Почему Ту-95 настолько эффективен, несмотря на то, что его винты вращаются быстрее скорости звука?

Я уже много-много раз говорил, что пропеллеры неэффективны вблизи скорости звука, потому что очень трудно получить скорость кончика выше 1 Маха.

Потом я наткнулся на это:

введите описание изображения здесь

Это Ту-95 «Медведь» , винтовой бомбардировщик, чьи концы лопастей на самом деле движутся быстрее скорости звука. Это единственный винтовой самолет, который я когда-либо видел, у которого кончики лопастей делают это. Были даже сообщения о том, что гидролокаторы подводных лодок могли слышать его издалека, потому что эти сверхзвуковые концы лопастей были очень шумными.

А у самолета дальность полета 15000 км. Это очень хорошо, наравне с сегодняшними огромными коммерческими авиалайнерами.

Так как же пропеллеры могут быть очень неэффективными на сверхзвуковых скоростях, а что-то подобное можно построить только на мощности пропеллера?

Редактировать: вот главный вопрос моего вопроса: кажется, что «всю мою жизнь» мне говорили, что «гребные винты неэффективны на сверхзвуковых скоростях, и именно это привело промышленность к реактивной мощности». А вот и явный контрпример, Ту-95. Так как же это возможно? Что мне не хватает?

Вот несколько связанный с этим вопрос: регулярно ли лопасти вертолета становятся сверхзвуковыми? Это еще один момент, который я слышал много раз: вертолетные лопасти не делают этого, потому что это сделало бы их очень неэффективными. Я предполагаю, что роторы управляются теми же законами эффективности, что и пропеллеры самолетов с неподвижным крылом.

Редактировать: B-52 был упомянут в сравнении, поэтому вот некоторые цифры:

Модель Запас топлива [л] Снаряженный вес [кг] Диапазон [км] Б-52 181 , 610 120 , 000 16 , 230 Ту-95 95 , 000 171 , 000 15 , 000

Для меня это говорит о том, что Ту-95 намного эффективнее , потому что он имеет значительно больший вес и значительно меньший запас топлива, но имеет примерно такую ​​же дальность полета.

Между прочим, именно американская система SOSUS, en.wikipedia.org/wiki/SOSUS , могла обнаруживать «медведей», а не обязательно отдельные подводные лодки...
Большая дальность не обязательно означает эффективность. Он разработан как дальний (межконтинентальный) бомбардировщик, поэтому вполне логично, что он будет иметь большой радиус действия. Американский B-52 того же периода имеет немного большую дальность полета - 8 760 морских миль (16 230 км), несмотря на то, что летит значительно быстрее. Это не означает, что любой из самолетов обязательно был экономичным.
@reirab Я отредактировал OP с этим примером. Во всяком случае, это делает Ту-95 гораздо более эффективным.
@ROIMaison спасибо, что показали, как поместить данные в таблицу, но, пожалуйста, будьте внимательнее в будущем, так как цифры для B-52 и Ту-95 были перепутаны. Я поменял их обратно.
Я упомянул B-52 только для того, чтобы указать, что дальность полета не означает эффективности, не говоря уже о том, что B-52 был более эффективным.
XF - 84H Thunderscreech также имел сверхзвуковой винт.
@ Compro01 Compro01 Хорошо, это 2, о которых я знаю, и 1, запущенный в производство.
Тег поршневого двигателя ошибочен, так как я считаю, что Ту-95 использует турбовинтовые двигатели.
Медведь очень громкий. Я так понял, что шум был из-за вращающихся в противоположных направлениях пропеллеров. Каждая лопасть винта создает небольшую ударную волну. Когда у вас есть пропеллеры, вращающиеся в противоположных направлениях, ударные волны от заднего винта пересекаются с ударными волнами ведущего винта. Там, где у вас по 4 лопасти на каждой опоре, происходит 4 таких пересечения одновременно, 4x/оборот. Это приводит к экстремальному уровню шума. Различное количество лопастей между двумя опорами приведет к меньшей амплитуде (без одновременных пересечений) и более высокой частоте (возможно, выше диапазона человеческого слуха).
@ Meower68 не только потому, что они вращаются в противоположном направлении, но и потому, что наконечники создают сверхзвуковые вихри, которые сами по себе уже довольно громкие.
Эти сравнительные цифры выглядят очень странно. Я думаю, что колонка «вес в снаряженном состоянии» пытается сравнить 2 разных элемента: для B-52 120 т - это вес с полезной нагрузкой, но без топлива, для Ту-95, кажется, наоборот (топливо, но без полезной нагрузки) . Цифры B-52 также не складываются: он мог нести только 181 кл топлива, если не нес бомб. 181 кл топлива весит 140 т, при полной загрузке 120 т и полной топливной загрузке вы в конечном итоге превысите заявленную максимальную взлетную массу.

Ответы (3)

Да, у пропеллеров есть проблемы на высокой скорости, но если все сделать правильно, то они все же имеют преимущество перед ТРДД на скоростях до 0,8 Маха. Посмотрите на внутренние гондолы двигателей Ту-95: они вытянуты и утолщены в задней части задней кромки. Это было сделано для того, чтобы разместить в них шасси, а также для управления самолетом по площади. Ту-95 применяет знания, которые были получены только в ранний реактивный век. Этим, конечно же, объясняется и стреловидное крыло.

Затем он использует пропеллеры, вращающиеся в противоположных направлениях, которые вращаются очень медленно (всего 750 об/мин). Наличие двух соосных винтов, вращающихся в противоположных направлениях, повышает эффективность на высокой скорости. Первый винт предварительно закручивает поток, поэтому условия потока на втором винте более благоприятны для создания тяги.

Кончики лопастей вентилятора современного ТРД также движутся со сверхзвуковой скоростью, так что сверхзвуковые винты на Ту-95 прямого недостатка не создают. Поддерживая относительную толщину лопасти возле кончика на низком уровне, увеличение сопротивления можно поддерживать на допустимом уровне. Но не заблуждайтесь: сверхзвуковой поток добавляет волновое сопротивление, и особенно около 1 Маха коэффициент сопротивления при нулевой подъемной силе всего, что движется в воздухе , имеет максимум. Это сделало бы Ту-95 еще более эффективным, если бы он летал на более низкой крейсерской скорости, когда законцовки винтов все еще дозвуковые, но Туполев хотел довести конструкцию до максимально возможного крейсерского числа Маха.

То, что вы узнали о пропеллерах и реактивных двигателях, не является неправильным, но это и не черно-белый мир. Авиалайнеры используют реактивные двигатели для полета на максимально возможной крейсерской скорости, но за счет более высокого расхода топлива. Если бы они ограничились более низкими скоростями, можно было бы сэкономить много топлива . Но слишком мало людей будут бронировать эти рейсы, потому что на межконтинентальных маршрутах они будут занимать заметно больше времени. Обратите внимание, что турбовинтовые двигатели по-прежнему используются в региональных воздушных перевозках, и даже региональные самолеты имеют более низкую скорость полета, чем межконтинентальные.

Теперь к КПД типов двигателей:

  1. Поршневые двигатели являются наиболее экономичными авиационными двигателями. Их недостатком является постоянная выходная мощность по скорости, так что тяга обратно пропорциональна скорости. Это помогает для ускорения при взлете, но ограничивает максимальную скорость. Современный поршневой двигатель использует 240 г топлива для обеспечения 1 кВт мощности в течение одного часа: 240 г/кВт-ч. Дизельные двигатели потребляют всего 220 г/кВт-ч. Это число уже верно для старого Jumo 205 , одного из первых авиационных дизельных двигателей, эксплуатировавшихся 80 лет назад.
  2. Следующими идут турбовинтовые двигатели, и их мощность немного увеличивается с увеличением скорости из-за прямоточного давления (что повысит внутреннее давление в двигателе примерно на 30% при скорости 0,8 Маха). Их удельная потребляемая мощность составляет около 300 г/кВт-ч , но снижается с увеличением размера, поэтому самые большие турбовинтовые двигатели приближаются к уровню эффективности поршневых двигателей.
  3. Реактивные двигатели менее эффективны, чем оба, но лучше подходят для быстрого и высокого полета. Их тяга еще меньше падает со скоростью, поэтому лучше всего для выражения потребления использовать тягу, а не мощность. Типичный расход топлива современного реактивного двигателя ( GE-90 ) составляет 30 граммов топлива на ньютон тяги в течение одного часа (30 г / Нч) в стационарном режиме и вдвое больше в крейсерском режиме на скорости 0,85 Маха. Современные военные реактивные двигатели достигают 80 г / Нч на взлете и имеют примерно постоянную тягу и удельный расход в зависимости от скорости. Поскольку в наши дни большинство инноваций происходит в турбовентиляторных двигателях, самые современные турбовентиляторные двигатели снова приближаются к уровню эффективности поршневых двигателей, но если сравнить тот же технологический стандарт, они менее эффективны, чем их поршневые и турбовинтовые современники.

Во всех случаях тяга создается за счет ускорения массы воздуха назад. Общее уравнение для движущей силы η является

η знак равно в ∞ в ∞ + Δ В 2 ,
куда Δ в это увеличение скорости массы воздуха из-за этого ускорения. Эта формула показывает, что лучше немного ускорить большую массу воздуха, чем намного меньшую массу. Пропеллеры делают это и по этой причине обеспечивают наилучшую эффективность. Турбовинтовые двигатели используют менее эффективные, но более легкие газовые турбины для создания мощности, но сохраняют эффективный воздушный винт. Гражданские ТРДД пытаются увеличить массу воздуха за счет увеличения степени двухконтурности , и только военные используют наименее эффективные типы со степенью двухконтурности ниже 1, потому что они являются лучшим выбором на сверхзвуковой скорости.

Ниже вы видите график удельного расхода топлива по тяге в крейсерском режиме для разных типов двигателей в зависимости от их степени двухконтурности. Обратная зависимость легко видна.

График удельного расхода топлива по тяге в зависимости от степени двухконтурности

График удельного расхода топлива по тяге в фунтах топлива на фунт тяги в час для разных двигателей в зависимости от логарифма их степени двухконтурности ( источник изображения ).

Чтобы сделать возможным сравнение поршневых и ТРДД, сравним расход топлива на взлете. Формула статической тяги воздушного винта:

Т 0 знак равно п 2 ⋅ η п р о п 2 ⋅ π ⋅ г п 2 ⋅ р 3 ,
куда п мощность на валу, г п диаметр пропеллера и р плотность воздуха. Для нашего примера используем четырехлопастный винт диаметром 3,4 м и двигатель мощностью 1111 кВт. Его статическая тяга составляет 10,727 кН при стандартных атмосферных условиях и КПД винта 85%. Расход топлива составит 266,6 кг в час, а по отношению к тяге это 24,8 г/Н·ч или всего 80% от тяги современного ТРДД.

Интересно, смогли бы даже энтузиасты догадаться , какой самолет я использовал , потому что я запутал его, используя эти незнакомые метрические единицы. Я думаю, никто не будет спорить, что он не оптимизирован для быстрого полета, поэтому это сравнение должно иметь место и для Ту-95, по которому у меня меньше данных.

Здесь следует запрошенное расширение скоростей вращения гребного винта. Благодаря отличному комментарию @JanHudec не так много осталось сказать: диаметр гребного винта составляет 5,6 м, а их скорость составляет 750 об / мин, поэтому окружная составляющая 5.6 ⋅ π ⋅ 750 / 60 знак равно 220 м / с . Добавьте к этому крейсерскую скорость 0,67 Маха (взято с этого сайта — другие приводят совершенно невероятные цифры) на высоте, где скорость звука 295 м/с. 0,67 Маха соответствует там 197,65 м/с, а сложение векторов дает 295 м/с для законцовок винта, ровно 1,0 Маха. Это означает, что гребной винт является дозвуковым по всему его размаху.

Но максимальная скорость немного выше. Благодаря отличной работе Фердинанда Бранднера и его команды еще в 50-х годах двигатели НК-12 тогда развивали уже 12 000 лошадиных сил, а с тех пор их мощность была увеличена до 14 795 л.с. Это позволяет развивать максимальную скорость 0,82 Маха, а теперь конечная скорость составляет 327 м/с или 1,08 Маха — слегка сверхзвуковая. Это означает, что внешние 30% винта испытывают сверхзвуковой поток.

Я не могу найти источник цифр диапазона, которые вы указали в своем вопросе. Опять же, я ссылаюсь на этот сайт : это 7 800 миль или 12 552 км при крейсерской скорости 400 узлов или 179 м/с, что равно 0,606 Маха на высоте, что дает 0,96 Маха для законцовок винта. Поэтому кажется, что наилучшая дальность достигается с дозвуковыми законцовками винта.

Спасибо за эти данные, но не могли бы вы добавить больше о скорости вращения гребного винта? Я отредактировал OP, чтобы подчеркнуть, что сверхзвуковые скорости наконечника предположительно очень неэффективны, и отсюда мой вопрос. Кроме того, пожалуйста, будьте более осторожны при редактировании моих данных в таблице. Ту-95 и Б-52 перепутали цифры; Я поменял их обратно.
@ DrZ214: я не редактировал ваш вопрос; У меня были заняты все руки моим ответом.
ой. где найти историю изменений? или у меня еще есть такая привилегия? Я еще новичок на сайте.
@DrZ214 DrZ214 Внизу вашего вопроса есть ссылка «отредактировано x минут/часов назад». Если вы нажмете на это, он покажет вам полную историю изменений.
@reirab хорошо, спасибо, я думаю, что это я буду более осторожным в будущем.
750 об/мин/60*2*pi=78,5 радиан в секунду. (334 м/с) / (78,5 рад/с) = радиус пропеллера 4,25 м. Это кажется неправильным для размаха крыльев 50,10 м. en.wikipedia.org/wiki/Tupolev_Tu-95 Если бы 4,25 м были правильными, общий диаметр всех винтов был бы 4,25 * 8 = 34 м, или 34/50,10 = 68% размаха крыла. Кажется, это не так.
@steveverrill, предположительно, 334 м/с будет общей величиной скорости законцовок винта, включая переднюю составляющую (откуда вы взяли число, я не вижу его ни в ответе, ни в вики, и это не скорость звук, который составляет всего около 300 м/с на эшелоне полета 350). При максимальной скорости 255 м/с составляющая орбиты 334 2 − 255 2 составляет всего 217 м/с, а 217/78,5 — всего 2,76 м.
«Дизельные двигатели потребляют всего 200 г/кВт-ч» Пфф. Volkswagen может использовать гораздо меньше! О, подожди...
@JanHudec 1. Существует много разных значений скорости звука ниже 300 в зависимости от условий. Статья в Википедии о скорости звука дает 343,2 м/с. Возможно, я по ошибке переставил цифры. 2. В вопросе четко сказано, что наконечники "крутятся" быстрее скорости звука. Я почувствовал, что что-то не складывается, заинтересовался и проверил. В любом случае, это какие-то огромные пропеллеры.
@steverrill, скорость звука зависит от температуры. При средней (МСА) температуре на эшелоне полета 350 скорость звука составляет 301 м/с. Она не становится намного ниже, потому что температура снижается только до тропопаузы, и то ненамного выше. Но, конечно, важным моментом является то, что наконечники становятся сверхзвуковыми при добавлении поступательной скорости.
Поршневые двигатели более экономичны, чем газотурбинные? Этого не может быть: поршневые двигатели обычно вдвое менее эффективны, чем турбинные двигатели. Вы, должно быть, хотели сказать что-то другое или опустили какую-то важную оговорку.
@feetwet: Поршень, движущийся в цилиндре, является довольно эффективным компрессором. Возможно, вам нужно поработать над своими предубеждениями.
Хороший ответ. Небольшой комментарий: я думаю, что точный термин - это противовращающиеся винты, а не противовращающиеся .
@BenSchwehn: Да, пропустил это. Также добавлена ​​обязательная ссылка на Википедию. Спасибо за вашу помощь!
Какая часть преимущества в эффективности объясняется просто меньшей крейсерской скоростью?
@RobinBennett: Вы правы, более медленный полет должен помочь независимо от эффектов Маха. Детали зависят от нагрузки на крыло и крейсерской высоты, и я ожидаю, что КБ Туполева оптимизировало конструкцию под 0,7 Маха (экономическая скорость Ту-114 была 0,71 Маха) и добавило возможность 0,82 Маха только для полета над территорией противника. На той же высоте увеличение скорости на 15% уменьшит L/D всего на 8%.

Это не конкретный ответ Ту-95. Имейте в виду, что пропеллер создает силу так же, как крыло самолета. И дозвуковые, и сверхзвуковые крылья создают подъемную силу, хотя и имеют очень разные конструктивные профили. Я бы внимательно посмотрел на пропеллер, чтобы увидеть, как спроектирована область наконечника. Он может быть ромбовидным, как сверхзвуковой аэродинамический профиль, или он может быть очень плоским, где функция заключается не в подъемной силе, а в уменьшении потерь энергии вихря, как у новых коммерческих самолетов. Пока сверхзвуковая часть воздушного винта не имеет профиля дозвукового аэродинамического профиля, она не будет производить нежелательных эффектов.

На самом деле нет ничего необычного в том, что скорость наконечника становится сверхзвуковой. На самом деле почти каждый современный ТРД делает это при высокой тяге. В следующий раз, если вы сядете в самолет, сядьте на сиденье у окна перед двигателями, где вы сможете «видеть» лопасти вентилятора. Во время взлета вы услышите безошибочное жужжание вентилятора. Это характеристики сверхзвуковых скоростей полета. Вы также заметите, что последний дизайн имеет внезапную обратную стреловидность лопастей возле кончиков. Это для смягчения шока.

Почему Ту-95 настолько эффективен, несмотря на то, что его винты вращаются быстрее скорости звука?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v