航空英语翻译 - 图文

第四章

飞行器的推进系统是飞行器最复杂的部件之一，但是蕴含在其中的推进原理与规律确并不是如此的复杂。对于一架飞行器来说，既需要动力来提供升力，又要克服空气所产生的阻力。而且当飞行器爬升或者需要转弯时都需要提供额外的动力来完成这些动作。在第一章我们了解到要想产生升力就需要对周围空气做功，同样的道理在这一章中，我们将会向您展示飞行器是如何利用推进系统来工作的。

对于爬升和转弯时所需要的能量我们会在第六章讨论，这章我们主要讨论飞行器在正常飞行时，推进系统的工作状况，以及活塞式发动机和喷气式发动机产生必需动力的不同之处。一些不同或相似之处，一定会让你吃惊的。

除了一些特例之外，尤其对于滑翔机来说最显著地感受到活塞发动机所产生飞行所需能量与喷气式的不同。这些发动机所产生的能量必须作用于周围环境之后，方能推动飞行器的飞行；并且这些系统都需要复杂的机构来实现。但是，我们并不需要一定要知道这些机构的细节设计才能明白发动机是如何工作来提供推力和“长”成现在这个模样的。

哎，又是牛顿定律

在第一章我们介绍了飞行器产生升力是靠的对机翼两侧的空气的分离来实现的，同样的道理，我们来讲解推进系统的工作规律（除了产生推力，还伴必须把空气往后退），就如家庭所使用的风扇一样的道理。更重要的是，像机翼，推进系统等，这些都是牛顿定律的应用体现。

我们知道牛顿第三定律应用于任何作用，任何作用都有作用力和反作用力，

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在飞行器的推进系统中，作用力是空气或尾气产生的加速度，而反作用力即推力。我们还可以应用牛顿第二定律来解释，那就是推力的大小，正比于空气的运动加速度。

世界上所记录的小鸡的最长飞行时间是13秒，最长飞行距离是92米

推力

虽然不是传统飞行器的推进系统，但火箭发动机对于我们理解推力却是一个很好的例子。如图4.1所示是火箭发动机工作的例子。首先，染料和氧气被泵进燃烧室燃烧，瞬间产生大量高压气体，加速至发动机的“咽喉部位”，在此处气体速度马赫数为1.0，即等于声速。经过咽喉部位后，气体继续加速, 直至最后，以超音速排出，并伴随着产生极大的推力。火箭排出大量高速气体，这些气体究竟有多少那？我们可以由图4.2看出，这是阿波罗8号发射时的场面。

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火箭所产生推力的过程，就如用步枪射击子弹后的过程类似。类似于牛顿第二定律，火箭所产生的推力，正比于所排出气体的加速度。因此，为了提升火箭的推力，可以从提升发动机的尾气每秒排量，或者排气速度，或者两者同时着手。飞行器的推进系统在很大一部分上类似于火箭的推进系统。作用在飞行器上的力是提升尾气或空气速度的作用效果。如果你曾经站在一架运行着的飞行器的推进器后，你肯定会感到一股强大的空气流向你涌来。

功率

飞行器推进包含两个独立的过程。一个过程是把一部分燃料的能量转化为推进系统的运行，另一个过程是将推进系统的运行转化为对周围环境的作用，即产生推力。活塞-螺旋桨

复合型发动机就是一个完整的推进过程的例子。当然，涡轮喷气式发动机也是另外一个例子，只不过他的过程并不像活塞-螺旋桨发动机那么明显独立。

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通常，发动机专家和飞行教员，以及教师在提到“推力”时，会将其与“推动”和“飞行”联系起来。但在这本书中，我们将讲述的是“功率”这一概念。它更容易直观地测量，并且可以由飞行员通过油门杆来控制。如果提高燃油流量或者拉油门杆，功率就会相应的提高。功率，是有用功的效率，即用来做功的效率。这是理解飞行器推进系统的关键。所以，功率自然让我们联想到另个基本的物理概念：效率。

用上面所述方式来看待推进系统的话，将会使我们更加容易地介绍很多一系列的问题。我们知道功率对于飞行是必需的：用于支持飞行器本身重量，克服摩擦力，以及爬升等等，这些都是飞行所需的功率，功率通常是由发动机产生，并传输给推进器，或者能够为喷气推进系统所利用（我们成为：可利用能量）。可利用能量与发动机所产生能量之差，我们成为：损耗能量，这通常产生于螺旋桨气流和喷气发动机的尾气动能损失。

可用功率等于推力乘于速度。对于一台活塞式发动机，拥有固定的功率，飞行器的飞行速度对可用功率的大小影响很小，图4.3a 所示的是：在设定的固定功率下，某款活塞-螺旋桨复合型飞行器的推力及可用功率与速度的关系曲线。螺旋桨所产生推力与速度成反比例变化，但可用功率却能够较好的保持。当然，这其中有很多因素的影响，螺旋桨的设计便是其中之一。

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1926年5月九号，R.E.Byrd指挥官首次飞过北极。1929年11月28-29号首次完成飞越南极的航程。 如图4.3b 所示，对于喷气式飞行器随着速度的变化明显不同于活塞发动机。其可用推力随着速度的变化基本不变化。可用功率也正比于飞行器的速度。虽然关于这一点，我们可以预测一定会影响飞行器的飞行表现，但这些我们将在后边章节中进行细节讨。 效率

一个飞行器的推进系统的目标便是尽可能高效的提供更多的必需功率。这个过程中有两个主要的损耗效率的地方：一是由燃料向发动机功率转变的过程，这是热效率的问题。这其中主要由于燃料的低效燃烧，热能量的散失以及与发动机各部件之间的各种摩擦损耗所致。一部分能量还要用于发动机系统的支持，比如燃料的动能，润滑油泵以及发电等，这些损失都会降低发动机的输出效率。 一旦发动机将燃料的化学能转化为机械能以后，就要立即将其转化为推进功。发动机提供给我们的可用功率与发动机的功率的比率便是推进效率。因此，发动机的总效率就是对一定燃料转化为多少发动机可输出功率的一种测量方式。那么什么导致发动机效率的改变那？对升力效率的讨论可好用于此处。

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记得第一章我们讨论的：机翼所产生的升力正比于发动机在一定时间作用于空气的动量。飞行器的掠过带给空气的动能，对其自己来说是一种能量损失。最高效的飞行器便是在带给空气更少动能的前提下，尽可能地提供必须的升力。因此，人们总是希望能够作用于空气更小的速度。这也是为什么随着机翼面积的提升，效率提升的原因。 升力效率的提升取决于转移的空气重量，而非被转移空气的速度。

推进系统同机翼一样的方式产生推力和转移能量给周围的环境。因此，最高效的推力是在尽可能低速下，能够加速更多的空气。这样就会减少损耗能量。如果一个螺旋桨飞机或者喷气式飞机可以以最小的相对速度，吸收更多的空气或者产生更大的推力的话，将意味着通过给予一定的少量空气更大的速度这种方法，在同种推力下，比其他发动机更有效率。记住一点：发动机对空气做功所产生推力的能量，永远要靠发动机自身来补充。

对于最好的发动机效率，我们自然希望飞行器能够对周围空气带来零动能。但很不幸，这是不可能的，要想产生推力，就必须要给予周围空气一定的动能，即产生损失。

让我们来看一下一个想要设计出两倍于原始发动机推力的发动机专家的例子吧。这位专家可以通过提高发动机每分钟所释放的动量来加大推力,还可以通过提高尾气的排放速度，当然还可以两者都提高，进而提升推力。但是，如果提升了排气速度，损失的能量就和速度的平方正比。因此，如果要通过两倍排气速度，两倍功率，进而产生两倍推力的同时，却伴随着四倍的能量损失，显然这是不可实现的。然而，通过两倍动量的方式，就会有双倍的可用功率，以及只有两倍的损失能量，进而来获得两倍推力。基本上飞行器的推进系统的目的便是在最低的

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能量损失下，尽可能地产生更大的推力。在这个过程中，显然发动机设计者们更青睐于提升发动机的动量而非尾气的速度。 螺旋桨

螺旋桨简单地说，就是旋转的机翼。对于低速飞行来说，螺旋桨是最高效的推进方式。在转化为可用推进功率方面，螺旋桨发动机可以达到最高效率84%或者更高。这就意味着只有16%或者更少的能量损失。由于螺旋桨是通过推动大量空气通过旋转叶片，进而提升空气速度的，从中我们可以看出设计者们正是基于动量和排气速度的折中原理来设计的。大的螺旋桨比小的更有效率，因为它可以推动更多空气。Rubber的频带旋转模型飞行爱好者们，都知道较小的转角和大叶片螺旋桨可以提供更远的航程。

螺旋桨的面积和旋转速度由很多因素决定。首先，小转角，大叶片螺旋桨对于有离地净高的飞行器来说是不适用的。同样重要的是，螺旋桨的旋转速度还要和所提供的发动机匹配。结合这些必要条件，还需要将螺旋桨叶尖速度保持在音速以下（因为噪音和附加能量的损失），因此你才会看到今天这样的螺旋桨。航空用活塞发动机经常设计速度在2200-2600rpm，在正常飞行状态下的，桨尖速度大致维持在声速以下时的典型螺旋桨叶片直径是72-76英尺（182-193cm）.最早期的飞行器，比如在一战中所应用的，都拥有较低的转速，一般在1600rpm左右。这些早期的飞行器都有较大的螺旋桨叶片（100英尺左右）。因为大叶片意味着在单位时间内可以通过更多的空气，和我们今天所使用的相比有更高的推进效率。但是对于发动机效率的提升确是任重而道远。

对空气做功的功率正比于螺旋桨旋转速度的立方，可以通过将其比作拥有固定冲角的机翼来理解。我们从第一章了解到：机翼作用于空气的功率，正比于分

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离的空气的量乘以垂直方向的空气速度的平方。如果在冲角固定的情况下，机翼的速度增大一倍，那么分离的空气量和垂直方向的空气速度都会增加一倍，这样功率的增长因数就会变成 8 。同样对于某款螺旋桨来说，如果倾斜角和前进速度不变的话，那么传递给空气的功率正比于螺旋桨转速的立方。这也就意味着螺旋桨的转速的增加将伴随着极大的功率需求。因此对于螺旋桨面积与发动机的体形匹配是非常重要的。如果螺旋桨的叶片短，那么对于发动机的负荷就小，发动机就会以很高的速度“超转”，但这样就会破坏发动机；如果叶片过长，发动机就不会达到理想转速，这样就不会传递足够的功率给螺旋桨。

多层螺旋桨

螺旋桨的叶片总表面面积决定了其能够转化为推力的能力。表面积越大转化为的推力也就越大。对于大多数的小型飞机来说，通过增大单个叶片的表面积，仅用两个叶片就能够达到所需推力。但是还有一些飞机通过增加叶片的数量来达到增大叶片表面积的，如三叶型、四叶型甚至还有六叶型，但是他们的效率却基本相同。 通过增多叶片数量从双叶片向多叶片转变从而来达到增大表面积的目的其实一种微妙的权衡。双叶螺旋桨对于所需功率较小的小型飞机来说是比较高效率的；而多叶片型更适合需要做爬升，高速的动作的飞机，同时产生更少使人厌烦的噪音和更少的振动也是推动多叶型螺旋桨发展的因素。

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Figure4-4 单叶型螺旋桨

而不使用更多的叶片的螺旋桨的原因是：他的成本太高了。另一个原因是叶片越多就会产生更多的扰流，这对于单个叶片来说，就意味着相对较低的转化效率。因此，一般情况下，如果能用更少叶片就尽可能不要使用多叶片。使用单

叶片的努力已经达到了极致，如上图所示的那种实验型单叶片螺旋桨 这种可以提高螺旋桨的效率，但是由于螺旋桨的效率已经很高了，因此这种提高并不是很显著。

螺旋桨浆距

伴随着螺旋桨的速度和面积大小的确定，通过其本身的空气流也基本上是固定的。为了得到更大的推力就必须要增大通过螺旋桨后空气的速度。桨距类似于机翼的冲角，对于一个固定桨距的桨叶来说，其安装角对于其旋转方向来说，是固定的。桨叶的安装冲角由桨距，桨的旋转速度，飞机的飞行速度所决定。飞行

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器的速度越大，其相对冲角也就越小。这可以在图4-5中看到：标示的是飞行器在没有向前速度的启动阶段和在飞行状态下的冲角大小。飞行器的速度越大，由飞行器向前飞行的速度所产生的空气相对速度就会使螺旋桨的冲角变小。就会使通过螺旋桨的空气变少，从而产生更小推力及发动机更低的能量传递效率。

In figure 4-5中显示出相对气流气流方向和螺旋桨方向，为了便于理解所有的角度都是放大的角度。但要知道所有的升力方向如以机翼或者螺旋桨为参考系看来都是垂直于来流方向的。如果没有向前的速度的话，那么螺旋桨的升力就是向前的。随着飞行器自身速度的增加，升力便产生倾斜，变成部分升力来推动飞行器的前进。这显然对于速度的提升是不利的。

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固定距螺旋桨的效率取决于螺旋桨的旋转速度及飞行器的飞行速度。图4-6是：螺旋桨在固定转速下，根据不同飞行速度下产生不同倾斜角时的发动机效率图。从图中可以看出，在倾角固定不变时，效率变化随意的同时，飞行速度却仅在小范围内变化。正因如此，要想使固定距的螺旋桨有全方位良好状态，就必须要相对较高的倾角。在特定高度下，发动机的可用功取决于发动机的转速，同时也是螺旋桨的转速。因此高倾角导致在飞机起飞时，发动机不能处在最佳转速，提供全推力，且同样的叶片使发动机在巡航速度下收小油门，防止其在转速的过高值下工作。因此可以说固定倾斜角螺旋桨是一种折衷的做法。

针对这种折衷的做法的一种解决办法就是固定转速螺旋桨。定速螺旋桨允许飞行员控制转速和螺旋桨的倾斜角。定速螺旋桨就像在发动机上安装某样控制器一样，一样控制油门，另一个控制转速；其中油门控制功率输出，速度控制器控制螺旋桨转速进而控制发动机转速；如果发动机想要增加太快的话，螺旋桨的倾斜角就自动增大直到发动机转速降到预设值，这就使发动机的效率如图4-6中所示的最大效率包络线一样。

在飞机的起飞或爬升阶段，螺旋桨有一个相当小的倾斜角。因为飞机的低速，

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冲角仍然很大。在巡航状态下，飞行器的速度会带来一个较低的冲角，于是，螺旋桨的倾斜角会增加以使发动机处于最佳状态。典型的固定速螺旋桨小飞行器在巡航状态下可以使燃料效率提升14%，同样会提升在起飞或爬升时的有效功率。

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