飞行速度与螺旋桨

balloonfish

本帖最后由 cloudunfolded 于 2016-2-12 18:19 编辑

螺旋桨可以看作旋转的机翼。图示螺旋桨的一个横截面在飞行时的受力图。
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作为一个机翼，气流吹过它时会产生升力和阻力。升力是垂直于气流的方向，阻力是平行于气流的方向。通常情况下，升力和飞行速度方向相同的部分就是我们需要的螺旋桨拉力，而升力和飞行速度方向垂直部分则会产生阻止转动的扭力。而阻力和飞行速度方向相同的部分会减弱拉力，垂直于飞行速度方向的部分则会产生阻止转动的扭力。以上这些结论用物理学中矢量分解就可以得到。

流过桨叶的气流速度如何确定？这也要用到矢量代数，假定桨叶不动，将气流相对桨叶的旋转速度和相对飞行速度进行矢量合成就是气流的速度（这里没有考虑绕桨叶环流引起的下洗速度，但不影响分析。）。我们来看看桨叶速度和飞行速度的不同的组合是如何影响气流速度，进而影响螺旋桨的。

当飞行速度为零时，只有桨叶旋转产生的速度在起作用，所以这时气流沿着平行于螺旋桨的旋转平面的方向过来。通常情况下，这时桨叶的迎角是整个飞行过程中最大的，实际上在靠近桨叶根部的某些部分，是处在该桨叶翼型的失速迎角以上。

但是出现飞行速度后，根据矢量合成，气流速度和桨叶的夹角在减小。这时，那些在飞行速度为零的时候桨叶迎角过大的部分，随着飞行速度的增加，其迎角慢慢减小。这意味着，螺旋桨的翼型空气动力性能开始变好。并将在特定的飞行速度和旋转速度下达到最高性能（这时翼型的升阻比达到最大）。这说明要使桨达到最佳状态，在发动机转速一定的情况下，只有特定的飞行速度配合才行。

如果桨的转速不变，飞行速度继续增加会怎样？这时，桨叶的迎角继续变小，桨的拉力也变小。桨叶迎角到达翼型的零升力迎角，这时桨不会产生拉力。如果速度再继续增加，桨叶迎角到达翼型的负升力迎角，这时相当于机翼倒飞的情况。升力反向，升力和飞行速度垂直的部分将使桨加速旋转（飞机俯冲时，就会出现这种螺旋桨加速的情况）。这时，气流将向桨做功提供能量，换而言之，螺旋桨在使气流减速。
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我们再来说桨叶速度。桨中心到桨尖，桨叶各部分速度从零增加到最大，所以在飞行速度恒定的情况下，从桨尖到桨中心，气流速度的方向会越来越陡。这也是从桨尖到桨根，固定翼用螺旋桨的桨叶角越来越大的原因。只有这样才能保证特定速度下，桨叶的翼型处在最佳工作状态的迎角。
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但是，只考虑迎角处于最佳状态是不够的。在飞行的条件下，桨根部分的气流会和螺旋桨旋转平面成更大的角度，在桨中心这一夹角会达到九十度。我们知道，升力方向是和气流速度方向垂直的。考虑在靠近桨中心的情况，升力的方向会达到几乎和螺旋桨旋转平面几乎平行的地步，这样升力绝大部分用来阻止螺旋桨的转动，而不是用来产生向前的拉力，所以桨根通常被做成某种低阻力，低升力的截面从而避免用来产生升力。当然更彻底的做法是用螺旋桨整流罩（桨罩可并不是为启动发动机而发明的）把这一部分遮盖起来。


综上所述，我们来看看一架飞机在飞行中会遇到什么情况。首先起飞时，飞机的螺旋桨转速加到最大。但飞机是静止的，此时螺旋桨桨叶角较大的部分因为气流迎角太大而表现升阻比较小，性能比较差。随着飞机速度增加，螺旋桨上各个部分的桨叶合气流的夹角（迎角）都在下降，原来性能不佳的靠近桨根的部分性能也在好转。这时，拉力增加，阻止螺旋桨旋转的力在减小，这又导致螺旋桨转的更快了，这也是为什么飞行中发动机转速比地面静止时更高的原因。

直到飞机到达某个飞行速度，在这个速度下，这要设计恰当，桨叶各部分迎角都恰好合适，螺旋桨处在最佳状态，飞机速度达到峰值。低于这个速度，桨叶各部分迎角增加，拉力增加，飞机会加速。高于这个速度，桨叶各部分迎角减少，拉力减少，飞机会减速。

飞机俯冲时，随着飞行速度的增加，螺旋桨的桨叶的迎角逐渐减小，直到最后从正的迎角变成负的迎角。桨叶产生的升力是反的，升力的一部分分量将使螺旋桨加速转动，发动机这时不用再输出能量，而是在消耗掉从空气中获得多余的能量。


大桨距桨适合高速飞行，小桨距时适合低速飞行。该如何协调这种矛盾？这就是，航空上使用自动变距桨的原因，下面是寇蒂斯公司的电动变距螺旋桨，面板开关拨到恒速位置时，便有自动装置调节螺距使螺旋桨的转速保持恒定。以起飞时为例，桨距小，飞机快速加速后，螺旋桨转速增加，自动装置增大桨距，使螺旋桨转速下降到设定位置，这样可以一直保持飞机在飞行中有最佳桨距。
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直升机的旋翼和固定翼的螺旋桨在使用时的主要差异在于，固定翼飞行时气流是沿着垂直于螺旋桨旋转平面的方向，而直升机向前飞时的旋翼旋转平面和气流方向是平行的。按照上面分析，旋翼没有螺旋桨的问题，从桨中心到桨尖气流的速度一致，所以桨叶角没有变化。

但是，直升机的旋翼桨叶有另外的问题，那就是前飞时，桨叶旋转到左侧和旋转到右侧的速度不一样，一边气流速度要加上飞行速度，另一边气流速度要减飞行速度。这将造成直升机左右两侧升力不一样，不采取特别措施直升机会倾覆。

实际上，全尺寸直升机一般让桨叶自由上下挥舞来解决问题，模型直升机一般是让平衡翼上下挥舞带动旋翼迎角做出相应变化来解决这一问题的。这两种方法都是让桨叶的迎角在气流速度增加的地方减小，而在气流速度减小的地方增加迎角，以此纠正两边升力不平衡的问题。
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spitfiremk

谢谢分享，标记出来慢慢消化

elwin鸣

非常好的帖子，新年快乐

libra_xin

学习了。

baijie718

zerospot

对于固定翼飞机，当桨轴与飞行方向不一致时（比如有较大的下拉角，或者飞机抬头作大迎角水平飞行等），也会有直升机水平飞行时表现出来的附加侧向作用。了解螺旋桨工作原理可以帮助我们正确认识飞行中出现各种状态的原因，从而采取相应对策。

bxddhmq

witp1 发表于 2016-2-12 11:54
非常好的帖子，新年快乐

谢谢,顺祝新春快乐!

ralphming

徐志满 发表于 2016-2-12 12:20
对于固定翼飞机，当桨轴与飞行方向不一致时（比如有较大的下拉角，或者飞机抬头作大迎角水平飞行等），也会 ...

很好的补充。其实这也可以解释为什么一般加了右拉，还要加点下拉。

nightwolf

学习贴好，谢谢分享 。。。