螺旋槳 1：原理簡介

May 24, 2025

在有了一臺能夠提供強勁動力的發動機之後，我們還需要將旋轉的軸功轉化為真正前進的推動力量，這東西在汽車上叫作輪胎，而在飛機上便是本系列的主題：螺旋槳。

Figure 1. 螺旋槳透過旋轉的力量將空氣向後推出而得反作用力 ^[1]

螺旋槳的作用就是將軸的旋轉力量轉變為推動流體(空氣)向後吹的力量的設備。它的原理就和我以前介紹過的機翼升力原理 ^[2] 是一模一樣的，差別在於一個是平移、一個是旋轉。機翼是靠著飛機自己的快速往前跑來讓機翼切過空氣，並將相對氣流折轉向下，而螺旋槳是靠著自己旋轉起來快速切過空氣，將空氣向後壓。螺旋槳的工作原理和機翼一模一樣，這個意義表示我們可以完全沿用從前對機翼原理的理解，連相關的計算圖表與分析工具等都能夠同樣套用在螺旋槳上面。

此外在我們日常見聞之中，其實存在非常非常多那些我們可能不將它們稱呼為螺旋槳，但原理和螺旋槳一模一樣的東西。不過雖然螺旋槳的種類和應用用途不少，但本系列將聚焦探討的是那被使用在固定翼航空器上面，用來給飛機提供推進力的螺旋槳，也就是一般所謂螺旋槳飛機的螺旋槳。

Figure 2. UH-1 直昇機頭頂上巨大的旋翼 ^[3]

Figure 3. V-22 魚鷹機頂上可傾斜的，既當直昇機旋翼用、也當飛機螺旋槳用的巨大旋翼 ^[4]

Figure 4. 在輪船上安裝的巨大船用螺旋槳 ^[5]

Figure 5. 生活中隨處可見的電風扇 ^[6]

歷史

Figure 6. 阿基米德螺旋泵 ^[5]

在有記載的西方技術演進史中，現代螺旋槳在古代最早的雛型大概就是在西元前 200 年，阿基米德的螺旋泵了(如圖 Figure 6)。螺旋泵在當時被用來抽水使用，而同樣結構的東西直到現代也仍然被許多應用領域使用，如塑膠射出成型設備的加壓器等。

後來使用機械動力的蒸氣船舶被發明出來以後，螺旋泵很快也被嘗試使用在船舶上作為推進動力裝置使用。只不過在船上的使用情況與陸地上抽水不同，通常不會產生大範圍的位能變化，很快人們發現其實只要取用螺旋泵的一小截就可以了，剩下多餘的部份並不能夠再產生更多的動力，只會變成阻力累贅。於是在螺旋槳剛上船的那個時期，基本就是短短一小截螺旋泵的樣子(如圖 Figure 7)。直到近代早期的螺旋槳仍然能見到延續這個概念的影子(如圖 Figure 8)，不過此時螺旋槳形狀的發展也已經相當接近於我們現代人所理解認知的樣子了。

Figure 7. 1843 年某條船隻所使用的推進裝置，其實就是短短一小截的螺旋泵 ^[5]

Figure 8. 1845 年的 SS Great Britain 螺旋槳，基本延續最後一截螺旋泵的結構 ^[7]

從船上來到天空，除了模仿鳥類揮動翅膀的概念設計之外，最初見比較正經的升力機構大概就是在 1480 年代，達文西所設計的的直昇機了(如圖 Figure 9)！從達文西的直昇機設計圖中我們依然明顯可以發現，他的「空氣螺釘」(也就是我們現在所理解的螺旋槳)，基本就是將螺旋泵轉個角度垂直使用而已。不過如果脫離西方視角的話，其實在古老的中國，大約西元前 500 年就已經一步到位發明了與現代意義的螺旋槳一樣的設備：竹蜻蜓(如圖 Figure 10)。只不過可惜中國人的發明似乎僅止步於將它作為玩具使用，並沒有再繼續取得更多的進展。

Figure 9. 達文西直昇機 ^[1]

Figure 10. 竹蜻蜓 ^[1]

槳截面氣流

Figure 11. 在螺旋槳一處槳葉截面上，其裝置角、氣流、與攻角之間的關係 ^[8]

讓我們聚焦在螺旋槳的其中一隻槳葉的其中一處截面來觀察，那麼槳葉截面與推力線和氣流之間的關係大約就可以表示如上圖(Figure 11)所示。

在示意圖的定格畫面中，槳葉正好旋轉到這個位置，正在往下運動，而這個運動是由轉軸轉動螺旋槳所造成的，也就是圖中(Figure 11)以粉色標示為 Rotational Velocity 的箭頭。也就是說以槳葉的視角來看，有一股與它自己的運動速度一樣快的氣流正在反方向(由下往上)朝它吹來。由於槳葉本身帶有一個傾斜角度，也就是圖中以黃色標示為 Pitch Angle 的角度，因此槳葉在氣流的作用下會產生升力(推力)和阻力。槳葉產生的升力就是我們所謂螺旋槳產生的推力，也就是圖中以藍色標示的 Thrust 箭頭；而阻力就會變成螺旋槳轉動阻力的最大來源 (螺旋槳轉動阻力還包含很多，如轉軸摩擦力等，不過它們與氣流造成的阻力相比之下微不足道)，此阻力則由發動機所提供的轉矩來對抗，以維持螺旋槳持續轉動的能量。

由此可見，螺旋槳產生推力的原理就和機翼產生升力的原理是一模一樣的，只不過在畫示意圖的時候，一般機翼升力朝上，而螺旋槳升力(推力)朝側，方向不同而已。另一個不同就是飛機機翼是持續往一個方向移動，而螺旋槳是轉動的，但是在關注於一個極短的時間片段的情況下，如上面示意所描述的樣子，則兩者並沒有根本性的差異。因此對於螺旋槳產生推力(升力)和阻力的理解，完全可以回去參考我往期寫過的主題 ^[2]，這裡就不再花篇幅詳細解釋。

此外對於螺旋槳氣流，還有一項同樣重要的特性需要說明。由於螺旋槳在運作的時候，通常我們的飛機也同時在移動，也就是上面示意圖(Figure 11)以藍色標示的 Forward Velocity 箭頭。因此螺旋槳所感受到的相對氣流並不只是單純由 rotational velocity (粉色箭頭)產生而已，而是 rotational velocity 加上 forward velocity 所合成的氣流，也就是圖中以綠色標示的 Relative Wind；因此槳葉與氣流的相對夾角(也就是攻角)並不是圖中標示的黃色 Pitch Angle，而是綠色的 Angle of Attack。

Note	為了避免不必要的複雜度，這裡我們假設飛機前進速度的方向和螺旋槳的推力方向是相同的，不存在兩者之間有夾角的情況。並且在本系列主題中都將延續這個隱含的假設條件，也就是說除非有特別說明交代，否則都默認不存在帶有側滑的情況！

所以槳葉的實際氣流攻角會比它自己的裝置攻角還要小，至於多小則不一定了，得視飛機前進的速度(以下簡稱為飛行速度)和槳葉旋轉運動速度之間的關係而定。那麼在適當的情況下，槳葉攻角就有可能是負的，也就是雖然螺旋槳還在旋轉，但不只不能產生推力，反而還產生阻力！另外，螺旋槳葉片既與機翼相同，自然也同樣存在上表面氣流分離，也就是槳葉失速的情況，當攻角夠大的時候就會發生！

此外，不同於飛行速度所產生的氣流在整個螺旋槳盤面都一致(暫且拋開誘導氣流)，槳葉移動的速度是隨著槳盤面半徑位置的不同而變化的！白話解釋就是在同樣的轉速之下，愈靠近軸心的地方移動速度愈慢，而愈靠近槳葉尖端的地方移動速度愈快，如下圖(Figure 12)所示。那麼槳葉截面最適合(不過大也不過小)的攻角在整根槳葉的不同位置就是不一樣的了！而這就是為什麼大多數螺旋槳槳葉會製造成扭曲形狀的原因，如下圖(Figure 13)所示。

Figure 12. 螺旋槳槳葉的移動速度在不同的半徑位置上是不一樣的，愈往中心愈慢，愈往外圍愈快！ ^[9]

Figure 13. 槳葉不同位置截面的安裝角不同 ^[1]

其實除了飛行速度本身產生的相對氣流這個因素會使得螺旋槳槳葉有效攻角減小之外，螺旋槳自己產生的「誘導氣流」也會進一步減小槳葉有效攻角。但是有關誘導氣流的部份不論成因、解釋、還是計算都比較複雜，並且其影響在大多情況下可能不若由飛行速度所產生的影響來得更大，因此暫且空置這個部份，待到後續合適的主題時再來解釋其成因和影響，並在進階主題時才對其進行計算。如果讀者甚至不明白誘導氣流這個詞大概是個什麼意思的話，那麼可以暫且當作這東西不存在！

槳距

如果接觸螺旋槳飛機夠多的話，我想一定經常聽到「槳距」這個詞。但槳距是什麼呢？

Figure 14. 螺旋槳槳距定義示意 ^[10]

槳距的定義其實就是直接套用螺絲的「螺距」。也就是說假設螺旋槳不是在空氣中旋轉，而是在果凍中緩慢旋轉移動，不帶任何打滑的話，那麼槳葉的安裝角就會使螺旋槳像螺絲一樣帶著槳盤前進一段距離。當螺旋槳旋轉整整一圈的時候，盤面前進的這個距離就是槳距了，與螺絲的螺距一模一樣，如上圖(Figure 14)所示。

不過其實槳距的定義嚴格來說意義並不大，其目的更多的是給操作者(通常也就是飛行員)一個可以參考的大小而已！這麼說有兩個原因，其一是螺旋槳運作在空氣中，本身條件就和輪胎、螺絲等應用場景大相逕庭，其「打滑」的情況司空見慣，以至於將槳距對應到真實的飛機前近距離並沒有實際的參考意義；其二是整片螺旋槳不同位置的安裝角可能是不一樣的，它們的「螺距」可能互相並不一致，那麼又應該以誰為準呢？因此槳距這個詞其實意義更大的部份是在於幫助對螺旋槳某些特性上的理解，在實際操作應用上，其確切之數值亦無任何絕對性的意義，而是利用其相對的大小關係來給予操作者對於當前狀態的理解。

雖然槳距、螺距這兩詞在學理上效用不大外還有模稜兩可的空間，並且在工程和理論分析的用途上往往更有用的是直接定義每個截面位置的葉片角度，但由於它能夠非常簡單直覺且傳神的表達槳葉當下的配置狀態，因此在整個螺旋槳整體的視角之下，我們便仍然經常使用這兩詞來傳達一個相較模糊大約的螺旋槳狀態。那麼為了精減文字的緣故，也為了符合常見慣例，本系列文章也會經常使用這兩詞語。

在前一節我們已經知道了螺旋槳自己切過的氣流、加上因為飛機前進的氣流後的合成氣流，以及槳葉裝置角之間的關係，那麼許多問題就來了。首先是因為圓周旋轉的關係，一片槳葉在不同位置上的實際移動速度是不一樣的，這就導致槳葉不同位置的合成氣流角度是不一樣的，那麼螺旋槳要如何製造才能夠讓每一個位置的氣流攻角都是最適當的角度呢？這就是為什麼我們一般看到的螺旋槳槳葉都是扭轉的形狀的原因了(如圖 Figure 15)。這樣扭轉槳葉就能讓整片槳葉的每個位置都處在最適合的攻角之下。

Figure 15. 一戰時期飛機上的螺旋槳，注意槳葉扭轉的造型 ^[11]

但是除了上面的問題之外仍然還有其它的問題，比如隨著飛行速度的不同，也會導致槳葉氣流的角度改變。用白話文來說明就是在不同的飛行速度下，其實槳葉的最適合攻角也是不一樣的。那麼如何解決這個因為飛行速度不同而導致螺旋槳槳葉安裝角度需求不同的問題呢？解決方案主要有三種：

取捨折衷。也就是將槳葉扭轉角度設計適配一個最重要的飛行速度，至於在其它飛行速度下肯定表現會比較差，不過就算了！這是從萊特兄弟開始就一直採用的方案，直到變距螺旋槳發明之前都被大量使用(如圖 Figure 15)，就連到了現代也仍被用在許多低成本的用途上。
主動調整控制轉速以適配飛行速度。也就是說，當飛行的速度不一樣的時候，我們就透過改變螺旋槳的轉速去適配。這樣當飛機飛得快的時候就讓螺旋槳轉快一點，飛得慢的時候就讓螺旋槳轉慢一點，使槳葉攻角永遠保持在最適當的條件下。這方案看似很無厘頭，然而確實存在並且有應用價值，比方說當代渦輪發動機內的壓縮機葉片就是以這種方式來適配不同的氣流速度的。
採用可變距結構。如圖(Figure 16)所示，將每一片槳葉設計為可改變扭轉角度的結構，這樣在任何的飛行速度與任何轉速下，都可以透過機構去改變葉片的裝置角度，使得氣流總是處在最適當的範圍。這種螺旋槳也是從二次大戰前一直到現在，主流螺旋槳飛機所大量採用的設計方案。當然這種看似最完美的方案也同樣有其缺點，例如結構較為複雜且成本較高，對於承力結構的安全性也有一定程度的要求 (因此在許多地方的法規裡並不允許輕航機使用這種螺旋槳)。