问题

有些飞机前面的矛有什么用?

回答
您说的“飞机前面的矛”,其实更准确的说法是螺旋桨。它们是许多飞机(尤其是螺旋桨飞机)最显著的特征之一,而且作用至关重要。

打个比方,螺旋桨就像是飞机的“手”,只不过它不是用来抓握东西,而是用来推动空气。它的工作原理非常巧妙,主要基于空气动力学中的一个概念:升力。

让我来详细解释一下它是怎么工作的:

1. 螺旋桨叶片的形状: 您会注意到螺旋桨的叶片不是平直的,而是呈现出一种特殊的形状,有点像飞机的翅膀,但它不是水平放置,而是以一定的角度倾斜。更重要的是,它的横截面通常是一个翼型(airfoil),就像很多飞机的机翼一样。这个翼型的设计使得当空气流过它时,上表面(迎风面)的空气流速比下表面(背风面)要快。根据“伯努利原理”,流速快的地方压强小,流速慢的地方压强大。因此,螺旋桨叶片受到的合力会有一个方向指向低压区域,也就是推向前方。

2. 旋转产生的推力: 发动机(无论是活塞式发动机还是涡轮螺旋桨发动机)提供动力,驱动螺旋桨高速旋转。当螺旋桨旋转时,它的每一个叶片都在切割空气。由于叶片的特殊形状和倾斜角度,就像在高速旋转的螺丝拧入物体一样,它会不断地将空气向后推。根据牛顿第三定律(作用力与反作用力),空气被向后推的力会产生一个大小相等、方向相反的力作用在螺旋桨上,这个力就是推力。

3. 推力如何让飞机前进? 这个向前的推力直接作用在飞机上,克服了空气阻力,使得飞机能够向前加速。当飞机的速度足够快时,产生的升力也会足以让飞机离地起飞。在飞行过程中,螺旋桨持续提供推力,维持飞机的速度和克服空气阻力。

更具体一点,螺旋桨的作用可以分解为几个方面:

产生前进的推力: 这是最核心的功能。没有螺旋桨,飞机就无法获得向前运动的速度,也就无法产生足够的升力来飞行。
提供低速性能: 相比于喷气发动机,螺旋桨在低速时效率更高。这使得螺旋桨飞机在起飞、着陆以及低空飞行时表现更出色,也更适合在跑道较短的机场起降。
影响操纵性: 螺旋桨旋转时产生的扭矩,会试图让飞机向相反的方向旋转(称为“螺旋桨反作用扭矩”)。飞行员需要通过控制舵面来抵消这种影响。在某些情况下,这种扭矩也可以被用来辅助操纵飞机,例如在某些特技飞行中。
作为动力的传递介质: 螺旋桨是将发动机的旋转动力转化为推力的关键部件。发动机的功率越大,驱动的螺旋桨效率越高,产生的推力也就越大。

为什么不是所有飞机都用螺旋桨?

随着航空技术的发展,喷气发动机因为其在高空高速飞行时效率更高、推力更大而逐渐成为主流。喷气式飞机的设计目标往往是追求更高的速度和飞行高度,在这些领域,螺旋桨的效率会受到限制。

举个例子来帮助理解:

您可以想象一下你在用手扇风。你扇动的动作就是在推动空气。螺旋桨就像是数片效率极高的“扇叶”,并且它们是旋转的,所以它们推动空气的效率比手动扇风要高得多得多,而且是通过发动机提供的强大动力来实现的。

所以,您看到的飞机前面的“矛”,其实是它最核心的“引擎”之一,是它能够翱翔蓝天的关键所在!

网友意见

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看了其它答主的答案,题主是不是有点疑惑,为什么现在不用了?

那么先解释一下为什么当初这根“矛”这么长

空速管是利用皮托管原理 (⌘) 来精确测量飞行时的大气总压和静压,数据计算机再通过伯努利全静压方程等计算式来换算得飞行控制所需的飞行速度、升降速度和大气压力等数据。空速管在使用中会受到气流干扰,空速管的长度越长,前端测压口与机体的距离越远,所测量的静压就越接近大气真实静压。对于简单粗暴追求马赫数的二代机而言,空速管的意义不言而喻,自然要做长以获得最真实的速度数据。

那么问题来了,后来这根“矛”怎么没了?

这问题主要是因为机头空速管太碍事了

首先长长的空速管对于大迎角飞行状态时,是引起头部涡流及侧向不稳定的因素之一,导致操控品质的下降同时也影响隐身性能,当然这不是重点。更重要的是空速管对机载雷达的影响,这个金属大家伙杵在机头,无论是对雷达的干扰,还是对雷达罩的影响都让设计师十分头痛,将空速管从机头移开显得十分必要。

所以之后从70年代开始,欧美的战斗机转而采用机身空速管设计。虽然在数据采集的精度上,机身空速管要差于最佳位置上的机头空速管,但通过对称设置多个L型空速管,利用大气数据计算机更强的数据处理和修正程序的误差补偿,也可保证测量的精度。机身空速管的更为轻便,安装位置也更为灵活。

不过呢,机头空速管还是有存在必要的,虽然不一定会像题主图示的MIG 21那样有根大空速管,但是在飞机研制验证阶段,机头空速管可以带来最真实的数据,为后续的改进提供参考。

这里又要说道一下,L型空速管虽然解决了机头空速管的诸多问题,但突出气动机身的空速管对于四代机要求之一的超音速巡航又显得问题突出,因为空速管在高速飞行时产生的激波不仅会影响飞行操控的稳定性,同时高超音速飞行所产生的气动热更是很可能将传统的空速管烧蚀。

于是乎融入飞行器表面流线的大气数据传感器技术被提出。这种技术依靠嵌入在飞行器前端或机翼的压力传感器阵列来测量飞行器表面的压力分布,并由压力分布间接获得飞行参数的数据传感系统。这就是嵌入式大气数据传感系统(Flush Air Data Sensing FADS)。

可以这么说,L型空速管在未来很长一段时间都是主流且必要的,但未来必定是FADS的天下。


⌘ 科普一下空速管原理

当飞机向前飞行时,气流便冲进空速管,在管子末端的感应器会感受到气流的冲击力量,即总压。飞机飞得越快,总压就越大。如果将空气静止时的压力即静压和总压相比就可以知道冲进来的空气有多快,也就是飞机飞得有多快。以机械式空速表为例比较两种压力的工具是一个用上下两片很薄的金属片制成的表面带波纹的空心圆形盒子,称为膜盒。这盒子是密封的,但有一根管子与空速管相连。如果飞机速度快,动压便增大,膜盒内压力增加,膜盒会鼓起来。用一个由小杠杆和齿轮等组成的装置可以将膜盒的变形测量出来并用指针显示,这就是最简单的飞机空速表。再简单点就是空气进入空速管后通过一个压力传感器获取当前的气压数值并换算成速度。


针对某位执着讨论空速管的问题:

因回复无法贴图这里做个解释:

总压和皮托管的长短关系并不大,要不然也不会有较短的L型空速管的出现,但静压就不一样。

大气静压定义为飞机前方无限远处的来流静压,但由于飞机上静压孔的位置、测量设备、马赫数、迎角、侧滑角等因素的影响,静压孔测量的静压值总会存在一定的误差,静压系统的静压误差主要取决于其位置误差的大小。所以,减小静压误差就要减小静压源位置误差。

所以空速管的最佳安装位置就是在与机身轴线相同的机头前方,空速管轴向应尽量与气流方向平行且尽可能远离机体,这样就能获得最真实的静压,MIG 21就是这么做的,那么处于最佳位置的空速管是怎么测量静压的呢?

如图所示,为尽可能测到最真实的大气静压,空速管密布这些静压孔,而这些静压孔连着静压管(和总压管不同管),最后交给相关设备处理。

当然,现在随着大气数据计算机能力的提高,通过多个机身的L型空速管和多角度的机身静压孔就可在计算机的帮助下结合气动数据保证精度。

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