Здравствуйте!
Легендарный ЯК-3, один из лучших поршневых...
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.
Fokker DR-1. Самолет Первой Мировой войны. На таком летал Красный Барон.
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 🙂 (шучу)). 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.
Английский истребитель Supermarine Spitfire. Лучший истребитель наших союзников.
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 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.
Lockheed SR-71 Blackbird. Знаменитый американский разведчик. Максимальная скорость в 3,3 раза превышает скорость звука. Какие уж тут винты :-)...
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.
Фотографии кликабельны.
Интересно, на сколько КПД реактивного двигателя ниже, чем у поршневого при низких скоростях. Скажем, около нуля. Хотелось бы, ориентировочно, понять на сколько зависающий коптер будет эффективнее аналогичного устройства на реактивной тяге?
Здравствуйте, Юрий!
Очень понравился Ваш сайт. Хорошо, что здесь можно задавать наивные вопросы и обсуждать странные идеи. Меня давно интересует история авиации и мой вопрос как раз касается границ возможностей винтовых самолетов. Предположим, что кому-то в наше время пришла фантазия построить истребитель с поршневым двигателем на основе современных технологий (т.е. современных материалов, достижений аэродинамики и т.д.). Какие ЛТХ можно получить? Например, достижима ли максимальная скорость 800 км/ч и дальность 2000 км (без ПТБ)? Допустим, размеры и масса самолета и мотора примерно такие, как у Ла-9 и АШ-82ФН. Какую мощность имели лучшие в мире моторы этого класса и можно ли с ними достигнуть такой скорости?
А электромторы в качестве замены поршневых двигателей могут решить вопрос в скорости ?
На данный момент вряд ли…. Слишком возрастает масса…
Электродвигатели по своим масса-габаритным параметрам при прочей равной мощности, превосходят поршневые двигатели.
(аккумуляторы в расчет не берем на данный момент они конечно же не эффективны)
Вот как раз источники энергии и надо брать во внимание….
Так как прямоточно реактивные двигатели не расматривались в отдельной теме задам вопрос здесь. А заключается он в следующем: Если ПВРД столь прост и эффективен,то в чем причина того что двигатели подавляющего большинства крылатых и управляемых ракет устроены на других принципах?
Да, это точно, нет такой темы, хотя она уже давно просится :-). Обязательно сделаю. По поводу вопроса. Главная причина заключается в главном же недостатке ПВРД: он неэффективен на малых скоростях полета и вообще не работает при нулевых скоростях. В 30-х, 40-х годах были даже попытки установки на поршневые самолеты ускорителей в виде ПВРД, но эффективность была крайне низка (10-15 км/ч, если не ошибаюсь — точнее напишу в будущей статье :-)). Требуемая (или достаточная) эффективность такого двигателя достигается на сверхзвуке, причем немалом — около 3М и выше. Это так называемый СПВРД (сверхзвуковой ПВРД). У гиперзвуковых ПВРД эти скорости еще выше. А ведь до такой скорости аппарат надо еще разогнать — в этом и причина. Поэтому, если ПВРД где-то и используются, то это обычно комбинированные силовые установки с разгонной ступенью (ТРДФ, ЖРД (крылатая ракета «Буря»), ТРДД) и маршевым ПВРД или специальные турборакетные или турбопрямоточные (SR-71) двигатели.
Здравствуйте, Юрий! Случайно наткнулся на ваш сайт, когда искал принцип работы ТРД и вот уже «зависаю» у вас 3-ю неделю 🙂 Читаю все подряд. Отличный сайт: всё просто и понятно. Хочу задать два вопроса:
1. В комментариях вы как-то написали, что соосные винты выравнивают вектор тяги. Значит ли это то, что если бы у Ту-95 все четыре двигуна были не с соосными винтами а с обычными, самолет бы кренило всегда в одну сторону? У двух и более двигательных самолетов, вообще, винты вращаются в одну сторону? Это как-то влияет на устойчивость самолета по курсу?
2. Не могли бы пояснить формулу полезной тяги, приведенную в статье? Не совсем понял ваши слова: «Мощность поршневого двигателя при изменении скорости меняется мало». В моем понимании если, например, тот же ту-95 летит на крейсерском режиме — это одна мощность двигателей, а если он совершает предпосадочные маневры, то это другая. А когда он взлетает — это третья. Разница между этими режимами ведь есть? Или я путаюсь в понятиях?
Заранее спасибо за ответ!
Прошу прощения за задержку с ответом. Почему-то Ваш комментарий (в числе некоторых других) слетел у меня в спам. Только сейчас это увидел. По Вашим вопросам: 1. Винт (каждая лопасть) закручивает поток воздуха и отбрасывает его назад не строго по продольной оси а несколько в сторону, а точнее в стороны. То есть воздух расходится от винта в некоторой степени «веером» — во все стороны — и это значит, что влияние потока во все стороны одинаково, то есть нет влияния на курс или крен. Чтобы использовать всю энергию потока, прошедшего винт, для получения главной тяги — нужно направить его за винтом строго по продольной оси самолета. Так как после первого винта поток несколько развернут от этой оси, то второй винт может его повернуть в обратном направлении (выровнять), увеличивая тем самым продольный вектор тяги. 2. — Здесь я как оказалось сделал описку в статье: в формуле не «полезная тяга», а «полезная мощность» (исправлю). Полезная мощность двигательной установки в общем случае равна произведению тяги на скорость самолета (т.е. на его перемещение в единицу времени). Вы правильно написали о режимах полета Ту-95. Но Вы там меняете мощность двигателя в процессе управления с целью достижения необходимой скорости (в частности). Я написал о другом. Если Вы к примеру установите постоянный максимальный режим с целью разгона, то по мере роста скорости в процессе разгона мощность двигателя (упрощенно говоря на валу винта) меняться практически не будет. А вот тяга винта с ростом скорости будет уменьшаться. Это и имелось в виду….
разве у ту-95 поршневой мотор?
ту95 вроде турбовинтовой (по крайней мере судя по профилю моторов и выхлопушки сзади)
Вообще я почему то не увидел инфы о турбовинтовых в этой статье, хотя это вроде нечто среднее между поршневым+винт и турбо реактивным. Вроде и вес маленький и тяга с ростом скорости растет, а вот винт да…препятствие…но если придумают сверхзвуковой винт, то установят его 100% на турбовинтовой самолет))))
А так сайт отличный добавил в закладки)
Извините, но под изображением первого самолета подпись «Легендарный ЯК-9, один из лучших поршневых…», она неверна. На изображении Як-3, что ясно видно по передней части фонаря, и отсутствующему воздухозаборнику маслорадиатора. Плюс по надписи на фюзеляже гуглится, что это самолет Ерёмина Бориса Николаевича, и самолет этот именно Як-3.
Вы правы конечно. К сожалению, некоторые ранние статьи на этом сайте иногда нуждаются в подобного рода уточнениях. Обязательно сегодня исправлю. Спасибо за уточнение!