Propeller Aircraft Principle

2021.08.04

Propeller Aircraft Principle

对飞行员来说，有扭力（对飞机一个向左的趋势）的产生，是因为有四个要素驱使飞机其中一个轴心产生扭转或旋转的动作，以下为：

1. 对发动机&螺旋桨产生的扭力反应 (Torque Reaction)

2. 气流产生的旋转效应 (Slipstream)

3. 螺旋桨的陀螺仪效应 (Gyroscopic Effect)

4. 螺旋桨的不对称受力 (Asymmetric Loading/P-Factor)

前提：这边统一以顺时钟方向旋转（飞行员视角）的螺旋桨解释

1. Torque Reaction

牛顿第三运动定律---对于任何动作而言，其必会有一相对的作用力产生。 套用在飞机上的话，发动机内部组件&螺旋桨的旋转，会造成相等的力量驱使机身在纵轴上往另一个方向滚转。

当飞机在空中时，为了补偿此一旋转的力量，有些旧型飞机会在往左侧机翼调整其升力作为补偿，现代的飞机则是引擎安装时偏移角度来应对（图一）。 飞行员应对：透过副翼与配平调整。

当飞机在地面上，此一旋转的力量会会让左边起落架承受更大的重量，造成更高的摩擦力（阻力），所以当飞机在跑道滑行时，会稍微向左前进。飞行员应对：透过方向舵与配平调整。

图一: Torque Reaction

2. Slipstream

当螺旋桨高速旋转时，会产生一股旋转的气流，尤其是在起飞/降落阶段（相对风速小、螺旋桨转速大），其气流施加在垂直尾翼的力道是非常明显的。 此气流作用在垂直尾翼上会造成机鼻方向向左偏移（图二）。与此同时，此气流也会施加在右侧机翼上，造成机身向右滚转。

3. Gyroscopic Action

所谓的陀螺仪效应，也就是物体旋转时，在一轴心上施力，会产生垂直于轴心的一股力道，称之为进动。 例子如下（图三）：https://www.youtube.com/watch?v=ty9QSiVC2g0

图三: Gyroscopic Action-example

红色： 力-旋转方向

黄色： 力-向上方向

绿色： 车轮轴心

蓝色： 垂直于车轮之轴心

橘色： 力-作用于蓝色轴心上

可以看到，作用在车轮轴心的力会产生垂直于轴心方向的旋转的力。 以飞机的例子做说明（图四），后三点飞机在起飞阶段时，机尾抬升（Applied Force）作用在飞机的纵向轴上，会使螺旋桨产生进动，造成飞机的垂直轴产生向左旋转的力（Resultant Force）。

图四: Gyroscopic Action

总结来说，任何垂直轴上的偏转，经由陀螺仪效应后会造成纵向轴上的俯仰。 而任何纵向轴上的俯仰，经由陀螺仪效应后会造成垂直轴上的偏转。

4. Asymmetric Loading (P-Factor)

会造成P-Factor的原因是由于飞机在高攻角状态时，向上与向下的螺旋桨对于气流有相对速度的差别，使得螺旋桨的拉力中心产生偏移。在高攻角时，对于飞机来说，除了前方来的风以外，还有往上吹的风。 在这样的情况下，向下的螺旋桨（右侧）会比向上的螺旋桨（左侧）多了许多相对速度，相对速度增加，亦即升力增加，使得向下的螺旋桨产生的拉力比向上来得多，最后让飞机的拉力中心向右偏移、飞机产生向左偏转的动作。

图五: Asymmetrical Loading (P-Factor)

Conclusion

在不同的飞行阶段，这四个要素对飞机的影响都不固定，因为牵扯到许多变因（攻角、引擎转速、控制面做动、飞行速度... 等）。 并且，机体设计上也会影响到这四个要素。 身为驾驶飞机的人，应该充分了解给予什么指令，飞机会产生如何反馈的认知，并且了解如何应对。

1. Torque Reaction(On Ground): 引擎转速↑，飞机向左偏移

Torque Reaction(In Flight): 引擎转速↑，飞机向左滚转

2. Slipstream: 引擎转速↑，飞机向左偏移、向右滚转

3. Gyroscopic Effect: 升降舵往上打（Pitch Up），飞机向左偏移

4. Asymmetric Loading: 引擎转速↑，飞机向左偏移

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引用数据 ：

图一: http://ffden-2.phys.uaf.edu/webproj/211_fall_2016/Collin_Lasley/collin_lasley/torque.html

图二: http://ffden-2.phys.uaf.edu/webproj/211_fall_2016/Collin_Lasley/collin_lasley/SpiralingSlipstream.html

图三: https://www.youtube.com/watch?v=ty9QSiVC2g0

图四: https://www.rapp.org/archives/2008/09/gyroscopic-precession/

图五: https://generalaviationnews.com/2017/09/27/revitalizing-the-172-and-ga/