螺旋槳的工作原理

螺旋槳的截面和機(jī)翼的截面是相似的。根據(jù)伯努利原理，流速大的壓強(qiáng)小，流速小的壓強(qiáng)大。可以把螺旋槳看成是一個一面旋轉(zhuǎn)一面前進(jìn)的機(jī)翼進(jìn)行討論。流經(jīng)槳葉各剖面的氣流由沿旋轉(zhuǎn)軸方向的前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切線速度合成。在螺旋槳半徑r1和r2(r1<r2)兩處各取極小一段，討論槳葉上的氣流情況。V—軸向速度；n—螺旋槳轉(zhuǎn)速；φ—?dú)饬鹘牵礆饬髋c螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面夾角；α—槳葉剖面迎角；β—槳葉角，即槳葉剖面弦線與旋轉(zhuǎn)平面夾角。顯而易見α+β=φ?？諝饬鬟^槳葉各小段時產(chǎn)生氣動力，阻力ΔD和升力ΔL，合成后總空氣動力為ΔR。ΔR沿飛行方向的分力為拉力ΔT，與旋螺槳旋轉(zhuǎn)方向相反的力ΔP 阻止螺旋槳轉(zhuǎn)動。將整個槳葉上各小段的拉力和阻止旋轉(zhuǎn)的力相加，形成該螺旋槳的拉力和阻止螺旋槳轉(zhuǎn)動的力矩。

螺旋槳結(jié)構(gòu)圖示

螺旋槳升力原理圖

正槳和反槳

熟悉無人機(jī)、熟悉四旋翼的人可能知道，螺旋槳有正槳和反槳之分。一般螺旋槳正面光滑，同時刻有相應(yīng)的螺旋槳參數(shù)值。當(dāng)該面朝前時，逆時針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生拉力的為正槳，順時針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生拉力的為反槳。對于普通的電動航模，一般通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向來改變前拉或者后推。但是不建議正槳反用，因?yàn)檫@樣效率較低。

常見航模馬刀槳（正槳）

一對航模用碳纖維正反槳

對于發(fā)動機(jī)功率輸出方向一定的活塞發(fā)動機(jī)，當(dāng)前拉時，需要用到正槳，一般在輕型運(yùn)動固定翼飛機(jī)上常見；當(dāng)后推時，需要用到反槳，一般在捕食者、翼龍一類的攻擊型無人機(jī)，兩棲類腰推式固定翼飛機(jī)上常見。

前拉式輕型運(yùn)動固定翼飛機(jī)

腰推式螺旋槳固定翼飛機(jī)

后推三葉槳捕食者B型無人機(jī)

塑料螺旋槳一般用于普通的航模，對于汽油、甲醇一類的大型航模、無人機(jī)用活塞發(fā)動機(jī)，螺旋槳材料一般為碳纖維、木頭或鋁合金。正反槳一般同時應(yīng)用在雙發(fā)、四發(fā)等四旋翼、無人機(jī)，甚至大型渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)飛機(jī)上。正槳逆時針旋轉(zhuǎn)、反槳順時針旋轉(zhuǎn)，同時抵消因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩。還有一種是共軸反轉(zhuǎn)，正槳和反槳安裝于同一根軸上，按照相反的方向旋轉(zhuǎn)，抵消扭矩，常用于直升機(jī)、大型渦輪螺旋槳運(yùn)輸機(jī)上。

四旋翼飛行器

四旋翼結(jié)構(gòu)形式

大型四發(fā)螺旋槳運(yùn)輸機(jī)

大型雙發(fā)螺旋槳運(yùn)輸機(jī)

共軸反轉(zhuǎn)直升機(jī)

大型四發(fā)共軸反轉(zhuǎn)螺旋槳運(yùn)輸機(jī)

螺旋槳的分類

上文中說道，螺旋槳有正槳和反槳之分。其實(shí)螺旋槳分類有多種，按照槳距可分為定槳距和變槳距兩種。

1 定距螺旋槳

定距槳不能改變槳距。這種螺旋槳，只有在一定的空速和轉(zhuǎn)速組合下才能獲得最好的效率。另外，還可以把定距槳分為兩種類型，爬升螺旋槳和巡航螺旋槳。飛機(jī)是安裝爬升螺旋槳還是巡航螺旋槳，依賴于它的預(yù)期用途。

(1)爬升螺旋槳有小的槳距，因此旋轉(zhuǎn)阻力更少。阻力較低導(dǎo)致轉(zhuǎn)速更高，和具有更多的功率能力，在起飛和爬升時這增加了性能，但是在巡航飛行時降低了性能。

(2)巡航螺旋槳有高槳距，因此旋轉(zhuǎn)阻力更多。更多阻力導(dǎo)致較低轉(zhuǎn)速，和較低的功率能力，它降低了起飛和爬升性能，但是增為了高速巡航飛行效率。

螺旋槳通常安裝在軸上，這個軸可能是發(fā)動機(jī)曲軸的延伸。在這種情況下，螺旋槳轉(zhuǎn)速就和曲軸的轉(zhuǎn)速相同了。某些其他發(fā)動機(jī)，螺旋槳是安裝在和發(fā)動機(jī)曲軸經(jīng)齒輪傳動的軸上。這時，曲軸的轉(zhuǎn)速就和螺旋槳的轉(zhuǎn)速不同了。

輕型、微型無人機(jī)常用定距螺旋槳，尺寸通常用X×Y來表示，其中X代表螺旋槳直徑，單位為英寸(in)，Y代表螺距，即螺旋槳在空氣中旋轉(zhuǎn)一圈槳平面經(jīng)過的距離，單位為英寸(in)。例如，22× 10的螺旋槳尺寸為槳徑22in，約為55.88cm，螺距10in，約為25.4cm。

輕型、微型無人機(jī)一般使用2葉槳，少數(shù)使用3葉槳或4葉槳等。根據(jù)無人機(jī)行業(yè)習(xí)慣，通常定義右旋前進(jìn)的螺旋槳為正槳，左旋前進(jìn)的螺旋槳為反槳。槳徑20in以下的螺旋槳有木材、工程塑料或碳纖維等材質(zhì)，需要根據(jù)實(shí)際需要選用。部分螺旋槳槳葉設(shè)計(jì)成馬刀形狀，槳尖后掠，這樣可以在一定程度上提高效率。

螺旋槳工作原理

木質(zhì)定距螺旋槳

2 變距螺旋槳

一些較舊的可調(diào)槳距螺旋槳只能在地面調(diào)節(jié)，大多數(shù)現(xiàn)代可調(diào)槳距螺旋槳被設(shè)計(jì)成可以在飛行中調(diào)節(jié)螺旋槳的槳距。第一代可調(diào)槳距螺旋槳只提供兩個槳距設(shè)定——低槳距設(shè)定和高槳距設(shè)定。然而，今天，幾乎所有可調(diào)槳距螺旋槳系統(tǒng)都可以在一個范圍內(nèi)調(diào)節(jié)槳距。恒速螺旋槳是最常見的可調(diào)槳距螺旋槳類型。恒速螺旋槳的主要優(yōu)點(diǎn)是它在大的空速和轉(zhuǎn)速組合范圍內(nèi)把發(fā)過機(jī)功率的大部分轉(zhuǎn)換成推進(jìn)馬力。恒速螺旋槳比其他螺旋槳更有效率是因?yàn)樗軌蛟谔囟l件下選擇最有效率的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

裝配恒速螺旋槳的無人機(jī)有兩項(xiàng)控制，油門控制和螺旋槳控制，油門控制功率輸出，螺旋槳控制調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

一旦選擇了一個特定的轉(zhuǎn)速，一個調(diào)節(jié)器會自動地調(diào)節(jié)必要的螺旋槳槳葉角。以保持選擇的轉(zhuǎn)速。例如，巡航飛行期間設(shè)定了需要的轉(zhuǎn)速之后，空速的增加或者螺旋槳載荷的降低將會導(dǎo)致螺旋槳為維持選擇的轉(zhuǎn)速而增加槳葉角?？账俳档突蛘呗菪龢d荷增加會導(dǎo)致螺旋槳槳葉角降低。

恒速螺旋槳的槳葉角范圍由螺旋槳的恒速范圍和高低槳距止位來確定。只要螺旋槳槳葉角位于恒速范圍內(nèi)，而不超出任何一個槳距止位，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速就能維持恒定。然而，一旦螺旋槳槳葉到達(dá)止位，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速將隨空速和螺旋槳載荷的變化而適當(dāng)?shù)卦黾踊蛘呓档?。例如，選擇了一個特定的轉(zhuǎn)速，飛機(jī)速度降低到足夠使螺旋槳槳葉旋轉(zhuǎn)直到到達(dá)低槳距止位，如果需要空速再次降低，必須減小發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，就像安裝了固定槳距螺旋槳一樣。當(dāng)恒速螺旋槳的飛機(jī)加速到較快的速度時還會發(fā)生相同的情況。隨著飛機(jī)加速，螺旋槳槳葉角增加，以維持選定的轉(zhuǎn)速直到到達(dá)高槳距止位。一旦達(dá)到止位，槳葉角就不能再增加，如果需要再加速，發(fā)動機(jī)必須增加轉(zhuǎn)速。

在裝配恒速螺旋槳的飛機(jī)上，功率輸出由油門控制，用進(jìn)氣壓力表指示。這個儀表測量進(jìn)氣道歧管中油氣混合氣的絕對壓力，更準(zhǔn)確的說法是測量歧管絕對壓力(MAP)。在恒定轉(zhuǎn)速和高度條件下，產(chǎn)生功率的大小直接和流到燃燒室的油氣混合流有關(guān)。當(dāng)你增加油門設(shè)定時，流到發(fā)動機(jī)的油氣就會增多，因此，歧管絕對壓力增加。當(dāng)發(fā)動機(jī)不運(yùn)行時，歧管壓力表指示周圍空氣壓力。當(dāng)發(fā)動機(jī)氣動后，歧管壓力指示將會降低到一個低于周圍空氣壓力的值。

螺旋槳變距示意圖

可調(diào)的三葉槳

螺旋槳有幾個槳葉合適

不管是看螺旋槳運(yùn)輸機(jī)，還是看無人機(jī)，甚至是最典型的直升機(jī)，我們看到，有的有兩葉槳，有的是三葉槳，有的是四葉槳，甚至更多。那么螺旋槳到底有幾葉合適呢？

其實(shí)螺旋槳的葉數(shù)并不是隨便指定的。用什么螺旋槳，用幾葉槳，還要考慮發(fā)動機(jī)的功率，飛行時的阻力等因素。最早由于發(fā)動機(jī)馬力不大，螺旋槳的研究和加工也是出于初期，造成了一戰(zhàn)和二戰(zhàn)期間，飛機(jī)大量使用兩葉槳或者三葉槳。隨著加工水平的提高，螺旋槳開始使用金屬材料，再加上流體力學(xué)和風(fēng)洞的試驗(yàn)，使得三葉槳開始流行。后來，隨著發(fā)動機(jī)馬力的增大，4葉槳、6葉槳成為可能。但同時螺旋槳葉數(shù)的增加葉加大了空氣阻力。

同時如果通過增加螺旋槳的長度和迎風(fēng)面積來增加效率是有限的，甚至?xí)l(fā)生螺旋槳觸地的后果。因此通過增加螺旋槳葉數(shù)量也是一個可行的辦法。

三葉槳風(fēng)洞試驗(yàn)

8葉槳的美軍預(yù)警機(jī)