螺旋槳副作用抵消策略及其在航模中的應(yīng)用

楊遠(yuǎn)驍 孫永輝 萬鵬 湯飛鵬 張彬華

摘?要：隨著航空工業(yè)的發(fā)展，越來越多的非專業(yè)領(lǐng)域的航空愛好者能通過以航模為代表的各種形式接觸到航空領(lǐng)域。而航模中最常見的也是入門者選擇最多的螺旋槳航模卻有著和真正的螺旋槳飛機(jī)同樣的問題：螺旋槳副作用。螺旋槳各類副作用會(huì)影響到航模飛機(jī)的操控性能，導(dǎo)致容易失控?fù)p壞，極大地提高了入門成本。本文將通過匯總四類螺旋槳副作用及其抵消策略，綜合討論后得出采用共軸反槳發(fā)動(dòng)機(jī)是運(yùn)用于航模中的最佳方案。

關(guān)鍵詞：螺旋槳；滑流效應(yīng)；滑流；反扭矩；p效應(yīng)；航模

The?Strategy?of?Counteracting?Propeller?Side?Effects?and

Its?Application?in?Airplane?Model

Yang?Yuanxiao*?Sun?Yonghui?Wan?Peng?Tang?Feipeng?Zhang?Binhua

NanChang?HangKong?University?JiangxiNanchang?330063

Abstract：With?the development?of?aviation?industry，more?and?more?unprofessional?aviation?amateur?can?contact?with?aviation?by?using?Model?airplane.Propeller?model?aircrafts?are?mostly?chosen?by?new?hand，but?it?have?the?same?problem?with?the?real?propeller?aircraft，which?we?called?the?side?effects?of?propeller.The?side?effects?of?propeller?will?influence?the?maneuverability?of?the?aircraft?and?make?it?easier?to?be?damaged，which?increase?the?cost?of?using.This?passage?will?summary?four?kinds?of?side?effects?of?propeller?and?how?to?counteract?them.After?argumentation，passage?point?out?that?using?coaxial?reverse?paddle?engine?is?the?best?way?to?counteract?the?side?effects?of?propeller.

Keywords：Propeller；slipstream?effect；slipstream；reaction?torque；pfactor；model?airplane

雖然世界航空動(dòng)力裝置早已進(jìn)入噴氣動(dòng)力時(shí)代，但是傳統(tǒng)的螺旋槳?jiǎng)恿s依舊活躍在世界舞臺(tái)，因?yàn)槠渚哂械退俪隽Υ蟆⑼七M(jìn)效率高、經(jīng)濟(jì)性良好的特點(diǎn)，所以其在運(yùn)輸領(lǐng)域有著不可替代的作用［1］。而在航模中，螺旋槳?jiǎng)恿σ脖粡V泛運(yùn)用。但是，螺旋槳?jiǎng)恿τ捎谧陨硖匦裕瑫?huì)產(chǎn)生如反扭矩效應(yīng)、螺旋槳滑流、p效應(yīng)、進(jìn)動(dòng)效應(yīng)四種不同的副作用。這些螺旋槳副作用會(huì)對(duì)航空飛行器以及航模的飛行安全和穩(wěn)定性造成巨大影響。本文總結(jié)了四類螺旋槳副作用和五種抵消策略，并探討了其在航模中的運(yùn)用，并展望了未來螺旋槳飛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

1?螺旋槳四種主要副作用

1.1?反扭矩

反扭矩效應(yīng)是最常見的螺旋槳副作用之一。由于力的作用是相互的，螺旋槳在攪動(dòng)空氣時(shí)，空氣會(huì)給予槳葉一個(gè)大小相同、方向相反的力。所以，單發(fā)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)在帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的扭力，使得飛機(jī)產(chǎn)生不受控的滾轉(zhuǎn)。在飛行時(shí)具體表現(xiàn)為飛機(jī)由于無法實(shí)現(xiàn)平飛，需要飛行員或飛手自主打桿修正飛機(jī)姿態(tài)。而在起降階段，如果不能抵消反扭矩，則會(huì)對(duì)飛機(jī)起降安全造成極大的危害。

1.2?進(jìn)動(dòng)效應(yīng)

1.2.1?飛機(jī)進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的產(chǎn)生

進(jìn)動(dòng)效應(yīng)（回轉(zhuǎn)效應(yīng)）是物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在外力矩作用下一種特有的物理現(xiàn)象。描述進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象的物理量是進(jìn)動(dòng)角速度或角動(dòng)量，它與轉(zhuǎn)動(dòng)物體的旋轉(zhuǎn)軸位置、旋轉(zhuǎn)角速度、物體的質(zhì)量大小及質(zhì)量分布等因素有關(guān)［2］。飛機(jī)在空中平飛過程中，油門桿位置不動(dòng)，螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子以一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速繞發(fā)動(dòng)機(jī)軸工作，這相當(dāng)于一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的剛體。螺旋槳和轉(zhuǎn)子具有一定的角動(dòng)量，其方向沿其自轉(zhuǎn)軸的方向。轉(zhuǎn)子和螺旋槳左旋時(shí)，角動(dòng)量方向沿飛機(jī)方向向后；反之則向前［2］。當(dāng)飛行員或飛手操縱飛機(jī)做出俯仰或左右轉(zhuǎn)彎的機(jī)動(dòng)后，螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)動(dòng)力矩，使飛機(jī)發(fā)生偏移。偏移方向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，左（右）旋螺旋槳的進(jìn)動(dòng)力矩方向可由左（右）手定理判斷：以左旋螺旋槳為例，使飛機(jī)機(jī)頭方向穿過掌心，四指指向飛機(jī)機(jī)動(dòng)的方向，則大拇指指向的就是進(jìn)動(dòng)力矩的方向［2］。

1.2.2?進(jìn)動(dòng)效應(yīng)對(duì)飛行品質(zhì)的影響

由于在飛行過程中飛機(jī)螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，飛機(jī)的每一次進(jìn)行機(jī)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)效應(yīng)。飛機(jī)的機(jī)動(dòng)幅度越大，產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)越明顯，產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)力矩也越大，對(duì)飛機(jī)姿態(tài)的影響也越大。在真實(shí)的飛行過程中，飛機(jī)的機(jī)動(dòng)往往會(huì)在多個(gè)軸向同時(shí)進(jìn)行，產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)力矩也會(huì)因此變得復(fù)雜，非常考驗(yàn)飛行員或者飛手的飛行經(jīng)驗(yàn)。而在螺旋槳飛機(jī)起降階段，由于速度慢、舵效低，如果機(jī)動(dòng)幅度過大，產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)可能會(huì)使飛機(jī)失控導(dǎo)致墜毀。在單發(fā)螺旋槳飛行器滑跑起飛時(shí)，由于飛機(jī)低速時(shí)舵效低，若突然極大地增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率，產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)會(huì)使飛機(jī)在跑道偏航，且難以用舵面修正，以此造成事故。

同時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子也同樣受進(jìn)動(dòng)效應(yīng)影響，在產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)力矩時(shí)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部軸承產(chǎn)生較大的側(cè)向負(fù)載，影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。

1.3?滑流效應(yīng)

1.3.1?滑流效應(yīng)的產(chǎn)生

螺旋槳滑流效應(yīng)非常復(fù)雜，需要從加速效應(yīng)、旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、黏性效應(yīng)、湍流效應(yīng)、槳盤傾斜的影響以及軸轂的影響等多個(gè)角度來理解［3］。同時(shí)由于不同飛機(jī)構(gòu)型和動(dòng)力裝置之間的滑流效應(yīng)差別較大，因此螺旋槳滑流效應(yīng)難以量化，一般以風(fēng)洞模擬和CFD數(shù)值模擬為主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［4］。滑流效應(yīng)簡(jiǎn)單來說是指螺旋槳與來流相遇時(shí)，螺旋槳對(duì)空氣的攪動(dòng)使得來流一方面加速，另一方面順著螺旋槳方向旋轉(zhuǎn)，流過機(jī)身的滑流又被飛機(jī)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)影響改變，從而導(dǎo)致飛機(jī)整體氣動(dòng)特性變化影響飛機(jī)的升阻特性和飛行穩(wěn)定。

1.3.2?滑流效應(yīng)對(duì)飛行品質(zhì)的影響

滑流效應(yīng)對(duì)飛行的影響是通過改變飛機(jī)氣動(dòng)特性產(chǎn)生的間接影響，主要有對(duì)升阻特性的影響、對(duì)縱向靜穩(wěn)定性的影響、對(duì)側(cè)力導(dǎo)數(shù)的影響、對(duì)滾轉(zhuǎn)力矩的影響以及對(duì)偏航力矩的影響［4］。本文主要討論對(duì)滾轉(zhuǎn)和偏航力矩的影響。

造成滑流效應(yīng)對(duì)滾轉(zhuǎn)力矩的影響主要原因是滑流通過左右兩側(cè)機(jī)翼時(shí)流向不同，一側(cè)流經(jīng)機(jī)翼上表面，一側(cè)流經(jīng)機(jī)翼下表面，導(dǎo)致左右機(jī)翼升力變化不同，因此形成滾轉(zhuǎn)力矩，造成飛機(jī)不受控滾轉(zhuǎn)。而對(duì)偏航力矩的影響原因是滑流流過機(jī)身時(shí)沖擊飛機(jī)垂尾，形成偏航力矩，造成飛機(jī)不受控偏航。

由于螺旋槳滑流效應(yīng)在飛機(jī)的不同構(gòu)型和發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的影響不同，且在研究中難以被量化，所以螺旋槳滑流的抵消方法仍然是螺旋槳飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)研究的重點(diǎn)。

1.4?P效應(yīng)

1.4.1?P效應(yīng)的產(chǎn)生原因

P效應(yīng)，又被稱作“不對(duì)稱槳盤負(fù)載”或“不對(duì)稱槳葉效應(yīng)”以及“螺旋槳來流斜吹”。P效應(yīng)主要發(fā)生在螺旋槳飛機(jī)低速、大迎角狀態(tài)，通常也是飛機(jī)起降時(shí)。

以左旋機(jī)頭單發(fā)螺旋槳飛機(jī)為例，當(dāng)飛機(jī)剛剛拉起時(shí)，通常會(huì)保持大仰角狀態(tài)來獲得更大的升力。此時(shí)相對(duì)于來流，發(fā)動(dòng)機(jī)下行的槳葉的迎角大于上行槳葉的迎角，因此，以駕駛艙的視角發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)產(chǎn)生的拉力大于右側(cè)，產(chǎn)生一個(gè)向右的偏航力矩。

1.4.2?P效應(yīng)對(duì)飛行的影響

在低速大仰角的起飛階段，P效應(yīng)的影響最為明顯［5］。若不及時(shí)修正偏航，飛機(jī)甚至可能會(huì)進(jìn)入失速狀態(tài)，造成嚴(yán)重事故。

2?螺旋槳副作用抵消方法

隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，人們逐漸掌握了螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的特性。對(duì)于上述的四類螺旋槳副作用，在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)能最大化減小其對(duì)飛行穩(wěn)定的影響。抵消螺旋槳副作用主要有以下幾個(gè)方法。

（1）機(jī)翼不對(duì)稱安裝。公式如下：

Y=12CyρSymboleB@

v2SymboleB@

S

式中Y—總升力；C—升力系數(shù)；S—機(jī)翼面積；v—飛機(jī)速度；ρ—大氣密度。

由公式可得，在弦長(zhǎng)不變時(shí)，增加翼展的長(zhǎng)度，機(jī)翼面積增加，展弦比增大，升力系數(shù)增大，總升力變大。因此，對(duì)于單發(fā)左旋螺旋槳飛機(jī)，只要適當(dāng)增加右翼翼展，即可抵消反扭矩帶來的右滾轉(zhuǎn)力矩。該方法原理簡(jiǎn)單，但是對(duì)飛機(jī)制造精度要求極高，隨著航空制造技術(shù)和飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，逐漸被配平片等取代。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)、垂尾安裝角。以左旋機(jī)鼻單發(fā)螺旋槳飛機(jī)為例，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在帶動(dòng)螺旋槳左旋時(shí)產(chǎn)生反向的滾轉(zhuǎn)力矩，使飛機(jī)向右滾轉(zhuǎn)。若飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)3°～5°的左拉角或垂尾有向右的安裝角，給予飛機(jī)一個(gè)向左的偏航力矩使飛機(jī)向左偏航，此時(shí)飛機(jī)右翼氣流流動(dòng)速度大于左翼，右翼產(chǎn)生的升力大于左翼，產(chǎn)生一個(gè)向左的滾轉(zhuǎn)力矩，與反扭產(chǎn)生的力矩相互抵消［6］。同時(shí)，與飛行方向離軸也能適當(dāng)減少進(jìn)動(dòng)效應(yīng)與P效應(yīng)的影響，這里不作詳細(xì)討論。

隨著航空制造水平的發(fā)展，在飛機(jī)總體設(shè)計(jì)中發(fā)動(dòng)機(jī)離軸安裝產(chǎn)生的影響越來越顯得得不償失，因此發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角和垂尾安裝角逐漸被性價(jià)比更高的配平調(diào)整片取代。

（3）舵面配平。在早期，由于技術(shù)限制，配平與機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角類似，只能在飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和整備階段進(jìn)行，比如調(diào)整機(jī)內(nèi)設(shè)備、載荷的位置使飛行平穩(wěn)，飛行過程中仍需要消耗飛行員大量精力來修正飛行姿態(tài)。而隨著航空設(shè)計(jì)和制造水平的發(fā)展，飛行員得以在飛行過程中對(duì)副翼、平尾和垂尾的舵面位置進(jìn)行固定的調(diào)整以保持飛機(jī)的平穩(wěn)，極大地減少了飛行員精力的損耗。

（4）飛行員修正。舵面配平技術(shù)成熟后，由反扭矩造成的螺旋槳副作用已經(jīng)能被完全抵消，但是由螺旋槳滑流等因素造成的螺旋槳副作用在飛行過程中過于復(fù)雜，無法提前預(yù)防，因此只能通過飛行員的經(jīng)驗(yàn)不斷修正以維持飛機(jī)的姿態(tài)。

（5）共軸反槳。區(qū)別與普通螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，共軸反槳發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩對(duì)共軸的螺旋槳，這兩對(duì)螺旋槳通過行星齒輪實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。兩組反轉(zhuǎn)的螺旋槳會(huì)產(chǎn)生方向相反的反扭力，并且這對(duì)反扭力能相互抵消，同時(shí)通過左右手定理可以判斷，兩組反轉(zhuǎn)的螺旋槳產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)也能相互抵消。因此裝有共軸反槳發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)可以完全抵消反扭矩效應(yīng)和進(jìn)動(dòng)效應(yīng)，大大提高了飛行穩(wěn)定性。另外，由于兩組反轉(zhuǎn)的螺旋槳產(chǎn)生的葉尖渦流相互抵消，在相同的功率和槳盤面積下，共軸反槳發(fā)動(dòng)機(jī)的效率能比單槳發(fā)動(dòng)機(jī)提升6%～16%。

需要注意的是，共軸反槳發(fā)動(dòng)機(jī)也有其缺點(diǎn)。首先，兩對(duì)槳葉在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大的噪音，導(dǎo)致其在民航領(lǐng)域中很難運(yùn)用。其次，共軸反槳發(fā)動(dòng)機(jī)通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜且重量較大，導(dǎo)致其在飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)考慮中優(yōu)先級(jí)較低。

3?探討在航模中的應(yīng)用

3.1?航模飛機(jī)的特點(diǎn)

航模的種類豐富多樣，從紙質(zhì)的到金屬制的、從電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)到油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)有盡有。常見的航模飛機(jī)通常具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕以及推重比大等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得航模飛機(jī)在與同構(gòu)型的真實(shí)飛機(jī)相比更加靈活，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)功率對(duì)于航模重量來說較大，使得反扭矩效應(yīng)等螺旋槳副作用更明顯。另外，相較于真正的航空制造工藝，航模制作精度低，因此，依靠氣動(dòng)設(shè)計(jì)和安裝工藝的螺旋槳副作用抵消方法在航模中的運(yùn)用較為困難。但是，由于航模設(shè)計(jì)制作過程更簡(jiǎn)單，因此在航模飛機(jī)中嘗試新的構(gòu)型以抵消螺旋槳副作用也較為可行。

3.2?探討航模抵消螺旋槳副作用的方法

對(duì)于航模制作而言，采用機(jī)翼不對(duì)稱安裝和發(fā)動(dòng)機(jī)、垂尾安裝角的方法性價(jià)比較高。但與真正的飛機(jī)制造不同的是，航模制作精度較低，若安裝偏差過大，將會(huì)適得其反。如需使用該類方法，則需要制作者進(jìn)行大量試飛測(cè)試并調(diào)整安裝角度，以保證安裝角度誤差在接受范圍內(nèi)。

在航模中使用舵面配平技術(shù)抵消螺旋槳副作用也具有一定可行性。要使航模飛機(jī)能進(jìn)行配平，需要使用伺服電機(jī)和多通道遙控器，并使用支持配平操作輸出的飛控固件。但是，舵面配平技術(shù)在航模中并不常見。首先，為航模增加配平功能會(huì)增加整體成本，并且對(duì)制作技術(shù)有更高要求。其次，航模飛機(jī)的飛行過程以大量機(jī)動(dòng)動(dòng)作為主，較少出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間保持平穩(wěn)狀態(tài)，而在飛機(jī)機(jī)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的以進(jìn)動(dòng)效應(yīng)為主的螺旋槳副作用無法以配平的方法抵消。所以，航模飛機(jī)一般不采用舵面配平方法。

綜合來看，采用共軸反槳發(fā)動(dòng)機(jī)是常用方案中相對(duì)最適合航模飛機(jī)的方法。第一，共軸反槳發(fā)動(dòng)機(jī)能完全抵消以反扭矩和進(jìn)動(dòng)效應(yīng)為主的、由螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶來的螺旋槳副作用，極大地增加了飛行的穩(wěn)定性；第二，共軸反槳發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)在航模飛機(jī)上可以忽略不計(jì)，因?yàn)楣草S反槳電機(jī)價(jià)格適中，重量與單槳發(fā)動(dòng)機(jī)相差不大，并且航模飛機(jī)不用考慮噪音問題，因此在航模飛機(jī)中采用共軸反槳發(fā)動(dòng)機(jī)抵消螺旋槳副作用效果最好，性價(jià)比最高。

結(jié)語

隨著航空制造技術(shù)和模擬技術(shù)的發(fā)展，人們也開始提出非傳統(tǒng)的構(gòu)型運(yùn)用到螺旋槳飛機(jī)上。比如呂繼航等對(duì)背負(fù)式單發(fā)螺旋槳飛機(jī)的滑流效應(yīng)進(jìn)行了研究［7］，馬震宇等對(duì)串置前掠翼螺旋槳飛機(jī)的滑流特性進(jìn)行了探究［8］。針對(duì)難以預(yù)防的滑流效應(yīng)，也有越來越多的研究方法被提出并應(yīng)用。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多更好的螺旋槳副作用抵消方法能出現(xiàn)。

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*通訊作者：楊遠(yuǎn)驍（2003—?），男，漢族，江西南昌人，本科在讀。