航空器螺旋桨前飞特性浅析
本文摘要（由AI生成）：
本文讨论了螺旋桨在不同飞行工况下的特性变化。在直升机或四旋翼前飞及固定翼飞机遭遇侧风/垂直风时，螺旋桨前方来流与桨盘并非垂直，导致桨叶在旋转过程中产生的力和力矩变化。前行桨叶升力大，后行桨叶升力小，导致总体螺旋桨拉力周期性变化。前飞时，左右半圆的升力差异会产生滚转力矩，需进行配平。随着气流偏离垂直位置的偏角增大，螺旋桨拉力逐渐增大，效率也有所提高。有趣的是，直升机在一定速度区间内前飞时，平飞需用功率可能低于悬停状态，这意味着高速平飞时可能需要减少油门。这些复杂工况下的螺旋桨特性对于飞行器的设计和操作具有重要意义。
之前总结了螺旋桨特性，但不论是静拉力还是动拉力，气流方向都是与桨盘垂直的，一般螺旋桨式固定翼飞机平飞和直升机/四旋翼悬停都是这种工况。但当直升机/四旋翼前飞和固定翼飞机遭遇侧风/垂直风时，螺旋桨前方来流与桨盘并不是垂直的：
这种工况就复杂得多，因为气流存在平行于桨盘的速度分量，导致桨叶在旋转过程中的不同位置，产生的力和力矩都是不同的，整个螺旋桨的轴向力、径向力和力矩处于一种周期性的时变状态。
具体来说，如图：
螺旋桨向前运动，且从俯视图来看，旋转方向为逆时针，以前进方向将螺旋桨分成左右两半。则桨叶到达左半圆时，旋转产生的线速度与前进方向相反，称为后行桨叶。桨叶到达右半圆时，旋转产生的线速度与前进方向相同，称为前行桨叶。前行桨叶总速度是线速度加前飞速度，所以空速大，升力也更大。后行桨叶两种速度相减，甚至靠近圆心的部位会存在零空速和负空速，因为总有内环的线速度存在小于前飞速度的时候，这里负空速指气流从翼型后缘吹向前缘的情况，所以左半圆升力较小。桨叶不停在左右半圆来回切换，也就导致了总体螺旋桨拉力的周期性变化。
因为前飞螺旋桨的左右半圆的升力是不同的，那么一定会产生滚转力矩（在本例中是左滚力矩），所以需要对这滚转力矩进行配平。
直升机一般只有一个主旋翼，所以配平就在这唯一的主旋翼上实现了，其等压线分布通常大致如图：
四旋翼相邻螺旋桨转向相反，所以每两个螺旋桨的滚转力矩大致可以相互抵消，也就不用在单个桨上配平滚转力矩，其等压线大致如图：
所以我们现在知道螺旋桨前飞状态是个非对称、周期性的复杂工况，这种工况很难用简易的公式计算具体的螺旋桨拉力和力矩，一般使用CFD和试验的方式探究偏角（气流偏离垂直位置的角度）对螺旋桨特性的影响。多项试验和论文指出：
随着偏角的增大，螺旋桨拉力逐渐增大，而且增加的幅值也越来越大，是一个加速增加的趋势。这是因为随着偏角增大，垂直于桨盘的速度分量在逐渐减小。
随着偏角的增大，螺旋桨效率会有一定提高。
以上结论看起来好像稀松平常，但当用另一种形式展示出来就会觉得不可思议：
上图为直升机平飞需用功率曲线，是直升机以不同速度前飞时，发动机所需提供的功率。等等，看总功率的变化，为什么不是速度越大所需功率越大？意思是想以更高速平飞得减油门？
是的，事实就是这样，可以简单地不严谨地理解为前飞速度导致的右半侧升力增量大于左半侧升力损失，所以在某个速度区间，旋翼的平飞需用功率可以比悬停更低。也就是说：
如果一架直升机或四旋翼可以飞越珠穆朗玛峰，那么有可能他无法在峰顶悬停（不考虑地效的话）
你的四旋翼无法在高原地区起飞，它却有可能可以保持前飞状态（或许可以装上轮子起降）
本文转载自微 信公 众号《飞行课》，文章标题略作修改
