带螺旋桨的飞机

2023-05-16 08:13依蔓宋磊
知识就是力量 2023年5期
关键词:活塞式桨叶减速器

依蔓 宋磊

我们知道,大多数轮船在水中航行都离不开螺旋桨,但螺旋桨并不是轮船独有的,固定翼飞机也有螺旋桨,例如早期的活塞式螺旋桨飞机,以及现在的涡轮螺旋桨飞机。

带动飞机前进的螺旋桨

注意观察下面这张图片,你会发现,螺旋桨的桨叶不是平的。这是为什么呢?

扭成麻花状的螺旋桨桨叶好比一对竖直安装的机翼,在桨叶旋转过程中,气流流经弧度大的桨面时速度较快,流经近于平直的桨面时速度较慢。根据流体力学中的伯努利定理(关于伯努利定理,可见《知识就是力量》2022年8月刊),“流速大则压强小,流速小则压强大”。弧度大的桨面因流速快,压力较小;近于平直的桨面因速度低,压力较大,因此形成一定的压力差。这个压力差会产生一个向前拉桨叶的空气动力,这个力是牵拉飞机向前飞行的动力的一部分。

 能明显看到扭转状态的螺旋桨桨叶

此外,由于桨叶与发动机轴是呈直角结构安装的,并有扭角。桨叶旋转时,会把前方空气吸入,并给吸入的空气施加一个向后的推力。根据牛顿第三定律,此时气流也会给桨叶一个向前的反作用力。这个力与由桨叶扭转曲面产生的空气动力的合力,就是螺旋桨牵拉飞机向前飞行的总动力。

活塞式螺旋桨飞机

——把汽车的“动力源”搬上飞机

是什么为螺旋桨旋转提供了动力呢?是发动机——螺旋桨将发动机的功率(发动机的旋转力矩)转化为拉力或推进力。

活塞式螺旋桨飞机,它的活塞式发动机源自汽车内燃机,将汽油与空气混合,在密闭的容器(气缸)内燃烧,利用高温、高压气体膨胀做功,将化学能转化为机械能。

内燃机原理示意图

 一款中國国产航空活塞式发动机,发动机形式为水平对置4缸,搭载于国内多型无人机和有人机上

一架小型活塞式螺旋桨飞机

以4个冲程的航空活塞式发动机为例,工作时,活塞需要在气缸内依次经过进气、压缩、膨胀和排气4个冲程。

在这个过程中,活塞承受燃气压力,在气缸内做往复运动,并通过连杆将这种运动转变成曲轴的旋转运动。曲轴是发动机输出功率的部件,它旋转时会通过减速器带动螺旋桨转动,从而产生拉力,推动飞机前进。

涡轮螺旋桨飞机

——技术上的突破

早期的飞机以活塞式螺旋桨飞机为代表,但到第二次世界大战末期,活塞式螺旋桨飞机的发展陷入“瓶颈”。飞机工程师发现,时速达到800千米左右时,活塞式螺旋桨飞机桨尖的速度会接近声速,出现激波(关于激波,可见《知识就是力量》2022年11月刊)。这会使阻力激增,无法实现更快的飞行速度和更高的飞行高度。

为了进一步提高飞行性能,喷气式发动机应运而生,而涡轮螺旋桨飞机是在涡轮喷气式发动机诞生、成熟后,将活塞式发动机涡轮化而研制发展的新型动力飞机,实现了飞行速度与高度的突破。

涡轮螺旋桨飞机由螺旋桨和燃气发生器组成,螺旋桨由涡轮带动。由于螺旋桨的尺寸较大,受限于桨叶激波的影响,为保证螺旋桨效率,螺旋桨的最大转速不会很高。

资料显示,现代飞机螺旋桨的转速一般在每分钟1000~2500转之间,而涡轮发动机的转速通常在每分钟几万到十几万转之间。为了确保螺旋桨和涡轮都能正常工作,两者之间安装了减速器,减速器可以将涡轮转速降至螺旋桨的转速范围内,再驱动螺旋桨工作。

 中国自主研制的中等涡桨发动机

飞机作为人类的一项伟大发明,它身上的每一个设计都有重要意义,即便是小小的螺旋桨,其中蕴含的科学道理也不简单。你还知道飞机有哪些有趣的设计呢?

(责任编辑 / 张丽静  美术编辑 / 周游)

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