航模電動動力系統 （五）第二副機翼 - 螺旋槳

上一貼說了動力系統的核心-電機，電機的光軸是不能帶動飛機的，於是電機將能量這個接力棒傳遞給了動力系統的最後一環，螺旋槳。

螺旋槳看上去自己身邊的機翼如此不同，但如果你拿出一副螺旋槳，仔細觀察的話，你會發現它是有翼型的，他也是在空氣中運動的，它也是提供力的，雖然是拉力 而不是升力，其實如果你公平的看待螺旋槳的話，它其實就是一副旋轉的機翼。把螺旋槳看成機翼，你就能更輕鬆的理解螺旋槳的秘密。

圖1：螺旋槳的翼型，好的螺旋槳的設計師非常複雜的，從翼根到翼尖的翼型是逐漸變化的。

 

機翼的關鍵參數是翼展，翼面積，翼型，攻角。每一個指標的後面都有對應著螺旋槳的參數。其中螺旋槳的翼型基本是生產廠商確定的，我們除了花更多錢買更好的槳外沒有什麼選擇，按照我一貫的原則，只能花錢搞定的東西我幫不上忙，自己摸腰包解決，所以我在這裡就省略不講了。

螺旋槳的指標是槳徑＊槳距，8060的螺旋槳就是說槳徑8英寸，槳距6英寸。 槳徑好理解，螺旋槳直徑，對應機翼的翼展。槳距是什麼呢？ 螺旋槳螺旋槳，這麼叫他是因為他是螺旋的，是有螺距的，你可以把他看成是一個螺絲釘，螺絲釘旋轉一周，往木頭裡面鑽的距離就是螺距，螺旋槳的槳距定義相同。如果槳距為0，那槳就是平的，如果槳距是無限大，那漿就是豎直的，當然兩種槳都不會出現。因為螺距的存在，槳葉在空氣中轉動的時候會有一個攻角。

圖2，螺距和螺旋槳翼面攻角的關係

 

飛機的升力取決於翼面積，速度平方，攻角對應的升力係數，螺旋槳也差不多，只不過更複雜一些，非茶粗略的說就是取決於槳徑平方（翼面積），轉速（機翼的空速），飛機速度和槳距（氣動攻角）。

先說槳距，你提高槳距，對應於提高機翼攻角，在一定範圍內提高攻角就提高了機翼升力－螺旋槳的拉力，但是同時提高了機翼的阻力，對應於螺旋槳的扭矩（扭矩基本正比於螺旋槳旋轉的阻力和槳徑乘積）。 還要特別注意的是螺旋槳的實際拉力取決於氣動攻角，而他只有在飛機靜止的時候才簡單取決於槳距，當飛機飛行的時候氣動攻角還和速度有關係，簡單的說就是速度越快，等效的槳距和攻角越低，你可以理解成螺旋槳旋轉一周，前進一定距離d1，如果你的飛機在這段時間飛行了一段距離d2，這樣你的氣動槳距就變成了d1-d2。

圖3：氣動攻角和螺旋槳幾何螺距以及飛機速度的關係

 

等效槳距變小意味著攻角變下，拉力變小，這就是為什麼動拉力要小於靜拉力的原因。如果你有辦法把飛機提高到一定速度（比如俯衝），如果d2比d1還要大，你的定距槳的等效螺距可能變成負的，也就是說你的螺旋槳還是原來的轉速和方向，但是產生的是反推力。 

如何解決這個問題？ 用變距槳. 在不同速度採用不同的槳距來達到最高效率，變距槳基本是現代螺旋槳飛機的標配。 可惜變距槳在固定翼模型上沒有普及，在美國甚至被禁止使用，原因是這玩意很複雜，東西一複雜就容易出故障， 高速旋轉的螺旋槳散架後就是一把把小李飛刀。 論壇裡面有人被紮過，有人被削過，有人被砍過，前段時間蕪湖還慘死了一個無辜小孩。在此提醒大家，螺旋槳不是小事，要知道你面前的那副小小的塑膠片看上去小巧實際上他輸出的功率比你家的電風扇要強大的多，千萬不要在這把潛在的小李飛刀上省錢，千萬別去粘斷槳，炸機後被刮掉尖部的槳也請扔掉，除非你會作動平衡，為了幾塊錢讓一把小李飛刀在面前飛轉絕對不是好買賣。 

固定翼飛機變距槳的康莊大道走不成，類似於變速器在模型上很少裝，大家就只好找一個合適的槳，希望他包打天下了，讓他適應飛機的最常用的工況，比如你的飛機正常飛行速度是10m/s， 你必須犧牲部分起飛，降落，俯衝和爬高這些工況下的效率，配個在10m/s速度下效率最高的螺旋槳，因為平飛是你飛機最常飛的狀態。

說完槳距說槳徑。 槳徑越大，外層的螺旋槳更像平飛的機翼，大家討厭的展向氣流效應就相對要小，這樣效率也更高。這也是為什麼大家在教練機上都推薦儘量使用大槳徑螺旋槳的原因。但是槳徑越大，雖然同樣轉速下拉力大，但扭矩更大，如果拉力和槳徑平方正比，那扭矩就是和槳徑三次方成正比，也就是說提供同樣的拉力，槳徑大的扭矩大。 扭矩帶來的問題是飛機的反扭，小翼展的飛機如果反扭過大就直接變成螺旋飛行了。 同時，槳徑越大，迎風面積也越大，飛機受到的迎風阻力也越大。

綜合上面所有的分析，翼展大的慢飛機由於速度慢，螺旋槳迎風阻力帶來影響不是太大；同時由於翼展大所以軸向轉動慣量大，抗反扭能力強，這樣配合大槳徑和小槳距的螺旋槳能最好的照顧到效率，當然要配合高扭矩低轉速的低KV電機。 如果是小翼展的高速飛機，比如高速三角翼，第一大槳徑的反扭會讓飛機難以控制，第二，大槳徑的迎風面積在高速時候阻力太大，於是你只好選擇小槳徑和較高槳距的螺旋槳，配合高KV電機。

至於具體如何搭配，最可靠的方法是經驗和實驗，《電機、漿、電池、機型的相互關係》就是一篇很好的參考。不過《電機、漿、電池、機型的相互關係》的末尾對於拉力和飛機速度關係的表述有點問題：
“另外，有些模友誤認為，電機的推力越大，飛機就能更加克服阻力飛得更快，這個問題就留給有興趣的模友去討論一下了。（小貼士、汽車掛1檔不管走平路還徒坡同樣自如，掛4檔在平路起步都很辛苦，你們說1檔好力還是4檔好力，1檔跑得快還是4檔跑得快）”

這裡我要給他更正一下，作者的解釋完全是錯誤的。 大部分模型飛機都飛行在壓差阻力主導的速度上，也就是說阻力和速度平方成正比。 飛機達到最大速度就是螺旋槳拉力等於阻力的時候，很顯然，拉力越大，最高速度越高。原作者拿汽車檔位來說事顯然那是不恰當的，低速汽車檔位低，拉力大主要是為了在起步階段提高加速度，就是公式（3），如果勻速運動的話，a＝0， 拉力等於阻力，低速的時候汽車拉力顯然比高速低很多，不管是幾檔。當然這裡要說明的是，對於模型，這裡的拉力是指動拉力而不是靜拉力，這個前面已經介紹過了。