螺旋槳 4：奇妙問題的各種對策

縮減螺旋槳的尺寸和質量可以直接減少反力矩，和陀螺效應所帶來的問題。 這就是為什麼人們在製造螺旋槳的時候總是會儘量在結構強度範圍內去輕量化螺旋槳的原因了， 同樣也是為什麼 旋轉發動機 ^[3] 誕生沒多久就被紛紛棄用的主要原因之一！ 不過關於螺旋槳的尺寸部份就有些兩難，螺旋槳是尺寸愈大效能愈好(以後會再分析解釋這部份)， 然而過大的螺旋槳卻會對飛機造成更多平衡上的問題挑戰； 過小的螺旋槳則雖然平衡的問題沒有了，但同樣會受到推進效率不足、推力不足的問題困擾。 因此實際對於螺旋槳大小的問題，需要通盤考量並折衷取捨。 那如果在有些應用上這個尺寸、質量降不下來呢，比方說直昇機？ 直昇機的主旋翼省不下來，就必須得造那麼大才夠用怎麼辦？ 這就是為什麼直昇機的姿態控制與運動行為更加複雜，並且需要額外一個小尾旋翼來平衡力矩的原因了！

其實飛機的舵面控制系統中本來就存在一種微調校正機制，也就是配平。 如果近距離觀察飛機的操作舵面(最好是那種傳統鋼纜控制的飛機，而不是線傳飛控電子控制的飛機)， 就能發現機翼上的舵片它自己還有一個更小的舵片(如圖 Figure 2 所示)，有種套娃的樣子。

這種被稱為「配平片」的東西最初的目的是用來修正誤差用的。 怎麼說呢？ 實際製造的飛機不可能如同理論圖紙那般的完美無缺，多少帶點誤差，多少帶點不對稱。 因此當你放手讓操縱杆回中的時候，理論上飛機應該要穩穩的保持歸正姿態飛行， 然而實際上通常飛機會稍微歪一邊(歪哪邊就不確定了)，而不能保持直線飛行。 這時就可以透過人為的調整配平去微調各舵面的置中位置(Natural Position)， 否則若沒有配平的存在，那麼駕駛員就得一直施力壓著桿子在某個狀態，才能夠維持飛機的姿態平穩。 當然一般人可能少有飛機的駕駛經驗，那我就用汽車來做類比解釋。 飛機的配平就像是汽車的四輪定位校正， 如果讀者有駕駛過那種久未妥善維護保養，車輪校正早已跑偏十萬八千里的那種車輛的經驗， 那麼應該就能夠明白飛機配平的意義與作用了。 缺乏車輪校正(妥善配平)的車輛(飛機)仍然能夠正常駕駛，只不過駕駛起來可能會有點辛苦！ 駕駛員必須永遠握緊方向盤(操縱杆)並時刻專心保持車輛(飛機)的行進動態，才能夠平穩前進。

既然飛機上已經存在控制面配平的機制， 那麼螺旋槳本身所造成的一些不對稱、不平衡的力能不能也算做是飛機本身的不對稱誤差， 然後使用配平來把它修正過來呢？當然可以！ 於是舵面的配平就成為校正螺旋槳偏向力的一種常用手段。 不過這只能夠用來對付那種會持續存在的穩定作用力， 比方說巡航狀態下的螺旋槳扭矩，巡航攻角下的偏航力矩等等。 至於其它情況下的飛行狀態，乃至於推拉桿的瞬間才會出現的臨時作用力等等就沒有辦法了， 應對這些動態的不平衡力還是有賴於依靠熟練飛行員的「手感」 去做出類似於肌肉記憶的適當補償動作。

此外舵面配平也不是萬靈丹，其也是存在自身的限制和代價。 比如說它只能夠在小幅度範圍內去做平衡對抗，對於過大的作用力則可能還是力有未逮。 此外配平的原理其實就相當於在你不推拉桿的情況下去自動幫你推拉桿到一定的角度， 也就是說它實際上是透過施力給舵面去偏轉角度來產生平衡對抗的作用力， 也就是說它會產生額外的阻力。

如果飛機上有偶數數量的螺旋槳的話， 那麼其實可以讓飛機對稱兩邊的螺旋槳互相反向旋轉，如上圖(Figure 4)所示， 這種方案就稱為「對轉螺旋槳」，其中著名的 P-38 戰鬥機就是採用這樣的設計方案。 如此簡單的讓兩邊螺旋槳往相反方向旋轉， 就可以直接對消掉絕大部份不對稱力，包括扭矩、側滑、氣旋、乃至陀螺效應等等， 幾乎所有的不平衡力都能被這樣簡單的設計給對消掉！

這方案看似挺美好，但也是存在一定程度的副作用。 首先是單引擎單螺旋槳飛機便無法採用對轉的方案， 其次是這樣的設計規劃會給製造裝配和維修保養帶來一定程度的成本負擔。 因為對轉螺旋槳對應的兩臺發動機旋轉方向不一樣， 從螺旋槳到引擎曲軸的許多零件都會需要區分左邊版本與右邊版本， 不論是對於製造的成本，或者是拆解維護的工時，或者是零件備料的倉儲負擔， 都會造成一定程度的加重。 因此 P-38 外銷給法國和英國的版本就被要求全部改成一律右旋的版本。

螺旋槳旋轉所產生的氣旋，除了會產生偏轉飛機的力之外還會降低推進效率， 因此如果能夠將螺旋槳後面的氣流導正過來的話，就可以同時解決這兩個問題。 其中一種方案就是直接安裝氣流導正葉片。 氣流經過導正之後消除了氣旋，成為更加筆直強勁的氣流， 提高推進效率之外也解決了氣旋帶來的不平衡力。

這個方案罕見在螺旋槳飛機上看到，但其實在某些其他應用用途上則可能相當常見， 例如在與螺旋槳一樣原理的渦輪風扇發動機，風扇後面就有排列一整圈的這種導氣葉片， 如上圖(Figure 5)所示。 其實要深究的話，渦輪發動機裡面的每一級定子葉片也擔負了相同的作用。 另外還有一種同樣的設計更加容易在日常生活中見到，那就是一般被稱為「循環扇」的電風扇(Figure 6)， 其風扇前面輻射狀的厚重防護網就是被刻意造成如同導氣葉片的形狀，擔負著導正風扇氣旋的作用， 從而使得能把空氣吹的更遠。

然而這個方案在常見的「飛機螺旋槳」這個用途上卻往往窒礙難行， 其原因與後面會提到的螺旋槳圍殼(涵道)相同， 因為螺旋一般尺寸較大，採用這些設計所帶來的好處不一定能抵過其多出來的結構重量和阻力。

顧名思義，同軸反轉就是用兩隻螺旋槳放在同一根軸上，並且各以相反的方向旋轉， 如圖(Figure 11)所示。

同樣使用一對旋轉方向相反的螺旋槳，但不同於對轉螺旋槳只是簡單的將兩具螺旋槳放在各自位置上， 同軸反轉螺旋槳顯得更加激進，將兩具螺旋槳安裝於幾乎要疊在一起的空間位置上。 因為兩槳共軸，因此被稱為同軸反轉螺旋槳。 與對轉螺旋槳相同，同軸反轉螺旋槳能夠對消所有的不平衡力如扭矩、側滑、與氣旋等， 因此採用這種設計的直昇機如 Ka-50 (Figure 10)就不再需要使用尾旋翼來作為平衡。 除此之外還比對轉螺旋槳多了一個效果：它還能對消螺旋槳的尾部氣旋！ 因此同軸反轉螺旋槳的推進效率更高，即便因此多出了齒輪結構等重量， 那些採用了同軸反轉螺旋槳設計或改裝的飛機，往往能夠跑出比其傳統螺旋槳版本更快的速度。

既然這種方案這麼好，那為什麼沒有被廣泛大量採用呢？顯然也是存在缺點的！ 首當其衝就是更加複雜和笨重的驅動結構，使得不管設計製造還是維護保休成本都更加高昂。 另外這種螺旋槳還有一個特色：非常吵！ 這是因為距離如此接近的兩個螺旋槳，葉片會週期性的非常靠近到幾乎重疊， 產生相當強烈的空氣擾動與擠壓效應，因此產生一個相當強烈的壓力突波，也就是聲音。 這就是為什麼所有採用同軸反轉螺旋槳的飛機都相當吵的原因， 甚至於傳言 Tu-95 轟炸機飛在大西洋上的聲紋還能被水底下的潛水艇聲納給捕捉到呢！ (至於存在同樣結構特徵的渦輪發動機，那一大堆的動子、定子葉片，難道就不吵嗎？ 其實渦輪發動機的音量也是真的大，只不過多了外殼的消音隔絕作用， 相比之下沒有曝露在外的同軸反轉螺旋槳那樣吵罷了！)

其實如果有機會近距離觀察單螺旋槳飛機或者其之精確圖紙，或者是有在玩遙控飛機的人， 可能會發現許多螺旋槳及發動機的安裝並不是對稱的，而是偏了一個方向， 這就是為了螺旋槳不平衡作用力所做的補償。

若不考慮機動動作過程的暫時性不平衡，而只考量大多時候穩定飛行時的不平衡狀態的話， 那麼會發現螺旋槳可能成份最大的綜合作用是給飛機一個左偏的力矩。 在只考量受螺旋槳影響最大的單螺旋槳、單發動機，且螺旋槳放在飛機頭的最常見配置下， 那麼如果把螺旋槳(包含整個發動機)稍微向右轉一個小角度， 這樣就能用不對稱的推力線產生的右偏力矩去平衡掉螺旋槳造成的左偏力矩，如上圖(Figure 12)所示。 此外在這類飛機上通常也會發現發動機不只角度偏右安裝，還會往下偏轉一個角度。 向下偏轉推力線同樣也是為了平衡的作用，只不過對付的不是螺旋槳所造成的不平衡， 而是平衡掉尾翼穩定系統在速度愈快的情況下會使機頭飄浮起來的作用力矩而做的補償。

既然發動機都能夠不對稱安裝了，那其它平衡舵能不能如法炮製？能！ 於是有些飛機的垂直尾舵也不是對稱設計的，而是整個舵面向左一個角度安裝的，如上圖(Figure 12)所示。 不過這裡補充一點，上圖為了示意的緣故所以畫了比較大的有點誇張的偏轉角度， 然而實際上發動機安裝偏角與舵面的安裝偏角通常只有約 0.X 度到 2 度左右的範圍而已， 若不仔細觀察還不是很容易發現的，不會像示意圖這樣的誇張明顯！

「原來造飛機可以不用完全對稱啊？！」「原來可以不對稱來解決問題啊？！」 思路一下子打開之後，莫名的對稱強迫症治好了之後，設計也就越發自由奔放。 其中當屬最為登峰造極的作品大概就是德國的 BV 141 了(Figure 13)， 它的外型似乎無聲的在訴說：「飛機本不應該對稱，因為螺旋槳本就不是對稱的東西！」 (其實 BV 141 這樣不對稱的造型雖然確實包含了，但並不完完全全僅只是因為螺旋槳的因素， 其中還有為了方便人員觀察的目的！) BV 141 的造型看似怪異，然而據聞駕駛過它的飛行員描述其駕駛之感受相當良好，流暢自然， 與其外表帶給人的突兀感受完全相反。 只不過這種不對稱的設計思路後來並沒有再被進一步發揚光大， 因為這種根本不對稱的設計主要就是來源於螺旋槳的不對稱特性造成， 而眾所皆知，噴射引擎佔據時代主角位置之後， 就沒什麼動機再去刁鑽「單螺旋槳在中大型飛行器的應用」這項主題了！

螺旋槳的槳葉尖端會發生氣流翻越所產生的誘導流，導致螺旋槳效率降低。 這個問題比較不一樣，它不像其它那些問題會導致不平衡、不對稱的作用力去干擾飛機的穩定與操控， 純純就是降低螺旋槳的氣動效能而已。

對於翼尖渦流，在現代民航客機上常可見到的翼尖裝置(如圖 Figure 14)就是用來改善這個問題的。 其作用原理就是阻礙氣流的翻越，或使渦流發生的位置更加遠離機翼。 然而很不幸的，螺旋槳的槳葉沒有辦法採用這樣的翼尖裝置方案。 因為螺旋槳的轉速實在太快，在滿功率運轉時往往尖端能達到或超越音速，加上強大的離心力作用， 大概沒有什麼裝置能夠在這種情況下簡單扛得住； 或者就算有，大概也免不了振動和平衡的問題。 因此翼尖裝置的方案沒辦法簡單的直接應用在螺旋槳上面。

既然這個渦流是從機翼尖產生的，那如果我把機翼的尖端做的小一點， 是不是就能讓渦流也小一點，改善渦流影響的問題呢？ 欸雖然聽起來有那麼一點「啊～這也能行？！」的驚嘆，然而實際上這麼做還真的能行！

所以那些講究機翼效率的飛機往往都喜歡把機翼造的細細長長的， 比如像上圖(Figure 15)那樣的滑翔機。 你可以這麼理解，把機翼造的長一點，可以讓渦流產生的位置遠離機翼核心區域，因此能夠改善渦流問題； 或者也可以理解為將機翼造得細，那麼尖端的尺寸(相比於整片機翼的比例)就縮小了， 也能減小渦流強度從而改善問題； 總之就是展弦比(也就是機翼的「展」、和「弦」的比值，或者也可以理解為長寬比)愈大， 愈能夠削減翼尖渦旋對整個機翼的影響。 而這也就是為什麼飛機螺旋槳的槳葉都喜歡造的細細長長的同樣原因。

單純的將機翼(比例上)造的細了確實可以改善尖端渦流的問題， 問題是機翼的面積也小了，升力(推力)不夠怎麼辦呢？ 於是有些更加講究登峰造極的飛機就會給機翼的形狀玩起花活兒！ 既然愈靠近渦旋的部份受影響愈大，愈遠裡渦旋的部份受影響愈小， 那我能不能夠將機翼按照受渦流影響的程度來不等比的縮減機翼的弦寬呢？ 可以！ 這就是機翼教科書上面所描述的橢圓形機翼，既擁有超小尺寸翼尖，也不至於讓機翼面積變太小， 例如經典的噴火式戰鬥機(Figure 16)就是將機翼造成這種形狀。 當然將機翼這麼造的話可能會苦了製造它的勞工們，也會增加建造的成本和時間， 於是也有一些稍微變化的沒有橢圓形那麼完美但設計製造比較經濟方便的變形， 例如 U-2 (Figure 17)採用了梯形的設計， 或例如零式戰鬥機(Figure 18)在梯形翼的基礎之上加上了半圓形的翼尖。

螺旋槳槳葉同機翼，那麼在了解了機翼形狀的設計原理之後， 是不是就突然明白為什麼飛機螺旋槳的槳葉都長成這些形狀(Figure 19)的原因了呢？ 螺旋槳的槳葉都造的細細長長，並且大部份喜歡在尖端部位做橢圓漸收或者半圓收口。 至於根部的縮窄主要是為了結構強度考量的因素， 在愈靠近根部的地方愈是設計成接近圓柱的截面形狀而使得其投影形狀看起來會變窄， 另一方面也是因為槳葉在靠近根部的位置其移動速度已經很慢了，對於推進的作用已經不大。

依靠槳葉的形狀可以相當程度的消減尖端渦流所產生的影響，但並不能夠完全消滅之， 如果要得到更好的渦流應對對策的話，還是需要在端面去想辦法破壞或限制渦流的發生。 前面說過螺旋槳本身因為高速旋轉的關係，實在難以在槳葉上面做什麼額外的裝置； 但是如果換個思路，如果我的葉尖裝置不放在槳葉上呢？ 如果把阻礙尖端渦流產生的屏障放在螺旋槳的外面，直接環繞一圈固定在那裡， 得，這就是「涵道螺旋槳」(Ducted Propeller)，或者「涵道風扇」(Ducted Fan)， 端看應用領域一般習慣稱呼為螺旋槳或風扇而定。

因為有這麼一圈環形護圈的存在解決了尖端渦流的問題， 因此採用了涵道設計的螺旋槳槳葉形狀通常就比較不受太多限制， 可以寬大一點、方正一點都沒什麼太大的影響。 這種原理的設計其實出現在相當多的地方，例如渦輪扇發動機的那個大風扇就是個涵道風扇(Figure 20)， 此外在各位家裡都有的電腦風扇也同樣是涵道風扇的設計(Figure 24)。

涵道螺旋槳效果這麼優秀，那為什麼在螺旋槳飛機上卻基本見不到呢？這就要說到缺點了！ 因為涵道設計的大問題就在於飛機的螺旋槳尺寸實在是太大， 硬是要罩上一圈更大的「渦流阻斷器」的話，螺旋槳的效能是優秀了沒錯， 但是相關裝置以及結構支撐器等等部件帶來的重量和阻力很可能最後得不償失！ 歷史上最為著名的嘗試可能就是 Stipa-Caproni 這架飛機了， 整架飛機的設計為了這個涵道的效果可謂是煞費苦心， 然而最後得到的卻是糟糕的飛行性能，因此後來就沒什麼人再去嘗試這樣的配置了！