槳葉角

飛機螺旋槳在發動機驅動下高速旋轉，從而產生拉力，牽拉飛機向前飛行。這是人們的常識。可是，有人認為螺旋槳的拉力是由於螺旋槳旋轉時槳葉把前面的空氣吸入並向後排，用氣流的反作用力拉動飛機向前飛行的，這種認識是不對的。那麼，飛機的螺旋槳是怎樣產生拉力的呢？如果大家仔細觀察，會看到飛機的螺旋槳結構很特殊，單支槳葉為細長而又帶有扭角的翼形葉片，槳葉的扭角（槳葉角）相當於飛機機翼的迎角，但槳葉角為槳尖與旋轉平面呈平行逐步向槳根變化的扭角。槳葉在高速旋轉時，同時產生兩個力，一個是牽拉槳葉向前的空氣動力，一個是由槳葉扭角向後推動空氣產生的反作用力。另一個牽拉飛機的力，是由槳葉扭角向後推空氣時產生的反作用力而得來的。槳葉與發動機軸呈直角安裝，並有扭角，在槳葉旋轉時靠槳葉扭角把前方的空氣吸入，並給吸入的空氣加一個向後推的力。與此同時，氣流也給槳葉一個反作用力，這個反作用力也是牽拉飛機向前飛行的動力。由槳葉異型曲面產生的空氣動力與槳葉扭角向後推空氣產生的反作用力是同時發生的，這兩個力的合力就是牽拉飛機向前飛行的總空氣動力 ^[2]  。

早期飛機大多使用槳葉角固定不變的螺旋槳，它的結構簡單，但不能適應飛行速度變化。現代的螺旋槳飛機多采用槳葉角可調的變距螺旋槳，這種螺旋槳可根據飛行需要調整槳葉角，提高螺旋槳的工作效率。由於螺旋槳在旋轉時，槳根和槳尖的圓周速度不同，為了保持槳葉各部分都處於最佳氣動力狀態，所以把槳根的槳葉角設計成最大，依次遞減，槳尖的槳葉角最小 ^[2]  。

渦輪螺旋槳發動機的特點是利用螺旋槳將燃氣大部分可用能量轉換成推進功率，即有效功85%～90%傳遞給螺旋槳產生拉力，渦槳發動機的推進效率近似等於螺旋槳的有效效率。因此，槳葉角是渦輪螺旋槳發動機的重要參數之一。測量的準確與否不但直接影響對發動機性能（拉力、 推進效率等）評定，而且是檢查螺旋槳發動機順槳、 回槳、 反槳等的位置標誌 ^[3]  。

朱宇在《渦輪螺旋槳發動機槳葉角測量試驗》詳細介紹了渦輪螺旋槳發動機槳葉角測量方法，包括槳葉角傳感器的研製、 安裝以及測試系統數據遙測、 採集處理整個無線傳輸過程。螺旋槳測試系統包含遙測系統和數據採集/記錄系統。遙測系統的動部件和靜部件由德國德泰遙測公司（ Datatel）研製，為 40通道應變、 槳葉角遙測系統，具有抗干擾能力強、 信號質量好、 數據精度高、 使用維護方便的特點。機載數據採集/記錄系統由德國雷卡公司 （ Heim System GmbH）提供。該機載採集/記錄器可滿足同時記錄 40 通道信號，並具有數據遠傳、 機上實時監視功能。該方法在運八飛機試驗平台上成功地進行了飛行驗證，為驗證螺旋槳空中調節和運行規律提供了寶貴的試驗數據，對於今後螺旋槳、旋翼及其它高速旋轉部件的試飛測試具有重要參考價值 ^[3]  。

保持飛行高度不變、發動機狀態不變，進行加減速平飛試驗，得到渦槳發動機螺旋槳槳葉角跟速度的關係。隨着飛行速度的增大，發動機總增壓比增大，渦輪中的焓降也加大，同時發動機進氣流量隨飛行速度的增大而增大，因此發動機輸出功率增大。為了保持發動機恆轉速，發動機槳葉角增大 ^[3]  。

保持發動機狀態不變，進行等速爬升飛行試驗。隨着飛行高度的增加，空氣密度減小很快，雖然發動機輸出功率減小，但螺旋槳需用扭矩也同時減小，發動機轉速仍然有增大的趨勢，為了保持發動機轉速恆定，發動機槳葉角隨高度的增加而增大 ^[3]  。

飛行高度和飛行速度不變時，隨着發動機油門角度的增大，發動機油耗增大，發動機輸出軸功率也同時增大，為了保持等轉速調節，螺旋槳槳葉角增大 ^[3]  。

（1）通過試驗，較為準確地掌握了螺旋槳空中調節和運行規律，為該螺旋槳的設計定型提供了寶貴的試驗數據；

（2）從試驗過程和試驗結果可知，為了獲得準確的試驗數據，槳葉角傳感器設計、加工和安裝的質量是非常關鍵的因素 ^[3]  。

一旦飛行員設定好螺旋槳的轉速，螺旋槳調速器就會自動地調整槳葉角以維持選擇的轉速。它是通過利用機油壓力的變化實現的。通常，槳距變化所使用的油壓直接來自於發動機潤滑系統。當使用調速器後，通過油泵增加油壓來利用機油，而這個油泵和調速器是集成在一起的。更高的壓力能夠使槳葉角變化得更快。螺旋槳的運行轉速由調速器調節。飛行員通過駕駛艙中的螺旋槳控制桿改變調速器齒條的位置而改變調速器的設定 ^[1]  。

在一些恆速螺旋槳上，通過使用槳葉的固有離心扭轉運動實現槳距的改變，這個運動傾向於使槳葉向低槳距位置變平，而作用到和螺旋槳葉相連的液壓活塞的油壓把槳葉向高槳距位置移動。另一種恆速螺旋槳使用連接到槳轂中槳葉柄的配重物。調速器油壓和槳葉扭轉運動使槳葉向低槳距位置移動，而作用於配重物上的離心力把配重物(和槳葉)向高槳距位置移動。在上述的第一種情況下，調速器油壓使槳葉向高槳距位置移動;在第二種情況下，調速器油壓和槳葉扭轉運動使槳葉向低槳距位置移動。因此，一旦失去調速器油壓，將會以互相不同的方式對每個槳葉造成影響 ^[1]  。

恆速螺旋槳的槳葉角範圍為11.5°～40°。飛機速度越高，槳葉角範圍越大，如圖1所示。

槳葉角的可能範圍術語稱為螺旋槳的調節範圍。調節範圍的定義是在高槳葉角和低槳葉角槳距停止位之間的螺旋槳槳葉行程極限。只要螺旋槳槳葉角位於調節範圍內且不靠近每一槳距停止位，就能夠維持恆定的發動機轉速。然而，一旦螺旋槳槳葉達到它的槳距停止位極限，發動機轉速將會與固定槳距螺旋槳類似，隨着空速和螺旋槳負荷的變化而增加或降低。例如，一旦選擇了一個具體的轉速，如果空速充分地降低，螺旋槳槳葉將會降低槳距，以便維持選擇的轉速，直到它們到達低槳距停止位。在那一點，空速任何程度的進一步降低都會導致發動機轉速降低。相反，如果空速增加，螺旋槳槳葉角將增加，直到達到高槳距停止位。然後發動機轉速會開始增加 ^[1]  。