Как устроен двигатель самолета

Как работает двигатель самолета

Впервые самолет с турбореактивным двигателем (ТРД) поднялся в воздух в 1939 году. С тех пор устройство двигателей самолетов совершенствовалось, появились различные виды, но принцип работы у всех них примерно одинаковый. Чтобы понять, почему воздушное судно, имеющий столь большую массу, так легко поднимается в воздух, следует узнать, как работает двигатель самолета. ТРД приводит в движение воздушное судно за счет реактивной тяги. В свою очередь, реактивная тяга является силой отдачи струи газа, которая вылетает из сопла. То есть получается, что турбореактивная установка толкает самолет и всех находящихся в салоне людей с помощью газовой струи. Реактивная струя, вылетая из сопла, отталкивается от воздуха и таким образом, приводит в движение воздушное судно.

Устройство турбовентиляторного двигателя

Конструкция

Устройство двигателя самолета достаточно сложное. Рабочая температура в таких установках достигает 1000 и более градусов. Соответственно, все детали, из которых двигатель состоит, изготавливаются из устойчивых к воздействию высоких температур и возгоранию материалов. Из-за сложности устройства существует целая область науки о ТРД.

ТРД состоит из нескольких основных элементов:

• вентилятор;
• компрессор;
• камера сгорания;
• турбина;
• сопло.

Перед турбиной установлен вентилятор. С его помощью воздух затягивается в установку извне. В таких установках используются вентиляторы с большим количеством лопастей определенной формы. Размер и форма лопастей обеспечивают максимально эффективную и быструю подачу воздуха в турбину. Изготавливаются они из титана. Помимо основной функции (затягивания воздуха), вентилятор решает еще одну важную задачу: с его помощью осуществляется прокачка воздуха между элементами ТРД и его оболочкой. За счет такой прокачки обеспечивается охлаждение системы и предотвращается разрушение камеры сгорания.

Возле вентилятора расположен компрессор высокой мощности. С его помощью воздух поступает в камеру сгорания под высоким давлением. В камере происходит смешивание воздуха с топливом. Образующаяся смесь поджигается. После возгорания происходит нагрев смеси и всех расположенных рядом элементов установки. Камера сгорания чаще всего изготавливается из керамики. Это объясняется тем, что температура внутри камеры достигает 2000 градусов и более. А керамика характеризуется устойчивостью к воздействию высоких температур. После возгорания смесь поступает в турбину.

Вид самолетного двигателя снаружи

Турбина представляет собой устройство, состоящее из большого количества лопаток. На лопатки оказывает давление поток смеси, приводя тем самым турбину в движение. Турбина вследствие такого вращения заставляет вращаться вал, на котором установлен вентилятор. Получается замкнутая система, которая для функционирования двигателя требует только подачи воздуха и наличия топлива.

Далее смесь поступает в сопло. Это завершающий этап 1 цикла работы двигателя. Здесь формируется реактивная струя. Таков принцип работы двигателя самолета. Вентилятор нагнетает холодный воздух в сопло, предотвращая его разрушение от чрезмерно горячей смеси. Поток холодного воздуха не дает манжете сопла расплавиться.

В двигателях воздушных судов могут быть установлены различные сопла. Наиболее совершенными считаются подвижные. Подвижное сопло способно расширяться и сжиматься, а также регулировать угол, задавая правильное направление реактивной струе. Самолеты с такими двигателями характеризуются отличной маневренностью.

Виды двигателей

Двигатели для самолетов бывают различных типов:

• классические;
• турбовинтовые;
• турбовентиляторные;
• прямоточные.

Классические установки работают по принципу, описанному выше. Такие двигатели устанавливают на воздушных судах различной модификации. Турбовинтовые функционируют несколько иначе. В них газовая турбина не имеет механической связи с трансмиссией. Эти установки приводят самолет в движение с помощью реактивной тяги лишь частично. Основную часть энергии горячей смеси данный вид установки использует для привода воздушного винта через редуктор. В такой установке вместо одной присутствует 2 турбины. Одна из них приводит компрессор, а вторая – винт. В отличие от классических турбореактивных, винтовые установки более экономичны. Но они не позволяют самолетам развивать высокие скорости. Их устанавливают на малоскоростных воздушных судах. ТРД позволяют развивать гораздо большую скорость во время полета.

Турбовентиляторные двигатели представляют собой комбинированные установки, сочетающие элементы турбореактивных и турбовинтовых двигателей. Они отличаются от классических большим размером лопастей вентилятора. И вентилятор, и винт функционируют на дозвуковых скоростях. Скорость перемещения воздуха понижается за счет наличия специального обтекателя, в который помещен вентилятор. Такие двигатели более экономично расходуют топливо, чем классические. Кроме того, они характеризуются более высоким КПД. Чаще всего их устанавливают на лайнерах и самолетах большой вместительности.

Размер двигателя самолета относительно человеческого роста

Прямоточные воздушно-реактивные установки не предполагают использование подвижных элементов. Воздух втягивается естественным путем благодаря обтекателю, установленному на входном отверстии. После поступления воздуха двигатель работает аналогично классическому.

Некоторые самолеты летают на турбовинтовых двигателях, устройство которых гораздо проще, чем устройство ТРД. Поэтому у многих возникает вопрос: зачем использовать более сложные установки, если можно ограничиться винтовой? Ответ прост: ТРД превосходят винтовые двигатели по мощности. Они мощнее в десятки раз. Соответственно, ТРД выдает гораздо большую тягу. Благодаря этому обеспечивается возможность поднимать в воздух большие самолеты и осуществлять перелеты на высокой скорости.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Двигатели

Что такое аэронавтика? | динамика полета | Самолеты | Двигатели | История полета | какой такое UEET?
Словарь | Весело и игры | Образовательные ссылки | Урок Ланс | Индекс сайта | Дом

Двигатели

Как работает реактивный двигатель?

---

NEW! Видео "Как работает реактивный двигатель". Мы считаем само собой разумеющимся, насколько легко самолет весом более половины миллион фунтов поднимается с земли с такой легкостью. Как это случилось? Ответ прост. Это двигатели. Пусть Тереза ​​Беньо из Исследовательского центра Гленна НАСА объяснит больше ... Как показано на НАСА Направление завтра.

---

Реактивные двигатели с огромной силой двигают самолет вперед, создаваемый огромная тяга и заставляет самолет лететь очень быстро.

Все реактивные двигатели, которые также называются газовые турбины, работать по тому же принципу. Двигатель всасывает воздух спереди с помощью вентилятора. Компрессор поднимает давление воздуха. Компрессор сделан со многими лезвиями, прикрепленными к валу. Лопасти вращаются с высокой скоростью и сжимают или сжимают воздух. Сжатый воздух тогда распыляется с топливом, и электрическая искра зажигает смесь. горючие газы расширяются и выдуваются через сопло в задней части двигателя.Когда струи газа стреляют назад, двигатель и самолет смещаются вперед. Когда горячий воздух идет к соплу, он проходит через другую группу лопастей. называется турбиной. Турбина прикреплена к тому же валу, что и компрессор. Вращение турбины приводит к вращению компрессора.

На рисунке ниже показано, как воздух проходит через двигатель. Воздух проходит через ядро двигателя, а также вокруг ядра.Это вызывает некоторое количество воздуха быть очень горячим, а некоторые - круче. Кулер воздух затем смешивается с горячим воздух на выходе из двигателя.

Это картина того, как воздух проходит через двигатель

Что такое тяга?

Тяга это передняя сила, которая толкает двигатель и, следовательно, самолет вперед. сэр Исаак Ньютон обнаружил, что для «каждого действия существует равное и противоположная реакция. "Двигатель использует этот принцип. Двигатель принимает в большом объеме воздуха. Воздух нагревается, сжимается и замедляется. Воздух проходит через множество вращающихся лопастей. Смешивая этот воздух со струей топливо, температура воздуха может достигать трех тысяч градусов. Мощность воздуха используется для вращения турбины. Наконец, когда воздух уходит, это выталкивает назад из двигателя.Это заставляет самолет двигаться вперед.

Части реактивного двигателя

Поклонник - Вентилятор является первым компонентом в ТРДД. Большой вращающийся вентилятор всасывает большое количество воздуха. Большинство лезвий вентилятора сделаны из титана. Затем он ускоряет этот воздух и разбивает его на две части. Одна часть проходит через «ядро» или центр двигателя, где на него воздействуют другие компоненты двигателя.

Вторая часть «обходит» сердечник двигателя. Проходит через воздуховод который окружает ядро ​​в задней части двигателя, где он производит большую часть сила, которая продвигает самолет вперед. Этот более прохладный воздух помогает успокоить двигатель, а также добавление тяги к двигателю.

Компрессор - Компрессор первый компонент в ядре двигателя. Компрессор состоит из вентиляторов с множеством лопастей. и прикреплен к валу.Компрессор сжимает воздух, который поступает в него Постепенно меньшие площади, что приводит к увеличению давления воздуха. это приводит к увеличению энергетического потенциала воздуха. Раздавленный воздух нагнетается в камеру сгорания.

Combustor - В камере сгорания воздух смешан с топливом, а затем загорелся. Есть 20 форсунок для распыления топлива. воздушный поток. Смесь воздуха и топлива загорается.Это обеспечивает высокую температура, высокоэнергетический воздушный поток. Горючее с кислородом в сжатом топливе воздух, производящий горячие расширяющиеся газы. Внутренняя часть камеры сгорания часто производится из керамических материалов для обеспечения термостойкой камеры. Жара может достигать 2700 °.

Турбина - Высокоэнергетический поток воздуха из камеры сгорания уходит в турбину, вызывая вращение лопастей турбины. Турбины связаны валом, чтобы вращать лопасти в компрессоре и раскрутить впускной вентилятор спереди.Это вращение отнимает энергию у поток высокой энергии, который используется для привода вентилятора и компрессора. Газы Произведенные в камере сгорания движутся через турбину и вращают ее лопасти. Турбины реактивного двигателя вращаются вокруг тысячи раз. Они закреплены на валах которые имеют несколько наборов шарикоподшипников между ними.

Насадка - Сопло является вытяжным каналом двигатель. Это часть двигателя, которая на самом деле производит тягу для самолет.Истощенный энергией воздушный поток, который прошел турбину, в дополнение к более холодный воздух, который обошел ядро ​​двигателя, создает силу при выходе из форсунка, которая движет вперед двигатель и, следовательно, самолет. Сочетание горячего воздуха и холодного воздуха выталкивается и производит выхлоп, который вызывает прямую тягу. Соплу может предшествовать смеситель , который сочетает в себе высокотемпературный воздух, поступающий из активной зоны двигателя с воздух с более низкой температурой, который был обойден в поклоннике.Смеситель помогает сделать двигатель тише.

Первый реактивный двигатель - А Краткая история ранних двигателей

Сэр Исаак Ньютон в 18 веке был сначала предположить, что взрыв, направленный назад, может привести в движение машину вперед с большой скоростью. Эта теория была основана на его третьем законе движение. Когда горячий воздух проходит через сопло в обратном направлении, самолет движется вперед.

Анри Жиффар построил дирижабль, который был приведен в действие первым двигателем самолета - паровой двигатель с тремя лошадьми. Это было очень тяжелый, слишком тяжелый, чтобы летать.

В 1874 году Феликс де Храм года построил моноплан который пролетел короткий прыжок вниз по склону с помощью угольного парового двигателя.

Отто Даймлер , в конце 1800-х изобрел первый бензиновый двигатель.

В 1894 году американец Хирам Максим пытался привести в действие свой трехместный биплан с двумя угольными паровыми двигателями.Это только пролетели за несколько секунд.

Ранние паровые двигатели работали на подогреве угля и, как правило, слишком тяжелый для полета.

американец Сэмюэль Лэнгли сделал модель самолета которые были приведены в действие паровыми двигателями. В 1896 году он успешно управлял Беспилотный самолет с паровым двигателем, названный Aerodrome . Он пролетел около 1 мили, прежде чем испарился. Затем он попытался построить полный размер самолета, Aerodrome A, с бензиновым двигателем.В 1903 году это разбился сразу же после спуска с домашнего катера.

В 1903 году братьев Райт полетел, Flyer , с 12-сильным газом двигатель.

С 1903 года, года первого полета братьев Райт, до конца 1930-х годов бензиновый поршневой двигатель внутреннего сгорания с пропеллером единственное средство, используемое для приведения в движение самолета.

Это был Фрэнк Уиттл , британский пилот, который разработал и запатентовал первый турбореактивный двигатель в 1930 году.Двигатель Уиттл впервые полетел успешно в мае 1941 года. Этот двигатель имел многоступенчатый компрессор и систему сгорания. камера, одноступенчатая турбина и сопло.

В то же время, когда Уиттл работал в Англии, Ганс фон Охайн работал над аналогичным дизайном в Германии. Первый самолет успешно Использовать газотурбинный двигатель был немецкий Heinkel He 178, август 1939 года. Это был первый в мире турбореактивный двигатель рейс.

General Electric построила первый американский реактивный двигатель для ВВС США Реактивный самолет . Это был экспериментальный самолет XP-59A, который впервые полетел в октябре 1942 года.

Типы реактивных двигателей

Турбореактивные двигатели

Основная идея турбореактивный двигатель просто.Воздух забирается из отверстия в передней части двигателя сжимается в 3-12 раз от исходного давления в компрессоре. Топливо добавляется в воздух и сжигается в камере сгорания для поднять температуру жидкой смеси примерно до 1100 ° F до 1300 ° F. Полученный горячий воздух проходит через турбину, которая приводит в движение компрессор. Если турбина и компрессор работают, давление на выходе турбины будет почти вдвое больше атмосферного давления, и это избыточное давление отправляется к соплу, чтобы произвести высокоскоростной поток газа, который создает тягу.Значительное увеличение тяги может быть достигнуто с помощью форсаже. Это вторая камера сгорания, расположенная после турбины и перед сопло. Дожигатель повышает температуру газа перед соплом. Результатом этого повышения температуры является увеличение примерно на 40 процентов в тяге при взлете и гораздо больший процент на высоких скоростях, как только самолет в воздухе.

Турбореактивный двигатель - реактивный двигатель.В реакторе, расширяющемся газе давить сильно на переднюю часть двигателя. Турбореактивный двигатель всасывает воздух и сжимает или сжимает это. Газы протекают через турбину и заставляют ее вращаться. Эти газы отскочить назад и выстрелить из задней части выхлопа, толкая самолет вперед.

Изображение турбореактивного двигателя

Турбовинты

А турбовинтовой двигатель реактивный двигатель, прикрепленный к винтуТурбина в задняя часть поворачивается горячими газами, и это поворачивает вал, который приводит в движение пропеллер. Некоторые небольшие авиалайнеры и транспортные самолеты приводятся в действие турбовинтовыми двигателями.

Как турбореактивный, турбовинтовой двигатель состоит из компрессора, сгорания камеры и турбины, давление воздуха и газа используется для запуска турбины, которая затем создает мощность для привода компрессора. По сравнению с турбореактивным двигателем, турбовинтовой двигатель обладает большей эффективностью при скорости полета ниже примерно 500 миль в час.Современные турбовинтовые двигатели оснащены винтами, которые имеют меньший диаметр, но большее количество лопастей для эффективной работы на гораздо более высоких скоростях полета. Чтобы приспособить более высокие скорости полета, лопасти имеют форму ятагана с опущенными передними кромками на концах лезвия. Двигатели с такими винтами называются пропфанов .

Изображение турбовинтового двигателя

Турбовентиляторы

А турбовентиляторный двигатель имеет большой вентилятор спереди, который всасывает воздух.Большая часть воздуха проходит вокруг двигателя, что делает его тише и дает больше тяги на низких скоростях. Большинство современных авиалайнеров имеют питание турбовентиляторы. В турбореактивном двигателе весь воздух, поступающий на впуск, проходит через газогенератор, который состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины. В турбовентиляторном двигателе только часть поступающего воздуха поступает в камера сгорания. Остальная часть проходит через вентилятор или компрессор низкого давления, и выбрасывается непосредственно как «холодная» струя или смешивается с выхлопом газогенератора производить "горячую" струю.Целью этого типа обходной системы является увеличение тяга без увеличения расхода топлива. Это достигается путем увеличения общий воздушно-массовый поток и снижение скорости в пределах того же общего источника энергии.

Изображение турбовентиляторный двигатель

Турбовальные валы

Это еще одна форма газотурбинного двигателя, которая работает во многом как турбовинтовой двигатель система.Это не водить винт. Вместо этого он обеспечивает мощность для вертолета ротор. Турбовальный двигатель сконструирован таким образом, чтобы скорость вращения вертолета ротор не зависит от скорости вращения газогенератора. Это разрешает частота вращения ротора должна быть постоянной, даже если скорость генератора варьируется для модуляции количества производимой энергии.

Изображение турбовального двигателя

Ramjets

ПВРД является Самый простой реактивный двигатель и не имеет движущихся частей.Скорость струи "баранов" или нагнетает воздух в двигатель. По сути это турбореактивный двигатель, в котором вращается машины были опущены. Его применение ограничено тем, что его Степень сжатия полностью зависит от скорости движения. ПВРД не развивает статичность тяга и очень малая тяга вообще ниже скорости звука. Как следствие, Для ПВРД необходим некоторый вспомогательный взлет, такой как другой самолет. Он использовался в основном в ракетных системах.Космические аппараты используют это тип струи.

Изображение Ramjet Engine

Вернуться к началу

Что такое аэронавтика? | Динамика полета | самолеты | Двигатели | история полета | Что такое UEET?
Словарь | Весело и игры | Образовательные ссылки | Урок Планы Индекс сайта | Дом

,

Как работают самолеты | наука о полете

Реклама

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 16 июня 2019 года.

Мы считаем, что можем летать с одной стороны света. другому в считанные часы, но столетие назад это удивительное способность мчаться по воздуху была только что обнаружена. какой братья Райт - пионеры активного полета - из возраст, когда около 100 000 самолетов каждый день взлетают в небо в одних только Соединенных Штатах? Они были бы поражены, конечно, и тоже в восторге.Благодаря их успешным экспериментам с самолет по праву признан одним из величайших изобретения всех времен. Давайте подробнее рассмотрим, как это работает!

Фото: вам нужны большие крылья, чтобы поднять большой самолет, такой как Globemaster ВВС США. Ширина крыльев 51,75 м (169 футов) - это чуть меньше длины тела самолета 53 м (174 фута). Максимальный взлетный вес составляет 265 352 кг (585 000 фунтов), примерно 40 взрослых слонов! Фото Джереми Локка любезно предоставлено ВВС США.

Как летают самолеты?

Если вы когда-нибудь видели, как реактивный самолет взлетает или входит в земля, первое, что вы заметили, это шум двигатели. Реактивные двигатели, которые представляют собой длинные металлические трубы, горящие непрерывно прилив топлива и воздуха намного шумнее (и гораздо мощнее), чем традиционные пропеллерные двигатели. Вы можете подумать, что двигатели являются ключом к летать самолетом, но ты ошибаешься. Вещи могут летать довольно счастливо без двигателей, как планеры (самолеты без двигателей), бумажные самолеты, и действительно скользящие птицы охотно показывают нам.

Фото: четыре силы действуют на самолет в полете. Когда самолет летит горизонтально с постоянной скоростью, подъем с крыльев точно уравновешивает вес самолета, а тяга точно уравновешивает сопротивление. Однако во время взлета или когда самолет пытается подняться в небо (как показано здесь), тяга от двигателей, толкающих самолет вперед, превышает сопротивление (сопротивление воздуха), оттягивающее его назад. Это создает подъемную силу, превышающую вес самолета, который приводит самолет выше в небо.Фото Натанаэля Каллона любезно предоставлено ВВС США.

Если вы пытаетесь понять, как летают самолеты, вам нужно быть ясно о разнице между двигателями и крыльями и разные работы, которые они делают. Двигатели самолета предназначены для его перемещения вперед на высокой скорости. Это делает воздушный поток быстро через крылья, которые сбрасывают воздух к земле, создавая подъемную силу, называемую подъемной силой, которая преодолевает вес и держит его в небе. Так что двигатели движут самолет вперед, в то время как крылья двигают его вверх.

Фото: третий закон движения Ньютона объясняет, как двигатели и крылья работают вместе, чтобы заставить самолет двигаться по небу. Сила горячего выхлопного газа, стреляющего назад от реактивного двигателя, толкает самолет вперед. Это создает движущийся поток воздуха над крыльями. Крылья толкают воздух вниз, и это толкает самолет вверх. Фото Сэмюэля Роджерса (с добавленными аннотациями объяснением от thatstuff.com) любезно предоставлено ВВС США. Подробнее о работе двигателей читайте в нашей подробной статье о реактивных двигателях.

Как крылья делают подъем?

В одном предложении крылья поднимаются, изменяя направление и давление воздуха, который в них врезается, когда двигатели стреляют по небу.

Перепад давления

Хорошо, значит, крылья - это ключ к тому, чтобы что-то летало, но как они работают? Большинство крыльев самолета имеют изогнутую верхнюю поверхность и более плоскую нижнюю поверхность, что делает форма поперечного сечения, называемая аэродинамическим профилем (или аэродинамическим профилем, если вы британец):

Фото: крыло аэродинамического профиля обычно имеет изогнутую верхнюю поверхность и плоскую нижнюю поверхность.Это крыло на самолет Центурион НАСА на солнечной энергии. Фото Тома Чида любезно предоставлено Центром летных исследований НАСА им. Армстронга.

Во многих научных книгах и на веб-страницах вы прочтете неправильное объяснение того, как аэродинамический профиль, подобный этому, вызывает подъем. Это выглядит так: когда воздух проникает через изогнутую верхнюю поверхность крыла, он должен перемещаться на дальше на , чем воздух, который проходит под ним, поэтому он должен идти на быстрее на (чтобы преодолеть большее расстояние в то же время). По принципу аэродинамики называется Бернулли закон, быстро движущийся воздух находится под более низким давлением, чем медленно движущийся воздух, поэтому давление над крылом ниже, чем давление ниже, и это создает подъемную силу, которая приводит самолет в движение вверх.

Хотя это объяснение того, как работают крылья, часто повторяется, оно неверно: оно дает правильный ответ, но по совершенно неправильным причинам! Подумайте об этом на мгновение, и вы увидите, что если бы это было правдой, акробатические самолеты не могли бы летать с ног на голову. Если перевернуть самолет, произойдет «сброс» и он рухнет на землю. Не только это, но вполне возможно проектировать самолеты с аэродинамическими поверхностями, которые являются симметричными (смотрящими прямо вниз по крылу), и они все еще производят подъемную силу.Например, бумажные самолеты (и сделанные из тонкого бальсового дерева) создают подъемную силу, даже если у них плоские крылья.

" Популярное объяснение лифта является общим, быстрым, звучит логично и дает правильный ответ, но также вводит в заблуждение, использует бессмысленные физический аргумент и вводит в заблуждение уравнение Бернулли ".

Профессор Хольгер Бабинский, Кембриджский университет

Но стандартное объяснение подъема проблематично и по другой важной причине: воздушный выстрел над крылом не должен идти в ногу с воздухом, идущим под ним, и ничто не говорит о том, что он должен преодолевать большее расстояние в том же направлении. время.Представьте, что две молекулы воздуха достигают передней части крыла и разделяются, так что одна стреляет вверх, а другая свистит прямо под дном. Нет никаких причин, по которым эти две молекулы должны прибыть в одно и то же время на заднем конце крыла: вместо этого они могут встретиться с другими молекулами воздуха. Этот недостаток стандартного объяснения аэродинамического профиля носит техническое название «теория равного транзита». Это просто причудливое название для (неправильной) идеи, согласно которой воздушный поток распадается на передней части аэродинамического профиля и снова аккуратно встречается сзади.

Так каково реальное объяснение? Когда изогнутое крыло аэродинамического профиля летит по небу, оно отклоняет воздух и изменяет давление воздуха над и под ним. Это интуитивно очевидно. Подумайте, каково это, когда вы медленно идете по бассейну и чувствуете силу воды, толкающей ваше тело: ваше тело отвлекается поток воды, когда он проталкивается через него, и аэродинамическое крыло делает то же самое (гораздо более резко - потому что это то, для чего оно предназначено).Когда самолет летит вперед, изогнутая верхняя часть крыла понижает давление воздуха непосредственно над ним, поэтому оно движется вверх.

Почему это происходит? Когда воздух течет по изогнутой верхней поверхности, его естественная склонность - двигаться по прямой линии, но изгиб крыла тянет его назад и вниз. По этой причине воздух эффективно растягивается в больший объем - такое же количество молекул воздуха вынуждено занимать больше места - и это то, что снижает его давление. По совершенно противоположной причине давление воздуха под крылом возрастает: продвигающееся крыло сдавливает молекулы воздуха перед ним в меньшее пространство.Разница в давлении воздуха между верхней и нижней поверхностями вызывает большую разницу в скорости воздуха (не наоборот, как в традиционной теории крыла). Разница в скорости (наблюдаемая в реальных экспериментах в аэродинамической трубе) намного больше, чем можно было бы предсказать из простой теории (равного транзита). Таким образом, если две наши молекулы воздуха отделяются спереди, то, что проходит через верх, попадает в хвостовую часть крыла гораздо быстрее, чем то, что идет под дном. Независимо от того, когда они прибудут, обе эти молекулы будут ускоряться на вниз, а не на - и это помогает произвести подъем вторым важным способом.

Как крылья аэродинамического профиля создают подъем № 1: аэродинамический профиль разделяет поступающий воздух, понижает давление верхнего воздушного потока и ускоряет оба воздушных потока вниз. Когда воздух ускоряется вниз, крыло (и самолет) движутся вверх. Чем больше аэродинамический профиль отклоняет путь встречного воздуха, тем больший подъем он создает.

Промывка

Если вы когда-либо стояли возле вертолета, вы точно знаете, как он стоит в небе: он создает огромный «поток вниз» (нисходящий поток) воздуха, который уравновешивает его вес.Роторы вертолетов очень похожи на аэродинамические поверхности самолетов, но вращаются по кругу, а не движутся вперед по прямой линии, как те, что на самолете. Несмотря на это, самолеты создают поток воды точно так же, как и вертолеты - просто мы этого не замечаем. Промывка не так очевидна, но она так же важна, как и с вертолетом.

Этот второй аспект подъема намного легче понять, чем перепады давления, по крайней мере, для физика: согласно третьему закону движения Исаака Ньютона, если воздух придает силу, направленную вверх, самолет должен давать (равный и противоположный) вниз сила в воздух.Таким образом, самолет также создает подъемную силу, используя свои крылья для выталкивания воздуха вниз за собой. Это происходит потому, что крылья не идеально горизонтальны, как вы могли бы предположить, но слегка отклонены назад таким образом, они взлетели в воздух под углом атаки . Наклоненные крылья толкают вниз как ускоренный воздушный поток (сверху над ними), так и более медленный движущийся воздушный поток (снизу над ними), и это вызывает подъем. Поскольку изогнутая верхняя часть аэродинамического профиля отклоняет (отталкивает) больше воздуха, чем прямая нижняя часть (другими словами, намного более резко изменяет траекторию поступающего воздуха), она производит значительно большую подъемную силу.

Как крылья аэродинамического профиля вызывают подъем № 2: изогнутая форма крыла создает область низкого давления над ним (красная), которая создает подъемную силу. Низкое давление заставляет воздух ускоряться над крылом, а изогнутая форма крыла (и более высокое давление воздуха значительно выше потока измененного воздуха) заставляет этот воздух в мощный поток воды, также поднимая самолет вверх. Эта анимация показывает, как различные углы атаки (угол между крылом и входящим воздухом) изменяют область низкого давления над крылом и подъемную силу, которую он делает.Когда крыло плоское, его изогнутая верхняя поверхность создает скромную область низкого давления и небольшую подъемную силу (красная). По мере увеличения угла атаки подъем также резко возрастает - до некоторой точки, когда увеличение сопротивления приводит к срыву плоскости (см. Ниже). Если мы наклоним крыло вниз, мы создадим более низкое давление под ним, и самолет упадет. Основанный на Аэродинамике, общедоступном учебном фильме Военного департамента 1941 года.

Вам может быть интересно, почему воздух вообще падает за крыло.Почему, например, он не попадает в переднюю часть крыла, не изгибается сверху, а затем продолжается горизонтально? Почему есть обратная промывка, а не просто горизонтальная «промывка»? Вспомните наше предыдущее обсуждение давления: крыло понижает давление воздуха непосредственно над ним. Выше, намного выше плоскости, воздух все еще находится под нормальным давлением, которое выше, чем воздух непосредственно над крылом. Таким образом, воздух нормального давления значительно выше крыла выталкивает воздух более низкого давления непосредственно над ним, эффективно «впрыскивая» воздух вниз и позади крыла при обратной промывке.Другими словами, разность давлений, создаваемая крылом, и поток воздуха за ним - это не две отдельные вещи, а все неотъемлемая часть одного и того же эффекта: наклонное крыло аэродинамического профиля создает разницу давлений, которая создает поток вниз, и это приводит к лифт.

Теперь мы можем видеть, что крылья - это устройства, предназначенные для выталкивания воздуха вниз, легко понять, почему самолеты с плоскими или симметричными крыльями (или перевернутые каскадеры) все еще могут безопасно летать. Пока крылья создают нисходящий поток воздуха, самолет будет испытывать равную и противоположную силу - подъемную силу - которая будет удерживать его в воздухе.Другими словами, перевернутый пилот создает определенный угол атаки, который создает достаточно низкое давление над крылом, чтобы держать самолет в воздухе.

Сколько лифта вы можете сделать?

Обычно воздух, проходящий через верх и низ крыла, очень близко повторяет изгиб поверхностей крыла - так же, как вы могли бы следовать ему, если бы вы обводили его контур пером. Но с увеличением угла атаки плавный поток воздуха за крылом начинает разрушаться и становится более турбулентным, что снижает подъемную силу.Под определенным углом (как правило, около 15 °, хотя он и меняется), воздух больше не плавно обтекает крыло. Есть большое увеличение сопротивления, большое снижение подъемной силы, и у самолета, как говорят, есть , остановленный . Это немного запутанный термин, потому что двигатели продолжают работать, а самолет продолжает летать; киоск просто означает потерю подъема.

Фото: как самолет глохнет: Вот аэродинамическое крыло в аэродинамической трубе, обращенное к встречному воздуху под крутым углом атаки.Вы можете видеть линии наполненного дымом воздуха, приближающиеся справа и отклоняющиеся вокруг крыла, когда они движутся влево. Обычно линии воздушного потока очень близко соответствуют форме (профилю) крыла. Здесь из-за крутого угла атаки воздушный поток отделился позади крыла, и турбулентность и сопротивление значительно возросли. Самолет, летящий таким образом, испытал бы внезапную потерю подъемной силы, которую мы называем «сваливание». Фото любезно предоставлено NASA Langley Research Center.

Самолеты могут летать без крыльев в форме крыльев; вы будете знать, что если вы когда-либо делали бумажный самолетик - и это было доказано 17 декабря 1903 года братьями Райт.Из их оригинального патента «Flying Machine» (патент США № 821393) ясно, что слегка наклоненные крылья (которые они называли «самолетами») являются ключевыми частями их изобретения. Их «самолеты» были просто кусочками ткани, натянутой на деревянный каркас; у них не было профиль аэродинамического профиля. Райтс понял, что угол атаки имеет решающее значение: «В летательных аппаратах того типа, к которому относится данное изобретение, аппарат поддерживается в воздухе из-за контакта воздуха с нижней поверхностью одного или нескольких самолетов, контакт -поверхность, представленная под небольшим углом падения к воздуху.«[Акцент добавлен]. Хотя Райтс были блестящими учеными-экспериментаторами, важно помнить, что им не хватало наших современных знаний аэродинамики и полного понимания того, как именно работают крылья.

Неудивительно, что чем больше крылья, тем больше подъемная сила, которую они создают: удвоение площади крыла (это плоская область, которую вы видите сверху вниз) удваивает и подъем, и его сопротивление. Вот почему гигантские самолеты (как C-17 Globemaster в нашем верхнее фото) есть гигантские крылья.Но маленькие крылья могут также сильно поднять, если они движутся достаточно быстро. Для обеспечения дополнительной подъемной силы при взлете самолеты имеют закрылки на крыльях, которые они могут выдвинуть, чтобы толкать больше воздуха вниз. Подъем и сопротивление варьируются в зависимости от квадрата вашей скорости, поэтому, если самолет движется в два раза быстрее, чем встречный воздух, его крылья производят в четыре раз больше подъема (и сопротивления). Вертолеты производят огромную подъемную силу, быстро вращая лопасти винта (по существу тонкие крылья, которые вращаются по кругу).

Крыло вихрей

Теперь самолет не выбрасывает воздух за собой полностью чистым способом. (Например, вы можете себе представить, как кто-то выталкивает большой ящик с воздухом из задней двери военного транспортера, чтобы он упал прямо вниз. Но это не работает так!) Каждое крыло фактически направляет воздух вниз, делая Прямо за ним вращается вихря (разновидность мини-торнадо). Это немного похоже на то, когда вы стоите на платформе на железнодорожной станции, и высокоскоростной поезд несется мимо, не останавливаясь, оставляя после себя ощущение всасывающего вакуума.На плоскости вихрь имеет довольно сложную форму, и большая его часть движется вниз, но не все. В центре движется огромный поток воздуха, но некоторое количество воздуха фактически циркулирует вверх по обе стороны от кончиков крыльев, уменьшая подъемную силу.

Фото: законы Ньютона заставляют летать самолеты: самолет генерирует восходящую силу (подъем), толкая воздух вниз к земле. Как показывают эти фотографии, воздух движется вниз не в аккуратном и чистом потоке, а в вихре. Среди прочего, вихрь влияет на то, насколько близко один самолет может лететь за другим, и это особенно важно вблизи аэропортов, где постоянно движется множество самолетов, создавая сложные турбулентные структуры в воздухе.Слева: цветной дым показывает вихри крыльев, созданные настоящим самолетом. Дым в центре движется вниз, но поднимается за концы крыльев. Справа: как выглядит вихрь снизу. Белый дым показывает тот же эффект в меньшем масштабе в тесте аэродинамической трубы. Обе фотографии любезно предоставлено NASA Langley Research Center.

Как самолеты управляют?

Что такое рулевое управление?

Управлять всем - от скейтборда или велосипеда до автомобиля или гигантский реактивный самолет - означает, что вы меняете направление движения.С научной точки зрения, изменение чего-то направление движения означает, что вы изменяете его скорость на , то есть скорость, которую он имеет в определенном направлении. Четный если он движется с той же скоростью, если вы меняете направление движения, вы меняете скорость. Менять что-то Скорость (включая направление движения) означает, что вы ускоряете ее . Опять же, не имеет значения, останется ли скорость то же самое: смена направления всегда на означает изменение скорости и ускорения.Законы движения Ньютона говорят нам, что Вы можете только ускорить что-то (изменить его скорость или направление движения), используя силу, другими словами, толкать или тянуть это как-то. Короче говоря, если вы хотите управлять чем-то, вам нужно приложить силу к Это.

Фото: управлять самолетом, наклонившись под крутым углом. Фото Бена Блокера любезно предоставлено ВВС США.

Другой способ взглянуть на рулевое управление - думать о нем как о том, чтобы заставить что-то перестать двигаться по прямой и начать движение по кругу.Это означает, что вы должны дать ему то, что называется центростремительная сила. Вещи, которые движутся по кругу (или поворот по кривой, которая является частью круга) всегда что-то действует на них, чтобы дать им центростремительную силу. Если вы управляете автомобилем за поворотом, центростремительная сила возникает из-за трения между четырьмя шинами и дорогой. Если вы ездите на велосипеде по кривой скорости, часть вашей центростремительной силы исходит от шин, а часть от опираясь на поворот. Если вы на скейтборде, вы можете наклонить колоду и наклониться, чтобы ваш вес помог центростремительная сила.В каждом случае вы движетесь по кругу, потому что что-то обеспечивает центростремительную силу, которая тянет вас путь от прямой линии и закруглить в кривой.

Рулевое управление в теории

Если вы находитесь в самолете, вы, очевидно, не соприкасаетесь с землей, откуда же берется центростремительная сила? чтобы помочь вам объехать круг? Точно так же, как велосипедист наклоняется в повороте, самолет «наклоняется» в поворот. Рулевое управление включает в себя и , где самолет наклоняется в одну сторону, а одно крыло опускается ниже другого.Самолет Общий лифт наклонен под углом и, хотя большая часть лифта все еще действует вверх, некоторые теперь действуют вбок. Это боком часть подъема обеспечивает центростремительную силу, которая заставляет самолет вращаться по кругу. Так как есть меньше лифта действуя вверх, есть меньше, чтобы уравновесить вес самолета. Вот почему поворот самолета по кругу сделает он теряет подъемную силу и высоту (высоту), если пилот не делает что-то еще для компенсации, например, используя лифты (поверхности управления полетом в задней части самолета), чтобы увеличить угол атаки и, следовательно, снова поднять подъемную силу.

Рисунок: Когда самолет наклоняется, подъем, созданный его крыльями, наклоняется под углом. Большая часть подъемной силы все еще действует вверх, но некоторые наклоняются в одну сторону, обеспечивая центростремительную силу, которая заставляет самолет поворачиваться по кругу. Чем круче угол крена, тем больше подъемная сила наклонена в сторону, тем меньше направленная вверх сила, чтобы уравновесить вес, и тем больше потеря высоты (если пилот не компенсирует это).

Управление на практике

В кабине есть рулевое управление, но это единственное, что у самолета общего с автомобилем.Как вы управляете чем-то, что летит по воздуху на высокой скорости? Просто! Вы заставляете поток воздуха по-разному проходить мимо крыльев с каждой стороны. Самолеты перемещаются вверх и вниз, управляются из стороны в сторону и останавливаются комплексом Совокупность движущихся закрылков называется управляющими поверхностями на передней и задней кромках крыльев и хвоста. Это так называемые элероны, лифты, рули, спойлеры и воздушные тормоза. Сейчас полет на самолете очень сложен, и я не пишу здесь руководство для пилота: это просто очень базовое введение в науку о силах и движении, поскольку они применимы к самолетам.Для простого обзора всех различных органов управления самолетом и как они работают, взгляните на статью Википедии о поверхностях управления. Базовое введение НАСА в полет имеет хороший рисунок управление кабиной самолета и как вы используете их для управления самолетом. Вы найдете гораздо больше подробностей в официальном FAA Справочник пилота по авиационным знаниям (глава 6 посвящена управлению полетом).

Один из способов понять управляющие поверхности - это построить себе бумажную плоскость и экспериментировать. Первый, создайте себе базовый бумажный самолетик и убедитесь, что он летит по прямой линии.Затем отрежьте или разорвите заднюю часть крыльев, чтобы сделать некоторые элероны. Наклоните их вверх и вниз и посмотрите, какой эффект они в разных позициях. Наклоните один вверх и один вниз и посмотрите, какая разница. Затем попробуйте сделать новый самолет с одним крылом больше другого (или тяжелее, добавив скрепки). Чтобы заставить бумажный самолет управлять рулем, нужно, чтобы одно крыло создавало большую подъемную силу, чем другое - и вы можете делать это разными способами!

Больше деталей самолета

Фото: братья Райт проявили очень научный подход к полету, дотошно проверяя каждую особенность своих самолетов.Здесь они изображены во время одного из их первых полетов на самолете 17 декабря 1903 года. Предоставлено NASA / Интернет-архив.

Вот некоторые другие ключевые части самолетов:

• Топливные баки : Вам нужно топливо для питания самолета - его много. Airbus A380 вмещает более 310 000 литров (82 000 галлонов) топлива, что примерно в 25 000 раз больше, чем у обычной машины! Топливо безопасно упакованы в огромные крылья самолета.
• Шасси : Самолеты взлетают и садятся на прочные колеса и шины, которые быстро втягиваются в ходовую часть (самолет днище) с помощью гидравлических цилиндров для уменьшения сопротивления (сопротивления воздуха) при они в небе.
• Радио и радар : братья Райт должны были Первопроходец самолета Китти Хок целиком на виду. Это не имеет значения потому что он летел около земли, оставался в воздухе всего 12 секунд, и не было другие самолеты, о которых нужно беспокоиться! В эти дни небо упаковано самолеты, которые летают днем, ночью и в любую погоду. Радио, радар и спутниковые системы имеют важное значение для навигации.
• Кабины под давлением : давление воздуха падает с высотой над поверхностью Земли - именно поэтому альпинисты должны использовать кислород цилиндры для достижения экстремальных высот.Вершина горы Эверест чуть менее 9 км над уровнем моря, но реактивные самолеты обычно летать на больших высотах, чем это, и военные самолеты летали почти в три раза выше! Вот почему пассажирские самолеты имеют герметичные кабины: те, в которые постоянно подается нагретый воздух чтобы люди могли дышать правильно. Военные летчики избегают проблемы путем носить маски для лица и герметичные костюмы.

Благодарности

Я очень благодарен Стиву Носковичу за неоценимую помощь в уточнении и улучшении моего объяснения о том, как крылья производят подъем.

Узнайте больше

На этом сайте

На других сайтах

• Руководство для начинающих по аэронавтике: отличное введение в науку о полете (особенно для студентов) из Исследовательского центра имени Гленна при НАСА. Рассказывает, как работают самолеты и двигатели, аэродинамические трубы, гиперзвуковые системы, аэродинамика, воздушные змеи и модельные ракеты.
• Документы Уилбура и Орвиля Райта в Библиотеке Конгресса. Довольно много интересных работ и фотографий Райта доступны в Интернете.
• Flying Machine: Оригинальный патент братьев Райт (поданный 22 марта 1903 г. и выданный 22 мая 1906 г.) заслуживает прочтения, поскольку он дает представление о полете собственными словами изобретателей. Поскольку в этом патенте описана машина без двигателя, легко понять решающее значение крыльев в «летающей машине» - то, что мы обычно упускаем из виду в эпоху реактивного двигателя!
• Справочник пилота по авиационным знаниям: Министерство транспорта США / FAA, 2016. К сожалению, даже в этом официальном руководстве приводятся неверные объяснения Бернулли / равных транзитов подъема.

Книги

Для пожилых читателей

Для младших читателей

Летная школа
• : Как шаг за шагом летать на самолете Ник Барнард. Темза и Гудон, 2012. Хорошо иллюстрированный обзор из 48 страниц для детей 8–12 лет.
• Свидетель: Полет Эндрю Наума. Дорлинг Киндерсли, 2011. Визуальное руководство по истории и технологиям самолетов и других летательных аппаратов.
• Воздушное и космическое путешествие Криса Вудфорда. Факты по делу, 2004 год. Одна из моих собственных книг, эта история об истории полета на воздушных шарах, самолетах и ​​космических ракетах.Подходит для детей от 10 до 10 лет.

Статьи

• [PDF] Как работают крылья? Профессор Хольгер Бабинский. Physics Education, Volume 38, Number 6, 2003. Более подробное объяснение того, почему традиционное бернуллиевское объяснение подъема неверно, и альтернативное объяснение того, как крылья действительно работают.

Видео

• Воздушный поток через крыло и Как работают крылья: Эти короткие научные фильмы Хольгера Бабинского показывают движение воздуха через аэродинамическую поверхность (аэродинамический профиль) при изменении угла атаки и доказывают, что классическое простое объяснение Бернулли, основанное на равном времени прохождения, неверно.
• Как крылья на самом деле работают ?: Краткое описание проекта Bloodhound SSC охватывает ту же тему, что и моя статья, но всего за полторы минуты!
• Как летают самолеты: длинное (18,5 минуты) видео 1968 года Федерального управления гражданской авиации, в котором объясняются основы полета пилотов.
• Аэродинамика: в этом старом и неопрятном учебном фильме военного министерства США 1941 года объясняется теория аэродинамических профилей и то, как они производят различную подъемную силу при изменении угла атаки.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты.

Статьи с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным наказаниям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2017. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Следуйте за нами

Поделиться этой страницей

Сохраните эту страницу на потом или поделитесь ею с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2017) Самолеты. Получено с https://www.explainthatstuff.com/howplaneswork.html. [Доступ (Введите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте ...

,