为什么现代民用航空飞机很少采用涡桨发动机？
这个问题问得很有意思，也触及了现代民用航空器设计中一个非常核心的权衡点。简单来说，涡桨发动机在效率上确实有其独到之处，尤其是在中低速和特定高度范围内，但最终被涡扇发动机“主流化”，是多种因素综合作用的结果，其中最重要的就是速度、升限以及对运营灵活性的需求。
我们不妨把这个问题拆解开来，从几个关键维度来深入聊聊。
1. 涡桨发动机的优势与局限性
首先，我们得明白涡桨发动机的原理，以及它为什么会在早期航空史上占据重要地位，但又为何在现代民航领域逐渐式微。
涡桨发动机的原理： 涡桨发动机实际上是涡轮喷气发动机的一种衍生。它最核心的特点是，其涡轮产生的绝大部分功率并不是用来直接向后喷射高温燃气来产生推力，而是通过一个减速器（齿轮箱）驱动一个大直径的螺旋桨。螺旋桨在空气中旋转，将空气向前推，从而产生向前的推力。
涡桨的优势：
燃油效率（在特定条件下）： 在相对较低的飞行速度（通常是亚音速，约Mach 0.40.6）和中低空飞行时，螺旋桨的效率非常高。螺旋桨的直径越大，在较低速度下将空气加速的效率就越高。这使得涡桨飞机在起降、爬升以及巡航初期能耗相对较低。
起降性能： 由于螺旋桨能在大迎角下产生更大的推力，涡桨飞机通常拥有更好的短距起降能力。这对于一些跑道条件不佳或跑道较短的机场来说是个不小的优势。
低速噪音： 相对而言，低速旋转的螺旋桨产生的噪音可能比高速喷射的涡扇发动机的喷射噪音要小一些，尽管高马赫数螺旋桨叶尖的噪音会急剧增加。
涡桨的局限性：
速度瓶颈： 这是最致命的限制。随着飞行速度的增加，螺旋桨的效率会迅速下降。当螺旋桨叶尖的速度接近音速时，会产生激波，导致空气动力学效率急剧下降，推力减小，同时噪音剧增。这就像你骑自行车，蹬得越快，空气阻力越大，速度就越难再往上提升。涡桨发动机的有效工作速度上限通常在Mach 0.60.7左右。
升限限制： 涡桨发动机依靠螺旋桨在空气中“抓取”并加速空气来产生推力。在高空稀薄空气中，螺旋桨的效率会进一步降低，而涡扇发动机凭借其内部压气机和涡轮的优势，在高空仍然能保持较高的性能。
噪音与振动： 大直径螺旋桨在旋转时，即使在设计良好的情况下，也会产生一定的噪音和振动，尤其是在高功率输出时。
2. 涡扇发动机的崛起与全面掌控
与涡桨发动机形成鲜明对比的是涡扇发动机，后者以其出色的高速性能和日益提高的燃油效率，逐渐成为了现代民航的主流选择。
涡扇发动机的原理： 涡扇发动机的核心是涡轮喷气发动机。它通过压气机增压空气，然后与燃油混合燃烧，产生高温高压燃气。这部分燃气通过涡轮驱动压气机和风扇，并将剩余的能量向后喷射，直接产生推力。而“涵道比”的概念在这里就非常关键了：
低涵道比涡扇： 早期的涡扇发动机，大部分空气直接流经核心机（压气机、燃烧室、涡轮），旁通空气较少。它们更像是一个强化的喷气发动机，推力主要来自核心机喷出的高速燃气。
高涵道比涡扇（现代主流）： 现代民航飞机普遍采用的是高涵道比涡扇发动机。这意味着绝大部分（例如80%以上）的空气实际上是通过发动机前方的“风扇”被加速并向后排出，但这些空气并不经过燃烧室和涡轮，只是被风扇推着走。这就像一个被包裹起来的大号螺旋桨，但它在高速运行时效率远高于传统的螺旋桨。
涡扇的优势：
高速性能： 这是涡扇发动机的最大优势。高涵道比风扇的设计允许其在Mach 0.750.85甚至更高速度下保持极高的效率。这是涡桨发动机无论如何也无法企及的。现代商用客机巡航速度都在这个范围内，可以大大缩短飞行时间，提高运输效率。
升限优势： 涡扇发动机在高空表现出色。核心机的高效率使其在高空稀薄空气中仍能产生可观的推力。
燃油效率（在高空高速巡航）： 虽然涡桨在低速低空更省油，但在现代民航追求的高速巡航条件下，设计得当的高涵道比涡扇发动机其单位推力油耗（SFC）实际上是优于涡桨的。因为飞行员可以在更高的高度以更快的速度飞行，单位时间内完成的航程更多，总的燃油消耗效率就体现在了这里。
噪音控制（相对而言）： 尽管涡扇发动机的喷射速度很高，但通过高涵道比设计，一部分推力来自于被风扇加速的相对低温低速的空气，这在一定程度上降低了单位推力的噪音，尤其是在起飞时比早期涡喷更安静。当然，对于地面观察者来说，高空飞机的发动机噪音依然存在。
可靠性与维护： 随着技术进步，涡扇发动机的可靠性和维护周期也大大延长，这对于商业航空公司至关重要。
3. 市场需求与航空公司运营的考量
最终，发动机的选择不仅仅是技术层面的比拼，更是市场需求和商业运营模式的体现。
对速度和时间的追求： 现代商业航空的核心竞争力之一就是“快”。乘客愿意支付更高的票价来节省宝贵的旅行时间。涡扇发动机带来的更高巡航速度，直接转化为航空公司在市场上的竞争优势。一家航空公司如果用涡桨飞机执飞跨洋航线或者长途大陆航线，其飞行时间会比使用涡扇飞机的对手长很多，这在商业上是不可接受的。
航线网络的灵活性： 大多数现代民航飞机需要能够执飞各种各样的航线，从短途到长途，从小城市到大都市。涡扇发动机赋予飞机更宽广的飞行包线，使其能够适应更多的高度和速度条件，提供更灵活的航线运营能力。航空公司不希望因为发动机的局限性而被迫选择某些特定类型的航线或机场。
单通道飞机与双通道飞机的区分：
单通道飞机（如波音737系列、空客A320系列）： 这些飞机承担着大量的短到中程航班，它们需要在经济性和运营灵活性之间找到平衡。然而，即使是中短程航班，为了保持与长途航班的竞争力和满足市场需求，其巡航速度也普遍达到了Mach 0.780.82。在这个速度区间，涡扇发动机的效率已经超越了涡桨。
双通道飞机（如波音777/787系列、空客A330/A350/A380系列）： 这些飞机主要执飞中远程及远程国际航线，对速度和航程的要求极高。涡扇发动机是它们唯一的可行选择。
支线航空的特殊性（涡桨的最后堡垒）： 尽管如此，涡桨发动机并没有完全消失。在支线航空领域，特别是在跑道较短、航线距离相对较短、以及机场密度较高的区域，涡桨飞机仍然有其生存空间。例如，庞巴迪的Q系列（如Q400）和ATR系列飞机就广泛使用涡桨发动机。这些飞机通常执飞载客量在5090人之间的短程航线，其较低的起降速度和燃油经济性在这些特定场景下仍然具有优势。然而，即使在支线航空领域，随着新技术的引入和市场对速度需求的提升，一些新型支线飞机也开始转向涡扇（如CRJ系列），或者采用混合动力设计思路。
4. 技术进步与成本考量
涡扇技术的持续进步： 涡扇发动机技术一直在进步，尤其是在燃油效率、噪音控制和排放方面。高涵道比涡扇发动机通过减速齿轮箱（没错，现在一些高性能涡扇也有减速齿轮箱来驱动大风扇，这有点类似涡桨的思路但规模和设计理念完全不同）、先进的材料和气动设计，不断压缩与涡桨在某些条件下的效率差距，同时在更广泛的性能区间保持领先。
开发与制造成本： 研发全新一代的涡桨发动机系统（包括发动机本体、减速器、螺旋桨和飞控系统）可能需要巨大的投入，而且市场需求相对有限。航空公司倾向于选择已经成熟、有良好可靠性记录且维护网络完善的涡扇发动机。
总结
总而言之，现代民用航空飞机很少采用涡桨发动机，是因为：
1. 速度限制： 涡桨发动机在高速度下的效率断崖式下跌，无法满足现代航空对经济高效的快速飞行的需求。
2. 升限限制： 涡桨在稀薄高空下的性能不如涡扇。
3. 市场需求： 航空业追求的是更快的速度、更短的飞行时间、更广阔的航线覆盖，这些都指向了涡扇发动机的性能优势。
4. 涡扇技术的成熟： 高涵道比涡扇发动机在技术上不断进步，不仅在高速下高效，在中低速下也通过改进变得越来越经济，并且在高空性能出色。
5. 运营灵活性与成本： 航空公司需要能够执飞多种航线的灵活机型，涡扇飞机提供了这种灵活性。同时，成熟的涡扇发动机维护体系也降低了运营成本。
虽然涡桨发动机在支线航空的特定领域仍然发挥作用，但对于追求速度、效率和全球化运营的现代民用航空客运市场而言，涡扇发动机凭借其全面的性能优势，已经成为了无可争议的主流选择。这就像汽车市场一样，虽然电动车在某些方面效率更高，但在长途旅行和充电便利性上，燃油车在很长一段时间内仍然有其地位，但主流趋势无疑是向着更高效率、更快速度的方向发展，而在这个过程中，涡扇发动机扮演了那个“更快的发动机”的角色。
我们不妨把这个问题拆解开来，从几个关键维度来深入聊聊。
1. 涡桨发动机的优势与局限性
首先，我们得明白涡桨发动机的原理，以及它为什么会在早期航空史上占据重要地位，但又为何在现代民航领域逐渐式微。
涡桨发动机的原理： 涡桨发动机实际上是涡轮喷气发动机的一种衍生。它最核心的特点是，其涡轮产生的绝大部分功率并不是用来直接向后喷射高温燃气来产生推力，而是通过一个减速器（齿轮箱）驱动一个大直径的螺旋桨。螺旋桨在空气中旋转，将空气向前推，从而产生向前的推力。
涡桨的优势：
燃油效率（在特定条件下）： 在相对较低的飞行速度（通常是亚音速，约Mach 0.40.6）和中低空飞行时，螺旋桨的效率非常高。螺旋桨的直径越大，在较低速度下将空气加速的效率就越高。这使得涡桨飞机在起降、爬升以及巡航初期能耗相对较低。
起降性能： 由于螺旋桨能在大迎角下产生更大的推力，涡桨飞机通常拥有更好的短距起降能力。这对于一些跑道条件不佳或跑道较短的机场来说是个不小的优势。
低速噪音： 相对而言，低速旋转的螺旋桨产生的噪音可能比高速喷射的涡扇发动机的喷射噪音要小一些，尽管高马赫数螺旋桨叶尖的噪音会急剧增加。
涡桨的局限性：
速度瓶颈： 这是最致命的限制。随着飞行速度的增加，螺旋桨的效率会迅速下降。当螺旋桨叶尖的速度接近音速时，会产生激波，导致空气动力学效率急剧下降，推力减小，同时噪音剧增。这就像你骑自行车，蹬得越快，空气阻力越大，速度就越难再往上提升。涡桨发动机的有效工作速度上限通常在Mach 0.60.7左右。
升限限制： 涡桨发动机依靠螺旋桨在空气中“抓取”并加速空气来产生推力。在高空稀薄空气中，螺旋桨的效率会进一步降低，而涡扇发动机凭借其内部压气机和涡轮的优势，在高空仍然能保持较高的性能。
噪音与振动： 大直径螺旋桨在旋转时，即使在设计良好的情况下，也会产生一定的噪音和振动，尤其是在高功率输出时。
2. 涡扇发动机的崛起与全面掌控
与涡桨发动机形成鲜明对比的是涡扇发动机，后者以其出色的高速性能和日益提高的燃油效率，逐渐成为了现代民航的主流选择。
涡扇发动机的原理： 涡扇发动机的核心是涡轮喷气发动机。它通过压气机增压空气，然后与燃油混合燃烧，产生高温高压燃气。这部分燃气通过涡轮驱动压气机和风扇，并将剩余的能量向后喷射，直接产生推力。而“涵道比”的概念在这里就非常关键了：
低涵道比涡扇： 早期的涡扇发动机，大部分空气直接流经核心机（压气机、燃烧室、涡轮），旁通空气较少。它们更像是一个强化的喷气发动机，推力主要来自核心机喷出的高速燃气。
高涵道比涡扇（现代主流）： 现代民航飞机普遍采用的是高涵道比涡扇发动机。这意味着绝大部分（例如80%以上）的空气实际上是通过发动机前方的“风扇”被加速并向后排出，但这些空气并不经过燃烧室和涡轮，只是被风扇推着走。这就像一个被包裹起来的大号螺旋桨，但它在高速运行时效率远高于传统的螺旋桨。
涡扇的优势：
高速性能： 这是涡扇发动机的最大优势。高涵道比风扇的设计允许其在Mach 0.750.85甚至更高速度下保持极高的效率。这是涡桨发动机无论如何也无法企及的。现代商用客机巡航速度都在这个范围内，可以大大缩短飞行时间，提高运输效率。
升限优势： 涡扇发动机在高空表现出色。核心机的高效率使其在高空稀薄空气中仍能产生可观的推力。
燃油效率（在高空高速巡航）： 虽然涡桨在低速低空更省油，但在现代民航追求的高速巡航条件下，设计得当的高涵道比涡扇发动机其单位推力油耗（SFC）实际上是优于涡桨的。因为飞行员可以在更高的高度以更快的速度飞行，单位时间内完成的航程更多，总的燃油消耗效率就体现在了这里。
噪音控制（相对而言）： 尽管涡扇发动机的喷射速度很高，但通过高涵道比设计，一部分推力来自于被风扇加速的相对低温低速的空气，这在一定程度上降低了单位推力的噪音，尤其是在起飞时比早期涡喷更安静。当然，对于地面观察者来说，高空飞机的发动机噪音依然存在。
可靠性与维护： 随着技术进步，涡扇发动机的可靠性和维护周期也大大延长，这对于商业航空公司至关重要。
3. 市场需求与航空公司运营的考量
最终，发动机的选择不仅仅是技术层面的比拼，更是市场需求和商业运营模式的体现。
对速度和时间的追求： 现代商业航空的核心竞争力之一就是“快”。乘客愿意支付更高的票价来节省宝贵的旅行时间。涡扇发动机带来的更高巡航速度，直接转化为航空公司在市场上的竞争优势。一家航空公司如果用涡桨飞机执飞跨洋航线或者长途大陆航线，其飞行时间会比使用涡扇飞机的对手长很多，这在商业上是不可接受的。
航线网络的灵活性： 大多数现代民航飞机需要能够执飞各种各样的航线，从短途到长途，从小城市到大都市。涡扇发动机赋予飞机更宽广的飞行包线，使其能够适应更多的高度和速度条件，提供更灵活的航线运营能力。航空公司不希望因为发动机的局限性而被迫选择某些特定类型的航线或机场。
单通道飞机与双通道飞机的区分：
单通道飞机（如波音737系列、空客A320系列）： 这些飞机承担着大量的短到中程航班，它们需要在经济性和运营灵活性之间找到平衡。然而，即使是中短程航班，为了保持与长途航班的竞争力和满足市场需求，其巡航速度也普遍达到了Mach 0.780.82。在这个速度区间，涡扇发动机的效率已经超越了涡桨。
双通道飞机（如波音777/787系列、空客A330/A350/A380系列）： 这些飞机主要执飞中远程及远程国际航线，对速度和航程的要求极高。涡扇发动机是它们唯一的可行选择。
支线航空的特殊性（涡桨的最后堡垒）： 尽管如此，涡桨发动机并没有完全消失。在支线航空领域，特别是在跑道较短、航线距离相对较短、以及机场密度较高的区域，涡桨飞机仍然有其生存空间。例如，庞巴迪的Q系列（如Q400）和ATR系列飞机就广泛使用涡桨发动机。这些飞机通常执飞载客量在5090人之间的短程航线，其较低的起降速度和燃油经济性在这些特定场景下仍然具有优势。然而，即使在支线航空领域，随着新技术的引入和市场对速度需求的提升，一些新型支线飞机也开始转向涡扇（如CRJ系列），或者采用混合动力设计思路。
4. 技术进步与成本考量
涡扇技术的持续进步： 涡扇发动机技术一直在进步，尤其是在燃油效率、噪音控制和排放方面。高涵道比涡扇发动机通过减速齿轮箱（没错，现在一些高性能涡扇也有减速齿轮箱来驱动大风扇，这有点类似涡桨的思路但规模和设计理念完全不同）、先进的材料和气动设计，不断压缩与涡桨在某些条件下的效率差距，同时在更广泛的性能区间保持领先。
开发与制造成本： 研发全新一代的涡桨发动机系统（包括发动机本体、减速器、螺旋桨和飞控系统）可能需要巨大的投入，而且市场需求相对有限。航空公司倾向于选择已经成熟、有良好可靠性记录且维护网络完善的涡扇发动机。
总结
总而言之，现代民用航空飞机很少采用涡桨发动机，是因为：
1. 速度限制： 涡桨发动机在高速度下的效率断崖式下跌，无法满足现代航空对经济高效的快速飞行的需求。
2. 升限限制： 涡桨在稀薄高空下的性能不如涡扇。
3. 市场需求： 航空业追求的是更快的速度、更短的飞行时间、更广阔的航线覆盖，这些都指向了涡扇发动机的性能优势。
4. 涡扇技术的成熟： 高涵道比涡扇发动机在技术上不断进步，不仅在高速下高效，在中低速下也通过改进变得越来越经济，并且在高空性能出色。
5. 运营灵活性与成本： 航空公司需要能够执飞多种航线的灵活机型，涡扇飞机提供了这种灵活性。同时，成熟的涡扇发动机维护体系也降低了运营成本。
虽然涡桨发动机在支线航空的特定领域仍然发挥作用，但对于追求速度、效率和全球化运营的现代民用航空客运市场而言，涡扇发动机凭借其全面的性能优势，已经成为了无可争议的主流选择。这就像汽车市场一样，虽然电动车在某些方面效率更高，但在长途旅行和充电便利性上，燃油车在很长一段时间内仍然有其地位，但主流趋势无疑是向着更高效率、更快速度的方向发展，而在这个过程中，涡扇发动机扮演了那个“更快的发动机”的角色。
网友意见
涡桨动力飞机速度慢，噪音大，比较适合小的支线飞机，这个在当代早已是边缘化的交通工具了。因为现代社会高速公路和性能优良的汽车早已普及，加上还有高铁等，不太远的距离支线客机竞争力下降，而更远些距离有喷气式飞机。
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