为什么图95轰炸机的发动机有两层扇叶?

神奇手


图-95发动机使用的是同轴反转螺旋桨。同轴反转螺旋桨(Contra-rotating Propellers)是涡轮螺旋桨发动机中特有的一种类型,它和普通螺旋桨最大的不同便是发动机上有两组并列转动的螺旋桨,而且两组螺旋桨转动的角速度方向相反,所以又被称为同轴反转螺旋桨。

图-95是全球唯一搭载四发大型涡轮螺旋桨发动机的战略轰炸机,由于发动机功率太大,在桨叶直径和转速无法提升的前提下。工程师只能另辟蹊径,用增加叶片数量来提升效率。所以图-95的速度接近喷气式轰炸机,高达925公里/时,其衍生机型图-114至今保持者最快螺旋桨飞机的世界纪录。

螺旋桨在低速飞行下,其叶片的叶尖会形成切向的空气涡流,涡流会对能量造成损失。在航空工程师的巧妙设计下,同轴反转螺旋桨的两组叶片在转动时产生的涡流会相互抵消,能将能量的损失将至最低。同轴反转螺旋桨不仅能使螺旋桨维持最大的效率,还能充分使用发动机提供的驱动力。再加上图-95主翼采用后掠35°设计,能让图-95在执行任务时保持高速飞行效率。

同轴反转螺旋桨的两组螺旋桨连接在同一台发动机上,里面使用一组行星齿轮达到反向旋转的目的。同轴反转螺旋桨式飞机两侧两个不同的发动机,其螺旋桨转动方向相反,而不是反向旋转螺旋桨。但是同轴反转螺旋桨带来的负面效应也显而易见,例如运转时会产生巨大的噪音,其侧方向噪音增大10分贝,轴方向噪音更是增大30分贝。所以我们只会在军用飞机上看到这种设备。而且同轴反转螺旋桨极大的增加了设计难度和重量。


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共轴反桨结构,这种结构螺旋桨有两层传动轴,外传动轴空心,内传动轴套在里面,两层传动轴通过齿轮组联动,转动方向相反。这种结构现在在直升机上应用较多。


采用共轴反桨的玩具直升机,因为共轴反桨不会产生偏转力矩,不需要安装尾桨

但是注意的是,共轴反桨结构并不能提高工作效率,一台共轴反桨结构发动机产生的推力效果,要远远低于两台一半功率的单层螺旋桨发动机的推力!因为前一层螺旋桨打散了气流,后一层螺旋桨工作效率会大大降低!

而之所以会有这种结构螺旋桨飞机出现,是因为这种结构可以突破单层螺旋桨的极限。螺旋桨飞机增加推力的方式,只能是增加螺旋桨转速和增大螺旋桨直径,这样螺旋桨桨叶叶尖的速度也就不断提高,但是这个叶尖速度是有极限的,那就是不能超过音速!一旦达到音速就会产生音障和激波,可以轻易的打断螺旋桨桨叶。

所以不管怎么设计,单层螺旋桨产生的推力是有极限的,要想突破这个极限只能再安排一层,共轴反桨,那怕工作效率下降。这种设计在喷气机时代早期应用较多,比如说英国的世界上最丑的飞机--塘鹅反潜机。

但是这种设计齿轮组传动结构复杂,噪音大(图-95是唯一一个可以被浮标声呐发现的飞机),在喷气式发动机成熟后基本上取消了。

而图-95之所以采用这种结构,主要还是被航程给逼得,跟美国在欧洲可以用大把空军基地不一样,前苏联要想炸美国要困难的多,对航程要求大,而螺旋桨比较省油。


不过,美国和北约其实都低估了图-95的升限和最大航速,其原本以为升限是9000米,最大时速是580公里左右(这一判断是基于螺旋桨工作的极限判断的)。但是没想到图-95还有涡喷模式,这种模式下,螺旋桨不产生推力,自由转动,全靠发动机当做涡喷发动机一样工作,这种模式下升限可以13000米,时速900到1000公里(不同型号有所不同)。


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为了在高速和航程之间实现平衡,图-95采用了一套独特的动力系统。

图-95的最大起飞重量接近200吨,安装四台NK-12涡轮螺旋桨发动机,单台额定功率11000kW(14750轴马力),驱动一副AV-60四叶同轴反转螺旋桨。

所谓同轴反转螺旋桨,就是两组安装在同一转轴上的串列螺旋桨,但螺旋桨的旋转方向相反。同轴反转螺旋桨一般是通过一组行星齿轮来实现反向旋转的,该螺旋桨具有两个优点:

一是两组螺旋桨反向旋转,互相之间抵消了扭矩,飞行员无需在飞行中通过调整副翼来对螺旋桨的扭矩效应配平。

二是气动效率高。螺旋桨桨尖在旋转中会产生涡流,导致产生的拉力减小。而同轴反转螺旋桨的两组叶片在旋转时,叶尖产生的涡流能互相抵消,降低了涡流能量损失。一般来说,同轴反转螺旋桨比同直径的单螺旋桨的效率能提高6%-16%。

图-95凭借直径达5.6米的同轴反转螺旋桨,使高空巡航速度达到750公里/时,最大速度达到936公里/时,丝毫不逊色于亚音速喷气式轰炸机。

但这4副巨大的螺旋桨也成为该机产生巨大噪音的罪魁祸首。当图-95的速度达到750公里/小时,螺旋桨桨尖的速度已经超过音速,产生持续音爆并横向传播开来,因而噪音相当惊人。而且反转螺旋桨设计使桨尖音爆非常密集,引发的机身震动经常诱发电子设备故障。甚至有传言说美军潜艇在水下就能通过声呐监听到从头顶飞过的图-95。


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图-95战略轰炸机,也叫TY_95,是由前苏联图波列夫飞机设计局和北约代号“熊”开发的远程战略轰炸机。

它的设计有一个后掠翼,在机翼上有四个涡轮螺旋桨,和两个大直径的每个发动机驱动的四叶螺旋桨。

轰炸机使用两层风扇叶片,它们有一个大的翼展和一个大的翼展,并有一个巨大的后掠的平面和垂直尾翼。单层风扇叶片不能支持导弹的反冲,两个叶片可以更好地提高命中率。


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