爲什麼圖95轟炸機的發動機有兩層扇葉?

神奇手


圖-95發動機使用的是同軸反轉螺旋槳。同軸反轉螺旋槳(Contra-rotating Propellers)是渦輪螺旋槳發動機中特有的一種類型,它和普通螺旋槳最大的不同便是發動機上有兩組並列轉動的螺旋槳,而且兩組螺旋槳轉動的角速度方向相反,所以又被稱為同軸反轉螺旋槳。

圖-95是全球唯一搭載四發大型渦輪螺旋槳發動機的戰略轟炸機,由於發動機功率太大,在槳葉直徑和轉速無法提升的前提下。工程師只能另闢蹊徑,用增加葉片數量來提升效率。所以圖-95的速度接近噴氣式轟炸機,高達925公里/時,其衍生機型圖-114至今保持者最快螺旋槳飛機的世界紀錄。

螺旋槳在低速飛行下,其葉片的葉尖會形成切向的空氣渦流,渦流會對能量造成損失。在航空工程師的巧妙設計下,同軸反轉螺旋槳的兩組葉片在轉動時產生的渦流會相互抵消,能將能量的損失將至最低。同軸反轉螺旋槳不僅能使螺旋槳維持最大的效率,還能充分使用發動機提供的驅動力。再加上圖-95主翼採用後掠35°設計,能讓圖-95在執行任務時保持高速飛行效率。

同軸反轉螺旋槳的兩組螺旋槳連接在同一臺發動機上,裡面使用一組行星齒輪達到反向旋轉的目的。同軸反轉螺旋槳式飛機兩側兩個不同的發動機,其螺旋槳轉動方向相反,而不是反向旋轉螺旋槳。但是同軸反轉螺旋槳帶來的負面效應也顯而易見,例如運轉時會產生巨大的噪音,其側方向噪音增大10分貝,軸方向噪音更是增大30分貝。所以我們只會在軍用飛機上看到這種設備。而且同軸反轉螺旋槳極大的增加了設計難度和重量。


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共軸反槳結構,這種結構螺旋槳有兩層傳動軸,外傳動軸空心,內傳動軸套在裡面,兩層傳動軸通過齒輪組聯動,轉動方向相反。這種結構現在在直升機上應用較多。


採用共軸反槳的玩具直升機,因為共軸反槳不會產生偏轉力矩,不需要安裝尾槳

但是注意的是,共軸反槳結構並不能提高工作效率,一臺共軸反槳結構發動機產生的推力效果,要遠遠低於兩臺一半功率的單層螺旋槳發動機的推力!因為前一層螺旋槳打散了氣流,後一層螺旋槳工作效率會大大降低!

而之所以會有這種結構螺旋槳飛機出現,是因為這種結構可以突破單層螺旋槳的極限。螺旋槳飛機增加推力的方式,只能是增加螺旋槳轉速和增大螺旋槳直徑,這樣螺旋槳槳葉葉尖的速度也就不斷提高,但是這個葉尖速度是有極限的,那就是不能超過音速!一旦達到音速就會產生音障和激波,可以輕易的打斷螺旋槳槳葉。

所以不管怎麼設計,單層螺旋槳產生的推力是有極限的,要想突破這個極限只能再安排一層,共軸反槳,那怕工作效率下降。這種設計在噴氣機時代早期應用較多,比如說英國的世界上最醜的飛機--塘鵝反潛機。

但是這種設計齒輪組傳動結構複雜,噪音大(圖-95是唯一一個可以被浮標聲吶發現的飛機),在噴氣式發動機成熟後基本上取消了。

而圖-95之所以採用這種結構,主要還是被航程給逼得,跟美國在歐洲可以用大把空軍基地不一樣,前蘇聯要想炸美國要困難的多,對航程要求大,而螺旋槳比較省油。


不過,美國和北約其實都低估了圖-95的升限和最大航速,其原本以為升限是9000米,最大時速是580公里左右(這一判斷是基於螺旋槳工作的極限判斷的)。但是沒想到圖-95還有渦噴模式,這種模式下,螺旋槳不產生推力,自由轉動,全靠發動機當做渦噴發動機一樣工作,這種模式下升限可以13000米,時速900到1000公里(不同型號有所不同)。


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為了在高速和航程之間實現平衡,圖-95採用了一套獨特的動力系統。

圖-95的最大起飛重量接近200噸,安裝四臺NK-12渦輪螺旋槳發動機,單臺額定功率11000kW(14750軸馬力),驅動一副AV-60四葉同軸反轉螺旋槳。

所謂同軸反轉螺旋槳,就是兩組安裝在同一轉軸上的串列螺旋槳,但螺旋槳的旋轉方向相反。同軸反轉螺旋槳一般是通過一組行星齒輪來實現反向旋轉的,該螺旋槳具有兩個優點:

一是兩組螺旋槳反向旋轉,互相之間抵消了扭矩,飛行員無需在飛行中通過調整副翼來對螺旋槳的扭矩效應配平。

二是氣動效率高。螺旋槳槳尖在旋轉中會產生渦流,導致產生的拉力減小。而同軸反轉螺旋槳的兩組葉片在旋轉時,葉尖產生的渦流能互相抵消,降低了渦流能量損失。一般來說,同軸反轉螺旋槳比同直徑的單螺旋槳的效率能提高6%-16%。

圖-95憑藉直徑達5.6米的同軸反轉螺旋槳,使高空巡航速度達到750公里/時,最大速度達到936公里/時,絲毫不遜色於亞音速噴氣式轟炸機。

但這4副巨大的螺旋槳也成為該機產生巨大噪音的罪魁禍首。當圖-95的速度達到750公里/小時,螺旋槳槳尖的速度已經超過音速,產生持續音爆並橫向傳播開來,因而噪音相當驚人。而且反轉螺旋槳設計使槳尖音爆非常密集,引發的機身震動經常誘發電子設備故障。甚至有傳言說美軍潛艇在水下就能通過聲吶監聽到從頭頂飛過的圖-95。


鷹眼戰情室


圖-95戰略轟炸機,也叫TY_95,是由前蘇聯圖波列夫飛機設計局和北約代號“熊”開發的遠程戰略轟炸機。

它的設計有一個後掠翼,在機翼上有四個渦輪螺旋槳,和兩個大直徑的每個發動機驅動的四葉螺旋槳。

轟炸機使用兩層風扇葉片,它們有一個大的翼展和一個大的翼展,並有一個巨大的後掠的平面和垂直尾翼。單層風扇葉片不能支持導彈的反衝,兩個葉片可以更好地提高命中率。


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