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你不知道的无人机螺旋桨:为何采用正反桨?

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你不知道的无人机螺旋桨:为何采用正反桨?

发布日期:2018-03-01 作者: 点击:

        熟悉无人机、熟悉四旋翼的人可能知道,螺旋桨有正桨和反桨之分。一般螺旋桨正面光滑,同时刻有相应的螺旋桨参数值。当该面朝前时,逆时针旋转产生拉力的为正桨,顺时针旋转产生拉力的为反桨。对于普通的电动航模,一般通过改变电机的转向来改变前拉或者后推。但是不建议正桨反用,因为这样效率较低。


常见航模马刀桨(正桨)

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一对航模用碳纤维正反桨


         对于发动机功率输出方向一定的活塞发动机,当前拉时,需要用到正桨,一般在轻型运动固定翼飞机上常见;当后推时,需要用到反桨,一般在捕食者、翼龙一类的攻击型无人机,两栖类腰推式固定翼飞机上常见。

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前拉式轻型运动固定翼飞机


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腰推式螺旋桨固定翼飞机


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后推三叶桨捕食者B型无人机


        塑料螺旋桨一般用于普通的航模,对于汽油、甲醇一类的大型航模、无人机用活塞发动机,螺旋桨材料一般为碳纤维、木头或铝合金。正反桨一般同时应用在双发、四发等四旋翼、无人机,甚至大型涡轮螺旋桨发动机飞机上。正桨逆时针旋转、反桨顺时针旋转,同时抵消因旋转产生的扭矩。还有一种是共轴反转,正桨和反桨安装于同一根轴上,按照相反的方向旋转,抵消扭矩,常用于直升机、大型涡轮螺旋桨运输机上。


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四旋翼飞行器 


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四旋翼结构形式


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大型四发螺旋桨运输机


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大型双发螺旋桨运输机


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螺旋桨的工作原理


        螺旋桨的截面和机翼的截面是相似的。根据伯努利原理,流速大的压强小,流速小的压强大。可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1<='' p=''>


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螺旋桨结构图示

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螺旋桨升力原理图


螺旋桨的分类


        上文中说道,螺旋桨有正桨和反桨之分。其实螺旋桨分类有多种,按照桨距可分为定桨距和变桨距两种。


1 定距螺旋桨

        木制螺旋桨一般都是定距的。它的桨距(或桨叶安装角)是固定的。适合低速的桨叶安装角在高速飞行时就显得过小;同样,适合高速飞行的安装角在低速时又嫌大。所以定距螺旋桨只在选定的速度范围内效率较高,在其他状态下效率较低。定距螺旋桨构造简单,重量轻,在功率很小的轻型飞机和超轻型飞机上得到广泛应用。

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螺旋桨工作原理


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木质定距螺旋桨




2 变距螺旋桨

       为了解决定距螺旋桨高、低速性能的矛盾,出现了飞行中可变桨距的螺旋桨。螺旋桨变距机构由液压或电力驱动。最初使用的是双距螺旋桨。高速时用高距,低速(如起飞、爬升状态)时用低距,以后又逐步增加桨距的数目,以适应更多的飞行状态。最完善的变距螺旋桨是带有转速调节器的恒速螺旋桨。转速调节器实际上是一个能自动调节桨距、保持恒定转速的装置。驾驶员可以通过控制调节器和油门的方法改变发动机和螺旋桨的转速,一方面调节螺旋桨的拉力,同时使螺旋桨处于最佳工作状态。在多发动机飞机上,当一台发动机发生故障停车时,螺旋桨在迎面气流作用下像风车一样转动,一方面增加飞行阻力,造成很大的不平衡力矩,另外也可能进一步损坏发动机。为此变距螺旋桨还可自动顺桨,即桨叶转到基本顺气流方向而使螺旋桨静止不动,以减小阻力。变距螺旋桨还能减小桨距,产生负拉力,以增加阻力,缩短着陆滑跑距离。这个状态称为反桨。


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螺旋桨变距示意图

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可调的三叶桨


螺旋桨有几个桨叶合适


       不管是看螺旋桨运输机,还是看无人机,甚至是最典型的直升机,我们看到,有的有两叶桨,有的是三叶桨,有的是四叶桨,甚至更多。那么螺旋桨到底有几叶合适呢?

       其实螺旋桨的叶数并不是随便指定的。用什么螺旋桨,用几叶桨,还要考虑发动机的功率,飞行时的阻力等因素。最早由于发动机马力不大,螺旋桨的研究和加工也是出于初期,造成了一战和二战期间,飞机大量使用两叶桨或者三叶桨。随着加工水平的提高,螺旋桨开始使用金属材料,再加上流体力学和风洞的试验,使得三叶桨开始流行。后来,随着发动机马力的增大,4叶桨、6叶桨成为可能。但同时螺旋桨叶数的增加叶加大了空气阻力。


       同时如果通过增加螺旋桨的长度和迎风面积来增加效率是有限的,甚至会发生螺旋桨触地的后果。因此通过增加螺旋桨叶数量也是一个可行的办法。

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三叶桨风洞试验


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8叶桨的美军预警机




螺旋桨最常用的发动机

        提到螺旋桨发动机,给人的感觉是上个世纪的事情。现在多为喷气式发动机。然而,对于直升机来说,螺旋桨是其标配。对于大型运输机、预警机,仍然需要螺旋桨。这同时也代表了两个不同的发动机——涡轮轴发动机和涡轮螺旋桨发动机。


        涡轮轴发动机和涡轮螺旋桨发动机均由涡扇发动机变体而来。前者将风扇换为旋翼,后者将风扇换为螺旋桨。

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涡轮轴发动机,常用于直升机


你不知道的无人机螺旋桨:为何采用正反桨?

涡轮螺旋桨发动机

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