Почему не хватает более быстрых самолетов с поршневым двигателем?

В производстве не так много быстрых поршневых самолетов. Под «быстрым» я подразумеваю, если вы оглянетесь назад, в начало-середину 20-го века, до того, как турбины победили, производилось множество поршневых самолетов, которые раздвигали практический предел скорости винтовых самолетов, развивая крейсерскую скорость 360+ узлов в военных целях. самолетов, иногда достигает скорости 330 узлов на коммерческих авиалайнерах. И это при ужасном понимании аэродинамики и поршневых двигателей по сравнению с сегодняшним днем.

Сегодня, как для одиночек, так и для близнецов, максимальная скорость не превышает 200 узлов. ~240 узлов в случае самой быстрой пары доступных самолетов, таких как Cessna 400 и самый быстрый Mooney.

Есть признаки того, что с использованием современных материалов и техники можно достичь гораздо более высоких скоростей с использованием уже имеющихся поршневых двигателей. Проект Cobalt CO50 Valkyrie претендует на то, чтобы увеличить скорость просторной 4-местной кабины до 260 узлов с одним двигателем мощностью 350 л.с. Недавно сертифицированный Diamond DA-62 может двигаться с просторной 7-местной кабиной со скоростью ~ 200 узлов, используя только пару двигателей мощностью 180 л.с.

Почему нет более быстрых поршневых самолетов? Разве рынок не заинтересуется самолетами с поршневыми двигателями, способными развивать скорость до 300 узлов? Разве вы не должны быть в состоянии развивать почти такие скорости для очень маленького самолета, оснащенного одним обычным двигателем мощностью 350 л.с.? Разве вы не сможете развить эти скорости в более просторном самолете с парой банальных 350-сильных двигателей?

Насколько я понимаю рынок, причина №1, по которой люди выбирают поршень, — это стоимость. И не намного ли ниже стоимость эксплуатации поршневых двигателей, даже двух поршневых против одного турбовинтового? Сколько стоит новый поршневой двигатель с турбонаддувом мощностью 350 л.с., 50-60 тысяч долларов? Так что даже покупка пары из них стоит 100-120 тысяч долларов. И сколько тогда стоит один сопоставимый газотурбинный двигатель? ~ 800 тысяч долларов с пропорционально более высокими затратами на восстановление за час полета? Плюс SFC на 20%+ выше, чем у поршня?

По сути, я вижу Piper M600 по цене 2,8 млн долларов США или TBM930 по цене 3,9 млн долларов США, и я не понимаю, почему было бы трудно достичь почти такой же производительности за небольшую часть цены, используя пару дешевых поршневые двигатели. Например, Piper M350 имеет ту же 6-местную кабину, что и M600, а также включает наддув и с одним двигателем мощностью 350 л. Если вы построили тот же самый самолет, но переоптимизировали его под два двигателя и использовали современные материалы и аэродинамику, разве вы не смогли бы разогнаться до 300 узлов, добавив еще один поршневой двигатель? И разве вы не сможете продать получившийся самолет по цене менее 2 миллионов долларов США и со значительно более выгодным SFC и, следовательно, дальностью полета и полезной нагрузкой, чем у M600?

Посмотрите на владельцев самолетов. Владельцы этих самолетов по большей части являются пилотами GA, которые просто хотят летать для удовольствия, поэтому им не нужен такой быстрый самолет (хотя есть несколько исключений).
Ниже 10 000 футов существует ограничение скорости в 250 узлов, установленное FAA.
@RonBeyer, это интересно, хотя не так много находящихся в эксплуатации самолетов с поршневым двигателем способны эффективно летать на высоте около 20 000 футов и выше? Насколько я понял, это так даже для многих поршневых самолетов даже без турбонаддува, а тем более с меньшим давлением. Кроме того, я имел в виду использовать слово «дефицит», хотя, возможно, вы правы, «смерть» привлечет больше внимания :)
@ Charles847 "... разве вы не сможете разогнаться до 300 узлов, добавив еще один поршневой двигатель?..." К сожалению, реквизит работает не совсем так. Пропеллер может двигаться только с определенной скоростью, поэтому добавление еще одного не обязательно заставит самолет двигаться быстрее.

Ответы (3)

Требуемая мощность самолета растет пропорционально кубу скорости. Когда вы летите быстро на самолете, который должен соответствовать установленной минимальной скорости, установленной правилами , ваш коэффициент лобового сопротивления почти постоянен, поэтому полет на более высокой скорости делает две вещи для винтового самолета:

  1. Сопротивление увеличивается с динамическим давлением, которое пропорционально квадрату скорости.
  2. Тяга уменьшается обратно пропорционально скорости.

Мощность равна тяге, умноженной на скорость, поэтому, если 350 л.с. разгоняют вас до 210 узлов, удвоение установленной мощности может привести только к 264 узлам. Турбина по-прежнему может ограниченно использовать повышенное динамическое давление за счет рекуперации плунжера , поэтому здесь снижение тяги с увеличением скорости не так плохо, как для поршневых двигателей.

Выраженная уравнением, мощность п спрос на заданную скорость в является:

п знак равно Д ⋅ в η п р о п знак равно р ⋅ в 2 ⋅ С р е ф ⋅ с Д ⋅ в 2 ⋅ η п р о п → в знак равно 2 ⋅ п ⋅ η п р о п р ⋅ С р е ф ⋅ с Д 3

Если вы хотите летать быстро и с большей эффективностью, вам нужно увеличить минимальную скорость — обратите внимание, что посадочная скорость многих быстрых поршневых самолетов составляла около 100 миль в час. Теперь вам нужна длинная полоса, а для работы в плохую погоду или ночью инфраструктура для инструментальных подходов, и вы окажетесь в аэропортах, где турбинное топливо легко и дешево достать , а поршневое топливо будет трудно найти и дорого.

Как и в случае с любым дорогостоящим оборудованием, вам нужно часто использовать его, чтобы оправдать расходы. Теперь ваша стоимость топлива будет учитываться и сделает поршневой двигатель довольно непривлекательным.

Быстрые поршневые самолеты строились только тогда, когда турбины еще не были доступны. Как только появились турбины, все быстропоршневые конструкции устарели. А аэродинамика в начале 1940-х была уже очень продвинутой; В то время инженеры строили самолеты, которые невозможно было бы спроектировать сегодняшними инженерами. Тогда в воздух поднимали полностью управляемые вручную самолеты , тогда как сегодня все отказались бы делать это без гидроусилителей только на половинной скорости полета. Они могли спроектировать охлаждающие каналы, которые фактически увеличили тягу , искусство, которое сегодня (почти) утеряно.

Спасибо за включение базовой математики! Не могли бы вы разъяснить это немного подробнее? Я думаю, что скорость ^ 2 = X единиц мощности. Таким образом, в вашем примере вы должны сделать (210 узлов) ^ 2 = 44 100 единиц мощности, поэтому самолет с двойной мощностью будет иметь 88 200 единиц мощности, а затем извлеките квадратный корень, чтобы получить скорость самолета с двойной мощностью. Но это не совсем соответствует вашему пункту № 2 и не объясняет его.
@ Charles847 Начните с power = thrust * speed. При горизонтальном полете с постоянной скоростью thrust = drag, что означает, что power = drag * speed. Наконец, drag = (constant) * speed^2, что дает нам power = (constant) * speed^3. Таким образом, если мы удвоим мощность, мы увеличим скорость только на кубический корень из двух (около 1.26) и 1.26 * 210 = 264.6.
Интересный момент о максимальной требуемой скорости сваливания и ее влиянии на конструкцию аэродинамического профиля ... но предполагать, что авиационная техника «раньше была лучше», потому что они делали вещи, когда у них не было альтернатив, которые сегодняшние инженеры сочли бы ... нецелесообразно ... глупо .
@Daniel Даниэль Мне жаль вас, если вы не можете оценить элегантность гениального и простого механического решения и считаете, что дополнительный уровень сложности системы, который вводит множество новых режимов отказа и головных болей при обслуживании, не говоря уже о дополнительном весе, лучше. Но ты в хорошей компании.
@ Даниэль, я не знаю, что делать с его заявлением. Технологии быстро развивались за последние 70-80 лет. Сегодня инженеры должны знать намного больше, чем парни должны были знать тогда. А кое-что из того, что они делали, просто не стоило затраченных усилий даже по меркам того времени. Деньги не были проблемой во время войны, а затем и в США. И много напортачили. Кроме того, я не понимаю, почему механические вещи экономят вес, но красота якобы находится в глазах смотрящего.
@jjack Спасибо за вотум доверия. Мне кажется очевидным, что уровень техники сейчас намного лучше, потому что мы делаем самолеты, которые работают намного лучше, а не хуже, чем то, что было раньше, в каждой отдельной категории самолетов — от планеров до гиперзвуковых. Люди, которые были раньше, были такими же умными, как и мы, но они не знали так много, и их инструменты были не так хороши.
Кроме того, газотурбинные двигатели, в крайнем случае, могут сжигать практически все, что течет и горит, не образуя твердых частиц в потоке выхлопных газов (хотя вы не получите такой же хорошей производительности, как с топливом (топливами), для которых двигатель оптимизирован) ; поршневые двигатели гораздо, гораздо более требовательны к топливу и, как правило, выражают свое неудовольствие такими раздражающими вещами, как заедание или взрыв.
Почему поршневой двигатель с соответствующим образом спроектированным впуском не может использовать преимущества поршневого сжатия?
@ Шон Могут, но из-за стационарного воздухозаборника они менее эффективны. Рой ЛоПрести настроил Mooneys таким образом, чтобы одна лопасть гребного винта проходила над впускным коллектором только тогда, когда открывается клапан одного цилиндра. Это само по себе добавило несколько узлов к максимальной скорости.

Поршень означает пропеллер, а пропеллер более эффективен на более низких высотах и ​​гораздо менее эффективен на больших высотах (отчасти поэтому существуют пропеллеры с изменяемым шагом). Но обратное относится к реактивным самолетам, поэтому вы не видите, чтобы реактивные самолеты летали на высоте 5000 футов.

Поршневой двигатель довольно сложен и имеет довольно много движущихся частей, которые движутся довольно сильно. Поршень меняет направление при каждом ходе, и сгорание, которое приводит в движение каждый ход, имеет другую силу и цель, чем в реактивном двигателе. Эта динамика немного меняется в зависимости от типа двигателя (роторный двигатель отличается от рядного двигателя), но по-прежнему требуется сгорание, чтобы заставить поршень толкать пропеллер, приводящий в движение самолет. Механика намного сложнее, чем у реактивного двигателя (который, по сути, просто подает воздух, сжимает его, поджигает его по Бернулли и использует этот выхлоп для вращения компрессоров [обычно]). (Я нашел несколько отличных анимаций движка на http://www.animatedengines.com )

Кроме того, пропеллеры и реактивные двигатели двигают самолет по-разному. Пропеллер ничем не отличается от любого другого аэродинамического профиля. Его основной способ движения заключается в уменьшении давления с одной стороны, вызывая движение к этому более низкому давлению. Пропеллер ощущается как большой вентилятор, но большая часть его движения приходится на тягу самолета. Однако реактивный двигатель действует, толкая самолет. Из-за этой разницы пропеллер может достигать своего верхнего предела производительности на более низкой скорости, чем реактивный самолет. Опять же, применяется обратное, и реактивный самолет может достичь своего нижнего предела производительности на более низкой скорости, чем пропеллер. Это позволяет турбинному двигателю летать быстрее.

Наконец, поршневой двигатель, вероятно, будет весить больше, чем сопоставимый газотурбинный двигатель. А в самолете вес имеет значение практически во всем.

Два старых поста, но хорошо разобрали различия: planeandpilotmag.com/article/turbines-vs-pistons/#.V6JwlUYrKCg Shorelineaviation.net/news---events/bid/50442/…
a rotary engine is different than an inline engineВы имели в виду радиальный, а не поворотный? Поскольку вы противопоставляете его встроенному
Эффективность пропеллера не будет падать с высотой, если пропеллер достаточно большой. Все самые высокие летающие дозвуковые самолеты были винтовыми.
@TomMcW Извините, имел в виду радиальный. Хотя оба по-прежнему работают с поршнями, чтобы вращать пропеллер, а не создавать тягу за счет движения воздуха через двигатель.
@PeterKämpf Эффективность и способности разные. Просто из-за природы воздуха на высоте лопасть винта должна будет вращаться быстрее, чтобы создать такую ​​же тягу на больших высотах. Так же, как крыло менее эффективно на высоте. 80 201 впечатляет. Возможно, более крупные винты позволяли летательному аппарату двигаться быстрее, чтобы он мог создавать подъемную силу и достигать 80 202. Но вам также понадобятся двигатели большего размера, чтобы вращать эти большие винты быстрее. Это огромный акт балансирования.

Если вам нужен быстрый винтовой самолет, гораздо проще использовать турбовинтовой двигатель, чем большой поршневой двигатель.

  • турбовинтовой легче и компактнее
  • он производит меньше вибрации
  • он производит меньше шума
  • это более надежно (количество движущихся частей падает с тысяч до десятков = меньше поломок)
  • проще построить высокопроизводительный турбовинтовой двигатель. Поршневые двигатели конца Второй мировой войны работали на пределе возможностей того времени. Им требовалось специальное высокооктановое топливо для предотвращения детонации (и даже тогда обратные вспышки были обычным явлением, например, на Грифоне).
Почему не хватает более быстрых самолетов с поршневым двигателем?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v