杨远骁 孙永辉 万鹏 汤飞鹏 张彬华

摘 要：随着航空工业的发展，越来越多的非专业领域的航空爱好者能通过以航模为代表的各种形式接触到航空领域。而航模中最常见的也是入门者选择最多的螺旋桨航模却有着和真正的螺旋桨飞机同样的问题：螺旋桨副作用。螺旋桨各类副作用会影响到航模飞机的操控性能，导致容易失控损坏，极大地提高了入门成本。本文将通过汇总四类螺旋桨副作用及其抵消策略，综合讨论后得出采用共轴反桨发动机是运用于航模中的最佳方案。

关键词：螺旋桨；滑流效应；滑流；反扭矩；p效应；航模

The Strategy of Counteracting Propeller Side Effects and

Its Application in Airplane Model

Yang Yuanxiao* Sun Yonghui Wan Peng Tang Feipeng Zhang Binhua

NanChang HangKong University JiangxiNanchang 330063

Abstract：With the development of aviation industry，more and more unprofessional aviation amateur can contact with aviation by using Model airplane.Propeller model aircrafts are mostly chosen by new hand，but it have the same problem with the real propeller aircraft，which we called the side effects of propeller.The side effects of propeller will influence the maneuverability of the aircraft and make it easier to be damaged，which increase the cost of using.This passage will summary four kinds of side effects of propeller and how to counteract them.After argumentation，passage point out that using coaxial reverse paddle engine is the best way to counteract the side effects of propeller.

Keywords：Propeller；slipstream effect；slipstream；reaction torque；pfactor；model airplane

虽然世界航空动力装置早已进入喷气动力时代，但是传统的螺旋桨动力却依旧活跃在世界舞台，因为其具有低速出力大、推进效率高、经济性良好的特点，所以其在运输領域有着不可替代的作用［1］。而在航模中，螺旋桨动力也被广泛运用。但是，螺旋桨动力由于自身特性，会产生如反扭矩效应、螺旋桨滑流、p效应、进动效应四种不同的副作用。这些螺旋桨副作用会对航空飞行器以及航模的飞行安全和稳定性造成巨大影响。本文总结了四类螺旋桨副作用和五种抵消策略，并探讨了其在航模中的运用，并展望了未来螺旋桨飞机的发展趋势。

1 螺旋桨四种主要副作用

1.1 反扭矩

反扭矩效应是最常见的螺旋桨副作用之一。由于力的作用是相互的，螺旋桨在搅动空气时，空气会给予桨叶一个大小相同、方向相反的力。所以，单发螺旋桨发动机在带动螺旋桨转动时会产生一个与旋转方向相反的扭力，使得飞机产生不受控的滚转。在飞行时具体表现为飞机由于无法实现平飞，需要飞行员或飞手自主打杆修正飞机姿态。而在起降阶段，如果不能抵消反扭矩，则会对飞机起降安全造成极大的危害。

1.2 进动效应

1.2.1 飞机进动效应的产生

进动效应（回转效应）是物体转动时在外力矩作用下一种特有的物理现象。描述进动现象的物理量是进动角速度或角动量，它与转动物体的旋转轴位置、旋转角速度、物体的质量大小及质量分布等因素有关［2］。飞机在空中平飞过程中，油门杆位置不动，螺旋桨和发动机转子以一个稳定的转速绕发动机轴工作，这相当于一个高速旋转的刚体。螺旋桨和转子具有一定的角动量，其方向沿其自转轴的方向。转子和螺旋桨左旋时，角动量方向沿飞机方向向后；反之则向前［2］。当飞行员或飞手操纵飞机做出俯仰或左右转弯的机动后，螺旋桨与发动机转子随之转动并产生一个进动力矩，使飞机发生偏移。偏移方向与螺旋桨旋转方向有关，左（右）旋螺旋桨的进动力矩方向可由左（右）手定理判断：以左旋螺旋桨为例，使飞机机头方向穿过掌心，四指指向飞机机动的方向，则大拇指指向的就是进动力矩的方向［2］。

1.2.2 进动效应对飞行品质的影响

由于在飞行过程中飞机螺旋桨和发动机转子始终处于旋转状态，飞机的每一次进行机动都会产生进动效应。飞机的机动幅度越大，产生的进动效应越明显，产生的进动力矩也越大，对飞机姿态的影响也越大。在真实的飞行过程中，飞机的机动往往会在多个轴向同时进行，产生进动力矩也会因此变得复杂，非常考验飞行员或者飞手的飞行经验。而在螺旋桨飞机起降阶段，由于速度慢、舵效低，如果机动幅度过大，产生的进动效应可能会使飞机失控导致坠毁。在单发螺旋桨飞行器滑跑起飞时，由于飞机低速时舵效低，若突然极大地增加发动机功率，产生的进动效应会使飞机在跑道偏航，且难以用舵面修正，以此造成事故。

同时，由于发动机内部转子也同样受进动效应影响，在产生进动力矩时会对发动机内部轴承产生较大的侧向负载，影响发动机寿命。

1.3 滑流效应

1.3.1 滑流效应的产生

螺旋桨滑流效应非常复杂，需要从加速效应、旋转效应、黏性效应、湍流效应、桨盘倾斜的影响以及轴毂的影响等多个角度来理解［3］。同时由于不同飞机构型和动力装置之间的滑流效应差别较大，因此螺旋桨滑流效应难以量化，一般以风洞模拟和CFD数值模拟为主进行实验［4］。滑流效应简单来说是指螺旋桨与来流相遇时，螺旋桨对空气的搅动使得来流一方面加速，另一方面顺着螺旋桨方向旋转，流过机身的滑流又被飞机气动结构影响改变，从而导致飞机整体气动特性变化影响飞机的升阻特性和飞行稳定。

1.3.2 滑流效应对飞行品质的影响

滑流效应对飞行的影响是通过改变飞机气动特性产生的间接影响，主要有对升阻特性的影响、对纵向静稳定性的影响、对侧力导数的影响、对滚转力矩的影响以及对偏航力矩的影响［4］。本文主要讨论对滚转和偏航力矩的影响。

造成滑流效应对滚转力矩的影响主要原因是滑流通过左右两侧机翼时流向不同，一侧流经机翼上表面，一侧流经机翼下表面，导致左右机翼升力变化不同，因此形成滚转力矩，造成飞机不受控滚轉。而对偏航力矩的影响原因是滑流流过机身时冲击飞机垂尾，形成偏航力矩，造成飞机不受控偏航。

由于螺旋桨滑流效应在飞机的不同构型和发动机不同工作状态时产生的影响不同，且在研究中难以被量化，所以螺旋桨滑流的抵消方法仍然是螺旋桨飞机设计时研究的重点。

1.4 P效应

1.4.1 P效应的产生原因

P效应，又被称作“不对称桨盘负载”或“不对称桨叶效应”以及“螺旋桨来流斜吹”。P效应主要发生在螺旋桨飞机低速、大迎角状态，通常也是飞机起降时。

以左旋机头单发螺旋桨飞机为例，当飞机刚刚拉起时，通常会保持大仰角状态来获得更大的升力。此时相对于来流，发动机下行的桨叶的迎角大于上行桨叶的迎角，因此，以驾驶舱的视角发动机左侧产生的拉力大于右侧，产生一个向右的偏航力矩。

1.4.2 P效应对飞行的影响

在低速大仰角的起飞阶段，P效应的影响最为明显［5］。若不及时修正偏航，飞机甚至可能会进入失速状态，造成严重事故。

2 螺旋桨副作用抵消方法

随着航空工业的不断发展，人们逐渐掌握了螺旋桨发动机的特性。对于上述的四类螺旋桨副作用，在现代飞机设计时已经能最大化减小其对飞行稳定的影响。抵消螺旋桨副作用主要有以下几个方法。

（1）机翼不对称安装。公式如下：

Y=12CyρSymboleB@

v2SymboleB@

S

式中Y—总升力；C—升力系数；S—机翼面积；v—飞机速度；ρ—大气密度。

由公式可得，在弦长不变时，增加翼展的长度，机翼面积增加，展弦比增大，升力系数增大，总升力变大。因此，对于单发左旋螺旋桨飞机，只要适当增加右翼翼展，即可抵消反扭矩带来的右滚转力矩。该方法原理简单，但是对飞机制造精度要求极高，随着航空制造技术和飞机设计技术的发展，逐渐被配平片等取代。

（2）发动机、垂尾安装角。以左旋机鼻单发螺旋桨飞机为例，发动机转子在带动螺旋桨左旋时产生反向的滚转力矩，使飞机向右滚转。若飞机发动机有一个3°～5°的左拉角或垂尾有向右的安装角，给予飞机一个向左的偏航力矩使飞机向左偏航，此时飞机右翼气流流动速度大于左翼，右翼产生的升力大于左翼，产生一个向左的滚转力矩，与反扭产生的力矩相互抵消［6］。同时，与飞行方向离轴也能适当减少进动效应与P效应的影响，这里不作详细讨论。

随着航空制造水平的发展，在飞机总体设计中发动机离轴安装产生的影响越来越显得得不偿失，因此发动机安装角和垂尾安装角逐渐被性价比更高的配平调整片取代。

（3）舵面配平。在早期，由于技术限制，配平与机翼、发动机安装角类似，只能在飞机的设计、制造和整备阶段进行，比如调整机内设备、载荷的位置使飞行平稳，飞行过程中仍需要消耗飞行员大量精力来修正飞行姿态。而随着航空设计和制造水平的发展，飞行员得以在飞行过程中对副翼、平尾和垂尾的舵面位置进行固定的调整以保持飞机的平稳，极大地减少了飞行员精力的损耗。

（4）飞行员修正。舵面配平技术成熟后，由反扭矩造成的螺旋桨副作用已经能被完全抵消，但是由螺旋桨滑流等因素造成的螺旋桨副作用在飞行过程中过于复杂，无法提前预防，因此只能通过飞行员的经验不断修正以维持飞机的姿态。

（5）共轴反桨。区别与普通螺旋桨发动机，共轴反桨发动机同时驱动两对共轴的螺旋桨，这两对螺旋桨通过行星齿轮实现反转。两组反转的螺旋桨会产生方向相反的反扭力，并且这对反扭力能相互抵消，同时通过左右手定理可以判断，两组反转的螺旋桨产生的进动效应也能相互抵消。因此装有共轴反桨发动机的飞机可以完全抵消反扭矩效应和进动效应，大大提高了飞行稳定性。另外，由于两组反转的螺旋桨产生的叶尖涡流相互抵消，在相同的功率和桨盘面积下，共轴反桨发动机的效率能比单桨发动机提升6%～16%。

需要注意的是，共轴反桨发动机也有其缺点。首先，两对桨叶在高速转动时会产生极大的噪音，导致其在民航领域中很难运用。其次，共轴反桨发动机通常结构复杂且重量较大，导致其在飞机的整体设计考虑中优先级较低。

3 探讨在航模中的应用

3.1 航模飞机的特点

航模的种类丰富多样，从纸质的到金属制的、从电动发动机到油动发动机的应有尽有。常见的航模飞机通常具有结构简单、重量轻以及推重比大等特点。这些特点使得航模飞机在与同构型的真实飞机相比更加灵活，但由于发动机功率对于航模重量来说较大，使得反扭矩效应等螺旋桨副作用更明显。另外，相较于真正的航空制造工艺，航模制作精度低，因此，依靠气动设计和安装工艺的螺旋桨副作用抵消方法在航模中的运用较为困难。但是，由于航模设计制作过程更简单，因此在航模飞机中尝试新的构型以抵消螺旋桨副作用也较为可行。

3.2 探讨航模抵消螺旋桨副作用的方法

对于航模制作而言，采用机翼不对称安装和发动机、垂尾安装角的方法性价比较高。但与真正的飞机制造不同的是，航模制作精度较低，若安装偏差过大，将会适得其反。如需使用该类方法，则需要制作者进行大量试飞测试并调整安装角度，以保证安装角度误差在接受范围内。

在航模中使用舵面配平技术抵消螺旋桨副作用也具有一定可行性。要使航模飞机能进行配平，需要使用伺服电机和多通道遥控器，并使用支持配平操作输出的飞控固件。但是，舵面配平技术在航模中并不常见。首先，为航模增加配平功能会增加整体成本，并且对制作技术有更高要求。其次，航模飞机的飞行过程以大量机动动作为主，较少出现长时间保持平稳状态，而在飞机机动时出现的以进动效应为主的螺旋桨副作用无法以配平的方法抵消。所以，航模飞机一般不采用舵面配平方法。

综合来看，采用共轴反桨发动机是常用方案中相对最适合航模飞机的方法。第一，共轴反桨发动机能完全抵消以反扭矩和进动效应为主的、由螺旋桨和发动机转子旋转带来的螺旋桨副作用，极大地增加了飞行的稳定性；第二，共軸反桨发动机的缺点在航模飞机上可以忽略不计，因为共轴反桨电机价格适中，重量与单桨发动机相差不大，并且航模飞机不用考虑噪音问题，因此在航模飞机中采用共轴反桨发动机抵消螺旋桨副作用效果最好，性价比最高。

结语

随着航空制造技术和模拟技术的发展，人们也开始提出非传统的构型运用到螺旋桨飞机上。比如吕继航等对背负式单发螺旋桨飞机的滑流效应进行了研究［7］，马震宇等对串置前掠翼螺旋桨飞机的滑流特性进行了探究［8］。针对难以预防的滑流效应，也有越来越多的研究方法被提出并应用。相信随着技术的发展，越来越多更好的螺旋桨副作用抵消方法能出现。

参考文献：

［1］王光利，关喜峰，王康.螺旋桨滑流对全机气动特性的影响研究［J］.工程技术研究，2021，6（04）：140141.

［2］孙弘星，陈东，于冰.进动效应对涡轮螺旋桨飞机的影响［J］.飞机设计，2003（01）：710.

［3］蒋晓莉，杨士普.螺旋桨飞机滑流机理分析［J］.民用飞机设计与研究，2009（04）：3438.

［4］任庆祝，赵晓霞，刘毅，等.螺旋桨飞机滑流对全机气动特性影响的试验研究［J］.科学技术与工程，2015，15（15）：214217.

［5］桑雨生.螺旋桨气流斜吹对飞行影响的分析［J］.飞行力学，1997（04）：7074.

［6］方振平，陈万春，张曙光，等.航空飞行器飞行动力学［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［7］吕继航，谷伟岩，温庆，等.背负式单发螺旋桨飞机滑流效应影响研究［J］.飞行力学，2014，32（05）：468471.

［8］马震宇，程雪枫，董向阳，等.螺旋桨前掠翼模型气动特性数值模拟［J］.机械，2020，47（02）：1924.

*通讯作者：杨远骁（2003— ），男，汉族，江西南昌人，本科在读。