本文轉載自：航瑞動力

淺談航空螺旋槳的發展歷程

　　1、螺旋槳的發展歷史

　　航空螺旋槳是一種將發動機輸出動力轉化成為推力/拉力的一種動力裝置。自1903年萊特兄弟發明“飛行者一號”至今，航空螺旋槳技術的發展就與飛機的發展密切相關。

圖1 通用航空飛機 

圖2 典型無人機

　　螺旋槳技術的發展可追溯到我國古代的竹蜻蜓玩具。在16世紀Leonardo daVinci根據阿基米德螺旋面原理造出了產生升力的裝置。當然，早期的裝置僅僅體現出了螺旋槳的基本特征。

　　在19世界中葉，提出了螺旋槳的兩種基本理論：動量理論（1865年）及葉素理論（1878年）。動量理論揭示了流過槳盤的流體動量變化率和螺旋槳拉力之間的關系。葉素理論直接研究了流體和固體之間的局部相互作用，從而確定了槳葉和流體之間的氣動力。但是，兩種理論仍然不足以支撐螺旋槳的設計和性能分析。

圖3 動量理論示意圖

圖4 葉素理論示意圖

　　20世紀初，螺旋槳的設計均是按照經驗設計的木質螺旋槳。在1917年，F. Durend通過大量的風洞試驗，總結數據，引入量綱分析的方法對螺旋槳氣動性能進行研究，提出了螺旋槳效率η是前進比λ、馬赫數Ma及雷諾數Re等參數的函數。總結出一套螺旋槳設計方法，所設計的螺旋槳槳效達到70%以上。

　　20世紀30年代是螺旋槳蓬勃發展的時期。冶金技術的發展以及采用了更先進的槳葉應力分析技術和測試技術，鋁合金槳葉得到普遍應用。螺旋槳的結構形式也從定矩螺旋槳逐步發展到液壓恒速變距螺旋槳，槳距角的連續可調，使得螺旋槳的吸收功率和發動機的輸出功率之間很好的平衡，在各個飛行階段均能保持較高的槳效。

　　第二次世界大戰期間，飛機飛行速度以及發動機功率的大幅提升，推動了螺旋槳技術的進一步發展。這期間，各國發展了一系列優秀的低速層流翼型（如NACA-16系列等），螺旋槳氣動力理論得到進一步完善，片條分析法成為一種標準理論。

　　20世紀50年代中期，渦輪噴氣發動機技術的不斷發展完善，逐步從軍用領域推廣到民用領域，使螺旋槳的發展受到一定的阻力。除在特殊飛行器領域（如短距起降、長航時等），螺旋槳的應用逐漸減少。

　　20世界70年代初期，世界性石油危機爆發，由于采用發動機加螺旋槳的動力單元形式能夠顯著降低油耗，螺旋槳技術重新獲得重視。英、美等國的航空研究機構率先在提高槳葉氣動性能方面進行了大量工作，借助風洞試驗，先后發展了一系列螺旋槳專用的新翼型。采用新翼型的螺旋槳被不斷用于支線客機、公務機及小型飛機上。

　　2、先進航空螺旋槳技術的發展

　　(1) 先進氣動性能研究

　　為了提高螺旋槳氣動性能。英、美等國相繼開展了專用翼型研制。美國NASA與哈密爾頓公司開發了HS-1、HS-2翼型系列，英國航空研究協會（ARA）與道帝公司開發了ARA-D翼型系列。作為超臨界翼型，能夠滿足飛機空氣動力和使用的要求。擁有較高的升力系數和高拉力水平。

圖5 航空螺旋槳翼型氣動特性（Ma=0.3）

　　(2) 先進復合材料槳葉制造技術

　　由于復合材料在重量、結構阻尼性、破損安全和維修性等方面的優勢。發展復合材料螺旋槳是一種必然趨勢。但由于復合材料槳葉的結構設計、強度計算、材料選擇、工藝成型和無損檢測都存在許多關鍵技術。英、美、俄等國家早在上世界60年代就開展了相應研究。如槳葉整體強度的設計，因其影響因素復雜，完整的理論計算非常困難，因此，建立槳葉強度試驗能力在槳葉設計中必不可少。除大量的基礎研究外，發展復合材料螺旋槳還需特別注重工藝成型和實驗技術，需配備成套的工藝設備和完整的強度實驗設備，如纖維纏繞機、材料預浸設備、真空吸鑄成型設備、槳葉振動疲勞試驗臺和扭轉疲勞試驗臺及環境試驗臺等。復合材料螺旋槳葉已經成為螺旋槳先進技術的重要標志。

　　(3) 多種功能調節控制技術

　　為了提高民用飛機的安全性、可靠性及舒適性。先進螺旋槳調節控制系統的功能更加完善，除了典型的恒速變距調節、順槳、回槳等功能外，還增加了反槳功能，從而縮短滑跑距離。為降低噪聲水平，增加了螺旋槳相位同步器，對螺旋槳的轉數和相位進行精密調節，實現噪聲相位干擾技術。

圖6 先進復合材料螺旋槳

圖7 電動恒速控制器

　　近年來，隨著全權限數字式電子控制系統（FADEC）的發展，使得螺旋槳調節與發動機、飛機的控制形成一個整體，飛機飛行品質、耗油率、噪聲、安全性及可靠性更加優良。有資料表明，得益于FADEC系統的發展，槳飛發一體化匹配后，飛機噪聲及耗油率有明顯降低。以某渦槳支線客機為例，優化匹配后的飛機艙內噪音低于76dB，飛行速度可達676km/h，耗油率僅為噴氣式飛機的80%。

　　結束語

　　據不完全統計，當前國外有70余種主要支線客機，其中螺旋槳飛機就有59種，約占84%，在架數上，占92%。另據統計，正在使用和研制的9座以上直線客機共有48種，其中螺旋槳飛機占比達87.5%，有42種之多。在農林飛機方面，世界范圍內約有2.6萬多架，幾乎全部采用螺旋槳動力。另外，螺旋槳在通用航空、教練機、軍用運輸機、預警機、偵察機及地效飛行器方面占比也很大，除大型軍用運輸機、預警機及中高級教練機外，驅動螺旋槳的動力裝置以活塞式航空發動機為主。

　　先進航空重油活塞發動機匹配全權限數字式控制恒速變距螺旋槳的動力解決方案，將使現有活塞動力飛機在操縱性、經濟性、舒適性及安全性方面有全新的提升。