带螺旋桨的飞机

依蔓 宋磊

我们知道，大多数轮船在水中航行都离不开螺旋桨，但螺旋桨并不是轮船独有的，固定翼飞机也有螺旋桨，例如早期的活塞式螺旋桨飞机，以及现在的涡轮螺旋桨飞机。

带动飞机前进的螺旋桨

注意观察下面这张图片，你会发现，螺旋桨的桨叶不是平的。这是为什么呢？

扭成麻花状的螺旋桨桨叶好比一对竖直安装的机翼，在桨叶旋转过程中，气流流经弧度大的桨面时速度较快，流经近于平直的桨面时速度较慢。根据流体力学中的伯努利定理（关于伯努利定理，可见《知识就是力量》2022年8月刊），“流速大则压强小，流速小则压强大”。弧度大的桨面因流速快，压力较小；近于平直的桨面因速度低，压力较大，因此形成一定的压力差。这个压力差会产生一个向前拉桨叶的空气动力，这个力是牵拉飞机向前飞行的动力的一部分。

 能明显看到扭转状态的螺旋桨桨叶

此外，由于桨叶与发动机轴是呈直角结构安装的，并有扭角。桨叶旋转时，会把前方空气吸入，并给吸入的空气施加一个向后的推力。根据牛顿第三定律，此时气流也会给桨叶一个向前的反作用力。这个力与由桨叶扭转曲面产生的空气动力的合力，就是螺旋桨牵拉飞机向前飞行的总动力。

活塞式螺旋桨飞机

——把汽车的“动力源”搬上飞机

是什么为螺旋桨旋转提供了动力呢？是发动机——螺旋桨将发动机的功率（发动机的旋转力矩）转化为拉力或推进力。

活塞式螺旋桨飞机，它的活塞式发动机源自汽车内燃机，将汽油与空气混合，在密闭的容器（气缸）内燃烧，利用高温、高压气体膨胀做功，将化学能转化为机械能。

内燃机原理示意图

 一款中國国产航空活塞式发动机，发动机形式为水平对置4缸，搭载于国内多型无人机和有人机上

一架小型活塞式螺旋桨飞机

以4个冲程的航空活塞式发动机为例，工作时，活塞需要在气缸内依次经过进气、压缩、膨胀和排气4个冲程。

在这个过程中，活塞承受燃气压力，在气缸内做往复运动，并通过连杆将这种运动转变成曲轴的旋转运动。曲轴是发动机输出功率的部件，它旋转时会通过减速器带动螺旋桨转动，从而产生拉力，推动飞机前进。

涡轮螺旋桨飞机

——技术上的突破

早期的飞机以活塞式螺旋桨飞机为代表，但到第二次世界大战末期，活塞式螺旋桨飞机的发展陷入“瓶颈”。飞机工程师发现，时速达到800千米左右时，活塞式螺旋桨飞机桨尖的速度会接近声速，出现激波（关于激波，可见《知识就是力量》2022年11月刊）。这会使阻力激增，无法实现更快的飞行速度和更高的飞行高度。

为了进一步提高飞行性能，喷气式发动机应运而生，而涡轮螺旋桨飞机是在涡轮喷气式发动机诞生、成熟后，将活塞式发动机涡轮化而研制发展的新型动力飞机，实现了飞行速度与高度的突破。

涡轮螺旋桨飞机由螺旋桨和燃气发生器组成，螺旋桨由涡轮带动。由于螺旋桨的尺寸较大，受限于桨叶激波的影响，为保证螺旋桨效率，螺旋桨的最大转速不会很高。

资料显示，现代飞机螺旋桨的转速一般在每分钟1000～2500转之间，而涡轮发动机的转速通常在每分钟几万到十几万转之间。为了确保螺旋桨和涡轮都能正常工作，两者之间安装了减速器，减速器可以将涡轮转速降至螺旋桨的转速范围内，再驱动螺旋桨工作。

 中国自主研制的中等涡桨发动机

飞机作为人类的一项伟大发明，它身上的每一个设计都有重要意义，即便是小小的螺旋桨，其中蕴含的科学道理也不简单。你还知道飞机有哪些有趣的设计呢？

（责任编辑 / 张丽静  美术编辑 / 周游）