Почему винтовые самолеты до сих пор делают?

Реактивные двигатели эффективны только на больших высотах и ​​высокой скорости (25 000+ футов или около того и 300+ узлов или около того истинной воздушной скорости). Стоимость изготовления и эксплуатации самолета, способного летать там, очень высока, и для большинства полетов авиации общего назначения такие характеристики (или расходы) не требуются, следовательно, винтовые самолеты.

Самолеты с поршневыми винтами относительно эффективны на малых высотах и ​​скоростях полета, они более экономичны для средних видов полетов авиации общего назначения. Их также намного дешевле построить и эксплуатировать, чем самолет с турбинным двигателем.

Турбовинтовые двигатели заполняют пробел в эффективности между поршневыми и чисто реактивными двигателями, будучи наиболее эффективными на средних высотах и ​​скоростях полета. Тем не менее, все еще больше затрат и производительности, чем требуется большинству полетов авиации общего назначения.

Это все связано с миссией.

Винтовые двигатели, в том числе и турбовинтовые, намного эффективнее на малых скоростях и высотах. Пример: грузовой самолет C-130 Hercules. Он может входить и выходить из полей намного короче, чем турбореактивный или турбовентиляторный, при этом перевозя большой груз, потому что его огромные пропеллеры царапают воздух. Самолеты, как было сказано ранее, имеют преимущество в высоте и скорости. Но это не миссия Геркулеса.

Как уже упоминалось, они эффективны на более низких высотах (и довольно хорошо обслуживают миссию GA), но во многих отношениях это просто сводится к стоимости. Есть компании, которые проектируют и работают над меньшими самолетами, такими как Cirrus с SF50 . Кроме того, есть несколько самолетов, таких как Cessna Citation Mustang , которые сертифицированы для одного пилота и могут летать с соответствующими рейтингами PPL. Но факт остается фактом: вывести новый самолет на рынок недешево и не просто. Cirrus впервые подняли свой самолет в воздух в 2008 году, и официально он до сих пор не поступил в продажу. Это означает, что от прототипа до выпуска прошло почти 8 лет, и я уверен, что первые линии для него были нарисованы задолго до 2008 года.

С другой стороны, такие компании, как Piper и Cessna , разработали конструкции, которые по-прежнему быстры и просты в обслуживании даже по сегодняшним стандартам. Очень много проблемы «Если это не сломано, не чини это». Не секрет, что продажи GA падают, и некоторые компании могли бы работать лучше.

Есть небольшая проблема с безопасностью. Пропеллерные самолеты красивы и легки в управлении благодаря быстрому отклику дроссельной заслонки и более низким скоростям, что делает их отличными тренажерами. Кто-то может возразить, что реактивные самолеты — это слишком много самолетов для начинающего пилота.

Как бы то ни было, есть несколько очень быстрых поршневых синглов. Glasair заявляет о крейсерской скорости 252 кт (хотя это экспериментально), а серийный Mooney Acclaim Type S развивает 242 кт. Оба этих самолета приближаются к турбовинтовым скоростям поршневого двигателя, в то время как старая конструкция все еще может обеспечивать производительность (и высокие скорости).

Есть также некоторый кроссовер с автомобильными поршневыми двигателями. На протяжении всей нашей истории было несколько автомобильных двигателей, сертифицированных для самолетов. Когда-то у Форда были двигатели , которые использовались в самолетах. Муни пытался использовать автомобильные двигатели по крайней мере дважды, начиная с двигателя Crosley, который был найден в ранних Mites, и заканчивая эпическим (если вы такой же поклонник Porsche, как я) PFM3200 с двигателем Porsche 3.2 от Carrera конца 80-х. В то время как PFM3200 был пронизан проблемами, и Porsche в конечном итоге отказался от сертификации FAA для двигателя, это было интересным проявлением инженерной мысли. Детали для 3.2, возможно, было проще купить, и было много людей, которые знали, как с ними работать. В настоящее время Diamond предлагаетдизель DA42 , работающий на модифицированных автомобильных двигателях. Опять же, используя двигатель, проверенный на дороге. Таким образом, затраты связаны не только с тем, что двигатели дешевле в производстве, но и с тем, что они производятся в гораздо больших количествах, а также с возможностью компенсировать некоторые инженерные затраты за счет этого объема.

Поршневые винтовые силовые установки бывают:

• Дешевле. Поскольку двигатель представляет собой проверенную и хорошо изученную конструкцию, его дешевле проектировать, производить и обслуживать, что снижает расходы пилота. Вы можете подобрать более старый Piper Cherokee примерно за 40 тысяч долларов , хорошо оборудованный, с большим количеством часов до его следующего капитального ремонта. Самый дешевый турбовинтовой двигатель Piper, который я могу найти с помощью быстрого поиска, — это двухмоторный Cheyenne за 275 000 долларов , и, вероятно, он нуждается в доработке, поскольку в среднем они стоят ближе к 400 тысячам долларов . Стоимость других турбовинтовых самолетов приближается к 2 миллионам долларов за штуку.

• Меньше. Четырехцилиндровый безнаддувный поршневой двигатель с воздушным охлаждением ненамного больше V-образного твина на мотоцикле. Чем меньше вес, тем легче он, а также дает больше места в салоне в фюзеляже того же общего объема и меньшее отклонение ЦТ от веса салона (что имеет большое значение для небольших самолетов).

• Проще. В самолете с поршневым двигателем и воздушным охлаждением с фиксированным шагом не так уж много ошибок. Это снова снижает затраты на техническое обслуживание, но также повышает безопасность за счет увеличения «среднего времени наработки на отказ», для которого потребуются аварийные процедуры. Пропеллеры с постоянной скоростью немного сложнее механически, но не так уж и плохо. Турбовинтовые чуть сложнее еще.

• Лучше работает на малых высотах. Большинство турбовентиляторных двигателей предназначены для работы на высоте более 10 000 футов, в то время как большинство винтовых самолетов рассчитаны на полеты на высоте 8 000 футов и ниже, поскольку их кабина негерметична. На более низких высотах, где воздух плотнее, поршневые двигатели работают эффективнее и холоднее, чем турбовентиляторные, и намного лучше, чем чистые реактивные двигатели.

Сверхлегкие реактивные самолеты были в моде десять лет назад и так и не взлетели: они были слишком неэкономичными по топливу. Пропеллеры гораздо лучше справляются с преобразованием химической энергии топлива в тягу, которая толкает самолет вперед, чем реактивные двигатели.

Аэродинамическую тягу можно записать как$T = \dot{m} \cdot \Delta V$, с$\dot{m}$массовый поток воздуха в кг/с и$\Delta V$увеличение скорости движимой воздушной массы в м/с. Чтобы получить максимальную тяговую эффективность, разгоните наибольшее количество воздуха до наименьшего.$\Delta V$. Пропеллеры имеют гораздо большую эффективную площадь диска, чем чистые реактивные двигатели, и обеспечивают гораздо большую тягу на установленную мощность двигателя, чем чистые реактивные двигатели.

Турбовентиляторный двигатель намного более экономичен по топливу, чем чистый реактивный двигатель, потому что большой перепускной вентилятор работает примерно так же, как пропеллер. Однако ТРДД все еще менее эффективен, чем турбовинтовой, просто из-за большего радиуса лопасти.

Вопрос поршневого двигателя против газотурбинного двигателя для авиации общего назначения - это вообще отдельная тема. Поршневые двигатели тяжелее, но имеют лучшую топливную экономичность. По весу они масштабируются очень плохо, а вот здесь турбины в полной мере проявляют себя: ничто не сравнится с большой турбиной по соотношению мощность/масса. Турбины меньшего размера не очень эффективны из-за более низкого отношения давления в зазорах между лопатками и кожухом.

Все очень просто: винтовые самолеты производятся потому, что в большинстве аэропортов по всему миру взлетно-посадочные полосы слишком короткие для реактивных самолетов.