航空英語翻譯

1、第四章 飛行器的推進系統(tǒng)是飛行器最復雜的部件之一，但是蘊含在其中的推進原理與規(guī)律確并不是如此的復雜。對于一架飛行器來說，既需要動力來提供升力，又要克服空氣所產(chǎn)生的阻力。而且當飛行器爬升或者需要轉(zhuǎn)彎時都需要提供額外的動力來完成這些動作。在第一章我們了解到要想產(chǎn)生升力就需要對周圍空氣做功，同樣的道理在這一章中，我們將會向您展示飛行器是如何利用推進系統(tǒng)來工作的。 對于爬升和轉(zhuǎn)彎時所需要的能量我們會在第六章討論，這章我們主要討論飛行器在正常飛行時，推進系統(tǒng)的工作狀況，以及活塞式發(fā)動機和噴氣式發(fā)動機產(chǎn)生必需動力的不同之處。一些不同或相似之處，一定會讓你吃驚的。 除了一些特例之外，尤其對于滑翔機來說最顯著

2、地感受到活塞發(fā)動機所產(chǎn)生飛行所需能量與噴氣式的不同。這些發(fā)動機所產(chǎn)生的能量必須作用于周圍環(huán)境之后，方能推動飛行器的飛行；并且這些系統(tǒng)都需要復雜的機構(gòu)來實現(xiàn)。但是，我們并不需要一定要知道這些機構(gòu)的細節(jié)設計才能明白發(fā)動機是如何工作來提供推力和“長”成現(xiàn)在這個模樣的。哎，又是牛頓定律 在第一章我們介紹了飛行器產(chǎn)生升力是靠的對機翼兩側(cè)的空氣的分離來實現(xiàn)的，同樣的道理，我們來講解推進系統(tǒng)的工作規(guī)律（除了產(chǎn)生推力，還伴必須把空氣往后退），就如家庭所使用的風扇一樣的道理。更重要的是，像機翼，推進系統(tǒng)等，這些都是牛頓定律的應用體現(xiàn)。 我們知道牛頓第三定律應用于任何作用，任何作用都有作用力和反作用力，在飛行器的

3、推進系統(tǒng)中，作用力是空氣或尾氣產(chǎn)生的加速度，而反作用力即推力。我們還可以應用牛頓第二定律來解釋，那就是推力的大小，正比于空氣的運動加速度。世界上所記錄的小雞的最長飛行時間是13秒，最長飛行距離是92米推力 雖然不是傳統(tǒng)飛行器的推進系統(tǒng)，但火箭發(fā)動機對于我們理解推力卻是一個很好的例子。如圖4.1所示是火箭發(fā)動機工作的例子。首先，染料和氧氣被泵進燃燒室燃燒，瞬間產(chǎn)生大量高壓氣體，加速至發(fā)動機的“咽喉部位”，在此處氣體速度馬赫數(shù)為1.0，即等于聲速。經(jīng)過咽喉部位后，氣體繼續(xù)加速,直至最后，以超音速排出，并伴隨著產(chǎn)生極大的推力?；鸺懦龃罅扛咚贇怏w，這些氣體究竟有多少那？我們可以由圖4.2看出，這是阿

4、波羅8號發(fā)射時的場面。 火箭所產(chǎn)生推力的過程，就如用步槍射擊子彈后的過程類似。類似于牛頓第二定律，火箭所產(chǎn)生的推力，正比于所排出氣體的加速度。因此，為了提升火箭的推力，可以從提升發(fā)動機的尾氣每秒排量，或者排氣速度，或者兩者同時著手。飛行器的推進系統(tǒng)在很大一部分上類似于火箭的推進系統(tǒng)。作用在飛行器上的力是提升尾氣或空氣速度的作用效果。如果你曾經(jīng)站在一架運行著的飛行器的推進器后，你肯定會感到一股強大的空氣流向你涌來。功率 飛行器推進包含兩個獨立的過程。一個過程是把一部分燃料的能量轉(zhuǎn)化為推進系統(tǒng)的運行，另一個過程是將推進系統(tǒng)的運行轉(zhuǎn)化為對周圍環(huán)境的作用，即產(chǎn)生推力?；钊?螺旋槳復合型發(fā)動機就是一個完

5、整的推進過程的例子。當然，渦輪噴氣式發(fā)動機也是另外一個例子，只不過他的過程并不像活塞-螺旋槳發(fā)動機那么明顯獨立。 通常，發(fā)動機專家和飛行教員，以及教師在提到“推力”時，會將其與“推動”和“飛行”聯(lián)系起來。但在這本書中，我們將講述的是“功率”這一概念。它更容易直觀地測量，并且可以由飛行員通過油門桿來控制。如果提高燃油流量或者拉油門桿，功率就會相應的提高。功率，是有用功的效率，即用來做功的效率。這是理解飛行器推進系統(tǒng)的關(guān)鍵。所以，功率自然讓我們聯(lián)想到另個基本的物理概念：效率。 用上面所述方式來看待推進系統(tǒng)的話，將會使我們更加容易地介紹很多一系列的問題。我們知道功率對于飛行是必需的：用于支持飛行器本

6、身重量，克服摩擦力，以及爬升等等，這些都是飛行所需的功率，功率通常是由發(fā)動機產(chǎn)生，并傳輸給推進器，或者能夠為噴氣推進系統(tǒng)所利用（我們成為：可利用能量）?？衫媚芰颗c發(fā)動機所產(chǎn)生能量之差，我們成為：損耗能量，這通常產(chǎn)生于螺旋槳氣流和噴氣發(fā)動機的尾氣動能損失。 可用功率等于推力乘于速度。對于一臺活塞式發(fā)動機，擁有固定的功率，飛行器的飛行速度對可用功率的大小影響很小，圖4.3a 所示的是：在設定的固定功率下，某款活塞-螺旋槳復合型飛行器的推力及可用功率與速度的關(guān)系曲線。螺旋槳所產(chǎn)生推力與速度成反比例變化，但可用功率卻能夠較好的保持。當然，這其中有很多因素的影響，螺旋槳的設計便是其中之一。1926年5

7、月九號，R.E.Byrd指揮官首次飛過北極。1929年11月28-29號首次完成飛越南極的航程。 如圖4.3b 所示，對于噴氣式飛行器隨著速度的變化明顯不同于活塞發(fā)動機。其可用推力隨著速度的變化基本不變化?？捎霉β室舱扔陲w行器的速度。雖然關(guān)于這一點，我們可以預測一定會影響飛行器的飛行表現(xiàn)，但這些我們將在后邊章節(jié)中進行細節(jié)討。效率 一個飛行器的推進系統(tǒng)的目標便是盡可能高效的提供更多的必需功率。這個過程中有兩個主要的損耗效率的地方：一是由燃料向發(fā)動機功率轉(zhuǎn)變的過程，這是熱效率的問題。這其中主要由于燃料的低效燃燒，熱能量的散失以及與發(fā)動機各部件之間的各種摩擦損耗所致。一部分能量還要用于發(fā)動機系統(tǒng)的

8、支持，比如燃料的動能，潤滑油泵以及發(fā)電等，這些損失都會降低發(fā)動機的輸出效率。 一旦發(fā)動機將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為機械能以后，就要立即將其轉(zhuǎn)化為推進功。發(fā)動機提供給我們的可用功率與發(fā)動機的功率的比率便是推進效率。因此，發(fā)動機的總效率就是對一定燃料轉(zhuǎn)化為多少發(fā)動機可輸出功率的一種測量方式。那么什么導致發(fā)動機效率的改變那？對升力效率的討論可好用于此處。 記得第一章我們討論的：機翼所產(chǎn)生的升力正比于發(fā)動機在一定時間作用于空氣的動量。飛行器的掠過帶給空氣的動能，對其自己來說是一種能量損失。最高效的飛行器便是在帶給空氣更少動能的前提下，盡可能地提供必須的升力。因此，人們總是希望能夠作用于空氣更小的速度。這也是

9、為什么隨著機翼面積的提升，效率提升的原因。 升力效率的提升取決于轉(zhuǎn)移的空氣重量，而非被轉(zhuǎn)移空氣的速度。 推進系統(tǒng)同機翼一樣的方式產(chǎn)生推力和轉(zhuǎn)移能量給周圍的環(huán)境。因此，最高效的推力是在盡可能低速下，能夠加速更多的空氣。這樣就會減少損耗能量。如果一個螺旋槳飛機或者噴氣式飛機可以以最小的相對速度，吸收更多的空氣或者產(chǎn)生更大的推力的話，將意味著通過給予一定的少量空氣更大的速度這種方法，在同種推力下，比其他發(fā)動機更有效率。記住一點：發(fā)動機對空氣做功所產(chǎn)生推力的能量，永遠要靠發(fā)動機自身來補充。 對于最好的發(fā)動機效率，我們自然希望飛行器能夠?qū)χ車諝鈳砹銊幽?。但很不幸，這是不可能的，要想產(chǎn)生推力，就必須要

10、給予周圍空氣一定的動能，即產(chǎn)生損失。 讓我們來看一下一個想要設計出兩倍于原始發(fā)動機推力的發(fā)動機專家的例子吧。這位專家可以通過提高發(fā)動機每分鐘所釋放的動量來加大推力,還可以通過提高尾氣的排放速度，當然還可以兩者都提高，進而提升推力。但是，如果提升了排氣速度，損失的能量就和速度的平方正比。因此，如果要通過兩倍排氣速度，兩倍功率，進而產(chǎn)生兩倍推力的同時，卻伴隨著四倍的能量損失，顯然這是不可實現(xiàn)的。然而，通過兩倍動量的方式，就會有雙倍的可用功率，以及只有兩倍的損失能量，進而來獲得兩倍推力?；旧巷w行器的推進系統(tǒng)的目的便是在最低的能量損失下，盡可能地產(chǎn)生更大的推力。在這個過程中，顯然發(fā)動機設計者們更青睞

11、于提升發(fā)動機的動量而非尾氣的速度。螺旋槳 螺旋槳簡單地說，就是旋轉(zhuǎn)的機翼。對于低速飛行來說，螺旋槳是最高效的推進方式。在轉(zhuǎn)化為可用推進功率方面，螺旋槳發(fā)動機可以達到最高效率84%或者更高。這就意味著只有16%或者更少的能量損失。由于螺旋槳是通過推動大量空氣通過旋轉(zhuǎn)葉片，進而提升空氣速度的，從中我們可以看出設計者們正是基于動量和排氣速度的折中原理來設計的。大的螺旋槳比小的更有效率，因為它可以推動更多空氣。Rubber的頻帶旋轉(zhuǎn)模型飛行愛好者們，都知道較小的轉(zhuǎn)角和大葉片螺旋槳可以提供更遠的航程。 螺旋槳的面積和旋轉(zhuǎn)速度由很多因素決定。首先，小轉(zhuǎn)角，大葉片螺旋槳對于有離地凈高的飛行器來說是不適用的。

12、同樣重要的是，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度還要和所提供的發(fā)動機匹配。結(jié)合這些必要條件，還需要將螺旋槳葉尖速度保持在音速以下（因為噪音和附加能量的損失），因此你才會看到今天這樣的螺旋槳。航空用活塞發(fā)動機經(jīng)常設計速度在2200-2600rpm，在正常飛行狀態(tài)下的，槳尖速度大致維持在聲速以下時的典型螺旋槳葉片直徑是72-76英尺（182-193cm）.最早期的飛行器，比如在一戰(zhàn)中所應用的，都擁有較低的轉(zhuǎn)速，一般在1600rpm左右。這些早期的飛行器都有較大的螺旋槳葉片（100英尺左右）。因為大葉片意味著在單位時間內(nèi)可以通過更多的空氣，和我們今天所使用的相比有更高的推進效率。但是對于發(fā)動機效率的提升確是任重而道遠

13、。 對空氣做功的功率正比于螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度的立方，可以通過將其比作擁有固定沖角的機翼來理解。我們從第一章了解到：機翼作用于空氣的功率，正比于分離的空氣的量乘以垂直方向的空氣速度的平方。如果在沖角固定的情況下，機翼的速度增大一倍，那么分離的空氣量和垂直方向的空氣速度都會增加一倍，這樣功率的增長因數(shù)就會變成 8 。同樣對于某款螺旋槳來說，如果傾斜角和前進速度不變的話，那么傳遞給空氣的功率正比于螺旋槳轉(zhuǎn)速的立方。這也就意味著螺旋槳的轉(zhuǎn)速的增加將伴隨著極大的功率需求。因此對于螺旋槳面積與發(fā)動機的體形匹配是非常重要的。如果螺旋槳的葉片短，那么對于發(fā)動機的負荷就小，發(fā)動機就會以很高的速度“超轉(zhuǎn)”，但這樣就會

14、破壞發(fā)動機；如果葉片過長，發(fā)動機就不會達到理想轉(zhuǎn)速，這樣就不會傳遞足夠的功率給螺旋槳。多層螺旋槳 螺旋槳的葉片總表面面積決定了其能夠轉(zhuǎn)化為推力的能力。表面積越大轉(zhuǎn)化為的推力也就越大。對于大多數(shù)的小型飛機來說，通過增大單個葉片的表面積，僅用兩個葉片就能夠達到所需推力。但是還有一些飛機通過增加葉片的數(shù)量來達到增大葉片表面積的，如三葉型、四葉型甚至還有六葉型，但是他們的效率卻基本相同。通過增多葉片數(shù)量從雙葉片向多葉片轉(zhuǎn)變從而來達到增大表面積的目的其實一種微妙的權(quán)衡。雙葉螺旋槳對于所需功率較小的小型飛機來說是比較高效率的；而多葉片型更適合需要做爬升，高速的動作的飛機，同時產(chǎn)生更少使人厭煩的噪音和更少的

15、振動也是推動多葉型螺旋槳發(fā)展的因素。Figure4-4 單葉型螺旋槳 而不使用更多的葉片的螺旋槳的原因是：他的成本太高了。另一個原因是葉片越多就會產(chǎn)生更多的擾流，這對于單個葉片來說，就意味著相對較低的轉(zhuǎn)化效率。因此，一般情況下，如果能用更少葉片就盡可能不要使用多葉片。使用單葉片的努力已經(jīng)達到了極致，如上圖所示的那種實驗型單葉片螺旋槳 這種可以提高螺旋槳的效率，但是由于螺旋槳的效率已經(jīng)很高了，因此這種提高并不是很顯著。螺旋槳漿距 伴隨著螺旋槳的速度和面積大小的確定，通過其本身的空氣流也基本上是固定的。為了得到更大的推力就必須要增大通過螺旋槳后空氣的速度。槳距類似于機翼的沖角，對于一個固定槳距的槳

16、葉來說，其安裝角對于其旋轉(zhuǎn)方向來說，是固定的。槳葉的安裝沖角由槳距，槳的旋轉(zhuǎn)速度，飛機的飛行速度所決定。飛行器的速度越大，其相對沖角也就越小。這可以在圖4-5中看到：標示的是飛行器在沒有向前速度的啟動階段和在飛行狀態(tài)下的沖角大小。飛行器的速度越大，由飛行器向前飛行的速度所產(chǎn)生的空氣相對速度就會使螺旋槳的沖角變小。就會使通過螺旋槳的空氣變少，從而產(chǎn)生更小推力及發(fā)動機更低的能量傳遞效率。 In figure 4-5中顯示出相對氣流氣流方向和螺旋槳方向，為了便于理解所有的角度都是放大的角度。但要知道所有的升力方向如以機翼或者螺旋槳為參考系看來都是垂直于來流方向的。如果沒有向前的速度的話，那么螺旋槳的

17、升力就是向前的。隨著飛行器自身速度的增加，升力便產(chǎn)生傾斜，變成部分升力來推動飛行器的前進。這顯然對于速度的提升是不利的。 固定距螺旋槳的效率取決于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度及飛行器的飛行速度。圖4-6是：螺旋槳在固定轉(zhuǎn)速下，根據(jù)不同飛行速度下產(chǎn)生不同傾斜角時的發(fā)動機效率圖。從圖中可以看出，在傾角固定不變時，效率變化隨意的同時，飛行速度卻僅在小范圍內(nèi)變化。正因如此，要想使固定距的螺旋槳有全方位良好狀態(tài)，就必須要相對較高的傾角。在特定高度下，發(fā)動機的可用功取決于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，同時也是螺旋槳的轉(zhuǎn)速。因此高傾角導致在飛機起飛時，發(fā)動機不能處在最佳轉(zhuǎn)速，提供全推力，且同樣的葉片使發(fā)動機在巡航速度下收小油門，防止其在轉(zhuǎn)速的過高值下工作。因此可以說固定傾斜角螺旋槳是一種折衷的做法。 針對這種折衷的做法的一種解決辦法就是固定轉(zhuǎn)速螺旋槳。定速螺旋槳允許飛行員控制轉(zhuǎn)速和螺旋槳的傾斜角。定速螺旋槳就