9E机结构详细讲解 - 2(空气动力学部分)

2026/1/27 12:36:14

飞行时螺旋桨叶在他的长度上保持相对恒定的迎角工作。换句话说,就是螺旋桨叶的扭曲对应于螺旋桨叶长度上不同速度的部分有合适的迎角,这样就能够让推

力在螺旋桨叶长度上的分布相对均衡。

通常1度到4度能够提供最有效的升力/阻力比,但是固定节距螺旋桨的飞行时迎角可变范围可以从0度到15度。这个变化是由于相对气流的变化进而导致飞机速度的变化。简而言之,螺旋桨迎角是两个运动的结果:螺旋桨沿其轴的转动

和它的前进运动。

然而恒速螺旋桨会在飞行中遇到的大多数情况下自动调节它的桨叶角保持在最大效率。在起飞时,此时要求最大功率和推力,恒速螺旋桨处于低螺旋桨叶角或节距。低桨叶角时迎角小,能够保持和相对风的效率。同时,它使得螺旋桨旋转一周推动的空气质量更小。这样的轻载荷让引擎旋转高转速,能够在一定时间内把最大量的燃油转换成热能。高转速也产生了最大的推力;因为,尽管每旋转一周推动的空气质量变小了,但是每分钟的旋转次数大大增加了,推动的气流运动

速度变高了,在飞机低速时,推力是最大的。

升空后,随着飞机速度的增加,恒速螺旋桨自动改变到更高的迎角(或节距)。较高的桨叶角再次保持小迎角且对相对风保持较好的效率。较高的桨叶角增加了每周旋转推动的空气质量。这降低了引擎的转速,减少了燃油消耗和引擎磨损,

且保持推力在最大。

在起飞后,可控螺旋桨节距的飞机建立了稳定爬升,飞行员把引擎的输出功率降低到爬升功率,方法是首先降低歧管压力(manifold pressure)然后降低桨叶角来降低转速。

在巡航高度,当飞机处于水平飞行时,需要的功率比起飞和爬升时更低,飞行员再次通过降低歧管压力的方法降低引擎功率和增加桨叶角来降低转速。再次的,这提供了扭矩要求以匹配降低的引擎功率;因为,尽管螺旋桨每转处理的空气质量更大了,更多的是通过降低气流速度和增加空速来弥补的。迎角仍然小,因为桨叶角已经随空速的增加而增加。

扭矩和P因子

对于飞行员来说,“扭矩”(飞机的向左旋转趋势)是由四个因素构成的,他们导致或者产生

至少围绕飞机三个轴向之一的扭曲或者旋转运动。这四个因素是:

1. 来自引擎或者螺旋桨的扭矩反作用 2. 螺旋桨气流的螺旋运动效应 3. 螺旋桨的回转作用(陀螺效应) 4. 螺旋桨的非对称负载(P因子)

扭矩反作用力

扭矩反作用力涉及到牛顿第三物理定律-对于任何作用力,有一个方向相反但是大小相同的反作用力。应用到飞机上,这就是说内部的引擎部件或者螺旋桨朝一个方向旋转,那么另一个方向相反的大小相等的力试图把飞机朝相反方向旋转。如图3-30

当飞机在空中飞行时,这个力绕飞机纵轴作用,有让飞机旋转的趋势。为了补偿这个力,一些旧的飞机用一种不好的方式在被强制下降的机翼一侧产生更多的升力。更加现代的飞机的设计是引擎偏移来抵消扭矩的效应。

说明:大多数美国制造的飞机引擎推动螺旋桨旋转从飞行员座位上看是顺时针的。这里讨论的就是指这种引擎。

一般的,补偿因子是永久设定好的,在巡航速度上补偿这个力,因为大多数飞机的工作升力就是在这个速度上。但是,副翼配平片可以在其他速度上进一步调节。

起飞旋转期间飞机的轮子在地面上,扭矩反作用力引起一个额外的绕飞机垂直轴的旋转运动。当飞机的左侧因为扭矩反作用力作用而被强制向下时,左侧的主起落架承受更多的重量。这导致左侧论坛的地面摩擦力或者阻力比右侧更多,这样进一步导致了左转弯运动。这个运动的强度依赖于很多变量。一部分变量是:

? ?

?

引擎尺寸和马力 螺旋桨尺寸和转速

飞机大小(长度,高度,宽度)

?

地面条件

这个起飞阶段的偏航运动是通过飞行员正确的使用方向舵或者方向舵配平而纠正的。

螺旋状气流效应

飞机螺旋桨的高速旋转使螺旋桨引起的气流做螺旋状旋转。在螺旋桨高速转动和低速前进时(如起飞和近进),这个螺旋型旋转的气流非常强劲,在飞机的垂直尾

翼面上施加一个强的侧面力。如图3-31

当这个螺旋状气流冲击垂直翼面的左侧时,它导致飞机绕垂直轴的左转弯运动。螺旋气流越强,这个力就越明显。然而,随前进速度的增加,这个螺旋气流变长,

效应也变弱。

螺旋桨引起的螺旋状气流也会导致绕纵轴的滚转运动。

注意到这个由于螺旋气流引起的滚转运动是向右的,而扭矩反作用力引起的旋转是向左的,效果上说是互相抵消的。但是这些力变化非常大,它是由飞行员随时使用飞行控制来适当的纠正的。这些力必须是抵消的,不管哪一个力是否显著。

陀螺效应

在理解螺旋桨的陀螺效应之前,理解基本的陀螺运动原理是必要的。

>

>

陀螺仪的所有实际应用都基于陀螺效应的两个基本属性:在空间和进动上的刚

度。这里要讨论的就是进动。

进动是一个自旋转子受到作用于轮缘的扰动力的合成作用,或者扰动。从图3-32

可以看到,当作用一个力之后,合成力在旋转方向前面90度位置生效。


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