依蔓 宋磊

我們知道，大多數(shù)輪船在水中航行都離不開螺旋槳，但螺旋槳并不是輪船獨(dú)有的，固定翼飛機(jī)也有螺旋槳，例如早期的活塞式螺旋槳飛機(jī)，以及現(xiàn)在的渦輪螺旋槳飛機(jī)。

帶動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)的螺旋槳

注意觀察下面這張圖片，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，螺旋槳的槳葉不是平的。這是為什么呢？

扭成麻花狀的螺旋槳槳葉好比一對(duì)豎直安裝的機(jī)翼，在槳葉旋轉(zhuǎn)過程中，氣流流經(jīng)弧度大的槳面時(shí)速度較快，流經(jīng)近于平直的槳面時(shí)速度較慢。根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利定理（關(guān)于伯努利定理，可見《知識(shí)就是力量》2022年8月刊），“流速大則壓強(qiáng)小，流速小則壓強(qiáng)大”?；《却蟮臉嬉蛄魉倏?，壓力較??；近于平直的槳面因速度低，壓力較大，因此形成一定的壓力差。這個(gè)壓力差會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向前拉槳葉的空氣動(dòng)力，這個(gè)力是牽拉飛機(jī)向前飛行的動(dòng)力的一部分。

?能明顯看到扭轉(zhuǎn)狀態(tài)的螺旋槳槳葉

此外，由于槳葉與發(fā)動(dòng)機(jī)軸是呈直角結(jié)構(gòu)安裝的，并有扭角。槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)把前方空氣吸入，并給吸入的空氣施加一個(gè)向后的推力。根據(jù)牛頓第三定律，此時(shí)氣流也會(huì)給槳葉一個(gè)向前的反作用力。這個(gè)力與由槳葉扭轉(zhuǎn)曲面產(chǎn)生的空氣動(dòng)力的合力，就是螺旋槳牽拉飛機(jī)向前飛行的總動(dòng)力。

活塞式螺旋槳飛機(jī)

——把汽車的“動(dòng)力源”搬上飛機(jī)

是什么為螺旋槳旋轉(zhuǎn)提供了動(dòng)力呢？是發(fā)動(dòng)機(jī)——螺旋槳將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率（發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)力矩）轉(zhuǎn)化為拉力或推進(jìn)力。

活塞式螺旋槳飛機(jī)，它的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)源自汽車內(nèi)燃機(jī)，將汽油與空氣混合，在密閉的容器（氣缸）內(nèi)燃燒，利用高溫、高壓氣體膨脹做功，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

內(nèi)燃機(jī)原理示意圖

?一款中國國產(chǎn)航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)形式為水平對(duì)置4缸，搭載于國內(nèi)多型無人機(jī)和有人機(jī)上

一架小型活塞式螺旋槳飛機(jī)

以4個(gè)沖程的航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)為例，工作時(shí)，活塞需要在氣缸內(nèi)依次經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣4個(gè)沖程。

在這個(gè)過程中，活塞承受燃?xì)鈮毫?，在氣缸?nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過連桿將這種運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的部件，它旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)通過減速器帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生拉力，推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)。

渦輪螺旋槳飛機(jī)

——技術(shù)上的突破

早期的飛機(jī)以活塞式螺旋槳飛機(jī)為代表，但到第二次世界大戰(zhàn)末期，活塞式螺旋槳飛機(jī)的發(fā)展陷入“瓶頸”。飛機(jī)工程師發(fā)現(xiàn)，時(shí)速達(dá)到800千米左右時(shí)，活塞式螺旋槳飛機(jī)槳尖的速度會(huì)接近聲速，出現(xiàn)激波（關(guān)于激波，可見《知識(shí)就是力量》2022年11月刊）。這會(huì)使阻力激增，無法實(shí)現(xiàn)更快的飛行速度和更高的飛行高度。

為了進(jìn)一步提高飛行性能，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，而渦輪螺旋槳飛機(jī)是在渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)誕生、成熟后，將活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪化而研制發(fā)展的新型動(dòng)力飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)了飛行速度與高度的突破。

渦輪螺旋槳飛機(jī)由螺旋槳和燃?xì)獍l(fā)生器組成，螺旋槳由渦輪帶動(dòng)。由于螺旋槳的尺寸較大，受限于槳葉激波的影響，為保證螺旋槳效率，螺旋槳的最大轉(zhuǎn)速不會(huì)很高。

資料顯示，現(xiàn)代飛機(jī)螺旋槳的轉(zhuǎn)速一般在每分鐘1000～2500轉(zhuǎn)之間，而渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通常在每分鐘幾萬到十幾萬轉(zhuǎn)之間。為了確保螺旋槳和渦輪都能正常工作，兩者之間安裝了減速器，減速器可以將渦輪轉(zhuǎn)速降至螺旋槳的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，再驅(qū)動(dòng)螺旋槳工作。

?中國自主研制的中等渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)

飛機(jī)作為人類的一項(xiàng)偉大發(fā)明，它身上的每一個(gè)設(shè)計(jì)都有重要意義，即便是小小的螺旋槳，其中蘊(yùn)含的科學(xué)道理也不簡單。你還知道飛機(jī)有哪些有趣的設(shè)計(jì)呢？

（責(zé)任編輯 / 張麗靜? 美術(shù)編輯 / 周游）