为什么图95轰炸机的发动机有两层扇叶,(涡桨)飞机更省油

by admin on 2019年11月10日

图-95是当今世界唯一使用螺旋桨发动机的远程战略轰炸机,从里到外都充满着一种涡轮式蒸汽机时代的粗暴的工业美。这架轰炸机的动力系统非常独特和怪异,发动机有两层螺旋桨扇叶,这个比较奇特的设计叫做同轴反转螺旋桨。

问题:为什么图95轰炸机的发动机有两层扇叶?

问题:螺旋桨的飞机相对于喷气式飞机有什么优势呢?

问:无尾桨直升机的详细原理是什么?如何抵抗主旋翼的扭矩?

问:如今涡扇发动机技术已经很成熟,为何还有部分飞机使用螺旋桨发动机?

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回答:

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这个标志是不是很形象?图-95为什么要装备如此怪异的发动机呢?

图-95的两层扇叶被称为“同轴反转螺旋桨”(Contra-rotating Propellers),这是涡轮螺旋桨发动机中特有的一种类型,它和普通螺旋桨最大的不同便是发动机上有两组并列转动的螺旋桨,而且两组螺旋桨转动的角速度方向相反,图-95凭借这种独特的设计从1960年起便保持螺旋桨式飞机速度记录。

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轰炸机的话现役螺旋桨式的题主说的应该是俄罗斯的图-95(熊)轰炸机了。图2图3

科普性的答案已经有了两个,我针对无尾桨技术(NOTAR®
TECHNOLOGY)讲点专业性的概念与诸君共赏。

说起来你可能不信,因为低亚音速下“螺旋桨”(涡桨)飞机更省油。

答案当然是为了飞机飞行性能了。是为了在高速飞行和大航程之间实现平衡。图-95战略轰炸机的最大起飞重量接近200吨,需要装备4台NK-12MV涡桨发动机才能提供足够的推力。

速度最快的螺旋桨飞机

图-95还世界在役独有搭载四发大型涡轮螺旋桨发动机的战略轰炸机,其搭载4具库兹涅佐夫NK-12MV型涡轮螺旋桨发动机,可让图-95最大速度达到925公里。由于发动机功率太大,在桨叶直径和转速无法提升的前提下。工程师只能另辟蹊径,用增加叶片数量来提升效率。甚至其衍生机型图-114保持着最快螺旋桨飞机的世界纪录。

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图95的发动机是涡桨发动机,比起二战时期的活塞式螺旋桨技术含量高级不少,图95轰炸机的实用升限15000,满载25吨,作战半径8300公里,最大航速910公里/小时。由此可见涡桨式螺旋桨飞机还是很给力

[无尾桨技术为麦克唐纳·道格拉斯(简称麦道)公司的专利,该专利是通过收购休斯直升机公司获得]

现如今固定翼飞机使用的“螺旋桨”飞机已经不是以前那种星形活塞发动机驱动的螺旋桨飞机了,而是涡桨发动机。实际上涡桨发动机和涡扇喷气发动机用的是同一个热端,核心机都是一个涡轮发动机。

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同轴反转的秘密

螺旋桨在低速飞行下,其叶片的叶尖会形成切向的空气涡流,涡流会对能量造成损失。在航空工程师的巧妙设计下,同轴反转螺旋桨的两组叶片在转动时产生的涡流会相互抵消,能将能量的损失将至最低。同轴反转螺旋桨不仅能使螺旋桨维持最大的效率,还能充分使用发动机提供的驱动力。再加上图-95主翼采用后掠35°设计,能让图-95在执行任务时保持高速飞行效率。

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美国最近几年也开始尝试用螺旋桨飞机来进行对地支援任务,老美已经采购了巨嘴鸟战斗机图1。除了美国,这款涡桨战斗机还有很多国家实用,主要为拉美国家,同时新加坡也用来作为教练机。

注:有答案提到了纵列式、共轴、横列式等没有尾桨直升机,但是“无尾桨”实际上特指一类特定的直升机系统——No
Tail Rotor;NOTAR,下面是详细说明。

星形发动机在二战期间是各国螺旋桨发动机的标配,如今已经没有多少企业在研究,基本退出历史舞台;我们现在看到的螺旋桨发动机其实是涡桨发动机,原理和星形发动机有本质区别,几乎相当于模拟电路和数字电路的差别。下图是涡桨发动机结构:

每一台NK-12MV涡桨发动机都有两个巨大螺旋桨,这两个螺旋桨的旋转方向是相反,采用这种设计当然有其优点了,那就是两个旋转方向相反的螺旋桨在工作时可以相互抵消对方产生的扭矩力。以普通直升机为例,其巨大的主旋翼在工作旋转时会产生巨大的扭矩,这时就需要一个反扭矩设计来抵消这个力量,普通直升机的解决方法就是设置尾桨,给直升机提供一个和主旋翼生产的扭矩力相反的一个力量,从而使得直升机可以正常飞行。

图-95的副作用

同轴反转螺旋桨的两组螺旋桨连接在同一台发动机上,里面使用一组行星齿轮达到反向旋转的目的。同轴反转螺旋桨式飞机两侧两个不同的发动机,其螺旋桨转动方向相反,而不是反向旋转螺旋桨。

但是同轴反转螺旋桨带来的负面效应也显而易见,例如运转时会产生巨大的噪音,其侧方向噪音增大10分贝,轴方向噪音更是增大30分贝,甚至位于北大西洋的声呐网都可以捕捉到图-95的声纹!

回答:

这个标志是不是很形象?

图-95是当今世界唯一使用螺旋桨的远程战略轰炸机,从里到外都充满着一种涡轮式蒸汽机时代的工业美。这架轰炸机的动力系统非常独特和怪异,发动机有两层螺旋桨扇叶,这个比较奇特的设计叫做同轴反转螺旋桨。

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图-95为什么要装备如此怪异的发动机呢?答案当然是为了飞机飞行性能了。是为了在高速飞行和大航程之间实现平衡。图-95战略轰炸机的最大起飞重量接近200吨,需要装备4台NK-12MV涡桨发动机才能提供足够的推力。

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每一台NK-12MV涡桨发动机都有两个巨大螺旋桨,这两个螺旋桨的旋转方向是相反,采用这种设计当然有其优点了,那就是两个旋转方向相反的螺旋桨在工作时可以相互抵消对方产生的扭矩力。

以普通直升机为例,其巨大的主旋翼在工作旋转时会产生巨大的扭矩,这时就需要一个反扭矩设计来抵消这个力量,普通直升机的解决方法就是设置尾桨,给直升机提供一个和主旋翼生产的扭矩力相反的一个力量,从而使得直升机可以正常飞行。

另外还有一种特殊的解决方法就是设置两套主旋翼,两套主旋翼的工作方向相反,双方工作时产生的扭矩力也是相反的,就可以相互抵消了。例如俄罗斯的卡-52武器直升机就是采用了这种比较奇特的设计。而NK-12MV涡桨发动机的同轴反转的螺旋桨也是应用了同样的设计原理。

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此外,NK-12MV涡桨发动机的同轴反转螺旋桨设计还可以产生更大的推力,这是因为有两套螺旋桨在同时工作,其产生的推力自然要比一套螺旋桨工作时产生的推力要大些,也就能使图-95的飞行速度更快,在4台奇特的NK-12MV涡桨发动机的推动下,图-95战略轰炸机在高空最大飞行速度达到了870公里/小时,这个飞行速度对于一架装备涡桨发动机的飞机来说,绝对是难以置信的,这一切当然就归功于同轴反转螺旋桨。

回答:

图片 14共轴反桨结构,这种结构螺旋桨有两层传动轴,外传动轴空心,内传动轴套在里面,两层传动轴通过齿轮组联动,转动方向相反。这种结构现在在直升机上应用较多。
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采用共轴反桨的玩具直升机,因为共轴反桨不会产生偏转力矩,不需要安装尾桨

但是注意的是,共轴反桨结构并不能提高工作效率,一台共轴反桨结构发动机产生的推力效果,要远远低于两台一半功率的单层螺旋桨发动机的推力!因为前一层螺旋桨打散了气流,后一层螺旋桨工作效率会大大降低!

而之所以会有这种结构螺旋桨飞机出现,是因为这种结构可以突破单层螺旋桨的极限。螺旋桨飞机增加推力的方式,只能是增加螺旋桨转速和增大螺旋桨直径,这样螺旋桨桨叶叶尖的速度也就不断提高,但是这个叶尖速度是有极限的,那就是不能超过音速!一旦达到音速就会产生音障和激波,可以轻易的打断螺旋桨桨叶。
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所以不管怎么设计,单层螺旋桨产生的推力是有极限的,要想突破这个极限只能再安排一层,共轴反桨,那怕工作效率下降。这种设计在喷气机时代早期应用较多,比如说英国的世界上最丑的飞机–塘鹅反潜机。
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但是这种设计齿轮组传动结构复杂,噪音大(图-95是唯一一个可以被浮标声呐发现的飞机),在喷气式发动机成熟后基本上取消了。

而图-95之所以采用这种结构,主要还是被航程给逼得,跟美国在欧洲可以用大把空军基地不一样,前苏联要想炸美国要困难的多,对航程要求大,而螺旋桨比较省油。
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不过,美国和北约其实都低估了图-95的升限和最大航速,其原本以为升限是9000米,最大时速是580公里左右(这一判断是基于螺旋桨工作的极限判断的)。但是没想到图-95还有涡喷模式,这种模式下,螺旋桨不产生推力,自由转动,全靠发动机当做涡喷发动机一样工作,这种模式下升限可以13000米,时速900到1000公里(不同型号有所不同)。
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回答:

为了在高速和航程之间实现平衡,图-95采用了一套独特的动力系统。

图-95的最大起飞重量接近200吨,安装四台NK-12涡轮螺旋桨发动机,单台额定功率11000kW(14750轴马力),驱动一副AV-60四叶同轴反转螺旋桨。

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所谓同轴反转螺旋桨,就是两组安装在同一转轴上的串列螺旋桨,但螺旋桨的旋转方向相反。同轴反转螺旋桨一般是通过一组行星齿轮来实现反向旋转的,该螺旋桨具有两个优点:

一是两组螺旋桨反向旋转,互相之间抵消了扭矩,飞行员无需在飞行中通过调整副翼来对螺旋桨的扭矩效应配平。

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二是气动效率高。螺旋桨桨尖在旋转中会产生涡流,导致产生的拉力减小。而同轴反转螺旋桨的两组叶片在旋转时,叶尖产生的涡流能互相抵消,降低了涡流能量损失。一般来说,同轴反转螺旋桨比同直径的单螺旋桨的效率能提高6%-16%。

图-95凭借直径达5.6米的同轴反转螺旋桨,使高空巡航速度达到750公里/时,最大速度达到936公里/时,丝毫不逊色于亚音速喷气式轰炸机。

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但这4副巨大的螺旋桨也成为该机产生巨大噪音的罪魁祸首。当图-95的速度达到750公里/小时,螺旋桨桨尖的速度已经超过音速,产生持续音爆并横向传播开来,因而噪音相当惊人。而且反转螺旋桨设计使桨尖音爆非常密集,引发的机身震动经常诱发电子设备故障。甚至有传言说美军潜艇在水下就能通过声呐监听到从头顶飞过的图-95。

回答:

图-95战略轰炸机,由苏联图波列夫设计局于1951年研制一款惊世之作,它是当时唯一能和美国B-52战略轰炸机相匹敌的战略轰炸机,且服役至今。它最大的设计特点就在于它发动机上的两具同轴反转桨叶,并采用4台12000轴马力的NK12型对转涡轮螺旋桨发动机。
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采用同轴对转的发动机的好处就在于不仅可以克服对机身产生的扭矩而且动力更为强大,最大时速超过900公里每小时而且在油耗于保养维修比B-52涡喷发动机更为简单。所以目前它也是世界上最大最快、目前仍在服役的大型螺旋桨远程战略轰炸机。
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和美国的B-52相比,图95在航程、速度、载弹量这三个重要指标都比B-52逊色很多。不过由于采用涡喷螺旋桨发动机,同样是1.2万里的航程,B-52需要携带160吨燃料,而图95只需要80吨,只是B-52的一半,这样为经济、省钱,而且图95还具有老毛子的武器特点,简单、皮实、耐操、等特点,与专门用大炸B的B-52不同,图95可以改装用于侦查、海上巡逻、反潜、通信中继等任务,具有很强的通用性。而苏联解体的时候,中国曾有意向乌克兰购买图95,但是由于两个大国的阻挠,中国未能如愿。
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回答:

图-95战略轰炸机,也叫TY_95,是由前苏联图波列夫飞机设计局和北约代号“熊”开发的远程战略轰炸机。

它的设计有一个后掠翼,在机翼上有四个涡轮螺旋桨,和两个大直径的每个发动机驱动的四叶螺旋桨。

轰炸机使用两层风扇叶片,它们有一个大的翼展和一个大的翼展,并有一个巨大的后掠的平面和垂直尾翼。单层风扇叶片不能支持导弹的反冲,两个叶片可以更好地提高命中率。

回答:

因为3层还没研发出来

之所以巨嘴鸟这么受欢迎,是因为螺旋桨飞机对地攻击性能远超喷气式飞机,尤其是其低空低速性能,同时螺旋桨飞机也更经济,易于保养,而且现代化的螺旋桨飞机可以使用多种导弹和制导炸弹,火力完全不逊色于喷气式飞机。近年来的反恐和治安战也特别适合这类飞机。最后现在风头正劲的查打一体无人机很多也是螺旋桨的,比如美国的捕食者和中国的彩虹系列。


涡桨发动机工作原理示意图,桨叶和涡轮发动机输出轴通过齿轮传动;

还有一种特殊的解决方法就是设置两套主旋翼,两套主旋翼的工作方向相反,双方工作时产生的扭矩力也是相反的,就可以相互抵消了。例如俄罗斯的卡-52武器直升机就是采用了这种比较奇特的设计。而NK-12MV涡桨发动机的同轴反转的螺旋桨也是应用了同样的设计原理。

回答:

无尾桨反扭矩系统最大的特点就是消除了单旋翼带尾桨由于尾桨存在而带来的一系列复杂机械缺陷,包括——长长的传动轴、悬挂轴承、中间减速箱和90°转向减速箱等机械部件。充分利用直升机与生俱来气动特点的无尾桨系统被认为更加安全且安静。

喷气式发动机从二战面世到现在,已经发展出了4个变体:涡轮喷气发动机、涡扇发动机、涡桨发动机和涡轴发动机。涡扇和涡桨的区别在于涡扇发动机依靠风扇旋转+尾喷口喷气获得推力,而涡桨发动机几乎只依赖涡桨旋转产生的推力,尾端喷气贡献的推力较小或者几乎没有。涡扇发动机进气道用的是一个叶片较多的大直径风扇,且有外涵道,外涵道(即内涵道到进气道风扇末端的这段距离)和内涵道比值通常小于1(bypass
ratio),外涵道外部由一个外壳罩起来,外涵道用风扇划动空气产生推力,内涵道通过喷出高速的废气产生推力;而涡桨发动机,用的是桨形叶片,叶片瓣数少,通过减速齿轮与涡轮发动机相连,将废气推动燃气涡轮产生的动能输出转换为桨扇的动能,划动空气产生推力;而内涵道的废气几乎不产生推力。

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# 工作原理

说白了,其实无尾桨技术的原理还是相对简单的——尾梁中,靠近旋翼下方有一个进气口,进气口下安装了一台可变桨距的风扇,风扇转动之后能将大量的旋翼尾流引入尾梁然后从尾梁上的两条缝中流出,流出的气体会遵循康达效应(Coanda
Effect,康达效应有些地方也叫做附壁效应,最直观的一种现象就是你可以想象锅子边上一滴水往锅外滑落,水珠一般会贴着锅底往下滑,而很少会直接落下),缝中气流因为康达效应绕尾梁流动之后的最终效果就是产生了一个侧向力,这个侧向力会抵消掉大约60%的反扭矩。剩余的反扭矩和直升机的偏航控制就是靠尾梁最末端的直接喷气装置来实现的,也就是图中的“Residual
Airflow”那里的装置,也就是下图中的5处,下图中6就是旋翼尾流,8就是由于康达效应产生的侧向力。

上述是悬停时候,前飞时候,无尾桨直升机的反扭矩一般是通过垂尾襟翼差动产生的力矩来实现平衡的,不过航向控制还是需要尾梁末端的直接喷气装置来实现。

无尾桨系统的优点:

更安全——毕竟没有一个大大的尾桨了,对地面人员的安全性肯定更好了

更安静——据称内置风扇的噪音比开放式尾桨要降低一半左右

减少了飞行员的负担——据称该系统操纵负担更小,毕竟不存在机械传动了

降低了直升机的振动水平——尾桨也是直升机振动源之一,少了个尾桨之后,振动水平减少也在情理之中

直升机旋翼在旋转时会产生扭矩,使机体与旋翼同向旋转,为了克服这种扭矩,通常在飞机尾翼上增加一个副旋翼装置(即尾桨),从而达到让飞机平稳飞行的目的。但是裸露在外的副旋翼有增加噪声以及安全风险等缺点,人们又设计出不使用副旋翼装置的直升机,即题目中所说的无尾桨直升机。无尾桨直升机主要有以下三种旋翼布局:第一、共轴双桨式,代表机型为俄罗斯卡莫夫设计局设计的“卡”系列直升机,比如卡-52武装直升机;第二、纵列双桨/并列双桨/串列双桨式,代表机型为美国波音公司的CH-47“支奴干”运输直升机和美国卡曼的K-Max型直升机;第三、尾翼喷气式,代表机型为美国麦道公司的MD520N型直升机。下面我们分别来了解上述三种无尾桨直升机的详细原理。下图为澳大利亚陆军装备的CH-47“支奴干”运输直升机。

涡轮风扇发动机

此外,NK-12MV涡桨发动机的同轴反转螺旋桨设计还可以产生更大的推力,这是因为有两套螺旋桨在同时工作,其产生的推力自然要比一套螺旋桨工作时产生的推力要大些,也就能使图-95的飞行速度更快,在4台奇特的NK-12MV涡桨发动机的推动下,图-95战略轰炸机在高空最大飞行速度达到了870公里/小时,这个飞行速度对于一架装备涡桨发动机的飞机来说,绝对是难以置信的,这一切当然就归功于同轴反转螺旋桨。

螺旋桨飞机先和题主讲清楚再答题比较好,螺旋桨和螺旋桨是有区别的。二战前的螺旋桨轰炸机是活塞式发动机输出到螺旋桨做功,发动机转速和螺旋桨转速是同步的;现代的螺旋桨轰炸机是涡桨发动机,喷气和桨叶转动同时做功,发动机转速和螺旋桨不同步(螺旋桨要慢很多)。所以题主的第二问应该是涡桨发动机对比涡喷发动机的优势是什么?

共轴双桨式旋翼布局直升机

我们可以以这样的方式来说明共轴双桨直升机抵抗旋翼扭矩的原理:在纸上画出一个同心圆,大圆圈表示直升机的旋翼,小圆圈表示机体,当旋翼高速正向旋转(顺时针)时所产生的扭矩会带动机体发生同向旋转,所以我们在两圆圈上标注顺时针方向的箭头。为了克服这股扭矩,我们在同心圆外面再化一个圆圈将同心圆包裹起来,假设这个圆圈是另外增加的一组主旋翼,并想像其旋转方向为逆时针,为其标注上反向箭头。在一个传动轴上两组反向旋转的旋翼便产生相互抵消扭矩的力,扭矩得到平衡,机体就不会发生旋转了,这就是共轴双桨式旋翼布局的无尾桨直升机抵抗旋翼扭矩的原理。下图为俄罗斯陆军装备的K-52共轴双桨武装直升机。

涡桨发动机,没有涡扇发动机那样的外壳形成外涵道

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