自1903年萊特（Wright）兄弟首次進行動力飛行以來，傳統螺旋槳的基本結構沒有發生過根本性改變。隨著工程師對空氣動力學的了解越來越深入、新實驗的不斷進行，螺旋槳形狀正在向更復雜的方向發展，時至今日螺旋漿具有多葉片、大掠角、帶葉梢裝置等特點，可在不同條件下優化其性能。

圖1.    環形螺旋槳（toroidal propeller）
（圖片來源：  Glen Cooper/MIT）

螺旋槳技術的最新進展是“環形”（toroida）螺旋槳，即螺旋槳的形狀是環形的，葉片相互環繞。最近的一些文章和視頻一直在炒作“環形螺旋槳”的技術進步，其“革命性”究竟有多大有待商榷。

2017年，麻省理工學院（MIT）的研究人員為環形螺旋槳申請了專利，稱這項發明比傳統的螺旋槳效率更高，噪音更小。

巧合的是，早在2012年，美國工程公司Sharrow Marine也開發了一種用于船只的環形螺旋槳，證明了它比傳統的船用螺旋槳更高效、更安靜。

（a）

（b）
圖2.    Sharrow Marine公司的船用環形螺旋槳
（圖片來自網絡）

環形螺旋槳最大限度地減少了發生在螺旋槳葉梢渦流（空氣、水或其它流體的螺旋運動）的強度，因此噪聲更小。環形螺旋槳葉片下方有一個高壓區域，上方有一個低壓區域。當高壓空氣從葉片下方移動到其上方的低壓區域時，環形螺旋槳會以渦漩（vortex）的形式運動。渦漩并不是螺旋槳葉片所獨有的，它本質上是旋轉的機翼。飛機的機翼也會經歷渦漩，工程師們已經對翼梢裝置進行了大量的研究，盡量減少這種影響。

圖3.    飛機翼梢渦流示意圖     

（圖片來源：The Conversation）

使用環形螺旋槳這種閉環結構是減少梢渦的一種方法。螺旋槳的基本形狀自發明以來一直保持不變，但目前許多新型螺旋槳葉型設計也已出現，為了測試這些新型設計，工程師需要進行相關研究，其中一些應用在提高直升機葉片和無人機的效率、減少噪聲方面的研究已經完成了測試。

了解螺旋槳的幾何形狀必須針對特定的“工作包線”進行優化，這關系到螺旋槳工作的流體或空氣的特性、轉速、前進速度和其他細節。在這個包線之外，螺旋槳可能會表現不佳。

迄今為止，還沒有人能夠找到一種在所有工作條件和尺度下都能實現低噪聲和高效率的螺旋槳幾何形狀。從目前稀少的成果來看，環形螺旋槳也不例外，其優勢還未完全量化。

圖4.   MIT 2017年專利的插圖。

5A為常規螺旋槳，5B為環形螺旋槳。
（圖片來源：US Patent US10836466B2 ）

如果我們將設計優良的環面螺旋槳與設計不佳的傳統螺旋槳進行比較，會發現兩者的性能有顯著提高，但這種比較并不合理。設計優良的環形螺旋槳可能在特定工作條件下具有優勢，例如在稠密流體或特定的速度范圍內。在相同條件下，環形螺旋槳與設計良好的傳統螺旋槳相比有何優勢，這仍是個問題，因為改進后的優勢總是相對于基準（benchmark）而言的——而基準可能不是最有效的設計出發點。

將環形螺旋槳在相同推力下與不同螺旋槳進行比較似乎是比較合理的，只有這樣，我們才能看到螺旋槳在減少噪音和驅動螺旋槳所需能量方面的真正優勢,但目前還沒有相關文獻。

MIT今年早些時候宣布環形螺旋槳贏得了MIT林肯實驗室（Lincoln Laboratory）2022年100項研發大獎之一，引起了極大反響。3D打印的環形螺旋槳的實驗已經廣泛展開，但并非所有的實驗都取得了理想的結果。

實驗結果不理想可能是螺旋槳幾何結構未經優化以及公眾進行某些實驗時缺乏科學嚴謹性所致，這就為科學界提供了一個契機，優化和評估環形螺旋槳和傳統螺旋槳，以提高其性能。此前科學家已經展開了部分優化研究，其中一些科學家甚至使用機器學習技術來識別適合螺旋槳的幾何形狀。工程師們也將人類對聲音的感知方式納入設計過程，最大限度降低螺旋槳的噪聲。

圖5.    MIT林肯實驗室的實驗表明，環形旋槳可以降低1-5 kHz范圍內的噪聲水平。     

（圖片來自網絡）

環形螺旋槳缺點也十分明顯，一是其幾何形狀過于復雜，大規模生產難以進行，生產成本也因此居高不下。制造環形螺旋槳還需特別小心，以減少高速旋轉時產生的振動，這也導致了制造成本的增加。二是無人機使用環形螺旋槳時，尤其是在大風和湍流條件下（如大風天氣）飛行，較重的重量會影響無人機的響應速度和穩定性。

總之，在某些特定情況下，環形螺旋槳設計具有優勢，但目前還沒有一種螺旋槳的設計適合所有情況。雖然環形螺旋槳噪聲更小，但它還不能完全取代傳統螺旋槳。