飞机螺旋桨由两个或多个叶片和叶片连接到的中心轮毂组成。 飞机螺旋桨的每个叶片本质上是一个旋转的机翼。 由于它们的结构，螺旋桨叶片就像翼型，产生力，产生推力，将飞机拉过或推动飞机穿过空中。 发动机提供高速通过空气旋转螺旋桨叶片所需的动力，而螺旋桨将发动机的旋转动力转换为向前推力。

典型螺旋桨叶片的横截面显示在

与飞机机翼的横截面相当。 叶片的一个表面是弧形的或弯曲的，类似于飞机机翼的上表面，而另一个表面像机翼的底面一样平坦。 和弦线是从叶片的前缘到后缘的假想线。 与机翼一样，前缘是叶片的厚边，随着螺旋桨的旋转，与空气相遇。

叶片角度，通常以度为单位，是叶片的弦与旋转平面之间的角度，是在沿叶片长度的特定点处测量的。 [Figure 4-36] 因为大多数螺旋桨都有一个扁平的叶片“面”，弦线通常沿着螺旋桨叶片的表面绘制。 俯仰不是叶片角度，而是因为俯仰很大程度上由叶片角度决定，这两个术语经常互换使用。 一种的增加或减少通常与另一个的增加或减少有关。

螺旋桨的螺距可以以英寸为单位指定。 被指定为“74-48”的螺旋桨长度为 74 英寸，有效间距为 48 英寸。 间距是以英寸为单位的距离，如果没有滑移，螺旋桨将在一圈内将其拧入空气中。

在为新型飞机指定固定螺距螺旋桨时，制造商通常会选择一种以飞机预期的巡航速度有效运行的间距的螺距。 每个固定螺距螺旋桨都必须是一种折衷方案，因为它只能在给定的空速和每分钟转速 (rpm) 的组合下有效。 飞行员不能在飞行中改变这种组合。

当飞机在发动机运行时停在地面上，或者在起飞开始时缓慢移动时，螺旋桨的效率非常低，因为螺旋桨无法以足够的速度前进，以使其固定螺距叶片达到其全部效率。 在这种情况下，每个螺旋桨叶片都在 AOA 处旋转，该 AOA 产生的推力相对较小，用于转动它所需的功率。

要了解螺旋桨的作用，请首先考虑其旋转和向前的运动。 如图 4-36 中的螺旋桨力矢量所示，螺旋桨叶片的每个部分都向下和向前移动。 这种空气（相对风）撞击螺旋桨叶片的角度是它的 AOA。 该角度产生的空气偏转使螺旋桨叶片发动机侧的动态压力大于大气压力，从而产生推力。

刀片的形状也会产生推力，因为它像机翼的翼型形状一样弯曲。 当空气流过螺旋桨时，一侧的压力小于另一侧的压力。 与机翼中一样，在压力较小的方向上产生反作用力。 机翼上方的气流压力较小，力（升力）向上。 在螺旋桨的情况下，螺旋桨安装在垂直方向而不是水平面的情况下，减压区域在螺旋桨前方，力（推力）在正向。 在空气动力学上，推力是螺旋桨形状和叶片 AOA 的结果。

推力也可以考虑到螺旋桨处理的空气质量。 在这些术语中，推力等于所处理的空气质量乘以飞机的滑流速度减去飞机的速度。 产生推力所消耗的功率取决于空气质量运动的速度。 平均而言，推力约占扭矩的 80%（螺旋桨吸收的总马力）。 其他 20% 在摩擦和滑动中损失。 对于任何旋转速度，螺旋桨吸收的马力平衡了发动机提供的马力。 对于螺旋桨的任何单转，处理的空气量取决于叶片角度，这决定了螺旋桨的“咬合”空气的大小。 因此，叶片角度是调节螺旋桨上的负载以控制发动机转速的极好方法。

叶片角度也是调节螺旋桨 AOA 的极好方法。 在恒速螺旋桨上，必须调整叶片角度，以在所有发动机和飞机速度下提供最有效的 AOA。 为螺旋桨和机翼绘制的升力与阻力曲线表明，最有效的 AOA 很小，从 +2° 到 +4° 不等。 保持这种小 AOA 所需的实际叶片角度随飞机的前进速度而变化。

固定螺距和地面可调螺旋桨在一转和前进的速度下实现了最佳效率。 它们是为给定的飞机和发动机组合而设计的。 可以使用为起飞、爬升、巡航或高速飞行提供最大效率的螺旋桨。 这些条件的任何变化都会降低螺旋桨和发动机的效率。 由于任何机器的效率是有用功率输出与实际功率输入的比率，因此螺旋桨效率是推力马力与制动马力的比率。 螺旋桨效率从 50% 到 87% 不等，具体取决于螺旋桨的“滑移”程度。

螺旋桨滑移是螺旋桨的几何节距与其有效节距的差值。 [Figure 4-37] 几何间距是螺旋桨在一圈内应推进的理论距离； 有效音高是它实际前进的距离。 因此，几何或理论间距是基于没有滑移，但实际或有效的间距包括螺旋桨在空气中的滑移。

螺旋桨“扭曲”的原因是螺旋桨叶片的外部部分，就像所有围绕中心点转动的东西一样，比轮毂附近的部分传播得更快。 [Figure 4-38] 如果叶片在整个长度上具有相同的几何间距，则轮毂附近的部分可能具有负 AOA，而螺旋桨尖端将以巡航速度停转。 叶片几何节距的扭曲或变化允许螺旋桨在巡航飞行中沿其长度以相对恒定的 AOA 运行。 螺旋桨叶片被扭曲以与沿螺旋桨长度的旋转速度的差异成比例地改变叶片的角度，从而使推力沿该长度更接近均衡。

通常 1° 到 4° 提供最有效的提升/阻力比，但在飞行中，固定螺距螺旋桨的螺旋桨 AOA 会变化——通常在 0° 到 15° 之间变化。 这种变化是由相对气流的变化引起的，而这又是由飞机速度的变化引起的。 因此，螺旋桨 AOA 是两种运动的产物：螺旋桨绕其轴旋转和向前运动。

在飞行中遇到的大多数情况下，恒速螺旋桨自动调整叶片角度以获得最大效率。 在起飞过程中，当需要最大功率和推力时，恒速螺旋桨处于低螺旋桨叶片角度或螺距。 相对于风的低叶片角度使AOA保持小而高效。 同时，它允许螺旋桨每转处理较小质量的空气。 这种轻载允许发动机以高转速转动，并将最大量的燃料在给定时间内转换为热能。 高转速也产生最大推力，因为虽然每转的空气质量很小，但转速和滑流速度都很高，而且在飞机速度低的情况下，有最大的推力。

升空后，随着飞机速度的增加，恒速螺旋桨会自动变为更高的角度（或俯仰）。 同样，较高的叶片角度使 AOA 相对于风保持小而高效。 更高的叶片角度增加了每转处理的空气质量。 这降低了发动机转速，降低了燃料消耗和发动机磨损，并最大限度地保持推力。

在具有可控螺距螺旋桨的飞机上建立起飞爬升后，飞行员通过首先降低歧管压力，然后增加叶片角度以降低转速来降低发动机的功率输出以爬升功率。

在巡航高度时，当飞机处于水平飞行并且需要比起飞或爬升所需的功率更少时，飞行员再次通过降低歧管压力并增加叶片角度以降低转速来降低发动机功率。 同样，这提供了与降低的发动机功率相匹配的扭矩要求。 尽管每转处理的空气质量更大，但它被滑流速度的降低和空速的增加所抵消。 AOA 仍然很小，因为随着空速的增加，叶片角度已经增加。

4.8.1 扭矩和 P 因子 #

对飞行员来说，“扭矩”（飞机的左转动倾向）由四个元件组成，这些元件引起或产生围绕飞机三个轴中的至少一个的扭曲或旋转运动。 这四个要素是：来自发动机和螺旋桨的扭矩反应、滑流的螺旋效应、螺旋桨的陀螺作用和螺旋桨的不对称载荷（p 因子）。

4.8.2 扭矩反作用 #

扭矩反应涉及牛顿物理学第三定律——对于每一个动作，都有一个相等和相反的反应。 当应用于飞机时，这意味着当内部发动机部件和螺旋桨在一个方向旋转时，同等力试图使飞机朝相反的方向旋转。 [Figure 4-39]

当飞机在空中飞行时，这种力围绕纵向轴线，倾向于使飞机滚动。 为了弥补滚动倾向，一些较旧的飞机以一种方式被操纵，以在被迫向下的机翼上产生更多的升力。 更现代的飞机的设计带有发动机偏移以抵消这种扭矩的影响。

注意：从飞行员座位上看，大多数美国制造的飞机发动机顺时针旋转螺旋桨。 这里的讨论是参考这些引擎。

通常，补偿因素是永久设置的，以便它们以巡航速度补偿这种力，因为大多数飞机的运行升力都处于该速度。 然而，副翼装饰片允许对其他速度进行进一步调整。

在起飞滚动过程中，当飞机车轮在地面上时，扭矩反作用会引起围绕垂直轴的额外转动力矩。 当飞机的左侧因扭矩反应而被压下时，更多的重量被放在左侧主起落架上。 这会导致左轮胎上的地面摩擦或阻力比右轮胎上更多，从而导致向左进一步转弯。 这一时刻的大小取决于许多变量。 其中一些变量是：发动机的尺寸和马力、螺旋桨的尺寸和转速、飞机的大小以及地面的状况。

飞行员正确使用方向舵或方向舵修正了起飞辊上的偏航力矩。

4.8.3 螺旋效应 #

飞机螺旋桨的高速旋转给滑流提供了螺旋或螺旋旋转。 在高螺旋桨速度和低前进速度（如起飞和通电失速的方法中），这种螺旋旋转非常紧凑，并在飞机的垂直尾面上施加强大的侧向力。 [Figure 4-40]

当这种螺旋滑流撞击垂直翅片时，它会导致围绕飞机垂直轴的转动力矩。 螺旋越紧凑，这种力就越突出。 然而，随着前进速度的增加，螺旋会拉长并且变得不那么有效。滑流的螺旋螺旋流还会导致围绕纵轴的滚动力矩。

注意，由滑流的螺旋螺钉流动引起的滚动力矩在右侧，而由扭矩反作用引起的滚动力矩在左侧——实际上可能是一个反作用。 然而，这些力量差异很大，飞行员有责任始终通过使用飞行控制来采取适当的纠正措施。 无论当时哪个是最突出的，这些力量都必须得到抵消。

4.8.4 陀螺仪动作 #

在螺旋桨的陀螺效应可以理解之前，有必要了解陀螺仪的基本原理。 陀螺仪的所有实际应用都基于陀螺仪动作的两个基本特性：空间刚性和进动。 本次讨论的有趣之一是进动。

进动是当偏转力施加到其边缘时的旋转转子的由此产生的作用或偏转。 如图 4-41 所示，当施加力时，产生的力在旋转方向前 90° 生效。

飞机的旋转螺旋桨是一个非常好的陀螺仪，因此具有相似的特性。 任何时候用力将螺旋桨偏转出其旋转平面，产生的力在旋转方向上的前90°和施加的方向，导致俯仰力矩、偏航力矩或两者的组合，这取决于施加力的点。

这种扭矩效应要素一直与尾轮式飞机相关并被认为更为突出，并且最常发生在起飞期间尾部抬起时。 [Figure 4-42] 这种俯仰姿态的变化与对螺旋桨的旋转平面施加力的作用相同。 向前 90° 作用的合力导致绕垂直轴向左的偏航力矩。 这个矩的大小取决于几个变量，其中之一是尾部抬起的突然性（施加的力的量）。 然而，当向螺旋桨轮缘的任何点施加力时，就会发生进动或陀螺作用； 从旋转方向的应用点，合力仍将是 90°。 取决于施加力的位置，飞机向左或向右偏航，向上或向下俯仰或俯仰和偏航的组合。

可以说，由于陀螺作用，任何围绕垂直轴的偏航都会导致俯仰力矩，任何围绕横向轴的俯仰都会导致偏航力矩。 为了纠正陀螺仪动作的效果，飞行员必须正确使用升降舵和舵，以防止意外的俯仰和偏航。

4.8.5 非对称载荷（p 因子） #

当飞机以高AOA飞行时，向下移动的叶片的“咬合”大于向上移动的叶片的“咬合”。 这将推力中心移到支柱盘区域的右侧，导致绕垂直轴向左移动的偏航力矩。 为了证明这种解释是复杂的，因为在考虑飞机的 AOA 和每个叶片的 AOA 的同时，需要在每个叶片上处理风矢量问题。

这种不对称载荷是由所得速度引起的，它是由螺旋桨叶片在其旋转平面中的速度和水平穿过螺旋桨盘的空气速度的组合产生的。 当飞机以正 AOA 飞行时，右侧（从后方观察）或下摆叶片正在通过一个比影响左叶片或上摆叶片的合成速度的区域。 由于螺旋桨叶片是翼型，因此增加的速度意味着增加的升力。 下摆叶片具有更多的升力，倾向于将飞机的机头拉到左侧。

当飞机以高AOA飞行时，向下移动的叶片具有更高的合成速度，比向上移动的叶片产生更多的升力。 [Figure 4-43] 如果螺旋桨轴垂直于地面安装（如直升机），这可能更容易可视化。 如果根本没有空气运动，除了由

螺旋桨本身，每个叶片的相同部分将具有相同的空速。 随着空气水平地穿过这个垂直安装的螺旋桨，向前进入空气流的叶片具有比通过气流退出的叶片更高的空速。 因此，进入水平气流的叶片产生了更多的提升或推力，将推力的中心朝向该叶片移动。 可视化垂直安装的螺旋桨轴相对于移动空气（如飞机上）的较浅角度旋转。 然后，当螺旋桨轴与移动的空气完全水平时，这种不平衡的推力会变得成比例地变小并继续变小，直到达到零值。

这四种扭矩因素的影响随飞行情况的变化而变化。 在飞行的一种阶段，这些元素之一可能比另一个更突出。 在另一个飞行阶段，另一个元素可能更突出。 这些值之间的关系因不同的飞机而异——取决于机身、发动机和螺旋桨组合以及其他设计特征。 为了在所有飞行条件下保持对飞机的积极控制，飞行员必须根据需要应用飞行控制以补偿这些变化的值。