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新神盾局天空母艦物理原理

By RHETT ALLAIN
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Pavvj55



這是《美國隊長2:酷寒戰士》中的新神盾局天空母艦。你可前往YouTube觀看預告。

也許你注意到,它與《復仇者聯盟》的天空母艦稍有不同。第一,螺旋槳葉片組成的推進器較像噴射機,而非直升機。為什麼?我認為《美國隊長2》的編劇看過我之前關於神盾局天空母艦的文章。在那篇文章中,我估計這些直升機式葉片產生的氣流速度必須超過650公尺/秒(海平面音速約為340公尺/秒)。因此,顯然編劇想藉由使它看起來像噴射引擎,突顯空氣推進的高速。

我想這些編劇欠我一罐啤酒什麼的。至少我應該出現在影片感謝名單中。


推力模型

如何計算天空母艦的推力?藉由一般科學研究方式-製作模型。不必是完美的模型,只要能用即可。想像如果你有一把乒乓球槍。它們以不同方式運作,但想像一下這種擁有橡皮筋動力發射裝置的槍。當球被射出時,橡皮筋必須提供推力。因為力一向是兩個物體間的交互作用,槍施予球推力,球施予槍反作用力。施予槍的力將導致槍的動量改變-這就是後座力。


當然,乒乓球不會產生太大的後座力,但還是會有。現在假設你將乒乓球垂直向下射擊。你是否能以足夠將你推向空中的速度射擊?好,似乎不太可能。但如果將一大堆乒乓球垂直向下射擊呢?或者,如果並非射擊乒乓球?如果你射擊空氣微粒?這是否可行?是的。基本上這就是直升機的原理。如果想使直升機懸停於某處,這些空氣微粒的推力必須相當於直升機重量。


有兩種方式可改變這個推力。你可改變這些粒子向下移動的速度,或增加粒子數量。你可使用較大旋翼、較小空氣速度,或較小旋翼、較大空氣速度。一旦旋翼大小固定,幾乎決定了空氣推進速度(如果你知道直升機重量)。我將跳過細節(詳情請看原始文章)。總之其中有兩點令人感興趣之處。這個模型顯示推進速度取決於質量及旋翼大小(和空氣密度)。




第二點是使飛行器懸停所需的動力。這些空氣微粒向下噴出的速度越快,需要越大的動力。這就是為何人類使直升機擁有如此大的動力-它們不需要這麼大的動力。這產生以下的直升機動力方程式。




我用ρ代表空氣密度是否相當明顯?希望如此。

這是最精彩的部分。也許這個模型是假設性的,對嗎?我接受這個可能性。但如果我查閱真正直升機的資料?我可以查閱旋翼大小及重量。我可藉此計算所需的動力估計值。如果我也查閱引擎動力,我可將計算出的動力與資料顯示的動力比較。這是兩者的比較圖:

我喜愛這張圖。完美的線性顯示這個模型適用於這些飛行器。喔,如果你將真實的直升機數據用於相同的推力模型,將發現真正直升機的空氣推進速度落在18 30公尺/秒範圍(不超過600公尺/秒)。



天空母艦如何?



如果你預估天空母艦的重量及旋翼大小,可得到推進速度(640公尺/秒)及所需動力(3 x 10^11瓦)。假設新天空母艦擁有相同的旋翼大小及重量,這些數值將會相同。

如果擁有這樣的推進速度,新天空母艦會是什麼模樣?如果它的推力看似來自噴射引擎,我們不妨估計一下噴射機的推進速度。我可使用相同想法,即使噴射機從前方吸入空氣、從後方排出。是的,它比這更複雜,但將產生一個估計值。

我們以F-15為例。根據維基百科,這種飛機的推力為63.38千牛頓,或經過燃燒室後,(每個引擎)推力為105.78千牛頓。噴嘴面積是多少?根據這張圖,我估計每個噴嘴的半徑約0.6公尺(雖然我認為估計值稍微大了點)。

如果我只觀察空氣推力(是的,其中包含一些假設和估計),我得到:




藉由這個方程式,我得到以下兩種空氣推進速度:

˙淨推力:空氣速度= 305公尺/秒。

˙經燃燒室後:空氣速度= 394公尺/秒。

好,雖然我的計算有些不嚴謹的部分(例如假設空氣不可壓縮及類似的非實際情況),我不認為這與事實相距甚遠。我認為新天空母艦更接近真實情況。是的。我剛剛確實寫過了。

還有一個問題。事實上是相當大的問題。如果這些天空母艦較類似噴射機,而非直升機?最重要的是,這是裝設後燃器的飛機圖像。

這類似天空母艦上的東西,不是嗎?我認為理論上你可藉由電力使渦輪風扇運轉(來自核電廠或某種更新奇的能源)。然而,這並非後燃器實際運作的方式。當飛機使用後燃器,將使燃料加入噴出的氣流中。這增加了氣流施予飛機的溫度與壓力,增加了推力。不幸的是,這也增加了油耗,你無法僅靠電力做到這一點。你確實需要燃料。我認為這種天空母艦需要相當大量的燃料。尤其是如果它需要長時間飛行。

我想這是編劇可對下一部天空母艦外觀進行的修改-也許在《復仇者聯盟2》中。

原文出處:http://www.wired.com/2013/10/physics-of-the-new-shield-helicarrier/



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