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飞机的原理

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发表于 2019-3-19 17:54:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 林大 于 2019-3-19 18:12 编辑

现实世界重,飞机这么重,是如何飞起来的呢?
如下图:

      大多数飞机由五个主要部分组成:机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置
      飞机的飞行要解决两个问题:
一是上升
      上升是根据伯努利原理,即流体(包括气流和水流)的流速越大,其压强越小;流速越小,其压强越大。还有,升力和迎角等都有很大关系。

气流流过的压力差产生了升力

二是前进
      前进靠的是发动机的动力带动螺旋桨旋转产生的向前牵引力或是喷气产生的向前推力。

把飞机运动简化,放在世界坐标系中,可以简化成分布在3个轴向上的运动矢量组合:Roll滚转(侧滚),Pitch俯仰(抬头低头),Yaw方向(偏航)。
其中,Roll滚转(侧滚)是由副翼控制;Pitch俯仰(抬头低头)由升降舵控制(一般是尾平翼上下摆动);Yaw方向(偏航)是由方向舵控制,实现转头。如下图:
Roll轴

Pitch轴

Yaw轴

临界条件:平衡状态下的分析
以单旋翼式飞机(直升机)为例:
A. 直升飞机的大螺旋桨旋转产生升力平衡重力 F升=mg
直升飞机的桨叶大概有2—3米长,一般有5叶组成。普通飞机是靠主翼产生升力起飞的,而直升飞机是靠螺旋桨转动,拨动空气产生升力的。直升飞机起飞时,螺旋桨越转越快,产生的升力也越来越大,当升力比飞机的重量还大时,飞机就起飞了。在飞行中飞行员调节高度时,就是通过改变大螺旋桨旋转的速度(转速RPM)就可以了。比如ESKY150系列小飞机,就是通过加大油门,给马达加大供电电流,提升马达RPM来提升升力。
另外,可以改变桨的螺距,在同样转速下,升力也会改变。在变踞的过程中发动机转速会根据桨叶角度发生变化

B. 直升飞机的横向平衡
直升飞机如果只有大螺旋桨旋,那么根据动量(mV)守衡定律,机身就也会旋转(俗称反扭矩),因此直升飞机就必须要一个能够阻止机身自旋的装置。故此,通常在飞机尾部侧面安装有小型螺旋桨,就是起到这个作用。
飞机的左转、右转或保持稳定航向都是靠机尾螺旋桨来完成的。同时为了不使尾桨碰到主旋翼,就必须把直升飞机的机身加长,所以,直升飞机有一个像蜻蜓式的长尾巴。再加上尾桨旋转时对气流的扰动,为了不影响主桨旋转面向下气流的分布,尾桨的旋转面会在主桨的旋转面外侧。


飞机前进 - 动力源

首先,航空发动机的启动分几种 发动机靠电机启动 还有发动机靠空气涡轮启动 电机就直接靠电机带动附件传动然后带动核心机 空气涡轮就是通过apu的产生的压缩空气带动发动机
用APU启动,就是一个小的涡轮发动机,先用电瓶把APU启动,然后APU再带动核心机启动,核心机运转起来后发动机自动就正常运转了。
另外,飞机自己带的是银电瓶,场站还有启动车(外接电源车)。这个涡喷机就是核心机,只要它的压缩叶片转起来就可以把高压空气注入燃烧室,启动就是启动它。其它的都是不同的主要动力输出方式。

星型发动机
在其他更先进的航空发动机出现之前,早在1903年,大型飞机的发动机常采用星型设计,星型发动机属于活塞式发动机的一种。

▲星型发动机示意图



涡轮喷气发动机简称涡喷发动机,其历史也很悠久,1937年,世界上第一个涡轮喷气发动机就开始运行了。

▲涡轮喷气发动机示意图



涡喷发动机可以看成由5个结构组成,如下图:

空气从进气道进入发动机后,首先被高速运转的压气机压缩,产生高压致密空气以提供大量氧气,燃烧室喷油燃烧,向后冲击涡轮机,而涡轮机又带动前面的的压气机,燃气流从喷口喷出产生推力。


涡轮风扇发动机简称涡扇发动机,如下图:

很容易就能发现,涡扇发动机和涡喷发动机两者之间的区别。涡喷只有一个空气通道,专业上叫做“涵道”,而涡扇发动机却有两个空气通道。也就是说,涡喷发动机是单涵道发动机,而涡扇是双涵道发动机。





涡轮风扇发动机示意图

发动机在运转时,外涵道与内涵道空气流量的比值叫做涵道比。规律是,涵道比越大越省油,经济性越好,高涵道比的发动机在亚音速时有非常好的能效,所以它广泛地运用于客机、运输机等。



高涵道比的发动机,主要推力不是来自于向后喷出的高温燃气,而是来自于外涵道高速向后喷出的空气。
现代战斗机也大多采用涡扇发动机,只是,为了追求高空的超音速性能,使用低涵道比的发动机。



▲美国F22猛禽战斗机使用的涡扇发动机,涵道比很低,只有0.3:1


涡轮螺旋桨喷气发动机,简称涡桨发动机                                                                                                                                                  



▲涡轮螺旋桨喷气发动机示意图


涡桨发动机的本质类似于涡喷发动机接上一个减速器,并带动外部的螺旋桨
▲上图是中国自行设计研制的水陆两栖飞机蛟龙-600,采用国产WJ-6涡桨发动机

涡桨发动机通常用在小型或低速的亚音速飞机上。但也有例外,俄罗斯的图-95战略轰炸蛟龙-600机使用的NK-12MV型涡桨发动机,让其达到925公里每小时的高速,接近音速。
▲俄罗斯的图-95战略轰炸机

▲每一个NK-12MV型涡桨发动机上有8个叶片,前后叶片采取同轴反转的模式

▲同轴反转示意图
涡桨发动机,桨叶同轴反转怎么实现的:行星齿轮了解一下。还有ESKY的LAMA系列了解一下。

▲安-70运输机上的D-27浆扇发动机

涡桨发动机的燃油效率通常高于涡扇发动机,但它也不是尽善尽美,原因之一是,涡桨发动机上多了一个减速器,也就是变速齿轮。

变速齿轮的存在一是增加了发动机重量,二是多少会带来一些功率上的损耗。

为此,有的国家研制一种不需要变速齿轮的发动机,它就是桨扇发动机。由于和涡轮之间没有减速器,桨扇的螺旋桨转速非常高,带来的优点是燃料效率进一步提高,而缺点是噪音大,难以运用于追求舒适性的客机上。目前,只有安-70运输机使用浆扇发动机。

▲“安-70”运输机由乌克兰与俄罗斯共同研制开发,于1994年12月6日首飞

“安-70”的发动机,其叶片为前置,还有另一种桨扇发动机,其叶片为后置,这就是通用电气早些年进行实验的发动机GE36
▲GE36桨扇发动机
▲GE36桨扇发动机示意图
▲实验中的GE36,表现出了非常低的燃料消耗,但同样还是因为噪音大的问题,它没有被使用在任何飞机上
▲涡轴发动机并非如此简单,但您可以借此理解其本质
涡轮轴发动机简称涡轴发动机,顾名思义,它是通过“轴”来传输动力。直升机、坦克、船舶上都有使用。
▲ch-47支奴干直升机上的涡轴发动机

无论是上文提到的涡喷还是涡扇发动机,它们的前部都有一个“压气机”,这可是个大块头,要是能把它去掉就太好了。问题是,没有了压气机,怎么压缩空气?

飞行器飞得越快,迎面而来的空气就越快,当快到几倍音速时,空气自然就得到了压缩。高压空气进入燃烧室,混入燃油,剧烈燃烧并向后高速喷出以得到动力。这就是冲压发动机的原理。

▲图中的(a)代表传统的涡喷发动机,其结构很复杂而(b)代表冲压发动机;(c)表示超燃冲压发动机

罗尔斯·罗伊斯早年的“雷神”冲压发动机

冲压发动机一般用在导弹和高超音速飞行器上:

SR-71黑鸟

J58引擎

目前成功使用的例子是美国的超高音速侦察机SR-71“黑鸟”,黑鸟最高可达3.5-3.7倍音速,在3倍音速的状态下,它的发动机内部结构可以通过调整结构,改变为冲压发动机模式运行,即低速使用涡喷发动机,高速时转为冲压发动机。


如此高的飞行速度使得黑鸟保持了一项引以自豪的纪录——从未在执行任务中被击落。终其一生,SR-71总共躲过4000余枚空空导弹和地空导弹,其中甚至包括以色列所发射的导弹。由于高度机密,连当时美国最铁的盟友以色列都不清楚SR-71的存在,误把其当作敌机进行了攻击。时至今日,SR-71仍然有许多数据和任务尚未解密,这只黑鸟或许会和其试飞地51区一样永远保留着些许谜团。



篇尾:
材料和工艺是最大的难题,设计不是问题,关键是设计出来也加工不出来。好比一个小齿轮,设计要求能承受十吨的负荷,而国内的材料5吨就断了,加工精度也达不到,装配工艺也不足,设计水平再好有什么用?为了达到要求,就不得不用更多的材料,或者降低设计要求,这就是差距所在。






      


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发表于 2019-5-5 16:49:40 | 显示全部楼层
晕,原来需要登陆账户,才能看到动态图啊
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