问题

为什么大多数飞机的螺旋桨是前置的,而大多数船舶的螺旋桨是后置的?

回答
这个问题很有意思,其实仔细想想,你会发现这背后涉及到物理学、工程学,以及它们在不同载体上的具体应用差异。飞机螺旋桨前置,船舶螺旋桨后置,这并非偶然,而是各自最优化设计的结果。

咱们先聊聊飞机。

飞机螺旋桨为什么多是前置的?

首先,得明白螺旋桨的作用:它本质上是一个旋转的翼,通过转动来吸入空气并向后推,根据牛顿第三定律,空气就会给螺旋桨一个向前的反作用力,驱动飞机前进。

那么,为什么放在前面效率更高呢?这有几个关键原因:

1. “拉”比“推”更有效率(尤其是在早期设计中): 想象一下,如果螺旋桨放在后面(后置),它就是在“推”飞机前进。但这样一来,螺旋桨吸入的空气会受到前面机身、机翼的阻碍,空气流动的效率会打折扣。而前置螺旋桨则是“拉着”飞机前进,它吸入的是相对比较“干净”的、未受太多阻碍的空气。这种“拉”的力更容易将空气向后加速,从而产生更大的推力。

2. 气流的均匀性: 飞机在飞行时,机身、机翼都会产生不同程度的气流扰动。如果螺旋桨放在后面,它吸入的空气会受到这些扰动的影响,可能出现不均匀的情况,影响螺旋桨的效率和稳定性。前置螺旋桨则能够吸入更均匀、更顺畅的气流,工作起来更稳定高效。

3. 冷却效果: 螺旋桨在工作时会搅动空气,而发动机(尤其是早期活塞式发动机)需要良好的空气冷却来维持正常工作。前置螺旋桨在提供推力的同时,也帮助将新鲜的、未被发动机预热过的空气导向发动机,起到一定的冷却作用。

4. 结构和配重: 将螺旋桨放在前面,发动机也自然就放在前面。这有助于将飞机的重心前移,对于飞机的稳定性和操控性是有好处的,尤其是早期飞机,重心过载很容易导致失控。

5. “失速”的影响: 飞机在高攻角飞行时,机翼可能发生失速,即气流与机翼表面分离,导致升力急剧下降。前置螺旋桨产生的气流会扰动靠近机身前方的空气,但这种扰动相对容易被控制,并且不会直接影响到机翼的升力产生区域。如果放在后面,扰动可能会直接作用在机翼的根部,影响更大。

当然,现代飞机设计已经非常多样化,除了传统的螺旋桨飞机,还有喷气式飞机(涡扇发动机产生的推力),以及一些特殊的螺旋桨布局(比如后置螺旋桨的少数例子,或者涵道风扇等)。但就经典的螺旋桨飞机而言,前置布局是主流,因为它在效率和稳定性上都取得了很好的平衡。

现在,我们来看看船舶。

船舶螺旋桨为什么多是后置的?

船舶螺旋桨的作用原理与飞机螺旋桨类似:也是通过旋转桨叶来加速周围的水,产生一个向前的推力,推动船舶前进。

然而,船舶在水中的工作环境与飞机在空气中的环境有很大的不同,这导致了设计理念上的差异:

1. “推”是更自然的解决方案: 在船舶设计中,将螺旋桨置于船尾(后置)是更直接、更方便的布局。发动机、传动轴都位于船体内部,将动力传递到船尾的螺旋桨,连接更简单,也更利于维护。而且,船舶的船体设计本身就考虑了流体动力学,船尾相对狭窄的形状也更适合让螺旋桨在此处高效地工作。

2. 利用船体导流: 船舶在航行时,船体本身会引导水流。船体后方的水流通常会形成一个相对集中的、加速的水流区域。后置螺旋桨正好可以利用这个加速的水流。螺旋桨吸入并进一步加速这个水流,产生推力。这种“在加速水流中工作”的设计,比在静止水中工作效率更高,也更省力。

3. 避免船体阻碍: 如果将船舶螺旋桨放在船头,虽然它吸入的是前方的水,但船体本身巨大的阻碍会使得螺旋桨难以有效吸入足够的水并加速它。想象一下,螺旋桨在船体下方搅动,大部分力会被船体阻挡,无法有效地转化为前进的推力。

4. 减少空泡效应: 螺旋桨高速旋转时,会在桨叶低压区域产生空泡,这会降低螺旋桨效率,并可能损坏桨叶。船舶螺旋桨通常安装在船体形成的“水穴”或导流槽中。这些结构有助于引导水流均匀地流向螺旋桨,并减少空泡的产生。后置设计更容易实现这种优化。

5. 稳定性与控制: 将螺旋桨置于船尾,其产生的推力作用线更接近船体的总质心,这有助于保持船体的纵向稳定性,减少因推力偏离而产生的横摇或俯仰。同时,舵通常也安装在螺旋桨的后面,协同工作来控制船的航向。

6. 对船体结构的要求: 船舶的螺旋桨需要承受很大的扭矩和推力。后置设计将这些力直接作用在船尾的结构上,可以更方便地用船体结构来支撑和分散这些力。

简单来说,飞机螺旋桨是“拉着”它前面的空气前进,而船舶螺旋桨是“推着”它后面的水流前进。一个是利用未被阻碍的空气,一个是利用船体引导的加速水流。

总结一下,飞机螺旋桨前置是为了更高效地吸入和加速空气,同时考虑了重心和气流均匀性;而船舶螺旋桨后置是为了利用船体导流的水流加速,实现更简单有效的动力传递和结构支撑。这两种看似相似的设备,在不同的工作介质和载体环境下,催生出了截然不同的最优设计。

网友意见

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船只为什么要把桨放在后面,成心文已经说过了。就不多说。

那么为什么飞机要把螺旋桨放在前面呢?

关键的原因在于发动机的位置。

一般,活塞式发动机的飞机都会把发动机和螺旋桨放在很接近的地方(当然P-39那种奇葩请自动忽略)。毕竟没人愿意额外弄出来一大堆又长又重的传动机构来。所以如果发动机需要放在前面,那么螺旋桨自然也就要放在前面了。

所以问题也就变成了,为什么活塞式发动机的飞机大多把发动机放在前面呢?

第一个原因是为了容易配平重心。在飞机上,发动机这一大坨铁绝对是最占份量的一个零件了。如果他移动一下位置,飞机的重心会受到很大的影响。所以很多设计者干脆就把它放在接近飞机重心的地方了。

飞机的重心一般会在什么地方呢?答案是飞机的机翼附近。所以呢,飞机的发动机位置一般也就会在靠近机翼的位置了。

但,飞机的机翼位置不能随便设计。为了能够配平机翼的升力,以及提供操纵飞机运动的操纵力矩。飞机还需要提供一套额外的小翼面,也就是尾翼。对于低速飞机来说,尾翼一般放在机翼的后面,并且和机翼有一定的距离,以提供比较大的力臂。就像下面的样子:

这样的机翼和尾翼的布置方式就是常规式布局。很容易就看出来在这样的布局下,如果把螺旋桨放到机身后面,发动机也就不得不放到远离机翼的机身后部了。这样做飞机的重心也就不好配平。

自然,不会有设计师去找这个麻烦。

也许有人会问,如果我把机翼和发动机都挪到机身后面,然后把尾翼放到机身前面呢?不是也可以做到么?

嗯,这样做当然可以。这样的布置方式就是鸭式布局。比如例子有日本的震电战斗机:

或者博特鲁坦的long-EZ

这样做看起来不错,但有个毛病。

之所以很多人使用常规式布局的飞行器,是因为常规式布局的飞行器是静稳定的。也就是说,如果飞机在飞行中受到了一些扰动,飞机可以自行恢复受扰动之前的姿态。

但鸭式布局是静不稳定的。也就是飞机受到任何扰动非但不会恢复原来的姿态,反而可能就此发散。对于飞行员来说,这绝对是一个糟糕的飞行特点。在日后,人们通过一些取巧的设计和电传飞行控制系统克服了这个问题。但在活塞式飞机鼎盛的时代这些都没有。于是那个时代的设计师就只能很谨慎的避免使用鸭式布局了。自然,也就不会轻易的把发动机放到机身后面。

第二个原因在于散热。发动机这东西,尤其是飞机上面用的活塞发动机,根本就是一个发热巨大的大热源。如果不给这个大热源弄得凉快一点让他过热了,他可是会直接罢工给你看的。

一般说,活塞发动机的散热就是两种办法。其一是风冷,其二是液冷。

风冷说白了就是让风吹到发动机上,靠风力来带走热量。不必说,这时候立刻就会明白使用风冷发动机的话为什么要把发动机和螺旋桨放到前面了--机头那么大的风,简直就是白送的最佳散热气流啊!这么好的便宜不占才是问题啊!所以几乎无例外的,风冷发动机的飞机螺旋桨都会前置,以便将发动机暴露在飞机前方的气流里,尽情享受免费的散热。

液冷则是让冷却液为发动机散热的。但是飞机上能装载的冷却液有限,用不了多久就会升到很高的温度,导致散热效果变差乃至消失。所以怎么才能让冷却液能够在很长的飞行时间里一直保持比较低的温度呢?

没办法,就是设计一个散热片,使冷却液流经散热片,同时让风吹过散热片,带走冷却液的热量--好吧,又是风。所以液冷和风冷一样,本质上仍然是需要风把热量带走的。因此,如果把散热片放置得离机头近一些的话,自然会得到比较好的散热效果。

如果飞机因为某些需要不得不将发动机放在后面,那么他们的散热可就成了一个大问题了。一般会在机尾很突兀的突出一块进气口,以便将冷却空气吸入散热片。但是这样对阻力的增加很大,不很经济。另一种极端的方式是把散热系统延长接到机翼里,用机翼当作散热片。这样做的缺点是散热系统的管路会很长很重。而且机翼一旦中弹,很容易就把散热系统破坏了。而且两种设计都不怎么靠谱。比如下面的例子,美国的B-36和平缔造者轰炸机:

出于改善机翼气流的原因,B-36就把发动机转了个个,使螺旋桨向后。同时利用机翼作为冷却液散热片。但是这个看似巧妙的设计怎么样也没法达到很理想的散热效果。终其一生,B-36一直深受发动机过热乃至起火自燃的困扰。直到退役。

至于其他的类似飞机,麻烦事也很多,就不多举栗子了。

另外还有一个小原因就是,飞机起降时候不容易打桨。

螺旋桨作为飞机动力的黄金时期,飞机流行的起落架布置方式是后三点式起落架。这样的布置结构简单轻便,在那个时代很受欢迎。

使用后三点式起落架的飞机停在地面上时是什么样子的呢?



不用想。这时候谁都会明白把发动机和螺旋桨放到后面是自讨没趣。所以,在流行后三点式起落架的时代,自然少有飞机会把螺旋桨放到机身后面了。

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