[科普中国]-螺旋桨飞机

发展历史

早期飞机大多使用桨叶角固定不变的螺旋桨，它的结构简单，但不能适应飞行速度变化。飞行速度大于200公里/时则需要用变桨距螺旋桨，才能提高螺旋桨的效率。但这种螺旋桨构造复杂，成本较高，只用于一些速度较高、功率较大的飞机。

第二次世界大战以前的飞机，基本上是使用活塞式发动机作动力装置驱动螺旋桨。近代在涡轮喷气发动机的基础上研制出了涡轮螺旋桨发动机和涡轮桨扇发动机。用这两种发动机驱动螺旋桨使螺旋桨的工作效率大大提高，同时也提高了飞机的性能。1

在第二次世界大战中，为了进一步提高飞机的高空性能，有些飞机上还装有废气涡轮增压器，利用废气来增加进气的压力，如美国的B-24、P-47等飞机。70年代后期，一些通用航空的飞机也采用废气涡轮增压器来提高飞行性能。

涡轮螺旋桨发动机的功率重量比（推重比也即推力重量比）比活塞式发动机大2～3倍，在相同的质量下可提供更大的功率，而且发动机横截面积较小，燃油消耗率在速度相对较高时比活塞式发动机小，使用价格较低的煤油，故在 600～800公里/时速度范围内的旅客机、运输机、海岸巡逻机和反潜机大多为涡轮螺旋桨飞机。为了进一步增大速度，降低燃油消耗率，美国于70年代提出一种先进的涡轮螺旋桨系统，采用8～10片具有后掠的薄剖面桨叶，从空气动力学角度对桨毂和发动机短舱进行一体化设计，使阻力和噪声达到最小。这种推进装置可使飞机速度达到马赫数为0.8，比一般装有涡轮风扇发动机的飞机省油30%～40%。高速螺旋桨飞机比涡轮喷气飞机省燃料，正处在研究试验阶段。

基本简介基本分类螺旋桨飞机按发动机类型不同分为活塞式螺旋桨飞机和涡轮螺旋桨飞机。人力飞机和太阳能飞机通常都用螺旋桨推进， 也属于螺旋桨飞机的范围。涡轮螺旋桨发动机的功率重量比，比活塞式发动机大2～3倍，在相同的重量下可提供更大的功率，燃油消耗率在速度较高时比活塞式发动机小，且可使用价格较低的航空煤油，故在600～800千米/时速度范围内的旅客机、运输机等大多为涡轮螺旋桨飞机。

按螺旋桨与发动机相对位置的不同，又分为拉进式螺旋桨飞机和推进式螺旋桨飞机。前者的螺旋桨装在发动机前面，“拉”着发动机前进；后者螺旋桨装在发动机之后，“推”着发动机前进。早期的飞机中曾有不少是推进式的，这种型式的缺点较多，螺旋桨效率不如拉进式高，因拉进式螺旋桨前没有发动机短舱的阻挡。此外在推进式螺旋桨飞机上难于找到发动机和螺旋桨的恰当位置，特别是装在机身上更困难。相反，在拉进式螺旋桨飞机上，发动机无论是装在机身头部或是装在机翼短舱前面都很方便。当装在机翼上时，螺旋桨后面的高速气流还可用来增加机翼升力，改善飞机起飞性能，因此拉进式飞机遂占据了统治地位。在少数大型飞机和水上飞机上，发动机多至8～12台以上，将发动机前后串置在短舱上，形成拉进和推进的混合型式。

结构特点螺旋桨飞机的结构比较复杂。为了降低转速和提高螺旋桨效率，绝大多数发动机装有减速器。这类飞机的发动机装有滑油散热器。液冷活塞式发动机还装有冷却液散热器。桨毂和发动机均有流线型外罩，以减小阻力。机身前部的发动机和螺旋桨往往影响飞行员的视线，个别飞机将发动机安排在座舱下方，用一长轴与机头的螺旋桨相连，如美国的P-39战斗机。有的飞机将座舱偏置在机翼一侧来改进前方视线，成为特殊的不对称飞机，如德国的BV-141飞机。头部装有机枪的拉进式战斗机需要采用协调机构，以保证子弹从旋转着的螺旋桨桨叶中间发射出去。有的飞机将机炮炮管装在螺旋桨轴内，炮弹由桨轴内的炮管射出。螺旋桨旋转时产生一个反作用扭矩，大功率发动机的飞机常用较大的垂直尾翼或偏置垂直尾翼产生的力矩来加以平衡，也可以采用反向旋转的同轴螺旋桨来抵消反作用扭矩，如苏联的安22飞机。

现代的螺旋桨飞机多采用桨叶角可调的变距螺旋桨，这种螺旋桨可根据飞行需要调整桨叶角，提高螺旋桨的工作效率。由于螺旋桨在旋转时，桨根和桨尖的圆周速度不同，为了保持桨叶各部分都处于最佳气动力状态，所以把桨根的桨叶角设计成最大，依次递减，桨尖的桨叶角最小工作状态的桨叶是一根悬壁梁受力态势，为了增加桨根的强度，桨根的截面积设计为最大。

一架飞机上桨叶数目根据发动机的功率而定，有2叶、3叶和4叶的，也有5叶、6叶的。装于飞机头部的螺旋桨为拉力式螺旋桨，装于飞机后部的螺旋桨为推力式螺旋桨，还有既装有拉力式螺旋桨又装有推力式螺旋桨的飞机。

工作原理飞机螺旋桨在发动机驱动下高速旋转，从而产生拉力，牵拉飞机向前飞行。这是人们的常识。可是，有人认为螺旋桨的拉力是由于螺旋桨旋转时桨叶把前面的空气吸入并向后排，用气流的反作用力拉动飞机向前飞行的，这种认识是不对的。

那么，飞机的螺旋桨是怎样产生拉力的呢？如果大家仔细观察，会看到飞机的螺旋桨结构很特殊，单支桨叶为细长而又带有扭角的翼形叶片，桨叶的扭角（桨叶角）相当于飞机机翼的迎角，但桨叶角为桨尖与旋转平面呈平行逐步向桨根变化的扭角。

桨叶的剖面形状与机翼的剖面形状很相似，前桨面相当于机翼的上翼面，曲率较大，后桨面则相当于下翼面，曲率近乎平直，每支桨叶的前缘与发动机输出轴旋转方向一致，所以，飞机螺旋桨相当于一对竖直安装的机翼。

桨叶在高速旋转时，同时产生两个力，一个是牵拉桨叶向前的空气动力，一个是由桨叶扭角向后推动空气产生的反作用力。

从桨叶剖面图中可以看出桨叶的空气动力是如何产生的，由于前桨面与后桨面的曲率不一样，在桨叶旋转时，气流对曲率大的前桨面压力小，而对曲线近于平直的后桨面压力大，因此形成了前后桨面的压力差，从而产生一个向前拉桨叶的空气动力，这个力就是牵拉飞机向前飞行的动力。

另一个牵拉飞机的力，是由桨叶扭角向后推空气时产生的反作用力而得来的。桨叶与发动机轴呈直角安装，并有扭角，在桨叶旋转时靠桨叶扭角把前方的空气吸入，并给吸入的空气加一个向后推的力。与此同时，气流也给桨叶一个反作用力，这个反作用力也是牵拉飞机向前飞行的动力。

由桨叶异型曲面产生的空气动力与桨叶扭角向后推空气产生的反作用力是同时发生的，这两个力的合力就是牵拉飞机向前飞行的总空气动力。2

效应螺旋桨选装产生的效应有进动、滑流扭转、螺旋桨反作用。若是多发螺旋桨飞机，还可能出现有拉力不对称。

固定翼飞机平衡在地面主要是受螺旋桨的滑流扭转作用，飞行中，当螺旋桨的扭转气流打在飞机垂直尾翼的一侧时，则会引起飞机的方向偏转。

如果螺旋桨是向右旋转的，则扭转气流上层自左向右侧扭转，从左方向作用于垂直尾翼，使尾翼产生向右的空气动力，对飞机重心形成左偏力矩，即机头向左偏转。螺旋桨的转速越大，扭转气流对飞机的方向偏转影响越明显。故地面起飞时抵右舵修正方向。空中由于飞机自身速度增大，滑流作用减弱，使用方向舵配平即可。

涡轮螺旋诞生随着航空燃气涡轮技术的进步，人们在涡轮喷气发动机的基础上，又发展了多种发动机，如根据能量输出形式的不同，有涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机、涡轮轴发动机和螺桨风扇发动机等。

缺点随着喷气技术的发展，涡轮喷气发动机的缺点也越来越突出，主要是在低速下耗油量大，效率较低，使飞机的航程变得很短。尽管这对于执行防空任务的高速战斗机并不十分严重，但用在对经济性有严格要求的亚音速民用运输机上却是不可接受的。

优点涡轮螺旋浆发动机速度低于700公里/时，空气螺旋桨速度推进效率较高。速度越大，推进效率反而越低。同时，螺旋浆飞机所需功率会随着速度的三次方成正比增加，由于技术上的限制活塞发动机，无法提供体积更小、重量更轻和功率最大的发动机。涡轮螺旋桨发动机的重量比比活塞式发动机大2～3倍，在相同的重量下可提供更大的功率，而且发动机截面积小，燃油消耗率在速度较高时比活塞式发动机小，燃烧价格较低的煤油，故在时速在600-800公里的旅客机、运输机、海岸巡逻机和反潜机大多为涡轮螺旋桨飞机。

应用历史螺旋桨飞机，是指空气通过螺旋桨将发动机的功率转化为推进力的飞机。而装有涡轮式发动机的螺旋桨飞机则被称为涡轮螺旋桨飞机(简称：涡桨飞机)。 1930年英国人惠特尔发明了第一台涡轮喷气发动机，靠喷管高速喷出的燃气产生反作用推力。涡轮喷气发动机很快便以其强大的动力、优异的高速性能取代了老式活塞式发动机，成为战斗机的首选动力装置，并开始在其他飞机中得到应用。

新型系统为了进一步增大速度，降低燃油消耗率，美国于70年代提出一种先进的涡轮螺旋桨系统，采用8～10片具有后掠的薄剖面桨叶，从空气动力学角度对桨毂和发动机短舱进行一体化设计，使阻力和噪声达到最小。这种推进装置可使飞机速度达到马赫数为0.8，比一般装有涡轮风扇发动机的飞机省油30%～40%。高速螺旋桨飞机比涡轮喷气飞机省燃料，正处在研究试验阶段。