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.
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?
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. :-)…
Очень интересная статья.Правда,довольно спорное утверждение,что спитфайр-лучший истребитель союзников.А как же мустанг?!Хотя,это не принципиально,для сути этой работы.
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…
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.
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 :-)…
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.
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 :-)…
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?
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.
В рубрике «авиационные двигатели» на сайте, т.е. по ссылке http://avia-simply.ru/category/aviatsionnie-dvigateli/ есть многое из того, о чем Вы спрашиваете. О том, чего там нет еще обязательно напишу :-)…
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)
Это точно :-). Абсолютно совершенных движков человек еще не создал, поэтому место для поршневого есть (и очень не маленькое :-)) и еще долгое время будет…
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
Интересная статья. Большое спасибо.
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. 🙂
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 !!!!!!…
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.
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 :-)….
Юрий, читаешь и диву даешься, сколько Вы знаете об авиации. Спасибо.
Спасибо Вам, Евгения! То же самое могу сказать и в Ваш адрес :-). Столько рецептов!!! И все такие действенные… Вы молодец!
Интересный экземпляр Fokker DR-1. Он очевидно красного цвета, потому что летал на нем Красный Барон.
Не на этом, но точно на таком же :-)…
Вручаю Вам награду Кубок Признания http://tovardodoma.ru/poleznaya-informatsiya/nagradyi
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?
Мой друг работает в конструкторском бюро по проектированию реактивных двигателей. Интересная работа! А сожалеть о поршневых двигателях не стоит — это вопрос эволюции!
Очень интересная статья! Узнала очень много нового. Удивительный сайт!
Какая познавательная статья! Да еще и о соколе-сапсане, как о самой быстрой в полете птице узнала!
Какой красавец этот американский разведчик, только ведь черный цвет очень виден в небе.
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….
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)))
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…
Интересная информация, спасибо за новую статью.
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:)))!
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 :-)…
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.
К сожалению это так….
Ну, теперь все понятно! и про двигатели самолетов и про скорости развития авиатехники.
ВОТ РЕАЛЬНЫЙ ПРИМЕР, КАК ДАЛЕКО ПРОДВИНУЛАСЬ ТЕХНИКА И УШЛИ ВПЕРЕД РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ЕСТЬ НАД ЧЕМ ПОДУМАТЬ. СПАСИБО!
интересно, можно расширить свой кругозор!
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.
Информация по замене поршневых двигателей на реактивные очень доступна и интересна. Спасибо.