直升机螺旋桨工作原理

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螺旋桨的工作原理
我们先来段枯燥点的，
螺旋桨的截面和机翼的截面是相似的。
根据伯努利原理，流速大的压强小，流速小的压强大。可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。
流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。
在螺旋桨半径r1和r2(r1r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。v—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见α+β=φ。 p=""/r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。v—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见α+β=φ。
空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力Δd和升力Δl，合成后总空气动力为Δr。Δr沿飞行方向的分力为拉力Δt，与旋螺桨旋转方向相反的力Δp 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。="" p=""
▲螺旋桨结构图示
▲螺旋桨升力原理图
正桨和反桨
熟悉无人机、熟悉四旋翼的人可能知道，螺旋桨有正桨和反桨之分。
一般螺旋桨正面光滑，同时刻有相应的螺旋桨参数值。当该面朝前时，逆时针旋转产生拉力的为
正桨
，顺时针旋转产生拉力的为
反桨。
对于普通的电动航模，一般通过改变电机的转向来改变前拉或者后推。
但是不建议正桨反用，因为这样效率较低。
▲常见航模马刀桨（正桨）
▲一对航模用碳纤维正反桨
对于发动机功率输出方向一定的活塞发动机，
当前拉时，需要用到正桨
，一般在轻型运动固定翼飞机上常见；
当后推时，需要用到反桨
，一般在捕食者、翼龙一类的攻击型无人机，两栖类腰推式固定翼飞机上常见。
▲前拉式轻型运动固定翼飞机
▲腰推式螺旋桨固定翼飞机
▲后推三叶桨捕食者B型无人机
塑料螺旋桨
一般用于普通的航模，对于汽油、甲醇一类的大型航模、无人机用活塞发动机，螺旋桨材料一般为碳纤维、木头或铝合金。
正反桨一般同时应用在双发、四发等四旋翼、无人机，甚至大型涡轮螺旋桨发动机飞机上。
正桨逆时针旋转、反桨顺时针旋转，同时抵消因旋转产生的扭矩。
还有一种是
共轴反转
，正桨和反桨安装于同一根轴上，按照相反的方向旋转，抵消扭矩，
常用于直升机、大型涡轮螺旋桨运输机上。
▲四旋翼飞行器
▲四旋翼结构形式
▲大型四发螺旋桨运输机
▲大型双发螺旋桨运输机
▲共轴反转直升机
▲大型四发共轴反转螺旋桨运输机
螺旋桨的分类
上文中说道，螺旋桨有正桨和反桨之分。
其实螺旋桨分类有多种，按照桨距可分为定桨距和变桨距两种。
定距螺旋桨
01
定距桨不能改变桨距。
这种螺旋桨，只有
在一定的空速和转速组合下才能获得最好的效率。
另外，还可以把定距桨分为两种类型，爬升螺旋桨和巡航螺旋桨。
飞机是安装爬升螺旋桨还是巡航螺旋桨，依赖于它的预期用途。
(1)爬升螺旋桨有小的桨距，因此旋转阻力更少。
阻力较低导致转速更高，和具有更多的功率能力，在起飞和爬升时这增加了性能，但是在巡航飞行时降低了性能。
(2)巡航螺旋桨有高桨距，因此旋转阻力更多。
更多阻力导致较低转速，和较低的功率能力，它降低了起飞和爬升性能，但是增强了高速巡航飞行效率。
螺旋桨通常安装在轴上，这个轴可能是发动机曲轴的延伸。
在这种情况下，
螺旋桨转速就和曲轴的转速相同了。
某些其他发动机，螺旋桨是安装在和发动机曲轴经齿轮传动的轴上。这时，曲轴的转速就和螺旋桨的转速不同了。
轻型、微型无人机常用定距螺旋桨
，尺寸通常用X×Y来表示，其中X代表螺旋桨直径，单位为英寸(in)，Y代表螺距，即螺旋桨在空气中旋转一圈桨平面经过的距离，单位为英寸(in)。例如，22× 10的螺旋桨尺寸为桨径22in，约为55.88cm，螺距10in，约为25.4cm。
轻型、微型无人机一般使用2叶桨，少数使用3叶桨或4叶桨等
。
根据无人机行业习惯，通常定义右旋前进的螺旋桨为正桨，左旋前进的螺旋桨为反桨。桨径20in以下的螺旋桨有木材、工程塑料或碳纤维等材质，需要根据实际需要选用。
部分螺旋桨桨叶设计成马刀形状，桨尖后掠，这样可以在一定程度上提高效率。
▲螺旋桨工作原理
▲木质定距螺旋桨
变距螺旋桨
02
一些较旧的可调桨距螺旋桨只能在地面调节，大多数现代可调桨距螺旋桨被设计成可以
在飞行中调节螺旋桨的桨距。
第一代可调桨距螺旋桨只提供两个桨距设定——低桨距设定和高桨距设定。
然而，今天，几乎所有可调桨距螺旋桨系统都可以在一个范围内调节桨距。
恒速螺旋桨是最常见的可调桨距螺旋桨类型。
恒速螺旋桨的主要优点是它在大的空速和转速组合范围内把发过机功率的大部分转换成推进马力。
恒速螺旋桨比其他螺旋桨更有效率是因为它能够在特定条件下选择最有效率的发动机转速。
装配恒速螺旋桨的无人机有两项控制，油门控制和螺旋桨控制，油门控制功率输出，螺旋桨控制调节发动机转速。
一旦选择了一个特定的转速，一个调节器会自动地调节必要的螺旋桨桨叶角，
以保持选择的转速。
例如，巡航飞行期间设定了需要的转速之后，空速的增加或者螺旋桨载荷的降低将会导致螺旋桨为维持选择的转速而增加桨叶角。
空速降低或者螺旋桨载荷增加会导致螺旋桨桨叶角降低。
恒速螺旋桨的桨叶角范围由螺旋桨的恒速范围和高低桨距止位来确定。
只要螺旋桨桨叶角位于恒速范围内，而不超出任何一个桨距止位，发动机转速就能维持恒定。
然而，一旦螺旋桨桨叶到达止位，发动机转速将随空速和螺旋桨载荷的变化而适当地增加或者降低。
例如，选择了一个特定的转速，飞机速度降低到足够使螺旋桨桨叶旋转直到到达低桨距止位，
如果需要空速再次降低，必须减小发动机转速，就像安装了固定桨距螺旋桨一样。
当恒速螺旋桨的飞机加速到较快的速度时还会发生相同的情况。随着飞机加速，螺旋桨桨叶角增加，以维持选定的转速直到到达高桨距止位。一旦达到止位，桨叶角就不能再增加，如果需要再加速，发动机必须增加转速。
在装配恒速螺旋桨的飞机上，功率输出由油门控制，用进气压力表指示。这个仪表测量进气道歧管中油气混合气的绝对压力，更准确的说法是测量歧管绝对压力(MAP)。
在恒定转速和高度条件下，产生功率的大小直接和流到燃烧室的油气混合流有关。
当你增加油门设定时，流到发动机的油气就会增多，因此，歧管绝对压力增加。
当发动机不运行时，歧管压力表指示周围空气压力。
当发动机气动后，歧管压力指示将会降低到一个低于周围空气压力的值。
▲螺旋桨变距示意图
▲可调的三叶桨
螺旋桨有几个桨叶合适
不管是看螺旋桨运输机，还是看无人机，甚至是最典型的直升机，我们看到，有的有两叶桨，有的是三叶桨，有的是四叶桨，甚至更多。
那么螺旋桨到底有几叶合适呢？
其实螺旋桨的叶数并不是随便指定的。
用什么螺旋桨，用几叶桨，还
要考虑发动机的功率，飞行时的阻力等因素。
最早由于发动机马力不大，螺旋桨的研究和加工也是出于初期，造成了一战和二战期间，
飞机大量使用两叶桨或者三叶桨。
随着加工水平的提高，螺旋桨开始使用
金属材料
，再加上流体力学和风洞的试验，使得
三叶桨开始流行。
后来，随着发动机马力的增大，4叶桨、6叶桨成为可能。但同时螺旋桨叶数的增加叶加大了空气阻力。
同时如果通过增加螺旋桨的长度和迎风面积来增加效率是有限的，甚至会发生螺旋桨触地的后果。
因此通过增加螺旋桨叶数量也是一个可行的办法。
▲三叶桨风洞试验
▲8叶桨的美军预警机