螺旋桨飞机（空气螺旋桨将发动机的功率转为推进力的飞机）-趣爱秀

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。

发展演化

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。

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。

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。

效应

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。

发展历程

概述

在速度低于700公里/时的情况下，空气螺旋桨推进效率较高。速度继续增大，推进效率急剧下降。同时，飞机所需的功率随速度的三次方成正比增加，活塞式发动机由于技术上的限制，无法提供体积小、重量轻和功率大的发动机。

发展

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。

优势

民用客机主要选用涡轮螺旋桨式与涡轮风扇式两类发动机。与涡扇飞机相比，涡桨飞机主要具有经济性好、乘坐安全、舒适及更为环保等优点。

——更为经济。主要体现在制造成本、使用成本和运营维护成本三方面。涡桨发动机通常比涡喷发动机构造简单，易于制造与维护；使用方面，在500～600公里航线上，涡桨飞机每座运营成本较涡喷飞机低35%；而在500公里以内的航线上，涡桨飞机每座运营成本较涡喷飞机低40%以上。随着近年燃油价格的持续走高，涡桨飞机燃油成本优势明显，已经受到越来越多支线航空运营商的青睐。

——更为安全。首先，涡桨飞机与涡扇飞机同处当代先进飞机行列，其设计与研制技术平台相同，制造工艺与材料选用相同，适航标准完全一致；其次，涡桨飞机速度较涡扇飞机低，机翼面积较大，起降性能好，飘降成功率高；由于涡扇飞机追求高速化，一般机翼面积较小，导致起飞速度高。一般说来，涡桨飞机除可以在标准的水泥跑道起降外，还能在土跑道、砂石跑道、草地机场及有雪复盖的跑道上起降，更为安全可靠。

——更为舒适。对乘客来讲，飞机在爬升和降落阶段，感觉会不太舒服。涡桨飞机爬升到有利巡航高度(4000～6000米)的时间较短，同样从有利巡航高度下降到机场的时间也较短；涡扇飞机由于其有利巡航高度高(10000米)的特点，乘客在飞机起降阶段不舒适感持续的时间相对较长。与此同时，由于涡桨飞机巡航高度相对较低，机舱所承受的内外压力差也较低，更接近于地面状态，乘客很少会产生耳鸣、头晕等难受之感，所以说涡桨飞机乘坐更为舒适。

——更为环保。由于涡桨飞机耗油率低，在起飞、着陆及正常飞行中所产生的二氧化碳、一氧化碳及二氧化硫等排放物比同样座级的涡扇飞机少，更为环保。

由于涡桨飞机具有诸多优势，在现代支线航空和大部分通用航空运输领域占有重要地位。