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浅谈航空螺旋桨的发展历程

　　1、螺旋桨的发展历史

　　航空螺旋桨是一种将发动机输出动力转化成为推力/拉力的一种动力装置。自1903年莱特兄弟发明“飞行者一号”至今，航空螺旋桨技术的发展就与飞机的发展密切相关。

图1 通用航空飞机 

图2 典型无人机

　　螺旋桨技术的发展可追溯到我国古代的竹蜻蜓玩具。在16世纪Leonardo daVinci根据阿基米德螺旋面原理造出了产生升力的装置。当然，早期的装置仅仅体现出了螺旋桨的基本特征。

　　在19世界中叶，提出了螺旋桨的两种基本理论：动量理论（1865年）及叶素理论（1878年）。动量理论揭示了流过桨盘的流体动量变化率和螺旋桨拉力之间的关系。叶素理论直接研究了流体和固体之间的局部相互作用，从而确定了桨叶和流体之间的气动力。但是，两种理论仍然不足以支撑螺旋桨的设计和性能分析。

图3 动量理论示意图

图4 叶素理论示意图

　　20世纪初，螺旋桨的设计均是按照经验设计的木质螺旋桨。在1917年，F. Durend通过大量的风洞试验，总结数据，引入量纲分析的方法对螺旋桨气动性能进行研究，提出了螺旋桨效率η是前进比λ、马赫数Ma及雷诺数Re等参数的函数。总结出一套螺旋桨设计方法，所设计的螺旋桨桨效达到70%以上。

　　20世纪30年代是螺旋桨蓬勃发展的时期。冶金技术的发展以及采用了更先进的桨叶应力分析技术和测试技术，铝合金桨叶得到普遍应用。螺旋桨的结构形式也从定矩螺旋桨逐步发展到液压恒速变距螺旋桨，桨距角的连续可调，使得螺旋桨的吸收功率和发动机的输出功率之间很好的平衡，在各个飞行阶段均能保持较高的桨效。

　　第二次世界大战期间，飞机飞行速度以及发动机功率的大幅提升，推动了螺旋桨技术的进一步发展。这期间，各国发展了一系列优秀的低速层流翼型（如NACA-16系列等），螺旋桨气动力理论得到进一步完善，片条分析法成为一种标准理论。

　　20世纪50年代中期，涡轮喷气发动机技术的不断发展完善，逐步从军用领域推广到民用领域，使螺旋桨的发展受到一定的阻力。除在特殊飞行器领域（如短距起降、长航时等），螺旋桨的应用逐渐减少。

　　20世界70年代初期，世界性石油危机爆发，由于采用发动机加螺旋桨的动力单元形式能够显著降低油耗，螺旋桨技术重新获得重视。英、美等国的航空研究机构率先在提高桨叶气动性能方面进行了大量工作，借助风洞试验，先后发展了一系列螺旋桨专用的新翼型。采用新翼型的螺旋桨被不断用于支线客机、公务机及小型飞机上。

　　2、先进航空螺旋桨技术的发展

　　(1) 先进气动性能研究

　　为了提高螺旋桨气动性能。英、美等国相继开展了专用翼型研制。美国NASA与哈密尔顿公司开发了HS-1、HS-2翼型系列，英国航空研究协会（ARA）与道帝公司开发了ARA-D翼型系列。作为超临界翼型，能够满足飞机空气动力和使用的要求。拥有较高的升力系数和高拉力水平。

图5 航空螺旋桨翼型气动特性（Ma=0.3）

　　(2) 先进复合材料桨叶制造技术

　　由于复合材料在重量、结构阻尼性、破损安全和维修性等方面的优势。发展复合材料螺旋桨是一种必然趋势。但由于复合材料桨叶的结构设计、强度计算、材料选择、工艺成型和无损检测都存在许多关键技术。英、美、俄等国家早在上世界60年代就开展了相应研究。如桨叶整体强度的设计，因其影响因素复杂，完整的理论计算非常困难，因此，建立桨叶强度试验能力在桨叶设计中必不可少。除大量的基础研究外，发展复合材料螺旋桨还需特别注重工艺成型和实验技术，需配备成套的工艺设备和完整的强度实验设备，如纤维缠绕机、材料预浸设备、真空吸铸成型设备、桨叶振动疲劳试验台和扭转疲劳试验台及环境试验台等。复合材料螺旋桨叶已经成为螺旋桨先进技术的重要标志。

　　(3) 多种功能调节控制技术

　　为了提高民用飞机的安全性、可靠性及舒适性。先进螺旋桨调节控制系统的功能更加完善，除了典型的恒速变距调节、顺桨、回桨等功能外，还增加了反桨功能，从而缩短滑跑距离。为降低噪声水平，增加了螺旋桨相位同步器，对螺旋桨的转数和相位进行精密调节，实现噪声相位干扰技术。

图6 先进复合材料螺旋桨

图7 电动恒速控制器

　　近年来，随着全权限数字式电子控制系统（FADEC）的发展，使得螺旋桨调节与发动机、飞机的控制形成一个整体，飞机飞行品质、耗油率、噪声、安全性及可靠性更加优良。有资料表明，得益于FADEC系统的发展，桨飞发一体化匹配后，飞机噪声及耗油率有明显降低。以某涡桨支线客机为例，优化匹配后的飞机舱内噪音低于76dB，飞行速度可达676km/h，耗油率仅为喷气式飞机的80%。

　　结束语

　　据不完全统计，当前国外有70余种主要支线客机，其中螺旋桨飞机就有59种，约占84%，在架数上，占92%。另据统计，正在使用和研制的9座以上直线客机共有48种，其中螺旋桨飞机占比达87.5%，有42种之多。在农林飞机方面，世界范围内约有2.6万多架，几乎全部采用螺旋桨动力。另外，螺旋桨在通用航空、教练机、军用运输机、预警机、侦察机及地效飞行器方面占比也很大，除大型军用运输机、预警机及中高级教练机外，驱动螺旋桨的动力装置以活塞式航空发动机为主。

　　先进航空重油活塞发动机匹配全权限数字式控制恒速变距螺旋桨的动力解决方案，将使现有活塞动力飞机在操纵性、经济性、舒适性及安全性方面有全新的提升。