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飞机发动机既然容易吸入小鸟,那么在发动机前面加个罩子的难度有

2020-08-06 22:37阅读(100)

飞机发动机既然容易吸入小鸟,那么在发动机前面加个罩子的难度有多大?:第一,一旦装上罩子,对空气的阻力太大,严重影响发动机的推力及性能。现在民航机的发动

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第一,一旦装上罩子,对空气的阻力太大,严重影响发动机的推力及性能。

现在民航机的发动机推力主要就是靠推动大量空气,产生反向作用力,来推动飞机向前。一旦装上罩子,太稀疏不能很好的防鸟,太密集肯定影响推力。

第二:发动机全功率运转时吸力很大,可以把前方几米外的人都可以吸进去。再简单点说,能产生多大推力,那么吸力也比它小不了太多。一台发动机几吨到几十吨的推力,那么要多结实的罩子才能顶住这么大吸?万一失效,会不会对发动机更危险?

第三:发动机其实是比较结实的,叶片也是,很少有鸟类能把发动机叶片打坏到不能运转。毕竟一个叶片也是几万到几十万,锋利的前缘不但切空气厉害,切肉一样行。普通鸟类打上去就是粉身碎骨。概率很低的事件,装一个罩子值不值得?

第四:其实不止是发动机,鸟类打在其他地方一样危险。糊在驾驶舱玻璃上就会让机长没有视线。如果要装保护罩,那么其实要保护的地方很多。发动机高速运转,几千转每分钟,又是合金材质,其实反而没有保护的必要。

第五:与其保护飞机减少撞击损失,不如想办法减少鸟类撞击。现在机场采取的防鸟措施很多,飞机也有类似的设计。

所以,综上所述,其实发动机装保护罩防鸟是不可行,也没有必要的。

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难度不大,而且没有特殊要求,加个罩子完全就是画蛇添足,用处不大。而且还会反过来影响飞机的性能。当年的米格-29就是发动机加装保护罩的受害者,它估计已经哭晕在厕所了。▼仔细观察正准备起飞的米格-29战斗机进气道,就可以看到两块非常明显的挡板,将整个进气道完全挡住。这种设计和题主所说的在发动机前设置保护罩的做法有异曲同工之妙。只不过米格-29的保护罩没有直接装在发动机前,而是使用挡板挡住进气道,进而挡住异物进入发动机,打伤叶片。
涡轮风扇发动机要工作是要呼吸的,要通过进气道吸气,压缩机压缩,燃烧室点燃航空煤油,然后形成高温高压气体向后高速喷出才能产生动力。米格-29用挡板把进气道给挡住了岂不是等于人把鼻子捏住了,那它怎么吸气呢?鼻子捏住了还能用嘴巴啊!米高扬设计局的设计师给米格-29设计了一个“嘴巴”,用于在起飞时挡板挡住机腹进气道时吸气,供发动机工作。▼图中米格-29座舱后背部的方形格栅就是它的“嘴巴”,在起飞时打开,起飞后腹部进气道挡板打开,背部进气道关闭。
为什么米格-29会有一套这么复杂的进气道呢?米格-29是前苏联当年未来前线战斗机计划的产物,设计要求是可以在非铺装跑道野战机场起降。而米格-29使用的T-10气动布局进气道设置在腹部,离地面比较近。在沙石地面滑跑时,会扬起大量沙石,就算起落架加固,并且设置挡板也不能避免起飞滑跑时产生的沙石进入进气道,所以设计师设计了这么一套用来挡沙石的进气道挡板。

这套挡板有利也有弊,虽然成功挡住了沙石,但是也挡住了进气道,导致发动机进气量减少,油耗陡增。而且机械结构设置在边条翼内部,占去了内部油箱的一部分,导致可以携带的内油减少,最终导致米格-29作战半径较小,被人讽刺为“机场保卫者”。

其实,只有像米格-29这种有特殊要求的飞机需要加装进气道保护罩才有意义,对普通的飞机来说,不仅达不到保护的效果,还会影响进气道工作,影响飞机的性能。

因为保护罩加上,进气量减少,发动机油耗增大。对民机来说油耗上升,运营成本上涨,对军机来说则会导致作战半径下降,影响战斗力。

而且,除了影响飞机性能以外,保护罩的保护能力非常有限,大部分时候根本挡不住飞鸟撞击。▼这是飞机雷达罩被鸟撞击之后的惨烈现场,冲击力非常可怕,目前世界上大部分的材料强度根本挡不住。如果发动机位置被撞成这样,保护罩凹陷,撞上发动机叶片的危害会更加恐怖!

当然,不是所有的鸟都有这么大,大部分鸟的体积比较小。遇到小的鸟的时候,航空发动机的叶片是可以自己扛住的。▼这是现代航空发动机吸入异物测试,所有新型号发动机在量产之前都要经历这一步。在测试的时候,工作人员会让发动机吸入大量水,冰晶,甚至是向发动机发射飞鸟,以测试发动机的扛撞击性能。一般来说,只有通过了这项测试的发动机才能装在飞机上,所以体格较小的飞鸟根本奈何不了发动机,用不着保护罩保护。飞机撞鸟是整个航空界的难题,目前世界每年的航空事故中,接近1/5是因为飞鸟撞击,所有的航空工程师们都在为这事头疼。加装保护罩看起来简单有效,但实际上不仅保护作用不大,还会影响飞机性能,很明显是一条邪路。目前,避免飞机撞鸟的办法主要分为两类,一类是加固飞机,使用强度更高的材料。但是目前人类材料科学水平有限,还造不出这么强的材料。另外一类是把鸟赶走,或者将机场设置在飞鸟少的位置,避免飞鸟撞击。现在的机场都有专门的驱鸟部门,专门负责将鸟赶走,大大降低了飞机在起降时飞鸟撞击的可能。

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没什么难度啊,实际上很多有前线简易机场运作需求的飞机就有这样的设计,最典型的比如苏联空军前线航空兵的米格-29A,该型飞机由于在设计时就要求在一线简易整备跑道上起降,为了避免滑行时吸入异物(包括但不限于飞鸟,主要考虑的是不要吸入石子灰尘等等),特地设置了一个进气道屏蔽罩和配套的边条翼上的辅助进气口。在地面滑行时进气道屏蔽罩升起封闭主进气道,打开辅助进气口进气启动发动机,待转入跑道后再降下屏蔽罩,关闭辅助进气道加力起飞。除了米格-29A,可以遂行前线空中遮断与即时战术支援等任务的俄军战斗教练机Yak-130也有相同的设计。

只不过,这两型飞机的进气道屏蔽罩只能在地面打开,在空中是不能使用的。原因有两个,一是由于流体力学/空气动力学因素,航空发动机对于进气道流场的顺畅性要求极高,在地面低速运行时影响不大,在空速高达数百乃至上千公里后,打开格栅式屏蔽罩会造成气流紊乱,如果紊流过于复杂的话就可能导致发动机出现喘振乃至空中停

车,威胁飞行安全;二是在高速飞行时飞行器的动能极大,一旦发生鸟撞事故,一只0.5KG重量的飞鸟都有数千焦耳的能量。这么大的能量是薄薄的一层屏蔽网根本无法挡得住的,只会出现飞鸟撞破屏蔽网之后再撞进发动机,连带着将屏蔽网的金属碎片一并带入发动机,造成更大伤害的二次事故。因此,在发动机前设置防鸟撞屏蔽网,本质上是得不偿失的,也没人这么设计。

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航空发动机如果吸入外物,就很容被打伤叶片、造成发动机的故障,所以有人就想了,是不是在发动机前面加上一个罩子,就可以防止外物被打伤了?这个想法既对也不对。

对于大部分固定翼飞机而言,都有发动机防外物打伤的设计,比如说民用飞机发动机前面的那个椎体,实际上这个椎体的形状是经过设计的,尽量把装上来的东西给弹到撞不到叶片的位置;再比如说现在的叶片设计,都是采用宽弦叶片设计,也就是说叶片很厚,而且还会在叶片前侧包裹上钛合金的材料,这样就可以最大可能防止外来物体打伤叶片。

而且在上述措施的保障之下,一般来说,小的物体、速度慢的物体撞到航空发动机叶片式不会引发故障的,这一点,每一种航空发动机都需要进行所谓的“外物打伤实验”来保证航空发动机的安全。下面这个动图就是进行外物打伤实验的慢镜头。

所以说,一般的外物打击对于发动机的运行是没有致命的影响的。这个时候如果安装一个罩子,那么对于发动机效率是有很大影响的,尤其是对于速度较高的飞机,发动机装上罩子之后非常费油,得不偿失。

那么那些质量大、速度快的物体怎么办呢?这些物体发动机就招架不了了呀。这样说固然对,但是反过来想一想,这些质量大、速度快的物体,就是装上了罩子,那一层薄薄的罩子也挡不住——所以装了也白装,还不如不装。

简单说,东西小了,发动机自己扛得住;东西大到发动机扛不住的,罩子也扛不住,再加上罩子本身还会大大降低发动机的效率,那就不如不装。

不过,对于那些飞行速度很慢的飞机,比如说直升机,他们基本上就不存在罩子影响发动机效率的问题了。而且刚刚虽然说了,有些外物打伤发动机扛得住,但是这也只是说那些发动机被击中之后不会当场爆炸而已,损伤该有还是有,该修还是要修,也是要花不少钱的,所以如果不影响效率,那装了罩子比不装好。下面这幅图就是我找到的一张直升机发动机前面的罩子,可以防止发动机吸进异物、打伤叶片。

不知道解释清楚了没有呢?

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力的作用是相互的,飞行在高速飞行时撞击飞鸟,双方的动能都是非常大的,一旦撞上,这对飞机有很严重的威胁。根据不完全统计数据,每年大概会有九千只鸟会撞上美国飞机,那为什么不给发动机加罩子呢?这不是难度大不大的问题,而是这么做根本就起不到什么效果。

苏联时代的很多战机,就有在进气道加网罩或挡板的做法,不过这并不是为了防止鸟类的撞击。苏联比较注重在野战环境下战机在简易机场起飞作战的能力,加网罩或挡板就是为了防止战机在简易机场起飞时吸入石子,但这些网罩在起飞后是要被收起的。

为什么说这没什么效果呢?其实并不是说发动机只要撞上鸟就一定会被损坏,但是如果撞上大规模的鸟群那就不好说了。在飞机遭遇鸟群的情况下,飞鸟既然能将发动机撞坏,那也会很容易将网罩穿透啊。很多大型客机,有时候很容易撞上鸟群,通常都会在机头的雷达罩上撕开一个大口子。

这还不是最主要的原因,如果你加上罩子,这会极大地影响发动机的效率,甚至是在进气口形成紊流。飞机撞鸟毕竟是个小概率事件,如果因为担心撞鸟就去极大地牺牲发动机的性能,这是得不偿失的。

对于战斗机来说,牺牲发动机的性能这是不可能被允许的。民航客机除了这个因素之外,还有就是它有一定的冗余,如果一台发动机出问题,还可以通过其它的发动机来保持飞行并紧急迫降。飞机在设计时,这些问题都是要被考虑到的。

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的确可以在进气口前加个网罩,事实上也有喷气式战斗机这么做了。如苏-27战斗机的进气口内就有一张钛合金制造的可动滤网,在起降时打开遮住进气口,防止发动机吞入异物,在爬升到较高高度后滤网会向下放平,减小进气阻力。



再比如雅克-25截击机的发动机吊舱进气口内安装了一个固定式锥形过滤网罩,开起到相同的作用。



但是这些网罩能防的异物并不包括飞鸟,因为鸟击时的动能过大,并不是薄薄的网罩所能抵御的。根据动能定理,如果一架飞机在起降中与一只0.5千克的飞鸟相撞,假设此时飞机的速度是277公里/小时,那么撞击在极短时间作用在机身上的动能是1500焦耳,如果飞机的速度是461公里/小时,那么撞击动能就增加到4000焦耳。如此强大的动能作用在过滤网罩上只会是直接被穿透,然后飞鸟直击发动机风扇,造成灾难性后果。如果要想网罩不被穿透,恐怕只能动用装甲车上用于防护RPG的格栅装甲了,这对于飞机来说要增加多少重量和阻力啊。



对于抗鸟击来说,这种被动防护手段并不能取得很好的效果,只有科学驱鸟才是正途。

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实际上许多人都认为发动机前面加个罩子就可以解决发动机被鸟撞的问题了,其实飞机撞鸟不是这么简单。飞机是按照一定速度在大气层内飞行的航空器,为了获得升力,飞机必须保持一定的速度,这样整个飞机就有了动量。

在空中飞行的小鸟实际上非常无辜,原本属于鸟类的天空却被人类的飞行器所占领,而且速度远在鸟类之上。当鸟类撞上飞机时,撞击产生的能量是巨大的,不是因为鸟类飞的快,而是飞机以近乎炮弹的速度去撞了小鸟。从这看鸟类与飞机相撞就等于被一枚炮弹击中,只是炮弹的速度和质量稍微小了一点而已。

如果在发动机前面装个网,在相对速度非常大的情况下可以被轻松击穿,这样这个网就失去意义了,而实际上许多战斗机本身在起降阶段会有一个网在进气道内启用,不过也仅仅是为了仿制其他一些跑道上的杂物而已。

从动能的角度看在发动机前加个网是还是无法避免鸟类撞击损坏发动机的事情。实际上不仅仅发动机会被鸟击,而且机身被鸟撞的更多。

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有人曾估计,全世界每年因为鸟类撞飞机的损失超过100亿美元,而每500次此类事件中,小鸟被吸入飞机发动机,导致事故的约有100次。很多人就想问了,为什么不直接在发动机前面加个罩子呢?是因为难度太大吗?

一般来说,飞机发动机全速运转时, 吸力巨大 ,比如波音747客机 ,它的发动机进气量就有320千克/秒。还有的客机进气量甚至高达1.42吨/秒, 进气速度有100~120米/秒。鸟类稍微接近飞机发动机 ,就会被吸进去 。

再加上发动机叶片正处于高速旋转中,鸟类撞击发动机 ,就相当于一辆高速行驶的小车撞向围墙的能量 。不仅鸟会粉身碎骨 ,飞机也将因此损坏, 轻则整机迫降 ,重则机毁人亡 。那什么不直接在发动机前加个罩子呢?

实际上 ,设计师也不是没想过这个问题 。但是考虑到 ,飞机发动机的气流实在太大,如果罩子上的孔太稀疏, 鸟依然会被吸入 。如果孔太密集, 又会阻碍气流, 影响发动机的推力及性能,实施起来并不容易 。

而且 ,发动机运转时, 能几米外的人都吸进去,普通材料做成的罩子无法抵挡 ,要是被卷入 ,将造成更大的损坏。

所以 ,在发动机前面加罩子 ,依然设计师面临的难题。其实 ,不止是发动机, 鸟类撞上飞机哪里都同样危险。虽然飞机是个庞然大物, 但也怕鸟啊! 听说鸟怕噪声!有人就提出了, 把飞机发出的噪音转化为声波 。将鸟吓跑的方法 ,大家觉得怎么样?

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在发动机前加个罩子,防飞鸟,看似好主意,但做起来难。现代发动机少则产生几吨的推力,大则数十吨的推力。喷气发动机靠吸进大量空气,经燃烧室高温气化产生高强度的喷射流,利用反冲力让飞机飞行。在发动机前安装罩子,强度不够,容易被发动机产生的巨大吸力破坏,危及发动机的安全。其栅栏过疏稀,没有防鸟作用,过紧密,严重影响进气,还容易产生涡流,影响发动机正常工作。其实航空工程技术人员也做过大量的相关试验,均以失败告终,所以放弃了这种作法。

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我就不回答了,简而化之,问这个问题的人或许就没想过飞机是靠什么飞上天的。