楊遠驍 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同樣的問題：螺旋槳副作用。螺旋槳各類副作用會影響到航模飛機的操控性能，導致容易失控損壞，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)動機是運用于航模中的最佳方案。

關鍵詞：螺旋槳；滑流效應；滑流；反扭矩；p效應；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

雖然世界航空動力裝置早已進入噴氣動力時代，但是傳統(tǒng)的螺旋槳動力卻依舊活躍在世界舞臺，因為其具有低速出力大、推進效率高、經濟性良好的特點，所以其在運輸領域有著不可替代的作用［1］。而在航模中，螺旋槳動力也被廣泛運用。但是，螺旋槳動力由于自身特性，會產生如反扭矩效應、螺旋槳滑流、p效應、進動效應四種不同的副作用。這些螺旋槳副作用會對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用，并展望了未來螺旋槳飛機的發(fā)展趨勢。

1?螺旋槳四種主要副作用

1.1?反扭矩

反扭矩效應是最常見的螺旋槳副作用之一。由于力的作用是相互的，螺旋槳在攪動空氣時，空氣會給予槳葉一個大小相同、方向相反的力。所以，單發(fā)螺旋槳發(fā)動機在帶動螺旋槳轉動時會產生一個與旋轉方向相反的扭力，使得飛機產生不受控的滾轉。在飛行時具體表現(xiàn)為飛機由于無法實現(xiàn)平飛，需要飛行員或飛手自主打桿修正飛機姿態(tài)。而在起降階段，如果不能抵消反扭矩，則會對飛機起降安全造成極大的危害。

1.2?進動效應

1.2.1?飛機進動效應的產生

進動效應（回轉效應）是物體轉動時在外力矩作用下一種特有的物理現(xiàn)象。描述進動現(xiàn)象的物理量是進動角速度或角動量，它與轉動物體的旋轉軸位置、旋轉角速度、物體的質量大小及質量分布等因素有關［2］。飛機在空中平飛過程中，油門桿位置不動，螺旋槳和發(fā)動機轉子以一個穩(wěn)定的轉速繞發(fā)動機軸工作，這相當于一個高速旋轉的剛體。螺旋槳和轉子具有一定的角動量，其方向沿其自轉軸的方向。轉子和螺旋槳左旋時，角動量方向沿飛機方向向后；反之則向前［2］。當飛行員或飛手操縱飛機做出俯仰或左右轉彎的機動后，螺旋槳與發(fā)動機轉子隨之轉動并產生一個進動力矩，使飛機發(fā)生偏移。偏移方向與螺旋槳旋轉方向有關，左（右）旋螺旋槳的進動力矩方向可由左（右）手定理判斷：以左旋螺旋槳為例，使飛機機頭方向穿過掌心，四指指向飛機機動的方向，則大拇指指向的就是進動力矩的方向［2］。

1.2.2?進動效應對飛行品質的影響

由于在飛行過程中飛機螺旋槳和發(fā)動機轉子始終處于旋轉狀態(tài)，飛機的每一次進行機動都會產生進動效應。飛機的機動幅度越大，產生的進動效應越明顯，產生的進動力矩也越大，對飛機姿態(tài)的影響也越大。在真實的飛行過程中，飛機的機動往往會在多個軸向同時進行，產生進動力矩也會因此變得復雜，非?？简烇w行員或者飛手的飛行經驗。而在螺旋槳飛機起降階段，由于速度慢、舵效低，如果機動幅度過大，產生的進動效應可能會使飛機失控導致墜毀。在單發(fā)螺旋槳飛行器滑跑起飛時，由于飛機低速時舵效低，若突然極大地增加發(fā)動機功率，產生的進動效應會使飛機在跑道偏航，且難以用舵面修正，以此造成事故。

同時，由于發(fā)動機內部轉子也同樣受進動效應影響，在產生進動力矩時會對發(fā)動機內部軸承產生較大的側向負載，影響發(fā)動機壽命。

1.3?滑流效應

1.3.1?滑流效應的產生

螺旋槳滑流效應非常復雜，需要從加速效應、旋轉效應、黏性效應、湍流效應、槳盤傾斜的影響以及軸轂的影響等多個角度來理解［3］。同時由于不同飛機構型和動力裝置之間的滑流效應差別較大，因此螺旋槳滑流效應難以量化，一般以風洞模擬和CFD數(shù)值模擬為主進行實驗［4］?；餍唵蝸碚f是指螺旋槳與來流相遇時，螺旋槳對空氣的攪動使得來流一方面加速，另一方面順著螺旋槳方向旋轉，流過機身的滑流又被飛機氣動結構影響改變，從而導致飛機整體氣動特性變化影響飛機的升阻特性和飛行穩(wěn)定。

1.3.2?滑流效應對飛行品質的影響

滑流效應對飛行的影響是通過改變飛機氣動特性產生的間接影響，主要有對升阻特性的影響、對縱向靜穩(wěn)定性的影響、對側力導數(shù)的影響、對滾轉力矩的影響以及對偏航力矩的影響［4］。本文主要討論對滾轉和偏航力矩的影響。

造成滑流效應對滾轉力矩的影響主要原因是滑流通過左右兩側機翼時流向不同，一側流經機翼上表面，一側流經機翼下表面，導致左右機翼升力變化不同，因此形成滾轉力矩，造成飛機不受控滾轉。而對偏航力矩的影響原因是滑流流過機身時沖擊飛機垂尾，形成偏航力矩，造成飛機不受控偏航。

由于螺旋槳滑流效應在飛機的不同構型和發(fā)動機不同工作狀態(tài)時產生的影響不同，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設計時研究的重點。

1.4?P效應

1.4.1?P效應的產生原因

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

以左旋機頭單發(fā)螺旋槳飛機為例，當飛機剛剛拉起時，通常會保持大仰角狀態(tài)來獲得更大的升力。此時相對于來流，發(fā)動機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)動機左側產生的拉力大于右側，產生一個向右的偏航力矩。

1.4.2?P效應對飛行的影響

在低速大仰角的起飛階段，P效應的影響最為明顯［5］。若不及時修正偏航，飛機甚至可能會進入失速狀態(tài)，造成嚴重事故。

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)動機的特性。對于上述的四類螺旋槳副作用，在現(xiàn)代飛機設計時已經能最大化減小其對飛行穩(wěn)定的影響。抵消螺旋槳副作用主要有以下幾個方法。

（1）機翼不對稱安裝。公式如下：

Y=12CyρSymboleB@

v2SymboleB@

S

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

由公式可得，在弦長不變時，增加翼展的長度，機翼面積增加，展弦比增大，升力系數(shù)增大，總升力變大。因此，對于單發(fā)左旋螺旋槳飛機，只要適當增加右翼翼展，即可抵消反扭矩帶來的右滾轉力矩。該方法原理簡單，但是對飛機制造精度要求極高，隨著航空制造技術和飛機設計技術的發(fā)展，逐漸被配平片等取代。

（2）發(fā)動機、垂尾安裝角。以左旋機鼻單發(fā)螺旋槳飛機為例，發(fā)動機轉子在帶動螺旋槳左旋時產生反向的滾轉力矩，使飛機向右滾轉。若飛機發(fā)動機有一個3°～5°的左拉角或垂尾有向右的安裝角，給予飛機一個向左的偏航力矩使飛機向左偏航，此時飛機右翼氣流流動速度大于左翼，右翼產生的升力大于左翼，產生一個向左的滾轉力矩，與反扭產生的力矩相互抵消［6］。同時，與飛行方向離軸也能適當減少進動效應與P效應的影響，這里不作詳細討論。

隨著航空制造水平的發(fā)展，在飛機總體設計中發(fā)動機離軸安裝產生的影響越來越顯得得不償失，因此發(fā)動機安裝角和垂尾安裝角逐漸被性價比更高的配平調整片取代。

（3）舵面配平。在早期，由于技術限制，配平與機翼、發(fā)動機安裝角類似，只能在飛機的設計、制造和整備階段進行，比如調整機內設備、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)。而隨著航空設計和制造水平的發(fā)展，飛行員得以在飛行過程中對副翼、平尾和垂尾的舵面位置進行固定的調整以保持飛機的平穩(wěn)，極大地減少了飛行員精力的損耗。

（4）飛行員修正。舵面配平技術成熟后，由反扭矩造成的螺旋槳副作用已經能被完全抵消，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雜，無法提前預防，因此只能通過飛行員的經驗不斷修正以維持飛機的姿態(tài)。

（5）共軸反槳。區(qū)別與普通螺旋槳發(fā)動機，共軸反槳發(fā)動機同時驅動兩對共軸的螺旋槳，這兩對螺旋槳通過行星齒輪實現(xiàn)反轉。兩組反轉的螺旋槳會產生方向相反的反扭力，并且這對反扭力能相互抵消，同時通過左右手定理可以判斷，兩組反轉的螺旋槳產生的進動效應也能相互抵消。因此裝有共軸反槳發(fā)動機的飛機可以完全抵消反扭矩效應和進動效應，大大提高了飛行穩(wěn)定性。另外，由于兩組反轉的螺旋槳產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)動機的效率能比單槳發(fā)動機提升6%～16%。

需要注意的是，共軸反槳發(fā)動機也有其缺點。首先，兩對槳葉在高速轉動時會產生極大的噪音，導致其在民航領域中很難運用。其次，共軸反槳發(fā)動機通常結構復雜且重量較大，導致其在飛機的整體設計考慮中優(yōu)先級較低。

3?探討在航模中的應用

3.1?航模飛機的特點

航模的種類豐富多樣，從紙質的到金屬制的、從電動發(fā)動機到油動發(fā)動機的應有盡有。常見的航模飛機通常具有結構簡單、重量輕以及推重比大等特點。這些特點使得航模飛機在與同構型的真實飛機相比更加靈活，但由于發(fā)動機功率對于航模重量來說較大，使得反扭矩效應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，依靠氣動設計和安裝工藝的螺旋槳副作用抵消方法在航模中的運用較為困難。但是，由于航模設計制作過程更簡單，因此在航模飛機中嘗試新的構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

對于航模制作而言，采用機翼不對稱安裝和發(fā)動機、垂尾安裝角的方法性價比較高。但與真正的飛機制造不同的是，航模制作精度較低，若安裝偏差過大，將會適得其反。如需使用該類方法，則需要制作者進行大量試飛測試并調整安裝角度，以保證安裝角度誤差在接受范圍內。

在航模中使用舵面配平技術抵消螺旋槳副作用也具有一定可行性。要使航模飛機能進行配平，需要使用伺服電機和多通道遙控器，并使用支持配平操作輸出的飛控固件。但是，舵面配平技術在航模中并不常見。首先，為航模增加配平功能會增加整體成本，并且對制作技術有更高要求。其次，航模飛機的飛行過程以大量機動動作為主，較少出現(xiàn)長時間保持平穩(wěn)狀態(tài)，而在飛機機動時出現(xiàn)的以進動效應為主的螺旋槳副作用無法以配平的方法抵消。所以，航模飛機一般不采用舵面配平方法。

綜合來看，采用共軸反槳發(fā)動機是常用方案中相對最適合航模飛機的方法。第一，共軸反槳發(fā)動機能完全抵消以反扭矩和進動效應為主的、由螺旋槳和發(fā)動機轉子旋轉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)動機的缺點在航模飛機上可以忽略不計，因為共軸反槳電機價格適中，重量與單槳發(fā)動機相差不大，并且航模飛機不用考慮噪音問題，因此在航模飛機中采用共軸反槳發(fā)動機抵消螺旋槳副作用效果最好，性價比最高。

結語

隨著航空制造技術和模擬技術的發(fā)展，人們也開始提出非傳統(tǒng)的構型運用到螺旋槳飛機上。比如呂繼航等對背負式單發(fā)螺旋槳飛機的滑流效應進行了研究［7］，馬震宇等對串置前掠翼螺旋槳飛機的滑流特性進行了探究［8］。針對難以預防的滑流效應，也有越來越多的研究方法被提出并應用。相信隨著技術的發(fā)展，越來越多更好的螺旋槳副作用抵消方法能出現(xiàn)。

參考文獻：

［1］王光利，關喜峰，王康.螺旋槳滑流對全機氣動特性的影響研究［J］.工程技術研究，2021，6（04）：140141.

［2］孫弘星，陳東，于冰.進動效應對渦輪螺旋槳飛機的影響［J］.飛機設計，2003（01）：710.

［3］蔣曉莉，楊士普.螺旋槳飛機滑流機理分析［J］.民用飛機設計與研究，2009（04）：3438.

［4］任慶祝，趙曉霞，劉毅，等.螺旋槳飛機滑流對全機氣動特性影響的試驗研究［J］.科學技術與工程，2015，15（15）：214217.

［5］桑雨生.螺旋槳氣流斜吹對飛行影響的分析［J］.飛行力學，1997（04）：7074.

［6］方振平，陳萬春，張曙光，等.航空飛行器飛行動力學［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［7］呂繼航，谷偉巖，溫慶，等.背負式單發(fā)螺旋槳飛機滑流效應影響研究［J］.飛行力學，2014，32（05）：468471.

［8］馬震宇，程雪楓，董向陽，等.螺旋槳前掠翼模型氣動特性數(shù)值模擬［J］.機械，2020，47（02）：1924.

*通訊作者：楊遠驍（2003—?），男，漢族，江西南昌人，本科在讀。