航空知识

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。




图二: Slipstream



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


------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------


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/













苏ICP备2020069239号-1