五千年(敝帚自珍)

主题:【原创】关于喷气发动机的两个困惑 -- 晨枫

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      • 家园 楼下说的都太复杂,其实很容易理解。

        类似要把一个石头运上山,若直接提升,做个电梯一类的装置,那么要克服的就是重力。几十吨的东西要悬浮起来并且做机动,能耗不是一般的大呢。 而换个思路,修个坡道慢慢推上去,那么相对小的力量也可以做到。因为爬坡把做功的过程延长了,那么同时间内需要提供的动力就可以减少。“动浮力”用这个方式理解不知道是不是恰当。

        此外引申出的观点还有:

        1、单纯向上的做功,动浮力应该不省油,但是可以减少功率需求。

        2、考虑到飞机不仅仅是向上飞(火箭才需要直接向上),还需要多方向机动,则动浮力会更容易调节。

        向上飞最省燃料的方式就是火箭,呵呵,若还要向前飞,考虑加个翅膀吧……

      • 家园 你这样想

          你这个垂直向下喷气的东东算A,利用机翼获得升力的算B。

          在两者都无动力时,你把它们放在同样高度往下扔,肯定是B后落地,这说明B向下的阻力比A大。

          把这向下的阻力看作升力(这个阻力自然是向上的),为了平衡让它们不往下掉,需要给B补足的向上升力自然是比A小,也就是说从能量守恒的角度说,B比A省油。

      • 家园 可以这么想

        不知道为什么,一直忘记回复这个问题,现在补上。

        人在水里游泳的时候,首先要浮起来,可以水平着往前游,也可以“站着”踩水同时往后划水,哪一个费力?肯定是前者,因为前者在前行的同时产生一定的“动浮力”,说他是动浮力,因为同样的姿势如果停下来了就要下沉。飞机也是一样,用机翼产生动升力的效率比用发动机向下产生直接升力要有效得多。

        从能量守恒的角度来说,保持高度意味着位能不变,所以最省油的是直接利用空气的静浮力,那就是气球;接下来是利用机翼的动浮力;再下来才是直接升力。

      • 家园 你这样想。民航客机的推重比一般才0.2左右

        你这样想。战斗机的推重比也就刚刚达到一。民航客机的推重比一般才0.2左右,就能用传统的方式亚音速飞行。0.2的推重比也就意味着,如果改用“垂直向下喷气产生升力,然后用很少的辅助动力向平行于地面方向飞行”的话,对于同样重量的飞机,发动机的推力需要增加5倍才能飞起来。

      • 家园 考虑一下水平移动的速度

        就会发现,兄台设计的飞机,单位时间的耗油量其实并不能说是省的

      • 家园 怎么可能前者更省油呢?

          你这个垂直向下喷气推重比肯定要大于1才能飞得起来,喷气式飞机外形设计得好推重比=0.4就能超音速。

        • 家园 我想问的其实是,那么,为什么会这样呢?
          • 家园 根本原因应该是单位时间里推动的工质质量不同

            除了气球类飞行器,比空气重的飞行器本质都是通过向下推动某种工质来获得升力F的。F来自于使工质获得向下的动量mv的反作用力冲量Ft。

            Ft=mv,F=(m/t)v。F就是保持悬浮需要的升力,也就是悬浮状态下飞行器的重量。m/t是单位时间内下排的工质质量,对于喷气机就是单位时间内的喷气质量,对直升机就是螺旋桨单位时间内下排的空气质量,固定翼飞机是单位时间里机翼向下洗刷的空气质量。v就是这些工质获得的向下的速度分量。v越高,被工质带走的动能越多,不考虑其他因素的话,推进效率也就越低。

            单靠发动机静止悬浮的状态下,无论何种发动机,在上口吸气的压力最大也就是1个大气压,这种情况下,进气速度基本上是由进气上口的面积决定的。

            喷气发动机,上口吸气面积太小,工质是吸进来的空气加上单位时间内烧掉的燃料,总质量比较小,要产生足够的推力,只能增加喷气速度,也就是说喷出的工质里带有大量的动能,(在涡喷发动机的情况下,喷气本身又是炽热的,也要带有很多能量),结果就是效率大大下降,大部分能量都被喷气的动能和热带走了。这还是不计机械损耗的理想情况。

            而假如加大上面风扇的直径,就可以显著增加单位时间里向下排气的总质量,结果向下排的气流速度就可以大大降低,这就是直升机的情况。

            如果考虑涡轮轴发动机的直升机,这个道理就很容易理解了:如果把涡轮轴发动机竖起来,改成涡喷,同样的功率,绝对推不起一个直升机,因为它的工质质量太小,要产生足够的推力,喷气速度得相当的高,结果把能量都浪费在高温高速喷气上了。

            固定翼飞机的机翼,本质上也是通过向下洗刷气流,靠推动空气向下运动的反作用力来获得升力的(其实直升机螺旋浆也只是把直线的运动变成旋转而已),具体怎么算我不知道,不过机翼单位时间里向下推动的空气总量是相当的大就是了。

            假如是火箭发动机,工质完全来自于燃料,连空气都借助不到,情况就比涡喷还糟糕。唯一的办法就是直接把高温的燃气以很高的速度喷出去,效率自然是最低的。火箭的优势不是经济性,而是很容易把短时功率做得很大,以前也有军用飞机用火箭助推起飞的。

            如果想要高效率的推进装置,那它推动的工质的质量是越大越好。比如说反重力装置,在地球表面上,推动的就是地球,那效率一定高。

          • 家园 前者是靠蛮力托起来的。

              后者是空气托起来,有点象在空气中滑行。

              蛮力当然要耗油。

    • 家园 戴三块手表就不会有两个困惑啦

      现在都流行用数字说话,戴三块手表,两个困惑,哈哈。

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