Почему максимальные скорости у реактивных двигателей выше, чем у пропеллеров?

Тяга воздушного винта обратно пропорциональна воздушной скорости, в то время как тяга чистого турбореактивного двигателя примерно постоянна в зависимости от воздушной скорости в дозвуковой области. Это означает, что два самолета с одинаковой статической тягой, один с винтовым двигателем, а другой с реактивным двигателем, будут развивать очень разные максимальные скорости.

И, нет , поршневые двигатели более экономичны .

Поршневой двигатель создает постоянный крутящий момент $\tau$, независимо от скорости. Этот крутящий момент приводит в движение воздушный винт, который производит работу$W$в единицу времени на проходящий через него воздух. Эта работа в единицу времени равна мощности$P$и пропорциональна произведению крутящего момента на скорость вращения винта$\omega$, который снова постоянен по скорости полета$v$. Мощность, приводящая в движение самолет, является произведением тяги и воздушной скорости и равна мощности двигателя, умноженной на эффективность воздушного винта.$\eta_{Prop}$. Когда воздушная скорость увеличивается, тяга должна уменьшаться пропорционально, чтобы мощность оставалась постоянной.

С другой стороны, турбореактивные двигатели выигрывают от скорости полета, потому что воздухозаборник предварительно сжимает воздух, когда он замедляется перед воздухозаборником и внутри него. Это предварительное сжатие поднимает уровень давления во всем двигателе, поэтому он видит увеличение массового расхода с увеличением скорости, создавая более высокую тягу. Этот эффект сам по себе увеличил бы тягу пропорционально квадрату скорости полета, но тот же эффект, который уменьшает тягу воздушного винта, действует и на турбореактивный двигатель. Этот эффект, однако, менее выражен, потому что струя разгоняет меньшую часть воздуха до более высокой скорости , и оба они, грубо говоря, компенсируют друг друга.

Турбовентиляторные двигатели больше похожи на винтовые двигатели, поэтому здесь тяга падает с увеличением скорости полета, и тем более при более высоких коэффициентах двухконтурности . Турбовинтовые еще ближе к поршневым винтам, поэтому их тяга падает еще больше с увеличением скорости. Это означает, что скорость, при которой сопротивление равно тяге, падает при переходе от ТРД к ТРДД и далее к ТРД и является самой низкой для поршневых винтовых самолетов.

Я хотел бы наглядно проиллюстрировать, почему пропеллеры не подходят для высокоскоростных полетов.

Во-первых, давайте рассмотрим гребной винт с изменяемым шагом, установленный на мощном двигателе.

Если вы изучите два рисунка, которые я нарисовал выше, вы заметите, что по мере увеличения горизонтальной скорости (правое изображение) направление тяги отклоняется от направления вперед, несмотря на увеличение потока воздуха и локальной подъемной силы лопасти.

Это то, что многие учебники ошибочно называют «укусом побольше», но, как видите, это тот же самый укус (угол атаки).

^{Рисунок 11-8. Справочник пилотов FAA по авиационным знаниям.}

Таким образом, чем быстрее вы управляете пропеллером, тем меньшую тягу вперед вы получаете, что делает вас неспособным двигаться быстрее. На приведенном выше графике показано, что TA ( _{Доступная} тяга) для винта уменьшается по мере того, как самолет летит быстрее.

Другим фактором является то, что когда вы летите со скоростью конца винта, скажем, 0,75 Маха (классический Боинг 737 в крейсерском полете), аэродинамический профиль каждой лопасти будет лететь намного быстрее, чем ваша скорость движения вперед (сравните гипотенузу с вертикальными/горизонтальными сторонами ). на самом верхнем изображении).

Воздушный поток вокруг аэродинамического профиля будет сверхзвуковым. Прямые крылья (и лопасти) плохо работают на сверхзвуковых скоростях (слишком сильное сопротивление).

Для винта фиксированного шага, допустим, мы сбросили самолет с винтом фиксированного шага с корабля-носителя на высокой скорости, воздушный поток будет ударяться о верхнюю поверхность диска винта, создавая обратную тягу — эффективно толкая самолет назад.

Лучше всего, когда поступательная скорость самолета удерживает диск винта от приближения к звуковому барьеру и не приводит к слишком сильному отклонению тяги от самолета вперед.

Для турбовинтового двигателя ограничивающим фактором в некоторой степени является эффективность воздушного винта, а не двигателя. За прошедшие годы было предпринято множество попыток создания очень быстрых турбовинтов, причем самым быстрым, скорее всего, стал XF-84H Thunderscreach, но во всех случаях винт становится ограничивающим фактором.

Во-первых, чтобы начать движение в диапазоне скоростей, который вы упомянули, с винтом пригодного размера, ваши наконечники станут сверхзвуковыми, что само по себе создает проблемы. XF - 84H пострадал от этого, и вы можете прочитать, почему это было проблемой шума.

Помимо проблемы с шумом, просто становится более эффективным использовать реактивный двигатель на таких скоростях, поэтому на практике это предпочтительная силовая установка. Многие из современных турбовинтовых двигателей с передовым формованием легко посягают на скорость легких реактивных самолетов.