Ограничена ли скорость винтового самолета скоростью звука?

Не забывайте, что самолет будет двигаться вперед, поэтому он не полагается на вакуумное наполнение перед винтом для снабжения последнего воздухом.

Теперь я осмелюсь сказать, что есть веские инженерные причины, по которым пропеллеры неэффективны и даже непрактичны для сверхзвукового полета, но я не думаю, что есть фундаментальная теоретическая причина, исключающая их использование.

Пропеллер, с теоретической точки зрения, не сильно отличается от газотурбинного реактивного двигателя или даже ракеты в том смысле, что он просто «отбрасывает материал назад», таким образом отталкивая выбрасываемый им воздух и толкая его вперед в соответствии с третьим законом Ньютона. Если к нему может подаваться достаточно воздуха, чтобы его можно было отбрасывать назад (и я думаю, что мое первое предложение показывает, что недостатка в снабжении, вероятно, нет) и если он может сообщать воздуху достаточно высокий импульс, то в принципе нет предела тому, насколько быстро воздух отбрасывается пропеллером назад. Что произойдет, если его отбросить назад со скоростью, превышающей скорость звука? Ну в этом случае будет избыточное давление, то есть там будет скопление воздуха, поэтому воздух становится более плотным и «жестким», и поэтому локальная скорость звука за пропеллером может быть намного выше, чем скорость окружающего воздуха. По мере того, как пропеллер будет это делать, воздух будет подвергаться резкому адиабатическому повышению температуры. Доведя эту идею до логического предела, обратите внимание, что ракетные двигатели выбрасывают газ позади себя со скоростью, примерно в 10 раз превышающей скорость звука. Это просто вопрос того, насколько вы ускоряете газ — в принципе нет никакой разницы, достигается ли это ускорение за счет химической энергии или огромной летучей мыши, отбрасывающей воздух назад.

Не физически, но практически есть (в настоящее время) лучшие альтернативы.

Проблема ограничения пропеллеров аналогична проблеме ограничения вертолетов: пропеллеры работают как секции крыла в том смысле, что они должны ускорять поток, чтобы работать; когда вы приближаетесь к скорости звука, это означает, что вы будете вызывать толчки, и эта проблема особенно серьезна (по сравнению, например, с турбовентиляторным двигателем), поскольку пропеллеры работают, немного ускоряя большую массу потока, что означает, что вы делаете свои пропеллеры очень большими, и, соответственно, длина вашего амортизатора увеличивается; удары повреждают все, и они также требуют огромного количества энергии для преодоления - аэродинамики любят избегать ударов.

Редактировать: недостающая часть информации здесь заключается в том, что, хотя многие люди понимают, что в одномерной трубе поток ускоряется по мере уменьшения площади поперечного сечения , до M = 1 (сохранение массы) - что менее известно, так это то, что крест площадь сечения затем увеличивается , поток может продолжать ускоряться до M>1. Среди прочего, это результат сжимаемости. Из-за этого нет физического предела (вставьте сюда махание рукой, он определенно существует, просто он неприменим в этом регионе), который мы не можем превысить при ускорении нашего потока с помощью секции крыла, например, винта. Дело в том, что поскольку мы всегда медленно теряем энергию из нашего потока, в какой-то момент сверхзвуковой поток всегда возвращается к дозвуковым условиям, что происходит при сильном сильном ударе, при котором ужасно много энергии преобразуется из КЭ в тепло.

Ожидается, что в результате улучшения понимания в этой области околозвуковые самолеты в ближайшие несколько десятилетий перейдут на турбовинтовые конструкции с винтами, вращающимися в противоположных направлениях.

Пропеллер может работать на сверхзвуковых скоростях, потому что, приближаясь к этим скоростям, он догоняет молекулы воздуха по мере своего движения. Таким образом, вам не нужно «ждать», пока молекулы переместятся в созданный вами вакуум.

Другими словами, тяга винта не становится равной нулю только потому, что самолет достигает определенной скорости.

Но мало иметь тягу. Вам нужно "много" тяги...

Ваш вопрос, как он поставлен, позволяет быстро ответить: Нет, в принципе, этот самолет может падать со скоростью выше 1М.

Однако - что только вам нужно, так это разогнать молекулы воздуха вокруг, чтобы вы набрали импульс (и скорость). (1) В принципе, изобретать такой винт не возбраняется. Но обычно с классической конструкцией у вас будут серьезные трудности с эффективностью на высоких скоростях вращения.

Что касается вида (2,3), то вы должны рассматривать лопасти винта как профили крыла, тогда вы можете играть с динамическим давлением вверх и вниз. Но вы забываете, что у вас не только низкое давление спереди, но и более высокое сзади.

(4) В основном да, но скорость звука зависит от абсолютной температуры.

Ответ на главный вопрос - нет . Причина, по которой это не так, в том, что ваши рассуждения ошибочны. В дополнение к разрежению, создаваемому перед винтом, к винту прикладывается импульс в результате реакции на отталкивание воздуха от винта. Хотя сила из-за вакуума достигает предела, сила из-за импульса не достигает предела . Оно ограничено только тем, насколько быстро пропеллер может «вытолкнуть» воздух назад без разрушения пропеллера. Таким образом, с очень прочным пропеллером и мощным двигателем действительно можно будет летать со скоростью больше, чем M1.

Да, скорость винтового самолета ограничена скоростью звука, но не так, как вы думаете. Что творится:

Винтовой самолет имеет собственную скорость и влетает в сгусток ранее ничего не подозревавшего воздуха, который вертит пальцами. На дозвуковых скоростях воздух перед самолетом получает предупреждение и начинает собираться по направлению к пропеллеру.

Источник изображения

Входящий воздух попадает на диск винта под более высоким общим давлением, чем давление окружающей среды - здесь нет вакуума! А пропеллер передает энергию набегающему воздушному потоку и разгоняет его назад. Это обеспечивает тягу, которая позволяет самолету летать.

Рисунок выше объясняет принцип создания тяги с использованием метода импульса, который полезен, но не связан с мощностью, необходимой для вращения винта. Лопасти винта представляют собой вращающиеся миниатюрные крылья, обеспечивающие тягу (подобно подъемной силе в крыле) и требующие крутящего момента (аналогично лобовому сопротивлению в крыле). Скорость кончика лопасти представляет собой векторную сумму скорости вращения и воздушной скорости.

И если скорость острия становится сверхзвуковой, вот где ограничивающий фактор. На сверхзвуковой скорости ударные волны создают огромное сопротивление без какого-либо полезного увеличения подъемной силы, поэтому быстрое увеличение требуемой мощности двигателя без увеличения тяги винта.

Обратите внимание, что предельной скоростью является скорость вращения гребного винта. Воздушная скорость самолета является одним из векторов, способствующих этому, и поэтому всегда ниже скорости звука. Практические пределы для винтовых самолетов составляют около M = 0,6, выше которого требуются реактивные двигатели.