飛機航程遠 缺點便是風扇直徑大 迎風阻力大 發動機的結構複雜 設計難度大 不過當技術進步到一定程度 且飛機不再一味追求高速的時候 渦扇發動機就成爲了許多軍用飛機的選擇 航空用的渦扇發動機主要分爲兩類 極加力式渦扇發動機和不加力式渦扇發動機 由於用途不同 這兩類發動機的結構參數也大不相同 前者主要用於對速度還有一定要求的戰鬥機 比如美國的五代機FR和F35 後者主要用於我們今天所講的大型運輸機 比如蘇聯俄羅斯的ER76運輸機 美國的C5 CL7運輸機 總的來看渦扇和渦扇發動機 基本就是現代大型運輸機爲二的選擇 渦扇發動機總體性能更好 在需要高速飛行和更大推力的場合下表現更優 而渦扇發動機也不是沒有優勢 它效率較高 燃料利用率好 經濟性能高 適用於需要長時間巡航和低速飛行的飛機 大型運輸機可以根據自己的實際需要 選擇適合自己的航空發動機 只要渦扇發動機還沒有被淘汰 那麼螺旋槳這種看似不太先進的東西 就會一直存在於大型運輸機上 好了 本期視頻到這裏就結束了 沒訂閱本頻道的 記得訂閱一下 在這裏 老亨特先行謝過 你的支持是老亨特做視頻最大的動力 最後再祝願屏幕對面的你身體健康 咱們下期再見