问题

为什么现代军用运输机不用活塞发动机呢?

回答
现代军用运输机之所以不再采用活塞发动机,这背后是一个技术演进、效率提升以及战场需求不断变化的历史过程。简而言之,活塞发动机在很多关键性能上已经无法满足现代军事运输的严苛要求了。

我们得先回想一下活塞发动机的辉煌年代。在第二次世界大战期间以及之前,活塞发动机是航空动力的绝对主力。无论是侦察机、战斗机还是运输机,它们都依赖于往复运动的活塞将燃料燃烧产生的热能转化为机械能。这类发动机的优点是技术成熟,制造相对简单,在当时能够提供不错的功率和可靠性。像C47“空中列车”(DC3的军用型号)这样的传奇飞机,就是装备了普惠R1830“双黄蜂”之类的活塞发动机,它们成功地完成了无数次战略运输任务,为盟军的胜利做出了巨大贡献。

但是,活塞发动机的结构决定了它在效率、功率密度和运行速度上有其固有的局限性。让我们逐条来分析一下:

1. 效率与燃油经济性:

活塞发动机通过燃烧燃料在气缸内产生高压气体,推动活塞做功。这个过程中,气缸壁、活塞环的摩擦,以及燃烧不完全都会造成能量损失。相比之下,涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机(现代喷气式飞机的主流动力)通过涡轮做功,效率更高,特别是在高空和高速飞行时。在现代军事运输中,燃油经济性至关重要。运输机需要携带大量物资或人员进行长距离、跨洲际的飞行。一台更省油的发动机意味着更远的航程、更少的空中加油次数,或者在同等航程下可以携带更多的有效载 ওজন。活塞发动机在这方面就显得力不从心了。

2. 功率密度与尺寸重量比:

所谓功率密度,就是单位发动机重量或单位发动机体积所能产生的功率。活塞发动机通常是气缸数量多、结构复杂沉重,且需要配套庞大的冷却系统(风冷或水冷)、润滑系统和传动系统。要获得更高的功率,就得增加气缸数量、排量或增压设备,这会进一步增加发动机的尺寸和重量。而涡轮发动机的动力来源是高温高压的燃气流驱动涡轮,结构相对紧凑,功率密度高得多。想想看,一架现代大型运输机(比如C17“全球霸王”或C5“银河”),如果用活塞发动机来驱动,可能需要体积庞大、重量惊人的发动机组,这会严重影响飞机的气动布局、载重量和操作性能。

3. 运行速度与海拔适应性:

活塞发动机在高海拔地区的性能会受到一定影响,因为空气密度下降导致进气量减少,自然吸气发动机尤其如此。虽然增压器(如机械增压或涡轮增压)可以一定程度上弥补,但仍有其极限。而且,活塞发动机的最高运行速度也受到活塞往复运动速度的限制,这决定了其无法达到现代喷气式飞机的高速。现代军事运输任务往往需要在高空平稳飞行,以躲避低空威胁、节省燃油并提高飞行效率。涡轮发动机在高空空气稀薄的环境下反而能发挥出更高的效率,并且能够轻松达到远超活塞发动机的速度。

4. 可靠性与维护性(在现代标准下):

虽然活塞发动机在战时产量巨大,技术成熟,但相对于现代涡轮发动机而言,其机械结构更复杂,活动部件更多,也就意味着潜在的故障点更多。现代涡轮发动机虽然在技术上更先进,但其设计目标是极高的可靠性和更长的使用寿命,并且模块化设计使得维护和更换更加便捷高效。例如,涡轮风扇发动机的叶片承受着巨大的离心力和高温,但其材料科学和制造工艺的进步使得它们异常坚固耐用,并且可以通过遥测技术进行实时的性能监控和故障预警。相比之下,活塞发动机的活塞、曲轴、连杆等部件的磨损和疲劳问题在长期的重负荷运转下会更加明显。

5. 性能提升的瓶颈:

活塞发动机在性能提升上已经遇到了瓶颈。要进一步提高功率,就需要更大的排量和更复杂的增压系统,但这会显著增加重量、尺寸和燃油消耗,得不偿失。而涡轮发动机(特别是涡轮风扇发动机)则可以通过提高涵道比(风扇直径与核心发动机直径的比例)、提高涡轮前温度、优化压气机和涡轮设计等方式,持续地提升效率和推力。

6. 战场适应性与隐蔽性:

现代军事运输机不仅仅是简单的“搬运工”。它们可能需要在敌方防空火力网边缘活动,或者在不被察觉的情况下进行侦察、投放特种部队等。活塞发动机运行时产生的噪音比喷气式发动机(尤其是高涵道比涡扇发动机)通常更大,且其排气也更容易被红外探测系统锁定。虽然喷气式发动机的噪音和红外信号也存在,但其高性能化的同时也伴随着降低噪音和红外信号的研发方向。

历史的过渡与演进:

在活塞发动机向涡轮发动机过渡的时期,也出现了一些混合动力或者介于两者之间的技术。例如,涡轮螺旋桨发动机(Turboprop Engine)就是将涡轮发动机的动力通过减速器驱动螺旋桨。这类发动机结合了活塞发动机的燃油经济性(尤其是在中低速和中低空)以及涡轮发动机的高功率密度和可靠性。像C130“大力神”这样的经典运输机,就装备了涡轮螺旋桨发动机,它们在性能上远超了同时代的活塞发动机运输机,至今仍是许多国家空军的主力。但即便如此,随着航空技术的发展,纯粹的涡轮风扇发动机在速度和效率上再次超越了涡轮螺旋桨发动机,尤其是在大型军用运输机领域。

总而言之,现代军用运输机不使用活塞发动机,是因为涡轮发动机在效率、功率密度、速度、高空性能、可靠性和整体作战效能上都远远超越了活塞发动机。技术进步的必然结果,就是淘汰那些在关键性能指标上已经过时的技术,转而拥抱更先进、更适应当今复杂战场需求的动力系统。活塞发动机作为航空动力的一个重要历史阶段,其功绩不可磨灭,但它终究被更高效、更强大的技术所取代了。

网友意见

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涡扇/桨扇的核心机可以做的很小,而且几乎没有散热问题,毕竟大部分废热都喷出去了。

复杂不复杂真是其次,主要是大型活塞2-3排汽缸不但横截面积不小,贡献了很大的阻力,后置气缸的散热还是个没法解决的大麻烦,B29就是典型,各种着火,事故损失比被击落的还多不少。

如果用液冷的话抗损性很糟糕,正常活塞液冷是用滑油不用水的,被击中着不着是一回事,滑油漏光这发动机是肯定GG了。

活塞机做大功率关键点还是散热做好,但散热系性能得看应用环境,泡水里装甲车辆那种小机头压个2000马力+都随意,再极端一点F1 100kg左右的1.6T都能压1000ps,稍微不计寿命一点压个1500都没问题(壳还很小),但是空中,特别是高空很多时候空气稀薄,对流条件不好,散热效果不好。

现在军用运输机也没多少用涡扇的,大部分为了野战起降用的都是涡桨,真要推力的时候才会想着用涡扇,像A400M这么新的运输机也是用的涡桨。

运输机的瓶颈永远不主要在速度上,记住这点就好。

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