Почему авиационный поршневой двигатель уступил реактивному.

Здравствуйте!

Почему авиационный поршневой двигатель уступил реактивному

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.

Почему поршневой авиационный двигатель уступил реактивному

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.

Почему поршневой авиационный двигатель уступил реактивному

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.

Почему авиационный поршневой двигатель уступил реактивному

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.

{lang: 'ru'}
Вам было интересно? Расскажите об этом друзьям:
Приглашаю к общению:

Related posts:

  1. Поршневой авиационный двигатель.
  2. Двигатель самолета – это его сердце.
This entry was posted in АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ, МИР АВИАЦИИ and tagged , . Bookmark the permalink.

53 Комментариев: Почему авиационный поршневой двигатель уступил реактивному.

  1. Леонид говорит:

    Информация по замене поршневых двигателей на реактивные очень доступна и интересна. Спасибо.

  2. Кирилл говорит:

    Двигатель в самолете, это самое главное. А уступил наверное по причине лучшего качества и работы без сбоев. Спасибо за интересные статьи. Мой дед даже покупает журнал Мировая Авиация и делает самолеты из дерева всем своим внукам в подарок. Желаю успехов и стремительного развития, доходов! Заходите в гости. Меняемся комментариями и твитами.

  3. Ирина говорит:

    интересно, можно расширить свой кругозор!

  4. Андрей говорит:

    ВОТ РЕАЛЬНЫЙ ПРИМЕР, КАК ДАЛЕКО ПРОДВИНУЛАСЬ ТЕХНИКА И УШЛИ ВПЕРЕД РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ЕСТЬ НАД ЧЕМ ПОДУМАТЬ. СПАСИБО!

  5. Natabul говорит:

    Ну, теперь все понятно! и про двигатели самолетов и про скорости развития авиатехники.

  6. Игорь говорит:

    Спасибо, интересно! Всей мировой наукой движет одна цель – установить превосходство в военной технике, с целью дальнейшего диктата силы. Может быть развитие человечества пошло бы по другому пути, не будь мы так безнравственны и лицемерны. Невозможно предугадать, что – же ждет нас после реактивного двигателя? И сможет ли человек выдерживать такие нагрузки, и для чего? Я представляю, какие ощущения испытывали первые летчики, летавшие в открытых кабинах на небольшой скорости! И сравните это с современными полетами, с невероятными нагрузками, в закрытом шлеме с подачей воздуха, с компьютером перед глазами, вместо пролетающих облаков или птичек:)))!

    • admin говорит:

      Если бы все те силы, умения и средства, которые уходят на создание и производство военной техники и вообще армии направить в полезное для человечества русло……. Мы бы пожалуй уже давно жили бы в золотом веке…. И летали бы где и как хотели :-)

      • Сергей говорит:

        практически 90% того, чем Вы пользуетесь в повседневной жизни, изначально, так или иначе, разрабатывалось для нужд армии. Военное преимущество, во все времена, было главным стимулом к изучению новых технологий.

  7. kris1961 говорит:

    Интересная информация, спасибо за новую статью.

  8. Ольга говорит:

    Да, сейчас так все стремительно развивается, уже видела появились рзработки летательных машин, похожие на те, что в кинофльмах про будущее похожие на скейтборд без колес, если компьютеры так быстро развились, то наверное, нам удастся увидетЬ, а может управлять будущей новиной, например как в “пятом элемете”, обычные вроде машины только летают…может коечно силЬно оптимистично, но ко знает)))

    • admin говорит:

      Остается только надеяться, что человечество само себе “не наступит на горло” и прогресс не остановится и пойдет в нужном направлении :-) . Может и доведется что-нибудь совершенно новое увидеть…

  9. Людмила говорит:

    Какой красавец этот американский разведчик, только ведь черный цвет очень виден в небе.

    • admin говорит:

      На тех высотах (до 26 км), где летал этот самолет цвет особой роли не играет :-) . Очень высоко… Никто уже его визуально не видит. А черный цвет – это спецпокрытие, так как обшивка нагревается при трении об воздух свыше 400 градусов….

  10. Светлана говорит:

    Какая познавательная статья! Да еще и о соколе-сапсане, как о самой быстрой в полете птице узнала!

  11. Анна говорит:

    Очень интересная статья! Узнала очень много нового. Удивительный сайт!

  12. Денис говорит:

    Мой друг работает в конструкторском бюро по проектированию реактивных двигателей. Интересная работа! А сожалеть о поршневых двигателях не стоит – это вопрос эволюции!

  13. Demitry New Resolve говорит:

    Техника не стоит на месте. Реактивный двигатель заменил поршневой, и когда нибудь появится тот вид двигателя, который заменит и реактивный, но интересно каким он будет?

  14. Екатерина говорит:

    Вручаю Вам награду Кубок Признания http://tovardodoma.ru/poleznaya-informatsiya/nagradyi

  15. Людмила говорит:

    Интересный экземпляр Fokker DR-1. Он очевидно красного цвета, потому что летал на нем Красный Барон.

  16. Евгения говорит:

    Юрий, читаешь и диву даешься, сколько Вы знаете об авиации. Спасибо.

    • admin говорит:

      Спасибо Вам, Евгения! То же самое могу сказать и в Ваш адрес :-) . Столько рецептов!!! И все такие действенные… Вы молодец!

  17. максим говорит:

    А все таки немного жаль пошневую авиацию. На Ан-2 в нашем аэропорту я смотрю как на трактор в собственном огороде. Вы Юрий прекрасно объяснили причину предела скорости на винтокрылах. Я пологаю Ту-95 выдает >900 за счет соосных винтов, или я ошибаюсь? Опишите пожалуйста особенность совмещенных винтов. И как бы там нибыло, Ту-95 все таки разбивает мнение о “скоростном потолке” для винтовой авиации.

    • admin говорит:

      Причины достаточно большой скорости ТУ-95 в том, что его двигатели НК-12 одни из самых мощных в мире ТВД, в его соосных винтах и в стреловидном крыле. Соосные винты позволяют рационально использовать большую мощность движка (лучше два, чем один тяжелый и большого диаметра), кроме того воздушный поток, закрученный первым винтом попадает на второй винт, вращающийся в обратную сторону и выпрямляется, создавая тем самым как бы дополнительную тягу. Но кстати 920 км/ч – это максимальная скорость (причем не для всех модификаций ТУ-95), а крейсерская примерно 750…
      Вот как-то так… Надеюсь ответил на Ваш вопрос :-) ….

  18. Александр говорит:

    Интересно Вас читать. Я всю жизнь тащился от самолётов. В детстве даже лётчиком мечтал стать. Отлично помню родительские глаза, когда я им об это заявил. :)

    • admin говорит:

      Да, почти все родители реагируют одинаково :-) … Я тоже был в пяти минутах от этого, но… не сложилось… Стал инженером… Но “воздухом” все же подышал :-) … Авиация – это !!!!!!…

  19. Интересная статья. Большое спасибо.

  20. Александр говорит:

    Думаю, что и реактивные двигатели не “вечны”-на смену им придёт электрический. Особенно в малой авиации.По крайней мере КПД у него гораздо больше. Дело, в основном, за аккумуляторами. Вот интересная статья о применении электромотора в качестве авиадвигателя:http://translate.google.ru/translate?hl=ru&langpair=en|ru&u=http://www.eaa.org/experimenter/articles/2010-05_electric.asp&ei=9NTAUObSH6iK4gSjv4CICw

  21. Игорь говорит:

    Если взять авиацию вцелом, то поршневые двигатели никуда из авиации по сути и не делись. Они попрежнему живы в легких вертолетах, и эволюционировали по анологии с автомобильными – на смену карбюратору пришел инжектор. Так что любителям поршенвых двигателей нечего расстраиваться )) Там где использование турбовальных двигателей слишком “жирно” – старый добрый поршневой еще долго будет крутить винты вертолетов)

    • admin говорит:

      Это точно :-) . Абсолютно совершенных движков человек еще не создал, поэтому место для поршневого есть (и очень не маленькое :-) ) и еще долгое время будет…

  22. Павел говорит:

    Интересный сайт, познавательные материалы. Было бы полезно узнать о принципе работы авиационного двигателя, об этапах развития, его основных узлах и какие функции они выполняют.
    Спасибо.

  23. Андрей говорит:

    Интересно было бы узнать, почему из поршневых авиационных двигателей сейчас самые популярные – это оппозитные. Они ведь и близко не дают такой мощности, как звездообразные, которые в основном и применялись в середине прошлого века.

    • admin говорит:

      Прошу прощения за поздний ответ, хотя полноценного ответа все равно не получается. Нет пока у меня готового ответа на этот вопрос. Хочется думать, что оптимальное сочетание “мощность- масса- размеры-расход топлива-надежность- простота обслуживания – стоимость(базовая + на обслуживание)” решает вопрос выбора. Хотя, похоже, не только в этом дело. Все наши поршневые самолеты последнего времени – со звездообразными двигателями. А практически все “супостатские”, в т.ч. и спортивные (для аэробатики, в частности) с рядными (в т.ч. и с оппозитными). Что здесь? Традиция производителей или, может быть, отсутствие необходимости разработки чего-то нового? В общем есть о чем подумать и попробовать разобраться. Попробую :-)

      • Андрей говорит:

        Спасибо за ответ!
        Как мне говорили, у оппозитника расход значительно меньше, он не так сильно течет, как звездочка, и, что немаловажно, его силуэт положительно сказывается на аэродинамике ВС.
        Да, вот Вы сказали “с рядными (в том числе и с оппозитными”). Мне казалось, что рядные (in-line) и оппозитные – это разные вещи.

        • admin говорит:

          Да, аэродинамика, пожалуй, одна из решающих причин. Хотя, конечно, все относительно. Что касается отличий рядных и оппозитных, то я их, в общем-то не ровняю :-) , но исхожу из общего начального принципа. То есть V-образный – это вариант рядного из соображений компактности, а оппозитный – вариант V-образного с углом развала 180 град. Конечно сейчас отличия этих так называемых “вариантов” достаточно велики, чтобы их ставить на одну доску. Может мне этого делать и не стоило :-) , но по отношению к “звезде” они все же стоят по одну сторону. Вот в чем причина моих слов :-)

          • pasha говорит:

            все перечисленные – с одним коленвалом?
            А как называются двигатели с двумя коленвалами и поршнями, движущимися навстречу друг другу (газ сжимается между ними)? Вроде на некоторых тепловозах стоят такие. В авиации такие схемы не используются?

  24. коала говорит:

    Очень интересная статья.Правда,довольно спорное утверждение,что спитфайр-лучший истребитель союзников.А как же мустанг?!Хотя,это не принципиально,для сути этой работы.

    • Юрий говорит:

      Да, пожалуй я как-то опрометчиво употребил слово “союзники”. Нужно было писать об английских ВВС (исправлю). Однозначно говорить о том, который из этих самолетов лучше видимо не имеет смысла, все же под разные условия создавались. Правильнее будет скорее просто сравнивать…

  25. pasha говорит:

    Спасибо! Хотелось бы побольше узнать про эффект запирания и как с ним справляется вентилятор-компрессор в турбовентиляторных – турбореактивных двигателях. Тот же винт, только в кожухе?

    • Юрий говорит:

      Есть такое дело. Тут нужно говорить о таких вещах, как помпаж и “вырождение компрессора” с ростом скорости. Об этом хочу написать отдельную статью. Надо только придумать, как упростить довольно сложный материал. :-)

  26. Arma_Lite говорит:

    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.

    • Юрий говорит:

      Вы правы конечно. К сожалению, некоторые ранние статьи на этом сайте иногда нуждаются в подобного рода уточнениях. Обязательно сегодня исправлю. Спасибо за уточнение!

  27. Артем говорит:

    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!

    • Юрий говорит:

      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….

  28. Мамед говорит:

    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?

    • Юрий говорит:

      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.

  29. Андрей говорит:

    А электромторы в качестве замены поршневых двигателей могут решить вопрос в скорости ?

    • Юрий говорит:

      На данный момент вряд ли…. Слишком возрастает масса…

      • Андрей говорит:

        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)

  30. Peter говорит:

    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?

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

*

Вы можете использовать это HTMLтеги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>