螺旋槳 3：各種奇妙問題

為了避免需要重複解釋同樣的邏輯， 因此在探討螺旋槳產生的各種奇妙反應之前，得先來解釋關於螺旋槳旋轉方向的問題。

「螺旋槳是向著哪個方向旋轉的呢？」

這個問題的標準正確答案是： 「不知道，看你想讓它怎麼轉都可以！ 不過話雖如此，然而在特定的應用上確實存在一般的慣例。」 以飛機螺旋槳來說，大部份的螺旋槳是右旋的。 也就是說以一般常見螺旋槳安在飛機頭的情況來說，當你坐在駕駛座位上向前方看的時候， 那麼就會看到螺旋槳是順時鐘旋轉的。 如果螺旋槳是安在飛機後面的話，那麼從座位扭頭向後看，會看到螺旋槳也同樣是順時鐘旋轉； 不過若站在同樣的飛機外面，從飛機尾巴後面觀看的話，那麼會看到螺旋槳是逆時鐘旋轉的。

那麼在以下各種情況的探討中，便會預設使用一個同樣右旋的螺旋槳。 當然實際上也可以安裝個左旋的螺旋槳，那麼所描述的各種現象就會對稱反向過來； 不過除非有特別描述交代，否則以下探討都將假設在使用了右旋螺旋槳的情況下。

牛頓告訴我們力與反力是同時成對存在的。 那麼當我們用發動機對螺旋槳施加力矩使其旋轉的時候， 自然就會有一股大小相等、方向相反的力矩施加在我們的飛機身上， 如同上圖(Figure 1)所示意的 Reaction，給飛機施加一個向左滾轉的力矩。 這個力矩有多大呢？力與反力大小相同，也就是說發動機此刻正好輸出多少扭矩，那麼反扭矩就是多少； 換句話說基本就是油門推推愈大則反力矩同等愈大。 這就是為什麼單引擎小飛機在低速準備進場降落的時候，如果遇到什麼狀況想要放棄降落重飛的話， 那麼油門一推，飛機就容易左翻(因為大部份螺旋槳是右旋的)的原因！

螺旋槳的作用就是用來把空氣加速向後推出去， 因此空氣在經過螺旋槳盤面之後會被加速，在螺旋槳後面形成一股高速氣流，如上圖(Figure 2)所示。 並且注意到，螺旋槳前面受影響而被吸入槳盤的氣流範圍(也就是隱形的虛擬流管管壁直徑)是比較大的， 而從後方噴出的高速氣流則其範圍會縮窄，這個現象會對飛機的性能特性產生相當大的影響。

這個現象是由於流體的連續性而造成的。 氣流被加速往後吹跑了，那總有人(其它周圍的空氣)要進來補充空間吧，否則不就變真空了？ 既然螺旋槳前面的氣流流速比後面慢，自然只能夠擴大吸拉空氣的面積範圍，才能夠維持盤面進出的空氣流量相等啦！ 況且螺旋槳並不改變前後氣流的壓力、密度，至少理論上也不會改變氣流的溫度， 因此唯一只能讓前方吸入更大範圍的空氣才能夠維持前面進入的空氣量和後面出去的空氣量相等， 而這就是開頭所謂的「流體(質量)連續性」。 這就是為什麼螺旋槳前面吸氣的範圍會擴大的原因， 並且其實相同的原理也同樣是螺旋槳後面氣流寬度會收窄的原因。

另外，以上所描述的原理與現象並不只出現在螺旋槳上面， 只要任何前面吸氣後面噴氣的動力裝置其實都會產生同樣的現象。

那麼離開螺旋槳的這股高速氣流會給飛機帶來什麼影響呢？ 考量到一般常見的配置都是將螺旋槳放在前方的情況， 那麼這股高速氣流就會吹襲在後面的飛機機身、以及機翼、尾翼等各部位， 造成一股把飛機給向後推拉的阻力，降低飛行速度，也同樣降低飛行效率。

空氣在經過螺旋槳盤面之後不只會被向後加速，也同時會被螺旋槳給攪動旋轉起來， 因此在螺旋槳後面的噴流並不是簡單的直線向後吹的高速氣流，而其實是被扭轉旋轉的螺旋氣流。

為什麼空氣經過螺旋槳後會旋轉起來呢？ 這是因為螺旋槳槳葉產生的氣流阻力，在槳葉運動的時候拖拽拉扯空氣，而使空氣被拖動而旋轉起來的。 回顧我曾解釋過的機翼升力原理 ^[2] ， 即便是考慮一個外星人製造的機翼，不存在任何摩擦阻力，完全不消耗氣流動能， 而僅僅只是改變氣流方向而已，它也會產生阻力。 這個阻力的來源是來自於機翼將下圖(Figure 4)所示的水平方向速度分量給減速了， 並且這張圖展示的是如前所述的完美無摩擦狀態，而實際上因為摩擦等其它阻力項的存在，水平速度會減少更多！ 那麼將所示的這個同樣原理放回螺旋槳槳葉上， 可不就是當槳葉在移動(轉動)的時候，會導致拖拉空氣跟著它移動的方向一起動起來、旋轉起來的原理了！

螺旋槳所產生的這個旋轉氣流會對飛機產生什麼樣的影響呢？ 首先這氣旋吹在機身上肯定會造成一個令飛機右滾轉的力矩， 不過因為驅動螺旋槳旋轉本身就會產生左滾的反力矩， 因此氣旋所造成的這個右滾力矩可以被部份對消，影響反而不大。 第二個影響則是這個氣旋吹打在機尾的垂直尾舵上，會導致產生一個使飛機向左偏航的力矩， 如同上圖(Figure 3)所示，而這才是氣旋給飛機操縱帶來的真正較大影響。

槳尾氣旋除了會吹在舵面上造成偏轉飛機的力之外，還會導致螺旋槳的效率降低，以及使得飛機阻力增加！ 對於螺旋槳效率的部份， 簡單的理解就是螺旋槳將發動機給予的能量施加在空氣上，使空氣向後加速而得到反作用力， 然而有空氣實際上卻不是直直被往後加速的，而是有一個分量跑到別的方向去了(使氣流發生旋轉)。 空氣在其它方向的加速對於推進沒有作用，然而它卻確實需要吃掉螺旋槳提供的能量， 成為一種無用的消耗，使得效率降低。

對於造成阻力的方面，考量一般最常見的螺旋槳放機頭的情況。 氣流吹在飛機身上本就會產生阻力， 螺旋槳吹出來的氣流速度肯定比飛機本身飛行速度所帶來的相對風速更快得多，因此阻力又更大了。 等於螺旋槳前面好不容易吹出來用以推進飛機的高速氣流，立馬後面就被飛機的本體給吃下來， 成為拖後腿的阻力。 這部份在前面的螺旋槳噴流影響那邊已經解釋過， 然而雪上加霜的是這個氣流還不是直直吹的，而是帶旋轉的！ 這種帶角度吹向機翼和尾翼所產生的阻力又要比直直吹過去所產生阻力更大了！ 因此槳尾氣旋不只會降低螺旋槳本身的效率，還會因為氣旋的效果而增加飛機的阻力。

機翼透過在上下兩面製造壓力差而產生升力，這點以前解釋過 ^{[2] [4]} 。 在二維機翼剖面的分析中我們知道上下翼面的氣壓差被機翼給阻隔了。 然而現實世界的機翼是處在三維空間的，機翼總是有個盡頭結束的地方，也就是兩邊的尖端， 那麼機翼下面的高壓就會翻越機翼尖端的邊緣而充填入上翼面的空間， 這就產生了如上圖(Figure 5)所示的翼尖渦旋。 既然說螺旋槳槳葉就和機翼是一樣的，那麼機翼翼尖渦旋的這個現象也同樣會出現在螺旋槳上面， 也就是本節所述的槳尖渦旋。

這個渦旋的存在會導致什麼樣的影響呢？會導致螺旋槳的功效降低！ 用比較白話直覺的方式來說， 槳葉下翼面的高壓被洩到上翼面去，會導致上下壓力差減小，自然導致產生的推力會縮減。 從另一個方向來理解，在前兩篇 ^{[6] [7]} 中， 我們已經知道螺旋槳槳葉上的氣流主要受到螺旋槳旋轉轉速、和飛機前進的空速的共同影響。 而用比較學理的話來說，就是槳尖所形成的這個氣旋會在槳葉上產生一個與飛機空速相同方向的氣流， 也就是說它把槳葉所感受到的空速氣流給放大了，如上圖(Figure 6)所示。 這會導致什麼結果？導致槳葉上的氣流攻角變小！ 比方假設現在槳角擺了 45 度，理論上氣流攻角好像是 45 度， 但是因為飛機本身在移動的關係，所以還要疊加上氣流速度的影響，使得實際的氣流攻角只有比方說 30 度； 然而還有一個槳葉葉尖製造的渦流影響還沒被考慮，若將渦流所誘導造成的這個流速給加進來的話， 那麼實際的槳葉攻角可能就變成比方只有 15 度。 最後結果就是升力(推力)變更小了，阻力(扭矩)卻變更大了！

這個額外的氣流是由於槳尖製造的渦流所誘導產生的，因此就被稱為「誘導氣流」， 就是我在之前文章 曾經稍微提及 ^[6] 卻沒有解釋的那個誘導氣流。 而因為誘導氣流所造成的額外阻力，就被我們稱為「誘導阻力」。 另外，這個誘導氣流的來源並不只來自於某支槳葉它自己，而是所有的槳葉都會製造槳尖渦流， 也同樣所有槳葉都會受到全部渦流的綜合影響。 因此螺旋槳的槳葉數量愈多時，其實效率會愈低！

通常我們在介紹螺旋槳或思考螺旋槳相關效能什麼的時候，往往都有意無意的忽略側滑氣流， 然而實際上側滑氣流確實經常會存在，也確實會給飛機的操縱性造成一定程度的影響！ 比方在發生如上圖(Figure 7)的飛行動作的時候， 飛行速度所產生的氣流就不是垂直吹在螺旋槳盤面上的，而是帶有一個夾角。 這樣的話，我們可以將氣流分解為兩個分量， 一部份仍然是垂直於槳盤的氣流，另一部份則是完全平行於槳盤的氣流(如上圖的青色短箭頭)。 對於那垂直盤面的氣流會產生什麼作用，我們已經介紹過很多，相信已經非常熟悉了，就不多贅述； 而那平行於盤面的氣流就是本節重點所在：側滑氣流。

側滑的氣流會使得槳葉受到不平均的氣流加減速效果。 以上圖(Figure 8)來作為說明示例，螺旋槳槳盤上有一股側滑氣流從圖片的上方往下吹來， 那麼當槳葉轉動到右側位置的時候，槳葉的運動方向面向直吹而來的側向氣流， 使得槳葉所受到的實際風速更大，因此槳葉在這裡會得到更大的升力； 相反的，當槳葉轉動到左側位置的時候，槳葉的移動方向與從槳葉背面吹來的側滑氣流同向， 使得槳葉受到的實際風速降低，因此槳葉在這個位置的時候升力減小。

如此我們就知道，當側滑氣流作用在螺旋槳盤面上的時候，會造成槳葉在不同位置上產生的升力不平均的結果。 以上圖(Figure 7)飛機正在以向右偏航的姿態側滑的情況來說， 螺旋槳盤面上就會出現一股從左到右的側滑氣流。 考量到螺旋槳旋轉方向一般為右旋的情況， 因此飛機的螺旋槳盤面在下方的部份就會產生比較大的推力，而盤面上方的推力則降低， 綜合的結果就是帶來一股使飛機仰頭的力矩。 以此類推，當拉桿使飛機抬頭以正攻角的姿態飛行時， 螺旋槳盤面上的側滑氣流就會產生一股使飛機向左偏航的力矩。 這就是為什麼在玩一些比較擬真的飛行遊戲時，當我們擺動操縱杆試著讓飛機往我們想要的方向改變姿態的時候， 飛機卻總是會在直覺預期之外的方向也產生反應的原因，之一。 不過好在對於螺旋槳飛機來說，一般通常這樣的側滑偏角都不大， 一般情況可能約就幾度左右的範圍，所以影響確實是存在但份量有限； 然而在有些應用上，比方說直昇機，那麼側滑現象就是相當稀鬆平常並且佔據份量了！

螺旋槳作為一個高速旋轉的質量塊，自然會產生陀螺效應。 陀螺效應實際上為兩種特性：定軸性(inertia)和逆動性(precession)。 其中的定軸性就是陀螺轉軸會傾向於維持方向而抗拒改變的特性， 也就是說如果要施力改變轉動軸的指向的話，會感受到比陀螺不旋轉的時候更大的轉動慣量。 定軸性造成的影響是在我們想要改變螺旋槳轉軸的朝向時，也就是俯仰與偏航操作時，會受到較大的慣性阻力。 不過因為螺旋槳質量佔比整個飛機很小，並且產生的影響也是各方向均勻一致的， 因此通常影響微小，一般也會直接忽略掉這一部份。

飛機螺旋槳真正比較有感的陀螺效應是其中的逆動性部份， 就是當我們施加一個力矩在陀螺身上的時候，會在順著陀螺旋轉方向偏移 90 度的位置產生反應力矩， 使得陀螺受力而偏轉(或傾倒)的方向和我們施力的方向不一樣，如上圖(Figure 9)所示。 在實際的飛機上，高速旋轉的螺旋槳本身就是個大陀螺， 因此當我們操作俯仰或偏航時，都會因為陀螺的逆動性而產生額外的動作反應。 例如在下圖(Figure 10)的示例中，當操作尾舵使飛機低頭的時候， 就會因為螺旋槳的陀螺效應而產生一個使飛機向左偏航的力道。

不知有沒有人注意到？ 欸這陀螺效應產生的力矩，和螺旋槳側滑效應產生的力矩好相相反啊，那它倆不就互相能消抵了嗎？ 答案是不能！ 且先不說兩者產生的不平衡力可能並不相等，它們產生的時機也是不一樣的。 陀螺效應在有加速度的時候產生，也就是說只在正在操作飛機改變姿態的當下產生， 而側滑效應只和側滑角度有關係。 意思就是說比方當我拉動操縱桿讓飛機抬頭的時候， 除了當然會有主要的抬頭的力道之外，也會感受到一股使飛機向右偏航的力道，這是由於陀螺效應所產生； 然而當飛機往上抬頭的這個動作做完，現在一直維持固定抬頭攻角飛行的時候， 陀螺效應就沒有了，這時會感受到的主要偏航力量可能來自於側滑效應，會施加給飛機向左偏航的力道。 因此這兩者雖然給飛機造成的擾動方向相反，但並不能夠彼此對消，而是會在不同的時間點跳出來！

如此這般，螺旋槳的這些特性給飛機帶來的影響主要分為兩個部份：使推進效率降低、以及使操控反應複雜化。 其中關於效能和效率的部份，主要是工程師們要去解決的問題， 並且這些問題的存在並不會產生「不對稱」、「不協調」的不良影響， 因此對於實際操作的飛行員視角來看反而不是什麼需要在意的重要事情。 對於第一線操作飛機的飛行員來說， 更加重要的是螺旋槳的這些這樣那樣的特性給飛行操縱所帶來的複雜性和迷惑性， 特別是在未經熟練的飛行員操縱下經常會產生許多並不符合直覺的複雜反應， 若搭配「合適」的飛行條件狀況的話甚至容易發生事故。

比方說在螺旋槳飛機大行其道的二次世界大戰時期，小機身配上單發大馬力的戰鬥機的這些螺旋槳效應就特別明顯。 如果再加上低速起降時飛機不易控制，還特別需要油門時大時小推來推去的操作條件， 再加上起降環境本身又窄小嚴苛的情況下，比方說航空母艦上的起降，就特別容易發生事故！ 也因為大部份螺旋槳都是右旋的關係，當在航空母艦降落時若突然出個什麼事要重飛還什麼的， 油門一推大，飛機就容易往左偏或往左翻。 這就是為什麼航空母艦的艦島大多喜歡蓋在右側而非左側的主要原因了， 因為在左側容易被降落失敗的飛機突襲！ 此外螺旋槳的陀螺效應也是為什麼一戰時期的 旋轉發動機 ^[9] 曇花一現後很快就被放棄掉的原因，之一。 因為發動機本身就是質量相當大的東西，再整個旋轉起來導致飛機的陀螺效應相當嚴重， 起降時相當容易出事故，特別容易害死菜鳥飛行員！ (不過其實當時的時代下整個航空都還在萌芽探索時期，導致飛行員意外的因素是遠不只單單這麼一項就是了！)