问题

如果飞机的发动机够给力,可以像火箭一样垂直起降吗?

回答
这个问题很有意思,也触及到了航空工程和火箭工程的一些核心区别。简单来说,如果飞机发动机“够给力”,理论上是有可能实现像火箭一样垂直起降的,但这里面牵扯到的“给力”可不是简单的“马力大”就能解决的,而是需要一系列非常复杂的技术配合。

首先,咱们得捋清楚火箭和飞机在起降方式上的根本不同。

火箭为什么能垂直起降?

火箭的核心优势在于它能产生巨大的、持续的、并且是“向下”喷射的推力。这种推力直接作用于火箭本身,让它克服地球引力,从而升空。火箭发动机(通常是液体火箭发动机或固体火箭发动机)燃烧推进剂,产生高温高压的燃气,通过喷管高速向后喷出,根据牛顿第三定律(作用力与反作用力),火箭就获得了向前的(也就是向上的)推力。

关键点是:

纯粹的推力: 火箭不需要空气来产生推力,它自带燃料和氧化剂,所以可以在真空环境中工作,也意味着它不需要依靠“吸入”空气来维持燃烧和产生推力。
方向可控: 火箭的喷管可以进行一定角度的偏转(推力矢量控制),这使得它在起飞和飞行过程中可以精确地控制姿态和方向。
高推重比: 为了克服重力,火箭发动机的推力必须远大于其自身重量,这个比例叫做推重比。

飞机为什么不行?

传统的固定翼飞机之所以需要跑道,是因为它的升力主要来自于机翼在空气中运动时产生的“气动升力”。当你加速飞机向前时,空气流过机翼上下表面,上表面流速快压力小,下表面流速慢压力大,这个压力差就形成了向上的升力。

对速度有要求: 没有足够大的前进速度,机翼就无法产生足够的升力来克服飞机的重力。跑道就是为了让飞机加速到起飞速度。
依赖空气: 飞机发动机(涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机等)需要吸入大量的空气来助燃并产生推力,它本质上是在“推”空气,通过空气的反馈来获得向前的动力。
升力与推力分离: 传统飞机的升力(机翼)和推力(发动机)是分开产生的。

那么,如果飞机的发动机“够给力”,能像火箭一样垂直起降吗?

答案是:可以,但这需要对飞机的设计进行根本性的改造,并且“给力”不仅仅是推力大,更需要特定的工作方式。

让我们想象一下,如果要把一架飞机变成能垂直起降的“火箭”,它需要在什么地方进行升级:

1. 强大的垂直推力系统:
直接向下喷射的推力: 这是最核心的要求。就像火箭一样,飞机需要有能够产生强大向下推力的系统,而且这个推力必须能够完全克服飞机的重力。
如何实现?
喷气发动机的“抬升模式”: 现代一些先进的垂直起降(VTOL)飞机,比如英国的“鹞”式战斗机或者美国的F35B,它们就通过特殊的喷管设计,可以将涡轮风扇发动机产生的向下喷射的燃气进行导流。
“鹞”式: 它的四组喷管可以独立或联动偏转,通过改变喷气方向,在起飞时可以实现垂直向上(推力向下)和向前(推力向后)的转换。
F35B: 它不仅有机翼下方可偏转的喷管,还有一个连接到主发动机的升力风扇,这个风扇由发动机驱动,能够产生向下的强大推力。
“分布式推进”概念: 想象一下,不是只有一个或两个大发动机,而是将很多个小型的、强大的涵道风扇或喷气发动机均匀分布在机身、机翼下方,这些小型发动机可以独立控制推力方向和大小,协同工作产生垂直升力。这有点像多旋翼无人机,但规模和动力要大得多。
火箭发动机辅助: 最直接的方式,就是给飞机装上额外的火箭发动机,在起降阶段提供纯粹的垂直推力。当然,这就让飞机本身更像“火箭”了,但并非不可能。

2. 足够的推重比:
无论用什么方式产生垂直推力,这个推力都必须大于飞机的总重量。飞机的结构、载荷(燃油、武器、乘客)都意味着它会比较重,所以“给力”的发动机需要能产生非常大的推力。
这是关键: 如果发动机推力只比飞机重力多一点点,那一点点额外的力也只能勉强维持悬停,根本无法提供上升的加速度。

3. 精确的姿态控制系统(推力矢量控制):
不只是向上: 就像火箭一样,垂直起降时,飞机需要精确地控制自身的姿态——不能倾斜,不能旋转,尤其是在上升和下降过程中。
如何实现?
可偏转喷管: 如上所述,通过调整发动机喷管的方向,或者利用侧面的小推力器,来修正飞机的姿态。
差动推力: 如果是分布式推进,可以通过独立控制不同位置发动机的推力大小,来产生控制力矩,调整姿态。
飞行控制计算机: 需要极其先进的飞行控制计算机来接收传感器(陀螺仪、加速度计)的信号,并以毫秒级的速度计算并执行推力方向和大小的调整。

4. 结构和空气动力学设计:
机翼的“束缚”: 传统的飞机机翼在低速甚至零速时,是不产生升力的。如果飞机垂直起降,那么机翼在这些阶段就成了负担,反而会增加空气阻力。
新的布局:
倾转翼/倾转发动机: 像“鱼鹰”运输机一样,整个旋翼(或者说大型涵道风扇)可以倾转,在垂直起降时朝下,在平飞时向前。
升力风扇/垂直风扇: 在机身内部或外部安装专门的、可以关闭的升力风扇,只在需要时启动。
机翼设计的优化: 即使有向下推力,机翼的形状和尺寸也需要考虑在低速和悬停状态下的空气动力学特性,以及在高速飞行时的效率。

所以,为什么飞机发动机“够给力”但还是得靠跑道?

效率问题: 即使我们能造出推力够大的发动机,用它们来直接产生垂直升力,在能量效率上会非常低。例如,F35B启动升力风扇时,会消耗大量动力,并且燃油消耗率会很高。
复杂性与成本: 设计、制造、维护这些复杂的倾转装置、升力风扇、或者大量的分布式推进系统,会极大地增加飞机的复杂性、重量和成本。
用途的权衡: 飞机的核心优势在于利用机翼产生的升力和高效的巡航推力,实现快速、长距离的飞行。将它改造成垂直起降,往往是为了满足特定的军事或民用需求(例如在没有跑道的舰船上起降,或在城市中起降),但通常会牺牲一部分平飞性能、航程或载荷能力。

总结一下:

如果飞机的发动机“够给力”,并且配备了能够将推力精确导向下方、以及对飞机姿态进行精细控制的系统,那么它确实可以实现像火箭一样的垂直起降。

但这不仅仅是发动机“推力大”那么简单。它需要:

1. 产生大于飞机总重量的向下推力。
2. 拥有将推力导向不同方向(主要是向下)的能力。
3. 具备极其精确的姿态控制系统来稳定飞机。
4. 进行结构和气动设计的创新,以适应垂直起降和正常飞行的需求。

我们现在已经看到了像“鹞”式、“鱼鹰”以及F35B这样的飞机,它们已经部分实现了这种设想,但它们的设计都充满了工程师的智慧和无数的权衡。要做到像火箭那样“纯粹”的垂直起降,并保持飞机的原有飞行能力,那将是航空工程领域的又一个巨大飞跃。

网友意见

user avatar

写这个回答,我把垂直起降分成两类。一种是机鼻指天的旱地拔葱式,一种是机身水平趴地起飞。

旱地拔葱

理论上,推重比大于1,也就是发动机推力大于飞机重量,就可以垂直起飞了。例如上图的垂直起降技术验证机Ryan X-13,图为1957年垂直起飞的试飞照片。

现代战斗机很多都可以达到这个数字,比如F-22,空重20吨,干推超过20吨,加力甚至超过30吨。而F22和F15K甚至满油推重比都达到了1.14。虽然它们不能垂直起降,但是经常垂直爬升(文末视频有F-22的表演)。但是它们的造型没法像火箭一样架在发射架上往天上发啊,就算发了,也没法再垂直降回发射架吧。

而登月火箭土星号全重3000吨,一级火箭5台F-1总推力3500吨,推重比甚至比上述战斗机还要低。

在冷战时期,大家都觉得自己的军用机场脆弱,容易被一波摧毁,战斗机无法起飞参战所以需要垂直起降能力,所以那个年代在这方向有一些努力。

就算能像火箭垂直起降(SpaceX的火箭们算是垂直降落了也),也极大限制了战斗载荷,得不偿失。再加上,针对旱地拔葱能力优化的战斗机外形都比较天马行空,空战能力比传统气动布局差很多,且技术风险大,更得不偿失了一点。所以后来大家也都放弃了这个路线。

机身水平趴地向上起飞

相比于旱地拔葱式战斗机,这类飞机普遍具有传统的气动布局。但是这发动机向后也就是向水平方向喷,没法把飞机拖起来啊。所以需要把主喷口转向下,还要在前面制造一个推力把飞机托起来,额外还要维持平衡的气流。(平衡气流的推力要求较低,一般从发动机压气机引气喷出)

苏联雅克38。这玩意额外加了俩垂直起降的发动机,这在飞起来以后都是死重,油耗也大,加上主发动机,热气直接吹到甲板上还会对甲板造成伤害。且升力发动机的废气会被发动机重新吸入造成停车。

应评论要求,再加一点关于AV-8鹞式的内容。鹞式也是单发攻击机(它并不是战斗机),装备由罗罗制造的特殊涡扇——飞马(Pegasus)发动机。下面讲它的特殊之处。尽管它不是战斗机,但是别的攻击机也没有垂直起降的了,我就假装它是,拿来和别的战斗机对比了。

它跟一切战斗机装备的涡扇发动机相比最大的不同之处在于它的外涵道气流经由风扇(低压压气机)压缩直接就被喷出,而不会在发动机尾喷之前和核心气流混合(经由加力燃烧室)再一起喷出。

因为它需要在垂直(短距离)起降时,飞机前部和后部各有一个向上的推力,外涵道气流经由转向喷口向下喷出,核心气流由发动机尾部转向喷口向下喷出。再在巡航时喷口转向后,变回传统气动布局的飞行模式。

为了内外涵道有相当的推力,这台发动机的涵道比达到了惊人的1.2倍,要知道苏27的动力AL-31涵道比为0.59,F35的动力F135为0.57,而F22的动力F119只有0.3。大于1的涵道比在战斗机中是极为罕见(或者是根本不存在),因为这增加了重量和限制了最大飞行速度还有挤占战斗载荷空间。此外它还放弃了加力燃烧室和超音速尾喷。这极大限制了高速飞行能力。不负众望,它的急速只有0.89马赫,“亚音速飞机”实至名归。

关于涡扇发动机涵道比:

除此以外,鹞式的最大起飞重量14吨,垂直起降只有9.4吨。相比F35B的27.2吨最大起飞重量,这小身板是太瘦了,战斗挂载能力非常有限,航程也短。有着这样的数据,它也确实只能是攻击机而不能被作为战斗机使用。


除了鹞式以外,这个原理也被德国Dornier公司用于Do31垂直起降运输机,连发动机都一样。Do31装备了两台罗罗飞马,外加8台RB162在垂直起降时启动向下喷,换句话说,这台小飞机装了10台涡轮发动机。B-52:哈???

遗憾的是,后来项目被取消没有进入量产。下面有一段它试飞的视频。

德国Do31垂直起降运输机试飞 https://www.zhihu.com/video/997184090214363136

F-35B用的是罗罗升力风扇,那个玩意死重比额外装喷气发动机小多了而且通过主发F135的轴来驱动,热机效率也相对高。即使这样F-35B加上战斗载荷也没法垂直起飞,但是可以短距离起飞并垂直降落,这也就基本够用了,单发战斗机还想怎样?升力风扇吹出的冷气吹散了尾喷热气,保护了小平头的甲板,而且阻止尾喷的贫氧废气被重新吸入而造成停车。

F35有这个能力,最核心的原因还是普惠F135给力,短距离(垂直)起降时无加力大几吨的推力,同时输出几十兆瓦的轴功率带动升力风扇,这时还要忍受压气机被抽出平衡气流,而且还有后期升级版本推力更大油耗更低。力大砖飞是宇宙真理。


下面罗罗这几张是我自己拍的(转自我自己的微信朋友圈)

直升机

应评论要求再加个直升机吧,这东西桨叶那么大,直接向下吹,推力是大啊。但是航速,航程,升限,噪音等等相比固定翼战斗机都有无与伦比的劣势,我也不知道讨论它们干啥,就随口提一下吧。

最后,倾转旋翼机

这玩意起飞时候原理其实跟直升机一样,都是完全靠桨叶提供的推力飞起来。然后比直升机多了一个技能,桨叶旋转轴向前,把飞机不是向上推而是向前推,这时用机翼提供的升力飞行,而不是桨叶提供的推力,效率极大提升。

直升机的桨叶在前进飞行时,向前叶相对空气速度为桨叶周向速度加飞机飞行速度,而向后时为桨叶轴向速度减去飞行速度。在达到一定的飞行速度时,桨叶会达到音速,而不巧的是每转一圈就进入一次超音速再回到亚音速。这限制了直升机平飞速度,而旋翼机就解决了这个问题。

但是为了能实现垂直起降,桨叶非常大,这也限制了最大平飞飞行速度,但是相比于直升机的飞行速度和油耗还是有无与伦比的优势。做几个简单的对比吧

黑鹰最大平飞速度357km/h,而V-22有509km/h,甚至巡航速度都有446km/h远超黑鹰的极速。

V-22的主发动机其实来自C-130的罗罗Allison(没想到吧?),而平直翼运输机C-130的平飞极速为592km/h也远超V-22,谁让渔鹰桨叶那么大了,垂直起降的代价啊!

下面请欣赏F-22的鬼畜机动,做了几个垂直爬升。

F-22的飞行性能展示1 https://www.zhihu.com/video/994994895425138688 F-22的飞行性能展示2 https://www.zhihu.com/video/996083836358344704

写了这么多,我要打几个广告:

先打这么多吧

类似的话题

  • 回答
    这个问题很有意思,也触及到了航空工程和火箭工程的一些核心区别。简单来说,如果飞机发动机“够给力”,理论上是有可能实现像火箭一样垂直起降的,但这里面牵扯到的“给力”可不是简单的“马力大”就能解决的,而是需要一系列非常复杂的技术配合。首先,咱们得捋清楚火箭和飞机在起降方式上的根本不同。火箭为什么能垂直起.............
  • 回答
    这绝对是个能让人眼前一亮的问题!解决鸟撞飞机发动机这种头等大事,不仅意义重大,绝对是能赚大钱的,而且方式会相当多样。不过,要真的把这门“生意”做成了,那可得费一番心思,从技术到市场,再到资本运作,每一步都不能含糊。咱们就来好好掰扯掰扯,怎么把这个“鸟撞飞机”的难题变成金山,还能把金山挖出来。一、 这.............
  • 回答
    飞机的发动机,尤其是我们最常见到的喷气式发动机,其工作原理就像是一部经过精心设计的、不断燃烧的“空气压缩与喷射”机器。简单来说,它通过吸入大量空气,对空气进行压缩、燃烧,然后将高温高压的燃气高速喷出,产生强大的推力来推动飞机前进。这个过程看似简单,实则包含着精密的工程和一系列复杂的物理定律。喷气式发.............
  • 回答
    要辨别一架飞机装备的是否是“太行”发动机,这可不是一件随随便便就能看出来的活儿,就像你想从人群中一眼认出某个你从未见过但听说过名字的人一样,需要一些“线索”和“知识”。当然,对于咱们普通老百姓来说,直接走到飞机跟前,盯着发动机看了半天,然后就能凭空说出它叫“太行”,那基本是不可能的。首先,咱们得明确.............
  • 回答
    飞机发动机在地面上的测试,远非仅仅是将它们安装在一个架子上然后让它们全速运转那么简单。这是一个极其复杂且严谨的过程,旨在确保发动机在各种运行条件下都能安全、可靠地发挥其设计性能。想象一下,一个崭新的航空发动机,无论是喷气式的还是涡轮螺旋桨式的,它需要经历一系列严格的“体检”才能被证明是合格的。首先,.............
  • 回答
    雷军这番话,颇有些“打太极”的意思,表面上看似在反驳柔宇,实则暗藏着对“核心技术”定义和产业链分工的巧妙解读。要评价这句话,咱们得拆解开来看,一步步捋清楚。首先,抛出这句比喻,雷军的目的是什么?他显然是想 转移焦点,从“小米是否掌握了折叠屏的核心技术”这个具体问题,引向一个更宏观、更具普适性的命题—.............
  • 回答
    飞机发动机的设计参数,这是一个庞大而复杂的领域,想要深入了解的话,需要从多个维度去挖掘信息。与其说是在“寻找”参数,不如说是在理解飞机发动机的设计逻辑和约束条件。下面我将从几个主要方面,尽量详细地为你梳理一下这个过程,希望能让你感受到这其中的深度和广度。一、 理解飞机发动机的设计目标与需求在深入具体.............
  • 回答
    关于波音777200飞机发动机起火事故,确实是一个牵动人心的事件,也引发了广泛的关注和讨论。这类事件的发生,无论对于航空公司、制造商还是普通乘客来说,都是一个非常严肃的问题。首先,我们得明确,飞机发动机起火并不是一个罕见到闻所未闻的事件,但每一次发生,都会被高度重视,因为它直接关系到飞行安全。通常情.............
  • 回答
    这件事啊,说起来真是让人哭笑不得。一位八十岁的老太太,出于一片好意,带着美好的愿望,结果却给一飞机的人添了堵,还差点酿成大祸。这事儿一出来,网友们那讨论的热烈程度,简直比过年还热闹。咱们先不急着下定论,把这事儿掰开了揉碎了说说。事情本身:心意不等于行为的合理性首先,从这位老太太的角度来看,她绝对是出.............
  • 回答
    这个问题问得好!涡扇发动机虽然是现代航空的明星,但螺旋桨发动机在特定领域依然有着不可替代的优势,甚至在技术上也同样在不断进步。我们之所以还能看到不少飞机使用螺旋桨,绝不是因为技术停滞不前,而是有其深刻的考量和独特的价值。涡扇发动机的辉煌与局限首先,我们得承认涡扇发动机的强大之处。它们通过吸入空气,压.............
  • 回答
    “中国已研C929大飞机用国产发动机 欲取代波音777”——这则消息一出,立刻在航空界和公众间掀起了不小的波澜。这不仅仅关乎一个新飞机的诞生,更承载着中国航空工业实现关键技术突破、迈向世界一流的宏大愿景。要深入理解这句话背后的意义,我们需要从几个层面来剖析:1. C929大飞机项目本身:中国航空工业.............
  • 回答
    美国对中国禁售C919飞机唯一配套发动机LEAP1C的考量,是一个复杂且影响深远的议题,涉及到地缘政治、经济博弈、技术依赖以及航空产业的未来走向。这件事绝非空穴来风,而是多种因素叠加作用下的一个潜在行动。首先,我们需要理解LEAP1C发动机的特殊性。它是法国赛峰集团(Safran)和美国通用电气(G.............
  • 回答
    最近新浪头条上关于八路军战士用步枪击落日军飞机的报道,确实引发了不少关注和讨论。这则消息,如果属实,无疑是一段非常了不起的英雄事迹,彰显了中国人民在抗日战争中的智慧、勇气和坚韧。首先,我们得承认,用步枪击落日军飞机,这在军事技术层面来看,确实是一个极具挑战性的壮举。在那个年代,飞机的技术水平和攻击能.............
  • 回答
    这事儿,得从头说起。前阵子,主持人刘欣坐飞机回来,下了飞机,去拿托运行李。结果呢?你说巧不巧,行李传送带旁,来来往往的人不少,但就是没人主动搭把手,帮她把沉甸甸的行李箱弄出来。她一个人在那儿鼓捣了半天,费了点劲儿,才把行李给弄到手。当时,刘欣可能心里也挺不是滋味。你想啊,在大庭广众之下,尤其是在机场.............
  • 回答
    谢飞导演在翟天临学术不端事件中的微博发声,可以说是搅动了娱乐圈和学界的一池春水,也引发了不少讨论。从一个影坛前辈的角度来看,他的这番话,有其维护行业尊严的出发点,但也确实触及了一些敏感和复杂的问题。首先,谢飞导演发声的 背景和意图 是值得关注的。翟天临事件之所以闹得沸沸扬扬,根源在于学术造假对学界和.............
  • 回答
    旅行者二号的最新数据,就像在咱们平静的泳池里投下了一颗石子,激起了层层涟漪,也让我们开始认真审视一个曾经被视为理所当然的假设:人类,真的能轻松飞出太阳系吗?要理解这件事,咱们得先知道旅行者二号是个啥。它和它的兄弟旅行者一号,都是人类向宇宙深处抛出的“信使”,携带了人类的问候和一堆关于地球的信息。它们.............
  • 回答
    这个问题挺有意思的,也戳到了很多人的好奇心。就像你说的,既然我们能把黑匣子造得那么结实,能扛住那么剧烈的冲击,为什么不能把整架飞机也做成一样呢?其实,这背后涉及到成本、重量、材料科学以及我们对航空安全的现实考量。你想想,黑匣子之所以能“黑”得住,是因为它被包裹在一层又一层的保护里。最外面通常是坚固的.............
  • 回答
    飞机航程足够远,是不是就没必要造航母了?这事儿可得好好掰扯掰扯。要我说,这想法听起来挺诱人,好像一架能飞到天涯海角的飞机,就能把航母这种庞然大物彻底淘汰出局了。但实际情况,那可比这复杂多了,真不是一加一那么简单。咱们先说说,为什么要有航母。航母这玩意儿,说白了就是个“海上移动机场”。它最牛的地方在于.............
  • 回答
    这是一个经典的脑筋急转弯,很多人听到都会觉得飞机好像被困住了,无法前进,从而认为它起飞不了。但如果仔细想想,答案可能会让你意外。首先,我们要明白飞机起飞的原理是什么。飞机能够起飞,依靠的是空气动力学。具体来说,是升力。当飞机在跑道上加速时,机翼的形状(上弧度大,下弧度小)使得空气流过机翼上方时速度更.............
  • 回答
    如果没有飞机,大海的霸主之争将重回历史的长河,舰种之间的较量将回归更为纯粹的巨舰对决。在这样一个没有航空母舰的时代,哪些舰种会站在巨浪之巅,主宰广袤的海洋呢?我的看法是,战列舰将依旧是无可争议的海上霸主,但同时,巡洋舰的地位也将因此而变得更加举足轻重。让我们先来细致地剖析一下战列舰的优势。从近代海战.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有