Реактивные и винтовые двигатели

Подъёмную силу даёт крыло, но движет самолёт двигатель — разберём, откуда берётся тяга.

Тяга — реактивная сила, возникающая, когда двигатель отбрасывает массу воздуха (и газов) назад; по третьему закону Ньютона эта масса толкает самолёт вперёд.

И винт, и реактивный двигатель работают по одному принципу: разгоняют воздух назад. Разница лишь в том, как именно — много воздуха медленно (винт) или мало воздуха быстро (турбореактивный). От этого зависит, кто эффективнее на какой скорости.

Тяга из второго закона Ньютона

Тяга равна изменению импульса струи в секунду — массовому расходу воздуха $\dot{m}$, умноженному на прирост скорости:

$$ T = \dot{m}\,(v_{\text{струи}} - v) $$

Отсюда важный вывод: одну и ту же тягу можно получить, отбросив много воздуха с малой добавкой скорости или мало воздуха с большой. Первый способ (винт, двухконтурный двигатель) экономичнее, второй (чистый турбореактивный) даёт высокую скорость струи.

v = 200.0  # скорость самолёта, м/с
for m_dot, v_jet, name in ((300.0, 230.0, "вентилятор (большой расход)"),
                           (40.0, 600.0, "турбореактивный (быстрая струя)")):
    T = m_dot * (v_jet - v)
    P_useful = T * v
    print(f"{name:32s}: тяга={T:6.0f} Н, полезная мощность={P_useful/1000:5.0f} кВт")

Вывод:

вентилятор (большой расход)     : тяга=  9000 Н, полезная мощность= 1800 кВт
турбореактивный (быстрая струя)  : тяга= 16000 Н, полезная мощность= 3200 кВт

Винт против реактивной струи

Тип	Лучше всего на
Винт (поршневой/турбовинтовой)	малые и средние дозвуковые скорости
Турбовентиляторный (двухконтурный)	высокие дозвуковые ($M\approx 0{,}8$)
Турбореактивный, ПВРД	сверхзвук

Винт эффективен, пока концы его лопастей не приближаются к скорости звука; дальше волновое сопротивление губит его КПД. Поэтому на больших скоростях побеждает реактивная тяга.

Как работает под капотом

Полётный КПД двигателя тем выше, чем ближе скорость струи к скорости самолёта (меньше энергии теряется в отброшенном воздухе). Поэтому современные лайнеры используют двухконтурные двигатели с большой степенью двухконтурности: огромный вентилятор гонит много воздуха с небольшой добавкой скорости — это экономично и тихо. Чистый турбореактивный двигатель с быстрой горячей струёй остаётся уделом сверхзвуковых самолётов, где нужна именно высокая скорость истечения.

Частые ошибки

Думать, что двигатель «толкается от воздуха как от стены». Тяга — это реакция на отброшенную массу, а не упор в неподвижный воздух.
Считать турбореактивный двигатель всегда лучшим. На малых дозвуковых скоростях винт и вентилятор экономичнее.
Игнорировать полётный КПД: высокая скорость струи при низкой скорости полёта расточительна.

Итог

Тяга $T=\dot{m}(v_{\text{струи}}-v)$ — реакция на отброшенную назад массу воздуха.
Много воздуха с малой добавкой скорости (винт, вентилятор) экономичнее на дозвуке; быстрая струя нужна на сверхзвуке.
Полётный КПД максимален, когда скорость струи близка к скорости полёта — отсюда двухконтурные двигатели лайнеров.