问题

螺旋桨飞机无动力滑翔时,让螺旋桨随风自由转动还是固定死产生的阻力大?

回答
飞机在无动力滑翔时,螺旋桨是自由转动好还是固定不动阻力小,这是一个很有意思的问题,涉及到空气动力学和一些实际的物理过程。咱们就来掰扯掰扯。

首先得明确一点,螺旋桨在飞机无动力滑翔时,它的主要角色已经不是提供推力了,而是变成了一个额外的空气动力学部件。它会受到气流的冲击,就像机翼一样。

情况一:螺旋桨自由转动

当螺旋桨自由转动时,情况会比较复杂。

有利的一面(理论上): 螺旋桨在气流作用下转动,如果转速合适,它可能会产生一定的“反向吸力”或者说一种“能量回收”效应。你可以想象一下,气流吹过桨叶,如果桨叶设计得当,转动起来就像一个微型的风力发电机,把一部分动能转化为旋转的动能。理论上,如果这部分转动能量足够大,并且能够以某种方式抵消一部分因螺旋桨本身形状带来的阻力,那么整体阻力可能就会降低。

不利的一面(实际情况):
不规则的转动和诱导阻力: 自由转动的螺旋桨,尤其是在没有发动机控制的情况下,它的转速会随着气流和飞机姿态的变化而变化。这种不规律的转动本身就会产生诱导阻力。想象一下,桨叶的每一段都在切割空气,并且角度在变化,这就像无数个小机翼在工作,但工作效率并不高,反而会因为桨叶尖端的涡流而产生额外的阻力。
“风车效应”: 在一些特定的角度和速度下,螺旋桨可能会变成一个巨大的“风车”。此时,它会主动地把空气“推”向一个方向,这会产生很强的阻力。就好比你逆风骑自行车时,如果车轮不转,风阻很大;但如果车轮转起来,但你并没有用力踩踏板,车轮的转动本身也会受到空气的阻碍。
螺旋桨自身的形状阻力: 即使不转,螺旋桨的桨叶也有其自身的形状阻力,就像一个没有升力的固定翼一样。但当它转动时,这个阻力还会叠加一些额外的因素。

情况二:螺旋桨固定死

当螺旋桨被固定住时,情况就变得直观很多了。

纯粹的形状阻力: 此时,螺旋桨就像是固定在飞机前方的一个“大圆盘”或者说是几个固定翼。它受到的阻力主要就是它的形状阻力和表面摩擦阻力。因为桨叶本身是有一定厚度和曲度的,气流流过它时会产生一定的阻力。

那么,哪个阻力大呢?

在绝大多数情况下,螺旋桨自由转动产生的阻力会更大。

为什么这么说呢?

1. 效率问题: 螺旋桨的设计是为了在发动机提供动力的前提下产生推力。它在无动力滑翔时的转动,并不是一个最优化的状态。没有了发动机的精确控制,转速很难控制在能够有效“回收”能量的范围内。大部分时候,它更像是在原地空转,或者被动地被气流带动,产生很多无用的力,这些力最终都会转化为阻力。

2. “风车效应”的普遍性: 飞机滑翔时,气流是迎面而来的。对于一个被动旋转的螺旋桨来说,很容易陷入“风车效应”。就像你用力去转动一个风扇,风扇转动起来了,但你还是得持续用力才能让它继续转下去,这消耗的力就是阻力。

3. 诱导阻力不可避免: 即使转动得比较平稳,桨叶的运动也会产生诱导阻力,这是固定翼飞机机翼在产生升力时不可避免的阻力。而螺旋桨在滑翔时,虽然可能试图产生一点点“负升力”或“负推力”,但效率极低,诱导阻力反而会很高。

实际工程中的处理方式

正是因为自由转动的螺旋桨在无动力滑翔时弊大于利,所以现代很多螺旋桨飞机在无动力滑翔(例如发动机失效)时,都会采取一些措施来减小螺旋桨的阻力:

恒速螺旋桨的“顺桨”功能: 很多先进的螺旋桨飞机装备了恒速螺旋桨。当发动机失效时,恒速螺旋桨控制器会将螺旋桨的桨叶角度调整到一个很大的角度(顺桨),使得桨叶几乎与气流平行。这样做的好处是:
大大减小了螺旋桨的迎风面积和形状阻力。
螺旋桨的转速被降到最低,甚至接近停止,从而也最大程度地减小了诱导阻力和风车效应带来的阻力。
你可以想象一下,如果把桨叶调得跟机翼一样平,气流几乎就是“滑”过它的表面,产生的阻力非常小,就像一个光滑的圆盘一样。

固定桨距螺旋桨(老式飞机): 对于老式的固定桨距螺旋桨飞机,一旦发动机失效,螺旋桨就只能自由转动。这种情况下,阻力确实会比较大。一些飞行员可能会尝试调整飞机的速度和姿态,试图找到一个相对有利的转动状态,但这效果有限。

总结一下:

让螺旋桨随风自由转动,就像是让它在无动力的情况下“瞎转”,这通常会因为不规则的转动、风车效应和诱导阻力而产生更大的阻力。

而将螺旋桨固定在一个角度(尤其是在滑翔时尽可能减小迎风面积,比如顺桨),则能显著减小它的阻力,让飞机能够滑翔得更远。所以,从减小滑翔阻力的角度来看,将螺旋桨固定在最有利于滑翔的角度(即最大程度减小阻力的角度)产生的阻力是最小的,而任其自由转动通常会产生更大的阻力。

这就像你推着一辆自行车,让车轮自由转动和让车轮抱死不动,虽然动起来不一样,但在你“不提供动力”的情况下,让它自由转动通常会因为各种内部的摩擦和空气阻力,反而让你觉得更费力。

网友意见

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大概分为三种情况吧

第一种是Fixed pitch propeller,螺旋桨角度不能改变,通常用在最初级的单引擎飞机。发动机没了也没什么办法,自然随风飘吧……

第二种是Constand speed propeller,由governor产生的oil pressure增加带动螺旋桨增大角度,这样在没有动力时,失去oil pressure,螺旋桨会自己回到角度最小的位置。这种螺旋桨通常用在稍好一些的单引擎飞机上。

第三种是Full feathering propeller,它也是由oil pressure控制螺旋桨角度,但是跟第二种相反的是,在oil pressure增高时,螺旋桨角度是变小的。因此在失去oil pressure后,螺旋桨会回到角度最大的位置,平行于空气来流,也就是通常说的feathering。此时这个螺旋桨产生的阻力是最小状态,通常这类用在双引擎飞机上,当失去一个引擎动力后,这边的螺旋桨进入feathering,最小化阻力,减小不对称性的偏航。

下面两张图来自

McCauley Propeller System Technology Guide

对constant speed propeller和full feathering propeller描绘得很清楚。楼主有兴趣可以阅读下这篇文章,对螺旋桨改变角度写得很清楚。

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