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主题:【原创】关于喷气发动机的两个困惑 -- 晨枫

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家园 多谢各位,一并谢过。这个动浮力的解释很有新意,长见识了
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 桨叶是垂直于前进方向划过空气

划过空气的时候,桨叶产生的是‘动浮力’,也就是升力,这个升力对比桨叶划动时遇到的阻力大很多了。

家园 是,活塞和涡轮轴才多用功率表示
家园 还有一个问题
家园 哈哈哈 你还漏掉了一个的因素,飞机是动的

这种连续介质的问题挺伤脑子的,看火箭原理时好多没太弄明白。

粗略讨论下,考虑两张极限情况:

1 以大气为参照系,飞机速度为V,喷出的气体对飞机的相对速度为-V,这样,喷气对大气的速度为0,也就是说喷气的动能为0,燃料能量都用于推动飞机前进。显然此时效率最高

2 同上,飞机不喷气体,改喷光子,相当于个特大号蜡烛,推力可以忽略,能量都变成光了。

涡轮喷气比涡轮风扇外涵道的喷气速度快多了。

家园 可以这么算吗?

在这里动能和参照系没有关系吧?不然的话,飞机速度为V,喷气速度也为V,发动机里热能转化到什么地方去了呢?

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 我说乱了

动能以地球做参照系比较方便

对于匀速运动的飞机,飞机速度为V,喷气速度对飞机为-V,也就是说喷气对地速度为0,热能全部消耗在克服空气阻力上(升力也看成阻力)。

如果飞机速度为V,喷气速度对飞机为-2V,这样喷出的气体对地速度为-V。热能除了克服阻力外,还有一部分转换成了尾气的动能,这样效率就低了。

不管怎么取参照系,哪怕是非惯性系,结论应该是一样的,就是本人好久不碰力学,不知道怎么搞

家园 我从来没有把动能和坐标系放在一起考虑过

但觉得你这样好像有点问题,说不清楚问题在哪里。

家园 设想太粗燥了,还是想成火箭在真空比较简单。

飞机还要吸气,这样就绕来绕去了。

火箭最简单,喷气速度和火箭速度一样时效率最高,喷气过快或者过慢都会降低效率

——喷气速度小于火箭速度时火箭其实还是可以前进的。

当然,涡轮发动机喷气速度一般还是高于飞机速度的。

家园 没考虑温度,吸入的空气与喷出的空气温度差

也要消耗能量,不过大体上说我觉得这个算法是合理的

家园 查了一下NASA网站

地面台架推力不考虑飞行速度,但飞行中的实际推力是要考虑飞行速度的:

推力=喷气速度x喷气流量-进气速度x进气流量

如果不考虑燃油质量的话,喷气流量=进气流量,所以喷气速度达到进气速度的时候,推力就消失了,不管你加多少油。

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