文|小彭的灿烂笔记

编辑|小彭的灿烂笔记

 

前言

螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种推进器，螺旋桨分为很多种，应用也十分广泛，如飞机、轮船的推进器等。

古代的车轮，即欧洲所谓“桨轮”，配合近代的蒸汽机，将原来桨轮的一列直叶板斜装于一个转毂上，构成了螺旋桨的雏型，那么如今它有哪些奇葩设计？

 

奇葩设计

直升机是航空工程的奇迹，在飞机中是独一无二的，因为它们能够悬停、向后飞行和执行精确的垂直机动，它们非凡的飞行能力的核心是它们奇怪的螺旋桨，也就是所谓的旋翼。

这些旋转翼奇观代表了一个复杂而迷人的工程挑战，几十年来一直吸引着科学家、工程师和航空爱好者，为了理解直升机螺旋桨的设计，我们必须首先理解旋翼飞行的原理。

 

与固定翼飞机不同，直升机通过旋翼叶片的旋转来实现升力和推力，直升机旋翼产生升力的方式类似于飞机机翼，当旋翼叶片在空气中旋转时，它们会在上下表面之间产生压差，从而产生升力来支撑飞机的重量。

除了升力，旋翼桨叶的旋转也产生推力，使直升机向前、向后和侧向移动，为了控制旋翼产生的升力和推力，直升机桨叶装有变距机构，这使得飞行员可以调整叶片的迎角，改变产生的升力和推力。

 

主旋翼位于直升机顶部，负责产生升力和推力，以保持直升机在空中飞行，并实现垂直起降(VTOL)，主旋翼的旋转提供升力，而叶片的可变螺距控制直升机的运动。

安装在直升机尾部的尾桨，在抵消主旋翼旋转产生的扭矩方面起着至关重要的作用，当主转子旋转时，它会产生一个大小相等方向相反的反作用力，称为扭矩，尾桨的作用是抵消这种扭矩，防止直升机反方向旋转。

 

带有大型旋转叶片的直升机螺旋桨的设计，使其有别于传统的固定翼飞机，这种独特的设计提出了几个工程挑战，需要创新的解决方案， 旋翼桨叶形状:直升机旋翼桨叶通常是翼型，类似于飞机机翼。

然而，旋翼桨叶的精确形状和扭转取决于预期用途和具体的直升机设计，旋转转子叶片的集合形成一个圆形区域，称为转子盘，为了控制直升机的运动，旋转斜盘是一种机械装置，它可以集体或单独调节单个旋翼桨叶的螺距。

 

当直升机向前移动时，旋翼的一侧经历较高的空速(前进侧)，而另一侧经历较低的空速(后退侧)，这造成了一种现象，称为“后退叶片失速”，后退侧的转子叶片失去升力。

适当的旋翼桨叶设计和直升机控制系统对于减轻这种影响至关重要， 设计高效和安全的直升机螺旋桨需要克服几个工程挑战，并开发创新的解决方案。

 

直升机旋翼会产生显著的振动和噪音，为了平稳舒适的飞行体验，必须将其降至最低，转子叶片材料、主动振动控制系统和空气动力学设计的进步有助于降低振动和噪声水平。

解决后退式叶片失速涉及到先进叶片剖面、空气动力学研究和飞行控制系统的组合，以确保整个转子盘的平衡升力，在发动机出现故障的情况下，直升机可以进入一种称为自动旋转的状态，在这种状态下，旋翼叶片由于向上的气流而继续旋转，从而允许飞行员进行受控下降和安全着陆。

 

对提高性能和效率的追求推动了直升机螺旋桨设计的不断研究和发展，旋翼桨叶使用轻质复合材料提高了直升机的整体性能和效率，这些材料具有很高的强度重量比，降低了转子系统的转动惯量。

主动旋翼控制系统，如单独的叶片控制和主动扭转机制，提供了增强的机动性和改善的空气动力学性能，推进系统的进步，如变速旋翼和混合电力推进，有可能提高直升机作业的效率和多功能性。

 

在技术进步和对更加可持续和高效的航空需求不断增长的推动下，直升机螺旋桨的未来充满了令人兴奋的可能性，电力和混合动力推进技术正在航空工业中获得动力，直升机中电动机和电池的集成可能会导致更安静、更环保的旋翼机。

自主飞行和人工智能的进步可能会导致自主直升机的发展，能够在没有人类干预的情况下执行复杂的任务，城市空中交通的概念设想了一个未来，包括直升机在内的电动垂直起降(电动垂直起降)飞机在城市地区提供按需交通。

 

直升机螺旋桨的奇怪设计，带有旋转的叶片和独特的空气动力学，是人类创造力和工程能力的证明，直升机凭借其无与伦比的悬停、垂直飞行和执行精确机动的能力，已经成为各个领域不可或缺的工具，从搜索和救援到军事行动和商业运输。

虽然永动机的梦想在科学上仍然无法实现，但旋翼飞行的现实已经打开了航空领域的新视野，并继续激励着未来的创新，随着技术进步和可持续发展需求的增长，直升机螺旋桨的设计将继续发展，塑造航空业的未来，并提高旋转翼飞行的可能性。

 

应用材料

直升机螺旋桨，也称为旋翼桨叶，对直升机的飞行和机动性起着至关重要的作用，这些旋转部件对于产生升力、推进和控制是必不可少的，这使它们成为航空工业研发的关键焦点。

多年来，材料科学和工程的进步彻底改变了直升机螺旋桨的设计，提高了性能、效率和安全性，直升机螺旋桨的历史可以追溯到20世纪初，Igor Sikorsky和Juan de la Cierva等先驱发明家为旋翼飞行做出了重大贡献。

 

在直升机发展的早期，木制和金属桨叶很常见，与现代标准相比，它们的设计相对简单，然而，随着直升机变得越来越复杂，能够执行复杂的机动，对更有效和更耐用的旋翼桨叶的需求增加了。

用于直升机螺旋桨的材料必须具有特定的特性，以满足旋翼飞行的严格要求，直升机旋翼桨叶必须重量轻，以最小化旋翼系统的转动惯量，从而在机动过程中实现更快的加速和减速。

 

材料必须具有高强度和刚度，以承受飞行过程中的离心力和空气动力载荷，转子叶片在每次旋转过程中承受循环载荷，这就要求材料具有优异的抗疲劳性，以承受数百万次循环而不失效。

考虑到暴露在环境因素和有时恶劣的条件下，直升机螺旋桨材料必须具有良好的耐腐蚀性，以确保使用寿命，在飞行过程中经历的温度变化下，材料应保持其结构完整性。

 

现代直升机螺旋桨通常由高级复合材料、金属合金或两者的组合制成，复合材料，尤其是纤维增强复合材料，已经成为许多直升机旋翼桨叶的首选材料。

这些材料提供了出色的强度重量比，并在刚度和阻尼特性方面高度可定制，常用的复合材料包括碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料和混合复合材料。

 

某些直升机设计继续使用金属合金，如铝、钛和钢，用于旋翼桨叶，这些金属提供良好的强度和刚度，同时重量相对较轻，然而，复合材料由于其优越的性能，在许多应用中已经超过了金属合金。

复合材料已经极大地影响了直升机螺旋桨的设计和性能，复合材料技术的进步带来了几大好处:复合材料旋翼桨叶比金属桨叶轻得多，从而减少了燃料消耗，提高了有效载荷能力，增强了机动性。

 

复合材料允许定制转子叶片的机械属性，以满足特定的设计要求，可以优化增强纤维的方向和取向，以在需要的地方提供强度和刚度，从而提高整体性能。

复合材料已经表现出优异的抗疲劳性，使直升机旋翼桨叶能够承受数百万次飞行循环而不退化，复合材料表现出固有的阻尼特性，有助于减少振动，有助于更平稳和更舒适的飞行体验。

 

在直升机螺旋桨中采用先进材料并非没有挑战，一些关键挑战包括: 成本:复合材料可能比传统金属更贵，导致初始制造成本更高，然而，复合材料生产技术的进步和规模经济在一定程度上帮助解决了这一挑战。

复合材料的制造过程比金属合金的制造过程更复杂，需要诸如热压罐固化和纤维缠绕等专门技术，生产高质量的复合材料转子叶片需要精确的质量控制和熟练的劳动力。

 

修理复合材料旋翼桨叶需要特殊的专业知识和设备，正确的检查和维护方案对于确保复合材料旋翼桨叶的持续适航性至关重要，直升机螺旋桨材料的未来充满了令人兴奋的可能性，正在进行的研究和创新为提高性能和可持续性铺平了道路。

纳米技术具有革新直升机旋翼桨叶材料的潜力，纳米材料具有独特的性能，可以提高强度、刚度和抗疲劳性，添加制造，或3D打印，已经在航空航天应用的金属部件生产中显示出前景。

 

在未来，3D打印可以在以更高的效率和成本效益创建复杂的复合材料转子叶片设计中发挥重要作用，大自然提供了无数轻质和坚固材料的例子，激励研究人员开发用于航空应用的生物启发材料，仿生可能会导致转子叶片设计的突破。

自早期旋翼飞行以来，直升机螺旋桨所用的材料已经有了很大的发展，今天，先进的复合材料已经成为旋翼桨叶设计的首选，提供了卓越的性能、轻质特性和无与伦比的机动性。

 

复合材料在直升机螺旋桨中的应用改变了旋翼航空，使直升机能够以更高的效率和安全性执行广泛的任务，虽然挑战依然存在，但材料科学的持续研究和发展继续为直升机螺旋桨设计的未来开启新的可能性。

纳米材料和3D打印等新兴技术有可能彻底改变旋翼飞行，让直升机更加通用、可持续和适应现代航空需求，展望未来，直升机螺旋桨的奇怪设计将继续成为人类追求更安全、更高效和环保旋翼技术的独创性和创新的象征。

对材料和工程进步的不懈追求将推动直升机螺旋桨的发展，进一步巩固其作为关键任务和民用应用中重要工具的地位。

   

参考文献

【1】《Propeller 螺旋桨》常瑞人民邮电出版社2017年4月1日

【2】《船舶用螺旋桨原理及修理》孙自力哈尔滨工程大学出版社2010年1月1日

【3】《船舶螺旋桨理论与应用》王国强2007年10月1日