在登機的時候,你有沒有注意過航空發動機?如果你注意了就一定會發現,這個東西真是漂亮。
為什麼漂亮呢?因為它的葉片扭來扭去,呈現出了一種難以名狀的曲線之美,那麼問題來了,航空發動機的葉片為什麼要設計得這麼扭曲呢?難道就只是為了好看嗎?當然不是。航空發動機的葉片之所以要扭起來,第一就是為了飛行的平穩。當航空發動機旋轉起來之後,葉片轉動的角速度是一樣的,但葉片上每個部位轉動的線速度卻不同,而這個線速度又被稱為「周向速度」。
一個葉片轉動了一圈,葉根的部分只是走過了一個小圓圈,而葉尖的部分卻走過了一個大圓圈,兩個部分的周向速度顯然是不一樣的。
也就是說,葉根部分和葉尖部分推動的空氣量是不一樣的,所承受的空氣阻力也是不一樣的,這就導致了一種不平衡。如果這種不平衡長期存在,最嚴重的後果就是導致葉片發生斷裂,即便短時間內沒有斷裂,也會影響到飛機的飛行平穩併產生更大的噪音。為了解決這個問題,就必須把發動機的葉片扭一扭,讓葉根部位保持大迎角,讓葉尖部位逐漸變為小迎角。
這樣一來,兩個部位的周向速度雖然不同,但承受的阻力卻相等了,自然也就平衡了。
不過這只是航空發動機葉片的第一扭,如果只是扭了這一下,並沒有什麼大不了,因為所有的風扇葉片也都是這麼扭的,而航空發動機葉片的獨特之處在於,在扭了第一次的基礎之上,它又扭了一下,從而讓整個葉片看起來有些近似於S型。為什麼要扭這第二下呢?普通民航客機的飛行速度是遠低於音速的,但這並不意味著飛機上的每一個部分都低於音速。
事實上航空發動機葉片葉尖部分的轉動周向速度就超越了音速。
超越音速會怎樣?會產生激波。當一個物體向前移動時,會推動前方的空氣向前移動,而前方的空氣又會進一步推動更前方的空氣,並以此類推。如果物體的移動速度不是很快,那麼被推動的空氣就會在壓縮、恢復、彈開之間不斷往複,但如果物體的移動速度過快,達到了音速,那麼被推動壓縮的空氣就來不及復原,而這些被擠壓的空氣因密度不同,會與兩側未被擠壓的空氣形成一道明確的界限,這個界限就是激波。
激波就如同一道屏障一般,會產生巨大的阻力,並影響物體運動的穩定性。
由此可見,如果葉尖部分出現激波,發動機的轉速以及飛機的穩定都會受到影響,而將葉片再扭一下,就可以完美地解決這個問題。因為再一次的扭動使得葉片出現了一個明顯的角度,這個角度將通過葉片的空氣分成了兩個不同的方向,這樣一來,每一個方向上的空氣流速都會顯著下降,低於音速,也就阻止了激波的出現。
如果再仔細觀察就會發現,航空發動機的葉片在扭了兩次之後,在葉尖部分又出現了一個向上勾的弧度,這又是為什麼呢?
航空發動機在轉動的過程中,會導致一部分空氣因離心力的作用而被甩出去,葉尖部位的這一勾就是為了把被離心力甩出去的空氣給勾回來,讓它們重歸發動機的中心。不浪費一丁點的空氣,發動機的效率自然也就提升了。事實上航空發動機葉片的扭動角度還有進一步優化的空間,事實上也一直在不斷優化,所以你會發現,越是新製造的航空發動機,上面的葉片扭得就越漂亮。