自制飞机需要多大马力的发动机?
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首先说明,本文只代表个人观点,不作为任何自制飞机行为的依据,如有引用,后果自负。
本文的讨论只针对具备基本飞行性能的,采用内燃机配合螺旋桨为动力源的超轻型飞机,至于高性能飞机、甚至专为特技表演设计的飞机,对大多数个人的能力来说都是遥不可及的,本文不予讨论。
你的飞机竣工了,工艺品一般的招人喜爱。可要让她顺利飞起来,发动机是不可或缺的。但,多大马力能飞起来呢?
我们先温习一下马力的定义:1马力=735N/M,约等于75公斤/米/秒,也就是1马力可以把75公斤重量在1秒钟内提升1米。
接着看看你的飞机的升阻比,一般一战后期的飞机可以做到10。带螺旋桨整流罩,采用梯形机翼的二战飞机由于速度的提高,也在10左右。现代的歼击机亚音速时基本也可以达到10(速度越高时升阻比变的越差)。自制飞机的技术含量和外形,差不多和一战飞机类似,一般可达到10【超轻型飞机手册里的样机,绝大多数升阻比大于10】,那么,假设你的飞机最大起飞重量是200公斤(飞机115公斤,不超过国家有关超轻型飞机规定,驾驶员体重最大85公斤公斤),那么,在升阻比为10的情况下,需要20公斤拉力,再根据翼型表查你的翼型和面积在多高速度能产生200公斤升力。比如最低离地速度36公里可以产生200公斤升力【超轻型飞机手册里,大多数轻机失速速度在35公里左右】,那么合10米/秒,也就是最低需要20公斤拉力在每秒10米的速度就能保证飞机平飞,也就是需要2.67马力能保证平飞。计算进螺旋桨效率,合理的手工浆在效率80%以上,保守取0.7左右那么2.67÷0.7=3.8马力,也就是你的飞机需用3.8马力发动机,就可以载85公斤公斤驾驶员保持平飞。
当然,这只是保持平飞所需要的功率,最重要的是起飞所需用的功率,简单的说,起飞功率就是平飞功率加爬升功率,大多数超轻机爬升速率在每秒1米以上,如果取每秒1米,那么200公斤每秒1米就又是2.67马力,通过螺旋桨0.7的功率因数,需要3.8马力,那么平飞功率3.8马力加爬升功率3.8马力等于7.6马力,算起来7.6马力发动机就可以满足起飞和巡航的要
求了。
至此还没有结束,还有需要消耗功率的地方——那就是轮胎与地面的摩擦。这个不容易计算,我们尽量选择降低摩擦的方式,比如选取较平整的跑道,采用摩擦力较小的窄轮胎,那么这时需用功率大约与1.2千瓦的电动三轮车差不多,1.2KW电动三轮车总重200公斤时,最高速度可以达到40多公里每小时,【如果是宽轮胎越野飞机,坑坑洼洼的跑道,轮胎摩擦消耗功率大的惊人,这种方法我们不予讨论】,那么1.2千瓦约等于1.63马力,同样这1.63马力要通过功率因数0.7的螺旋桨输出,那么输入功率就是2.3马力。
至此,所需用的基本功率都有了,3.8马力平飞功率,3.8马力爬升功率,2.3马力起飞滑跑轮胎摩擦功率,加起来是9.9马力,如果你的超轻型飞机设计、制造的还算合格【只需合格,不是优秀】那么9.9马力就可以满足基本的滑跑、起飞、飞行要求了,当飞机离地后,轮胎摩擦消失,余下来的2.3个马力还可以帮助爬升。
曾有某航空论坛的某网友推算,只有12KW(16.3马力)的发动机,才能维持超轻机真实环境下的平飞,认为只有达到25~30马力才比较合适。在这里提一点不同意见,16.3马力用于超轻机,功率已经远远超过维持平飞了!如果16.3马力仅仅“才能维持真实环境下的平飞”,
那么这个超轻机的气动效率实在是太低了,已经低到不实用了。
下图为这位网友的观点
显然,这位网友的指标都定的太高,比如230公斤的起飞重量,如果作为单人超轻机显然是太重了,假设驾驶员体重80公斤,空机重量就达到了150公斤,已经超过116公斤国家规定的上限,不属于超轻型飞机范畴,应属于小型飞机了。还有巡航速度高达72公里每时,无形中增大了对功率的需求,如果巡航速度减小至51公里每时,需用功率就会下降一倍,如果设计巡航速度只有36公里每时,那么需用功率就只有72公里时的4分之1了。事实上,对于没有任何飞行经验,靠背飞行口诀去驾驶飞机的人,选择良好天气,能以36公里的速度巡航,能有低至20多公里的失速速度会比较安全、会更适合飞行与起降。
公斤力下列例子中的两种国外机型,功率大的一种仅仅才12马力,而且还能保证一定的飞行性能。
如果只是在良好的天气里低空体验飞行,进行较短时间的爬升,较长时间用来迂回、巡航的机型,那么上述计算功率完全可以满足要求。国外成熟机型里面,依这个理念设计,比较成功的超轻型飞机有8马力的“飞行自行车(flybike)”,12马力的木结构的“木盒子(woodhopper)”等等。在这里有必要提一提“woodhopper”,也许有的朋友会认为“woodhopper”很难看,说它“简易、粗糙”,怀疑它“能飞吗”?但它仅仅搭载12马力发动机,就可以实现短短的25米距离内起飞,带一对3米大水靴都可以实现水上起飞,可见它所
需功率并不大。并且“woodhopper”获得EAA的认可和商业销售许可,多年来保持了较低的事故率。 上述两种飞机的共同特点是大翼面积,低翼载,低起飞总重量,低起飞、飞行速度,这些特点加起来,成就了小功率可以进行较短距离起飞与良好的飞行。
12马力的woodhopper水上起飞
减小动力可以从以下途径挖掘:1减小阻力,包括翼型阻力与压差阻力。2选择高强度、低重量材料,减轻起飞总重量。3加大翼面积、减轻翼载荷以利低速起飞。其中1、2条是有限度的,不可能把飞机造成锥子,因为升力体有截面积,压差阻力总是存在,更不可能硬把体重减到50公斤。
在功率有限的情况下,只有增大翼面积,降低飞行速度来减小需用功率,因为翼面积越大,翼载荷越低,同样功率时,起飞重量越大。理论上讲,这个途径是无限大的。事实上莱特兄弟就是这么巧妙做到的,那时,莱特兄弟的飞机连同飞行员在内,最大起飞重量达到360公斤,动力却只有12马力,每马力需要产生30公斤升力!但是依靠48平方米的巨大翼面积,和只有7.5公斤每平方米的翼载荷,还有直径巨大的低速螺旋桨,还是成功的飞行了59秒260米。
人力飞机在减小功率这方面做到了极限,采用碳纤维材料和塑料薄膜等高强度轻质材料,流线外形,特别是采用大面积大展弦比的机翼,以满足低速起飞、飞行所需升力。人的长时间功率只有0.4马力,人力飞机最大起飞重量不超过100公斤(含人),所以飞行速度只有每秒几米。倘若给人力飞机装上哪怕只有1马力的10CC航模发动机,也足以流畅起飞和飞行。但是这种飞机特别怕风,3级侧风便可以引起严重偏航。