飞舞的螺旋桨（上）

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　　把风车搬上飞艇
　　
　　我们知道，古人对空气的性质、流体的特性知之甚少。现代空气动力学直到19世纪末才初步形成。然而，在那遥远的过去，当很多梦想飞翔的人还在孜孜不倦地模仿鸟儿的时候，已经有人凭借天才的直觉，开始设想用于在空气中拉起物体的机构。莱昂纳多・达・芬奇就是这样的天才，他构思了一种“直升机”，看起来就像是一个放大的、使用骨架，蒙皮结构的钻头。当然，现在我们都很清楚，由于空气的密度很小，这样的结构其实不能提供足够的拉动力，而且达・芬奇永远也不能获得合适的发动机来驱动这个装置，但这却是人类有记载的第一种用于在空气中提供拉力的装置。
　　在19世纪的飞艇热潮中，由于飞艇完全依靠浮力停留在空中，所以对发动机的重量问题不需要考虑太多，设计出能够成功提供推进力的机构，是发明家们面临的主要问题。第一艘飞艇使用的推进器为骨架，蒙皮组合的平板结构，类似于西方的老式风车，这就是现代形形色色的空气螺旋桨的前身。在新式内燃机动力出现之前，几乎所有的早期飞艇都使用了类似结构的推进器。
　　现代的空气螺旋桨推进器的出现，得益于两个方面的因素：第一个因素是流体力学的发展；第二个，就是高性能的内燃机动力的发明。而现代航空螺旋桨的直接传承，则是来自于船舶使用的螺旋桨推进器――19世纪末，螺旋桨推进的船舶已经大量普及，船用螺旋桨的设计理论也已经初步形成。对于早期的飞行家们来说，在流体力学理论的支持下，利用船用螺旋桨原理作为参考，设计出一个能用的空气螺旋桨，已经成为可能。我们看到，在以莱特兄弟的“飞行者”1号为代表的早期飞机上，都使用了空气螺旋桨作为推进器，在性质上与现代螺旋桨已经没有区别了。
　　
　　两种重要的力
　　
　　空气螺旋桨在发动机驱动下高速旋转，从而产生拉力，牵拉(或推动)飞机向前飞行。人们往往会认为，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。实际上，这种看法是不全面的。那么，飞机的螺旋桨是怎样产生拉力的呢?
　　如果仔细观察，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型叶片，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，桨叶的扭角(桨叶角)相当于飞机机翼的迎角，但桨叶角是从桨尖到桨根逐渐变化的。
　　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，我们可以看出桨叶的空气动力是如何产生的。根据流体力学的伯努利定理：“流速大则压强小，流速小则压强大”，由于前桨面与后桨面的曲率不一样，在桨叶旋转时，气流流经曲率大的前桨面时，速度较高，压力较低，而流经曲线近于平直的后桨面时，速度较低，压力较大，因此形成了前后桨面的压力差。由这个压力差而产生了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。另一个牵拉飞机前进的力，是由桨叶扭角向后推空气时产生的反作用力。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，并给吸入的空气施加一个向后的推力。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。由桨叶翼型曲面产生的空气动力与桨叶扭角向后推动空气产生的反作用力是同时发生的，这两个力的合力，就是螺旋桨牵拉飞机向前飞行的总动力。
　　
　　认识螺旋桨
　　
　　直径影响螺旋桨性能的重要参数之一。随着螺旋桨直径的增大，其拉力也随之增大，效率得到了提高。所以，在飞机
　　整体布置允许的情况下，螺旋桨的直径一般都尽可能的选大一些。此外，螺旋桨的直径选取还要考虑螺旋桨桨尖相对于气流的速度，一般不应超过700～800千米／小时，否则可能出现桨尖激波，导致阻力剧增，推进效率降低。新一代的后掠型复合材料桨叶叶尖后掠角较大，可以延缓桨尖激波的出现，比传统螺旋桨具有更好的高速性能。
　　既然螺旋桨的桨叶是产生拉力的主要功能部件，那么在同等条件下，桨叶数目越多，螺旋桨的拉力和推进效率也就越高，但结构也会复杂化。结构简单的两叶桨现在一般只用于超轻型飞机，多数金属螺旋桨飞机的螺旋桨叶片数目为3到5叶。随着现代材料技术的进步，出现了新一代的后掠型复合材料桨叶，由于材料强度的提高以及叶片重量的降低，在同等桨毂尺寸下可以安排更多的桨叶，一般可以达到6叶到8叶，效率更高，飞机运行的经济性更好。
　　桨叶底面与桨叶旋转平面的夹角称为桨叶角。为了保证适当的工作效率，在螺旋桨设计时，桨叶角的大小是随着半径而改变的，越靠近桨尖部分，桨叶的圆周速度越大，桨叶上的气流越容易产生分离，所以桨叶角越靠近桨尖越小。由于整副桨叶上的桨叶角是连续变化的，习惯上以70％直径处桨叶角值为螺旋桨桨叶角的标称值。
　　桨叶螺距是螺旋桨技术指标的另一个衡量参数，指的是桨叶旋转一周能前进的距离，与桨叶角的大小成正比关系。在应用中桨距通常有理论桨距和实际桨距的分别。理论桨距指的是按照几何参数计算出来的理论前进距离，习惯上以70％直径处的理论桨距作为标称值。实际桨距是实际工作时的真实前进距离，由于空气的压缩性、流动性以及飞机运动速度变化等等因素的影响，实际桨距往往小于理论桨距。
　　
　　从木质定距桨到金属变距桨
　　
　　与船用螺旋桨相似，早期航空螺旋桨的桨叶角是固定不变的，其桨距也固定不变，因此也称为定距桨。航空螺旋桨工作时要承受较大的离心力和弯曲应力，而重量又必须尽可能轻巧，所以早期航空螺旋桨都使用了经过防腐、定型等特殊处理的木材来制造。使用木材制作螺旋桨的另一个优点是方便工匠进行手工制作――20世纪初的机床精度较低，还不能满足螺旋桨那样较为复杂的三维曲面的加工。绝大部分早期航空螺旋桨都是结构简单、制造方便的两叶桨，效率更好的3叶桨和4叶桨由于存在桨叶拼接处结构强度削弱的不足，实际应用很少。由于木质结构上的大开孔会影响到强度，而早期航空螺旋桨通常都是直接与发动机的输出轴联接，所以螺旋桨的紧固采用了多螺栓的固定盘形式，通过几根乃至十几根螺栓将螺旋桨牢牢固定，以传递扭矩和拉力。这样有效减小了螺栓孔对螺旋桨结构强度的不利影响，而且还提高了少数螺栓失效情况下的可靠性。
　　20世纪30年代，刚到而立之年的飞机发生了一次性能上的飞跃，配备大功率发动机的高速单翼机开始取得统治地位，航空螺旋桨也随之完成了现代化的转变。由于新型发动机功率强大，飞机飞行速度也大幅增加，早期木结构螺旋桨已不足以 承受如此巨大的负荷，采用高性能的金属材料势在必行，加之制造工艺的快速发展，木制结构螺旋桨终于让位给金属桨叶螺旋桨。新一代螺旋桨通常采用高强度的铝合金或者合金钢来制造，由于金属密度较大，为了减轻重量，钢制桨叶的制造通常采用无缝钢管冲压预成型，然后精加工得到成品。金属桨叶的推广使用，有力地保障了新一代飞机的推进要求。
　　螺旋桨工作时，应该与发动机形成良好的匹配，螺旋桨受到的阻力转距应该与发动机的输出扭矩相等，此时发动机发出的功率完全被螺旋桨吸收。而螺旋桨的桨距，则是决定螺旋桨与发动机的匹配关系的决定性因素。早期螺旋桨桨距固定不变，其桨距一般设计为符合飞机标准巡航状态时的工作，此时螺旋桨可以有效吸收全部的发动机功率；但是在起飞、爬升等情况下，由于未达到巡航速度，会偏离发动机。螺旋桨的设计匹配点，螺旋桨受到的阻力转距比发动机的输出扭矩大，发动机不能达到额定转速，发不出最大功率，如强行使发动机转速达标，就会造成发动机超负荷运行，容易损坏；同样，当飞行速度大于设计的巡航速度时，也会偏离匹配点，此时情况正好相反，发动机的转速可以达到额定转速，但是螺旋桨上受到的阻力转距比发动机的输出扭矩小，此时如不限制油门开度，就容易造成发动机超转，也容易损坏发动机。
　　早期飞机性能比较低，定距桨这个缺点还不足以对飞机性能产生实质性影响，但使用大功率发动机的高速单翼机出现之后，这种发动机，螺旋桨匹配不良的影响，就已经成为让设计师头痛的问题了。一劳永逸的解决办法，就是采用变距桨，在不同的情况下采用不同的桨距，从而改变螺旋桨上受到的阻力转距大小，使发动机，螺旋桨基本上始终处于匹配良好的状态。变距桨要求有专门的变距机构操纵桨叶绕自身轴线转动，需要占用桨毂部位较大的空间，老式的木质螺旋桨难以适应变距要求，而新型的金属螺旋桨强度高、联接可靠，为安装使用变距机构提供了便利。
　　显然，要靠飞行员来实时调节桨距是很困难的，因为人通常不能直接了解发动机，螺旋桨配合的实际情况，只能通过一些现象推测。多数情况下飞行员只决定螺旋桨转速(其实就是发动机转速)，由变距机构自动适时调节桨距，以完全吸收发动机的功率，所以也有人把变距桨称为衡速桨。在一些二战战斗机飞行员的回忆录中，我们时常可以看到，在进入战斗前，飞行员会把桨距调大，这时螺旋桨的推力会更大，需求的发动机功率也更大。此时发动机在大负荷的作战功率下运转，虽然可以保障较高的飞行性能，但会严重影响发动机的寿命。
　　常见的螺旋桨自动变距机构一般使用液压控制或者电动机控制，飞行员平时要做的工作就是拉动转速设定拉杆，控制发动机一螺旋桨的配合转速在合理的范围内(一般只在起飞、爬升和战斗时使用全速)，自动变距机构会根据发动机，螺旋桨匹配的实际状态，自动将螺旋桨的桨距调整到合适位置。
　　变距桨还能实现两种特定的功能，其一是顺桨，即将桨叶转至零升力仰角。一般用在发动机关闭或者失效的情况下使用，此时螺旋桨的迎面空气阻力最小，从而降低了飞机的阻力。其二是负桨距，此时螺旋桨产生的推力与飞机前进方向相反，一般用于着陆后减小飞机的滑跑距离。(未完待续)
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