航天模型原理与结构—6.螺旋桨
第六节 螺旋桨 对于有动力飞行的模型飞机来说，除了采用目前还不十分普及的喷气发动机外，都要靠螺旋桨产生拉力。因此，螺旋桨的好坏直接影响着模型的飞行性能甚至安全。一、与螺旋桨有关的一些名词和术语
图1－37 螺旋桨各部分名称 螺旋桨各部分的名称与机翼又很多相似的地方。桨叶相当于机翼的翼面，桨叶也有前缘和后缘，桨叶的剖面形状也和机翼剖面形状差不多。但是模型飞机飞行时，螺旋桨一面旋转产生拉力，一面又随飞机前进，所以它的工作情况要比机翼复杂得多。1、右旋螺旋桨和左旋螺旋桨 当我们站在螺旋桨后面（相当于飞机驾驶员的位置）来观察螺旋桨旋转。如果看到螺旋桨是顺时针方向旋转，这种螺旋桨称为右旋螺旋桨，反之称为左旋螺旋桨。对于大多数活塞发动都采用右旋螺旋桨，这是因为使用的螺钉和螺纹都是右旋的居多，这样螺旋桨就不会松脱了，由于惯性，螺旋桨会变得很紧，保证了安全。2、螺旋桨的旋转面 螺旋桨旋转时，h过螺旋桨上一点并且垂直与旋转轴的一个假想的平面。3、螺旋桨直径（
） 螺旋桨两个桨尖之间的距离。也可以认为是螺旋桨旋转时最大旋转面的直径。4、桨叶角（
） 桨叶剖面的弦线与旋转平面之间的夹角称为桨叶角。 从定义上看，螺旋桨的桨叶角与机翼的安装角相似。不过机翼装在机身上的安装角一般沿机翼翼展都是相同的，只有少数模型的机翼安装角在翼尖部分小，靠一根部分大。可是螺旋桨的桨叶却完全不同了：越靠近旋转轴，剖面的桨叶角越大；越接近桨尖，剖面的桨叶角越小。制作正确的螺旋桨，从桨尖到桨根，桨叶角的扭状程度是逐渐增频摹
图1－38 作用在螺旋桨上的空气动力5、旋转速度（
） 螺旋桨旋转时桨叶上任一剖面延圆周切线方向的旋转线速度。
为螺旋桨每分钟的旋转圈数，
为桨叶上任一剖面到旋转轴的距离。 由于螺旋b桨叶各剖面到旋转轴的距离都不相等，所以螺旋桨旋转时，各个剖面所经历的路程也不相等。越靠近桨尖，半径越大，旋转速度也就越大。螺旋桨旋转所引起的习惯力对气流的速度就等于螺旋桨的旋转速b。6、前进速度（
） 模型飞机飞行时，由于桨叶随着模型一起运动，所以螺旋桨的前进速度等于模型飞机的飞行速度。7、合速度（
） 螺旋桨旋转时产生拉力，使模型向前飞行。这是，真正作用在桨叶上的气流是螺旋桨旋转引起的相对气流速度和模型前进作用在桨叶上的相对气流的速度之矢量和。它称为合速度。8、桨叶迎角（
） 桨叶剖面的弦线与合速度方向之间的夹角称为桨叶迎角。如果模型没有前进速度，那么桨叶角就等于桨叶迎角。所以一般情况，桨叶迎角总是小于桨叶角的。与机翼情况相似，这个角度的大小，决定了桨叶剖面产生的拉力大小。9、气流角（
） 合速度与旋转速度之间的夹角称为气流角。 显然i由于桨叶各剖面处的旋转速度都不相同，所以越靠近桨尖气流角越小。10、几何螺距（
）和实际螺距（
） 如果螺旋桨翼面旋转一面前进，亲近的方向是沿着桨叶剖面的翼弦方向，也就是说桨叶迎角为0度，那么每旋转一圈，剖面前进的距离称为几何螺距（）。
图1－39 几何螺距与实际螺距 但是与机翼的情况相似，要使螺旋桨产生足够的拉力，桨叶与相对气流一定要呈某个迎角，所以在实际飞行中桨叶应当是沿着气流的方向并带着某个迎角前进，而不是沿桨叶剖面翼弦方向前进。螺旋桨桨叶沿着相对气流方向旋转一周，剖面前进的距离称为实际螺距（），也就是说，几何螺距使桨叶迎角为0度时的实际螺距。如果把螺旋桨旋转一圈时桨叶剖面经过的轨迹加以展开，从图上可以看到实际螺距一定比几何螺距小。如果桨叶迎角越大，这个差别也越大。螺距太大而飞行速度不够快，则攻角太大而失速，这种情形在这里叫螺旋桨打滑，螺距太小而飞行速度太快，则攻角太小，效率则很差，所以结论是高速飞机用小桨大螺距，低速飞机用大桨小螺距。以前在莱特兄弟时代，飞机做好以后要拉一个绑在树上磅秤来测拉力，现在在航模飞行场上偶而也有人这么做，现在我们知道这是多余的，测得的拉力蚊挥蟹苫前进的速度，只是静拉力，所以只有在飞机静止时有效，飞机有了速度后就不准了。二、工作原理 螺旋桨转动时，相对气流在桨叶剖面上产生的力可以分解为两个分力，即平行于模型前进速度的拉力
和与旋转速度平行的旋转阻力
。整个螺旋桨产生的拉力就是每段桨叶剖面上旋转阻力的总和。 要使螺旋桨继续不断的旋转，就需要各螺旋桨提供克服旋转阻力的能量。为保证螺旋桨正常工作而需要动力系统提供的功率，称为螺旋桨的需用功率。在单位时间内螺旋桨拉力对模型做的功，称为可用功率。它等于拉力与飞行速度的乘积。可用功率与需用功率的比值就称为螺旋桨的功率。
螺旋桨效率是评定螺旋桨好坏的一个标准。由于动力系杀旧淼乃鸷模以及螺旋桨旋转时需要克服旋转阻力，所以螺旋桨的效率总是小于1的。一般模型飞机螺旋桨的效率为0.5~0.75。 与机翼的升阻比一样，螺旋桨的拉力与旋转阻力的比值也会随着迎角变化而改变。迎角的大小决定了桨叶剖面产生的拉阻比例的大小。如果桨叶在工作时迎角合适，其产生的拉力就最大，否则产生的拉力就最小。螺旋桨的效率高不高主要取决于桨叶各个剖面工作时的迎角合适不合适。对于一定形状的螺旋桨桨叶剖面，拉力与旋转阻力的最大比值也只是在某一个迎角下才能达到。这同机翼的情况相似。有的模型飞机为了提高螺旋桨的效率，采用的是可变距螺旋桨。桨叶角和迎角的关系：
而：
在螺旋桨各剖面处，前进速度和螺旋桨转速都是一样的，而桨1上不同剖面的半径不同。因此螺旋桨从桨根到桨尖，桨叶角是逐渐减小的，每个桨叶剖面的弦线都不平行。螺旋桨的桨叶应当是一个扭曲的曲面。在正确设计的螺旋桨上，各剖面处的桨叶角均等于：
三、螺旋桨几何尺寸1、螺旋桨桨叶的宽度（
） 螺旋桨桨叶的宽度及桨叶剖面的弦长。一般用它与螺旋桨直径的比值来表示，称为相对宽度：
螺旋桨各个剖面的相对宽度虽然是不相等的，但它却按照一定的规律变化。剖面宽度变化规律与所选择的桨叶平面图形有关。从简单的空气动力学的观点来看，椭圆形的桨叶平面形状最好，但一般为了设计和制造方便往往把螺旋桨的平面形状做成梯形的。 当发动机的转速比较高时，桨叶的宽度不宜过大，否则会降低转速。而转速慢的为了提高效率，桨叶宽度就大一些。模型飞机螺旋桨桨叶的宽度与直径之比为0.07~0.11，一般桨叶最大宽度放在0.50~0.75半径处。2、螺旋桨的桨叶角（）
图1－40 桨叶角与拉力的关系
图1－42 螺旋桨实物照片 图中所示的螺旋桨，上面除了公司的标志外[APC]，另外还有一组数字12x9，这是选择螺旋桨最重要的一组数字，12代表这支螺旋桨直径是12英寸，9代表螺距是9英寸，另一组数字305x227是公制表示，单位是mm，代表意义完全一样，直径的含义大家都了解，螺距的概念是螺旋桨旋转一圈（依螺旋桨的角度），理论上螺旋桨前进的距离（如图5-2）。当螺旋桨旋转9桨上的点因距离轴心的不同，行走的距离也不同（=2 x 3.1416 x r），现在的螺旋桨都是定螺距桨，就是旋转一圈桨上每一点的螺距都一样，所以越靠近轴心，桨叶角越大，桨尖部分角度就比较小。当然还有一种定螺角桨，这种桨桨上每一点角度都一样，当旋转一圈时桨上每一点的螺距都不一样，越靠桨尖越大， 螺距最好的解决办法当然是使用变距螺旋桨，可依飞行速度不同改变螺距，二次大战后大部分的螺旋桨飞机都已使用变距螺旋桨，这一技术可依飞机飞行速度变换螺距以取得更佳的效率，万一引擎熄火还可以打顺桨，使螺旋桨的剂减至最低增加滑行距离。日本MK模型出过一组60级用的可变距桨，但在美国模型飞机禁止用可变距桨，怕飞出来伤人，此外螺旋桨靠轴心部分效率很差，所以很多场合都装上机头罩以减低阻力。四、螺旋桨的分类 螺旋桨可依不同方式分类如下：1、依桨叶数： 单桨：竞速机常用，可避免吃到前叶的尾流，效率最佳，但另一端要配平。 双桨：最常见的型式，合理的效率，容易平衡。 三桨以上：像真机或嘁冻ざ仁芟奘笔褂茫效率稍差。2、依推力方向： 拉力桨：即正桨，从飞机前面产生拉力使飞机向前。 推力桨：即反桨，从飞机后面产生推力使飞机向前，少数引擎可逆转，双引擎飞机其中一个引擎逆转喾唇耙缘窒反扭力。3、依材值： 木桨：刚性好，重量轻，但易损坏。 塑胶桨：便宜，选择性多，较不易损坏。 碳纤桨：最好，最贵。五、螺旋桨与发动机的匹配 螺旋桨的效率还与发动机有很大关系。如果发动机配备了不合适的螺旋桨，将使发动机的转速不够、动力下降、能耗增加。现在的航模很少直接有发动机驱动螺旋桨，因为螺旋桨转速高，当阻力增大时拉力增加比较小。因此都倾向于使用大直径长螺距的螺旋桨配以减速组，否则只能使小直径、短螺距的螺旋桨。 有一类螺旋桨动力组是将小直径、大叶片的螺旋桨安装在涵道管内，称为涵道风扇，可由电动机或者内燃机直接带动，往往用于像真模型喷气飞机中，由于螺旋桨直径小，效率比较低，是有比较高的象真度。
电动涵道风扇 京商的F86油动涵道
图1－37 螺旋桨各部分名称 螺旋桨各部分的名称与机翼又很多相似的地方。桨叶相当于机翼的翼面，桨叶也有前缘和后缘，桨叶的剖面形状也和机翼剖面形状差不多。但是模型飞机飞行时，螺旋桨一面旋转产生拉力，一面又随飞机前进，所以它的工作情况要比机翼复杂得多。1、右旋螺旋桨和左旋螺旋桨 当我们站在螺旋桨后面（相当于飞机驾驶员的位置）来观察螺旋桨旋转。如果看到螺旋桨是顺时针方向旋转，这种螺旋桨称为右旋螺旋桨，反之称为左旋螺旋桨。对于大多数活塞发动都采用右旋螺旋桨，这是因为使用的螺钉和螺纹都是右旋的居多，这样螺旋桨就不会松脱了，由于惯性，螺旋桨会变得很紧，保证了安全。2、螺旋桨的旋转面 螺旋桨旋转时，h过螺旋桨上一点并且垂直与旋转轴的一个假想的平面。3、螺旋桨直径（） 螺旋桨两个桨尖之间的距离。也可以认为是螺旋桨旋转时最大旋转面的直径。4、桨叶角（） 桨叶剖面的弦线与旋转平面之间的夹角称为桨叶角。 从定义上看，螺旋桨的桨叶角与机翼的安装角相似。不过机翼装在机身上的安装角一般沿机翼翼展都是相同的，只有少数模型的机翼安装角在翼尖部分小，靠一根部分大。可是螺旋桨的桨叶却完全不同了：越靠近旋转轴，剖面的桨叶角越大；越接近桨尖，剖面的桨叶角越小。制作正确的螺旋桨，从桨尖到桨根，桨叶角的扭状程度是逐渐增频摹图1－38 作用在螺旋桨上的空气动力5、旋转速度（） 螺旋桨旋转时桨叶上任一剖面延圆周切线方向的旋转线速度。 为螺旋桨每分钟的旋转圈数，为桨叶上任一剖面到旋转轴的距离。 由于螺旋b桨叶各剖面到旋转轴的距离都不相等，所以螺旋桨旋转时，各个剖面所经历的路程也不相等。越靠近桨尖，半径越大，旋转速度也就越大。螺旋桨旋转所引起的习惯力对气流的速度就等于螺旋桨的旋转速b。6、前进速度（） 模型飞机飞行时，由于桨叶随着模型一起运动，所以螺旋桨的前进速度等于模型飞机的飞行速度。7、合速度（） 螺旋桨旋转时产生拉力，使模型向前飞行。这是，真正作用在桨叶上的气流是螺旋桨旋转引起的相对气流速度和模型前进作用在桨叶上的相对气流的速度之矢量和。它称为合速度。8、桨叶迎角（） 桨叶剖面的弦线与合速度方向之间的夹角称为桨叶迎角。如果模型没有前进速度，那么桨叶角就等于桨叶迎角。所以一般情况，桨叶迎角总是小于桨叶角的。与机翼情况相似，这个角度的大小，决定了桨叶剖面产生的拉力大小。9、气流角（） 合速度与旋转速度之间的夹角称为气流角。 显然i由于桨叶各剖面处的旋转速度都不相同，所以越靠近桨尖气流角越小。10、几何螺距（）和实际螺距（） 如果螺旋桨翼面旋转一面前进，亲近的方向是沿着桨叶剖面的翼弦方向，也就是说桨叶迎角为0度，那么每旋转一圈，剖面前进的距离称为几何螺距（）。图1－39 几何螺距与实际螺距 但是与机翼的情况相似，要使螺旋桨产生足够的拉力，桨叶与相对气流一定要呈某个迎角，所以在实际飞行中桨叶应当是沿着气流的方向并带着某个迎角前进，而不是沿桨叶剖面翼弦方向前进。螺旋桨桨叶沿着相对气流方向旋转一周，剖面前进的距离称为实际螺距（），也就是说，几何螺距使桨叶迎角为0度时的实际螺距。如果把螺旋桨旋转一圈时桨叶剖面经过的轨迹加以展开，从图上可以看到实际螺距一定比几何螺距小。如果桨叶迎角越大，这个差别也越大。螺距太大而飞行速度不够快，则攻角太大而失速，这种情形在这里叫螺旋桨打滑，螺距太小而飞行速度太快，则攻角太小，效率则很差，所以结论是高速飞机用小桨大螺距，低速飞机用大桨小螺距。以前在莱特兄弟时代，飞机做好以后要拉一个绑在树上磅秤来测拉力，现在在航模飞行场上偶而也有人这么做，现在我们知道这是多余的，测得的拉力蚊挥蟹苫前进的速度，只是静拉力，所以只有在飞机静止时有效，飞机有了速度后就不准了。二、工作原理 螺旋桨转动时，相对气流在桨叶剖面上产生的力可以分解为两个分力，即平行于模型前进速度的拉力和与旋转速度平行的旋转阻力。整个螺旋桨产生的拉力就是每段桨叶剖面上旋转阻力的总和。 要使螺旋桨继续不断的旋转，就需要各螺旋桨提供克服旋转阻力的能量。为保证螺旋桨正常工作而需要动力系统提供的功率，称为螺旋桨的需用功率。在单位时间内螺旋桨拉力对模型做的功，称为可用功率。它等于拉力与飞行速度的乘积。可用功率与需用功率的比值就称为螺旋桨的功率。 螺旋桨效率是评定螺旋桨好坏的一个标准。由于动力系杀旧淼乃鸷模以及螺旋桨旋转时需要克服旋转阻力，所以螺旋桨的效率总是小于1的。一般模型飞机螺旋桨的效率为0.5~0.75。 与机翼的升阻比一样，螺旋桨的拉力与旋转阻力的比值也会随着迎角变化而改变。迎角的大小决定了桨叶剖面产生的拉阻比例的大小。如果桨叶在工作时迎角合适，其产生的拉力就最大，否则产生的拉力就最小。螺旋桨的效率高不高主要取决于桨叶各个剖面工作时的迎角合适不合适。对于一定形状的螺旋桨桨叶剖面，拉力与旋转阻力的最大比值也只是在某一个迎角下才能达到。这同机翼的情况相似。有的模型飞机为了提高螺旋桨的效率，采用的是可变距螺旋桨。桨叶角和迎角的关系：而： 在螺旋桨各剖面处，前进速度和螺旋桨转速都是一样的，而桨1上不同剖面的半径不同。因此螺旋桨从桨根到桨尖，桨叶角是逐渐减小的，每个桨叶剖面的弦线都不平行。螺旋桨的桨叶应当是一个扭曲的曲面。在正确设计的螺旋桨上，各剖面处的桨叶角均等于：三、螺旋桨几何尺寸1、螺旋桨桨叶的宽度（） 螺旋桨桨叶的宽度及桨叶剖面的弦长。一般用它与螺旋桨直径的比值来表示，称为相对宽度： 螺旋桨各个剖面的相对宽度虽然是不相等的，但它却按照一定的规律变化。剖面宽度变化规律与所选择的桨叶平面图形有关。从简单的空气动力学的观点来看，椭圆形的桨叶平面形状最好，但一般为了设计和制造方便往往把螺旋桨的平面形状做成梯形的。 当发动机的转速比较高时，桨叶的宽度不宜过大，否则会降低转速。而转速慢的为了提高效率，桨叶宽度就大一些。模型飞机螺旋桨桨叶的宽度与直径之比为0.07~0.11，一般桨叶最大宽度放在0.50~0.75半径处。2、螺旋桨的桨叶角（）图1－40 桨叶角与拉力的关系
图1－42 螺旋桨实物照片 图中所示的螺旋桨，上面除了公司的标志外[APC]，另外还有一组数字12x9，这是选择螺旋桨最重要的一组数字，12代表这支螺旋桨直径是12英寸，9代表螺距是9英寸，另一组数字305x227是公制表示，单位是mm，代表意义完全一样，直径的含义大家都了解，螺距的概念是螺旋桨旋转一圈（依螺旋桨的角度），理论上螺旋桨前进的距离（如图5-2）。当螺旋桨旋转9桨上的点因距离轴心的不同，行走的距离也不同（=2 x 3.1416 x r），现在的螺旋桨都是定螺距桨，就是旋转一圈桨上每一点的螺距都一样，所以越靠近轴心，桨叶角越大，桨尖部分角度就比较小。当然还有一种定螺角桨，这种桨桨上每一点角度都一样，当旋转一圈时桨上每一点的螺距都不一样，越靠桨尖越大， 螺距最好的解决办法当然是使用变距螺旋桨，可依飞行速度不同改变螺距，二次大战后大部分的螺旋桨飞机都已使用变距螺旋桨，这一技术可依飞机飞行速度变换螺距以取得更佳的效率，万一引擎熄火还可以打顺桨，使螺旋桨的剂减至最低增加滑行距离。日本MK模型出过一组60级用的可变距桨，但在美国模型飞机禁止用可变距桨，怕飞出来伤人，此外螺旋桨靠轴心部分效率很差，所以很多场合都装上机头罩以减低阻力。四、螺旋桨的分类 螺旋桨可依不同方式分类如下：1、依桨叶数： 单桨：竞速机常用，可避免吃到前叶的尾流，效率最佳，但另一端要配平。 双桨：最常见的型式，合理的效率，容易平衡。 三桨以上：像真机或嘁冻ざ仁芟奘笔褂茫效率稍差。2、依推力方向： 拉力桨：即正桨，从飞机前面产生拉力使飞机向前。 推力桨：即反桨，从飞机后面产生推力使飞机向前，少数引擎可逆转，双引擎飞机其中一个引擎逆转喾唇耙缘窒反扭力。3、依材值： 木桨：刚性好，重量轻，但易损坏。 塑胶桨：便宜，选择性多，较不易损坏。 碳纤桨：最好，最贵。五、螺旋桨与发动机的匹配 螺旋桨的效率还与发动机有很大关系。如果发动机配备了不合适的螺旋桨，将使发动机的转速不够、动力下降、能耗增加。现在的航模很少直接有发动机驱动螺旋桨，因为螺旋桨转速高，当阻力增大时拉力增加比较小。因此都倾向于使用大直径长螺距的螺旋桨配以减速组，否则只能使小直径、短螺距的螺旋桨。 有一类螺旋桨动力组是将小直径、大叶片的螺旋桨安装在涵道管内，称为涵道风扇，可由电动机或者内燃机直接带动，往往用于像真模型喷气飞机中，由于螺旋桨直径小，效率比较低，是有比较高的象真度。 电动涵道风扇 京商的F86油动涵道