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为什么喷气式飞机可以飞到2万米以上高度而螺旋桨飞机不能?

首先说,这个论断并不对。螺旋桨飞机的最高飞行记录是 飞到了海拔29524米高度。将近题主所说的高度的1.5倍。

这个记录是在2001年NASA的一个实验小组达成的。其实还可以飞得更高,只不过这个小组当时的任务并不是为了打破飞行高度记录。


当时这个小组是为了打破以太阳能为动力的飞机持续飞行的时间记录。他们在研究利用太阳能为飞机提供持续不断的能量使飞机能够以最长的时间在空中滞留。

本身这架飞机就是一个会飞的太阳能电池板。上面一共有14个电池驱动的电动机,带动着螺旋桨为飞机提供动力。

这14个螺旋桨的总功率最大达到40千瓦,而在夜间靠蓄电池飞行的时候,功率只有10千瓦。如果分摊到每个发动机上来说,大约一只发动机吹出的风力也就相当于美发店的的一个吹风机。


仔细看上面飞机的照片你会发现这是一架展弦比极大的飞机。由轻质材料构成。在这种条件下,即便是只有很小的推力,飞机也可以获得足够大的升力。这点就和是不是螺旋桨动力没什么太大关系了。


虽然高空空气稀薄螺旋桨的效率下降,但是总计10千瓦的推力也足以使这架飞机在空中飞行了。


说回题主的问题,其实传统的螺旋桨飞机是依靠螺旋桨搅动空气而产生的拉力拉着飞机向前运动的。当空气稀薄的状态下,每转动一圈所产生的拉力就会下降。怎么提高拉力呢?除了改变螺旋桨的角度之外最好用的方法就是加大转速了。

但由于螺旋桨本身是有直径的。桨叶在旋转的过程中速度不可能做到极快,否则桨叶的尖端会超过音速造成阻力增大效率下降。在这种条件下限制飞行高度让飞机在足够稠密的大气中飞行就是一个相当不错的选择了,毕竟飞机是工具——性价比是最重要的。


音速是一个很“怪”的东西,空气越稀薄,音速就越低,同时空气越稀薄螺旋桨效率也是越低。两者相叠加就导致了螺旋桨飞机很难在空气十分稀薄的高空飞行。


相反,喷气式飞机的气流是在发动机函道里面经过压气机压缩的。本身气压就远远大于标准大气压。因此,在函道内的压气机叶片的效率要比直接在开放空间内的螺旋桨效率要高很多。

这样本质上就不会有压气机尖端超音速的问题了。


那么有人会问,喷气式发动机最外层的叶片会不会超音速呢?也不会。原因有两个,第一个是现代发动机的不同涡轮叶片和压气机叶片的转速并不是一致的,外部叶片经过减速机降低速度会始终的在最大工作效率的转速下旋转。

第二则是——

大部分喷气式发动机前面还有一段进气道,这段进气道也会压缩空气使空气密度增加,这样也不会有降低效率的超音速气流产生了。


所以说喷气式发动机可以在高空飞行的一个主要原因并不是压缩空气什么的而是利用喷气式发动机的设计将自身效率提高到最大化。

飞到2万米以上的高度,其实螺旋桨飞机也可以达到。美国NASA的太阳神号太阳能螺旋桨无人飞机在2001年试飞的时候,最大飞行高度就达到了29524米。所以螺旋桨飞机也是可以达到近3万米的高度。题主所说的螺旋桨飞机达不到2万米以上的高度,应该是指常规的螺旋桨飞机。螺旋桨飞机通常在升限上要略低于喷气式飞机,这主要与升限的影响因素速度和空气密度有关。

(NASA的太阳神无人机)

在这里先要了解一下最大升限和实用升限。所谓实用升限是指飞机可以保持正常飞行状态下所能达到的最大高度,而最大升限是飞机可以达到的最大高度。简单来说,实用升限下飞机保证正常飞行的飞行高度,最大升限是不管飞机能不能正常飞,反正飞机能到的最高点。一般来说最大升限肯定要大于实用升限,而升限的主要影响因素在于飞机的升力和动力。在正常飞行状态下飞机的升力肯定要大于等于飞机的重力。而升力主要与空气密度、飞机的升力系数和速度成正比。飞机飞行的高度越高,空气就越稀薄,空气密度就比较低。而飞机的机翼面积是确定的,所以在高空飞行时,要想保证飞机的升力就必须要提高飞机飞行的速度。

(飞机的升力与空气密度、飞机的升力系数和速度成正比)

这一关系反映在螺旋桨和喷气式飞机上就使得两者的升限与其飞行速度有关了。由于螺旋桨飞机是依靠螺旋桨推动空气沿飞行相反方向流动,从而对螺旋桨产生推力,推动飞机前进。要想提高螺旋桨飞机的速度,要么增大螺旋桨的尺寸,要么增大螺旋桨的转速。增大螺旋桨的转速就需要大幅度提高发动力的动力,而高转速大直径的螺旋桨在高速运转时,由于桨尖速度过快,导致螺旋桨产生的推力不足,从而引发桨尖失速,导致飞机的升力不足而导致失速问题。这就使得螺旋桨飞机在高空状态下难以保证飞行状态。

(螺旋桨飞机依靠螺旋桨推动空气产生推力)

与之相反,喷气式飞机由于是通过点火加热空气,使空气膨胀并从尾部喷出获得向前的动力。这就使得喷气式飞机在速度上要比螺旋桨飞机快得多。喷气式战斗机的最大速度通常在1.5-2马赫之间,而螺旋桨飞机的最大速度多为高亚音速,这就使得喷气式飞机的升限显然要高于螺旋桨飞机。如米格25战斗机最大飞行高度可达3马赫,最大升限可达3万米。而螺旋桨飞机的最大升限通常都在2万米以下。不过,像太阳神号无人飞机那样,增大飞机的机翼面积也可以是提高螺旋桨飞机的升限。所以,螺旋桨飞机通过增大机翼面积也可以提高飞机的升限。

(米格25战斗机)

(螺旋桨飞机的升限一般都要低于喷气式飞机)

能飞多高与采用螺旋桨还是采用喷气式没有关系,起决定作用的是发动机的单位功率,而且现代螺旋桨飞机多采用涡桨发动机,本身就是喷气式发动机的一种。

飞机是大气层内飞行器,其飞行原理受地球物理环境影响,所以会出现“升限”的限制。主要影响升限的因素有2大方面:

其一是飞机的流体力学性能影响。飞机是穿行在流体中的飞行器,即“伯努利效应飞行器”,它们既受流体阻力影响,又受流体压力影响;机体\翼面在破开空气的同时产生上下不同的气压表现,从而促使飞机向一端转移,这样飞机便获得了“上升力”。

由于地球大气越往外层越稀薄,因此飞机越飞得高,伯努利效应就越无力,因为已经没有气流能够形成气压差,将飞机托举着飞行了。

其二是飞机的发动机燃烧功率问题。前面已经说过,无论是涡桨发动机还是涡喷、涡扇、涡轴发动机,它们之间并没有太大的工作差异。喷气式发动机对燃烧性能非常在意,需要吸入大量的氧气,因此它们遭遇到高空后,也会因为大气层的逐渐稀薄而降低性能。

这种现象其实我们并不难理解,某些低海拔地区运行得不错的车辆,送到高原地区去可能就不行了,发动机功率大打折扣。飞机是同样的道理,它们也有“高原反应”,一旦飞得过高,发动机便会出现各种震喘、输出率低、熄火等故障,或者干脆停留在某些高度,像汽车爬陡坡一样,打死也推不上去了。

这两方面的因素直接影响了飞机的升限,让大部分的飞机在差不多的巡航推力下被限制在“实用升限”的条件之中,虽然有“最大升限”,但这种性能与汽车冲坡差不多,既不实用还非常危险,更不属于常规操作。

二战时的螺旋桨采用了活塞发动机,确实在绝对做功上小于喷气式飞机,但在功重比上活塞机并不见得落后,因此像F4U“海盗”、P51“野马”Fw190“百舌鸟”等二战战机飞上1万2多米高空不在话下,这个能力比今天许多涡桨发动机都强。

实际上,如今大部分民用飞机飞个1万多米不成问题,无论是涡桨还是活塞机问题都不大,限制它们的是人为因素。一方面私人民用飞机没有飞太高的必要,一方面商用飞机也没有搞极限飞行的闲心,总是故意挑战升限很容易出事。所以航空界除了机体实用升限外,还有一些管制限制,比如依照FAA(Federal Aviation Administration 美国联邦航空管理局)标准,普通的非商用螺旋桨机都被限制在28000英尺以下(约等于8534米)。

至于飞到2万米高空,限制这个高度的最主要问题其实是科学技术和实用化应用,一般超过12000米高度,机体就已经会很明显的受到高空环境影响,连SU-27、F-22这样的战斗机都是如此。现有条件的技术一般将战斗机的实用升限控制在18000米左右,至于那些民用机、私人飞机,有多少人会花本钱研制高空飞机?直接用成熟的军用飞机不好么?

但不可否认的是,喷气式飞机在加速度能力、持续推力输出方面是有优势的,在科技实现上相对活塞螺旋桨机也更容易,而且在高空飞行上,涡轮喷气式发动机确实更具优势,它的高空性能优于现在流行的涡轮风扇发动机,更是大大优于涡轮桨叶发动机。

比如米格25“狐蝠”截击机,它能飞到28000米的高度,实用升限也有24000多米,速度快至3马赫,这与它硕大的R-15B-300加力涡喷发动机离不开关系。我国的歼8系列战机也是一样,它们能飞上2万多米高空,都得拜那些涡喷发动机所赐。现代战机更强调多用途作战,不再强调极端的高空高速性能,所以现代涡扇发动机反倒在这些领域更弱一点。

虽说一切都是功率因素,但在实际使用中,螺旋桨也会出现一些不利于飞行的BUG,比如螺旋桨为了增大功率,除了加大发动机功率外,还得增加桨叶直径,但桨叶直径越大,越容易产生各种力学问题,还会因为过高转速发生“桨尖失速”,因激波效应使得螺旋桨飞机无法完成超音速飞行,更难在高空动力功率、气压环境都不足的情况下保持飞行效率。

所以比起能拼命加力,然后一口气将自己用惯性加速度和推力“顶”上天际的某些喷气式飞机,螺旋桨这种物理结构注定其很难上到20000米高空,除非科学技术有突破。

不过凡事也不能说死,某些比较极端的科研螺旋桨机还是能升上天空的,比如NASA搞的一些太阳能长航时无人机项目,它们被宣称拥有30000-50000米的飞行高度,当年曾被计划作为信号中继器或3G的组网器,但实际只飞到了29000多米,且大部分飞行都限定在10000-13000米的高度,之后这个项目就流产了。软银方面也投资过类似的机型,它们的高度表现还不如NASA的,人们对这些飞机的要求是“长航时”而非飞得高。

而且这些太阳能飞机几乎抛弃了所有的必要载重,把轻量化做到了极限,光伏板、电动机、螺旋桨占据了绝大部分重量,使用的还是不需要考虑燃烧功率的电动机驱动,在功重比上相当突出,当然能飞得更高。

其实比飞机更厉害的是气球技术,1972年温岭公司创造的51816米的无人气球记录。载人气球记录是新泽西人尼古拉斯创造的,他飞到了37734.24米,不过降落时摔死了所以这项记录没有被认为成功。

人们一般认为美国海军中校马尔科姆和维克多少校两人1961年创造的34667.95米高度为世界之最;实际上,现在不少极限跳伞都喜欢选用载人气球,对于民间用途而言,高空气球技术比飞机技术要可靠的多。

有时候我们需要换个角度去思考问题,喷气式飞机虽然动力出色,但我们永远无法回避它们的流体效应和发动机功率问题,即便是U-2和SR-71“黑鸟”都一样。而反过来,螺旋桨飞机却可以通过“电能-机械能”的转化,成为更稳定的高层大气飞行装置。所以,无论是太阳能无人机,还是现代的一些高空载人试验方案,都采用了电驱动的螺旋桨结构。

电动机不需要消耗氧气,更不用吸气,它只需要足够的能量供以转动。比如2020年即将展开的“索拉斯特拉托斯探险团”(SolarStratos)任务,由Elektra Solar GmbH的Calin Gologan设计的高空载人机即采用了电动螺旋桨技术,它的电动机功率高达32千瓦,能以2200转/分的速度为四个2.2米的叶片提供动力,效率高达90%。

整个飞机翼展24.8米,长8.5米,仅重450公斤,实际飞行中,因为极度减重,飞机上没有任何加压设备,因此飞行员必须穿上类似宇航服的“太阳能加压服”工作。飞机上贴了22平米的光伏板,它们为机载锂电池供电,按照计划预计,它将尝试飞行到8万英尺(24383米)的高空,这将是载人飞行之最。

从SolarStratos任务来看,如果他们成功了,那么还真别说喷气式比螺旋桨飞得高。

这就有点像增压发动机和自然吸气发动机的原理。前者可以把更多的空气压缩进入燃烧室。2万米高空的空气非常稀薄、氧气含量极低可能不足海平面的10%,而气温要低于零下50℃。在这种环境下一般的螺旋桨发动机是根本无法点火燃烧的。


只有这种涡扇发动机可以将空气进行压缩,提升温度,达到适合燃烧的空燃比。而且这种高空飞行的喷气式发动机使用的也不是普通的汽油,而是航空煤油。航空煤油的热值高,燃烧性能好,能迅速、稳定、连续、完全燃烧,且燃烧区域小,积碳量少,不易结焦;低温流动性好,能满足寒冷低温地区和高空飞行对油品流动性的要求。

我是雪松,你说的问题太守旧了也太过时了,喷气式飞机是什么年代了,而且喷气式也飞不到两万米。

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