螺旋槳 5：前拉或後推

不論是機翼的升力或者是舵面的工作效力都是直接和氣流的速度有關的， 具體原理可以參考我曾經做過的機翼升力原理系列文章 ^{[6] [7]} ， 翼面所產生的力大小與氣流速度的平方成正比，無論是升力或阻力皆同。 因此當氣流速度愈低時，機翼產生的升力愈低，舵面產生的控制力道也愈低。 也就是說在低速狀態時，飛機的操控能力會比較差， 除此之外甚至於可能因為升力不足而無法將飛機舉升離地， 而前拉式佈局正好(稍微的)改善了這個問題！ 在考量飛機飛行速度較低的情況下，前拉螺旋槳正好製造了一股強烈的高速氣流吹過後面的機翼與尾翼， 使得即便在空速較低的情況下(當然低或高都是相對的)， 操控性具有一定程度的保留而不至於完全失去控制，機翼也能在螺旋槳氣流的作用下得到更多的升力。 而後推式螺旋槳在同樣低速狀態下的飛機控制能力就會比較差， 甚至因為無法獲得足夠的升力而不能夠維持飛行。

簡單來說就是前拉式螺旋槳可以在(相對於後推式)更低一些的飛行速度下達到升空條件， 也就是起飛距離更短些，進場降落的速度也更低些， 而後推式螺旋槳則相較需要更長的起降距離與更高的進場速度； 即便是在足以維持飛行的低速狀態下，前拉式螺旋槳可以保有一定程度的姿態控制能力， 而後推式螺旋槳則相對操控性較差，甚至可能會失去對飛機姿態的操控能力。

對於飛機來說，發動機是挺重的，尤其特別對於輕型小型飛機而言。 以前拉式佈局來說，發動機往機頭一放(因為機械結構的關係，發動機通常都得和螺旋槳放一起)， 整個飛機的重心就被往前拉了(參考上圖 Figure 3)。 這樣的重心位置可正好適合最傳統的尾翼式機翼佈局，將尾翼設計在長長機身的尾端。 正好因為力臂足夠長，因此尾翼並不需要太大的面積就能夠提供足夠的穩定性與操控性。

那如果是後推佈局呢？ 螺旋槳和發動機往後面一擺，得，整個飛機的重心往後拉了(參考上圖 Figure 4)！ 因為飛機的重心相當靠後，機體後面力臂過短，所以尾翼的面積必須得要造的相當大，無端增加阻力消耗。 此外可能比這個更大的問題是，螺旋槳擺在那裡礙事，尾翼要怎麼放呢？ 這就是為什麼我們通常見到的後推螺旋槳飛機通常都會採用鴨翼佈局的緣故。 因為飛機的重心太過靠後，後面沒有足夠的機身距離來作為穩定控制的力臂， 相反的重心前方的機身長度夠長，反而非常適合將穩定翼放在機身前方， 因此特別適合採用鴨翼佈局。 鴨式佈局本身具有一些缺點， 比方說設計與使用上的難度與限制比較多，極限條件的操控性不如尾翼佈局好等等。 嚴格說起來這其實是屬於機翼佈局的缺點而非螺旋槳後置的缺點， 然而因為前面描述過的原因使得使用螺旋槳後推佈局的飛機往往不得不搭配採用鴨式佈局， 使得這些缺點也默默連結成了後推佈局的缺點。

那麼如果我就是情有獨鍾傳統尾翼佈局，有沒有辦法在使用後推螺旋槳的情況下仍然使用尾翼佈局呢？ 答案是這樣也不是不行！ 一般通常有兩種狀況或方法可以在後推佈局的情況下使用尾翼佈局。 首先是當飛機的體型足夠大時，螺旋槳與發動機佈局和機翼佈局兩者的連結性就能脫勾， 例如下圖(Figure 5) B-36 轟炸機就屬於這樣的例子。 而若飛機體型嬌小，還只有單螺旋槳，還要堅持使用尾翼佈局，那就只能用第二種方法了。 加幾根延長結構去在空間上繞過螺旋槳的阻礙，然後將尾翼放在更後面的位置， 例如下圖(Figure 6) XP-54 戰鬥機就是這樣的例子。 當然這第二種做法會產生額外的副作用，如重量增加、額外的阻力和干擾等， 至於其副作用帶來的劣性影響是否值得划算？就得看計算的結果以及設計者的權衡了！

當然鴨式佈局也不是都是缺點，它也是有好處的。 這裡不詳細展開關於機翼佈局的內容，但總結摘要來說， 鴨式佈局雖然在極限狀態下的控制能力較差，但其系統內耗較少，整體空氣動力效率佳， 簡單說就是能讓飛機飛的更快、更省、更遠。 所以後推式螺旋槳飛機也不盡然都是被逼迫著勉為其難去使用鴨翼佈局的。 鴨翼佈局和後推螺旋槳兩者的優點不謀而合，對於速度和航程都具有正面的作用， 因此往往是自然而然的，兩者通常就這麼互相搭配一起並同時出現在一架飛機上， 形成一種奇妙的合作關係！

螺旋槳後置的一項缺點是通常會需要更長的起落架。 由於起落架需要承載飛機在著陸時候的衝擊力，對於緩衝和結構的承受力都有一定程度的要求。 如果不考慮其他因素而只考慮起落架本身的話，當然粗粗短短的起落架是最容易能扛住的， 細長的起落架就會給相關機構的設計帶來難度和困擾。 然而螺旋槳後置的方案卻往往會比前置方案需要更長的起落架！

因為後置的螺旋槳通常比前置的更容易敲擊到地面， 因此需要把飛機架離地面更遠才能夠有效防止螺旋槳觸地受損。 那麼為什麼放後面的螺旋槳更容易敲到地面呢？ 因為不論是在起飛離地還是降落觸地的時候，飛機往往都是拉抬機頭的姿勢，頂多是幾乎持平 (一般絕大部份正常情況是沒有低頭離地或落地的)。 所以前置的螺旋槳可以被舉的更高而離地面更遠，反而後置螺旋槳就有點危險了，會距離地面更近！ 同樣的道理， 前置螺旋槳可以搭配前三點起落架(例如 Figure 7)，也可以搭配後三點起落架(例如 Figure 8)。 (因此古時候的飛機都喜歡採用後三點起落架，因為簡單又節省； 當然這裡說的是指對於設計製造而言，而不是對於在地面上駕駛它的人而言！) 但是採用後置螺旋槳的顯然就不能夠搭配後三點起落架了，只能夠使用前三點； 並且在後面主起落架必須把機體架的離地面夠高的情況下， 前起落架往往得再架的更高，才不至於讓機頭下墜， 例如 J7W1 震電戰鬥機就是相當鮮明的例子(Figure 9)。

當然除了把起落架弄長之外其實還有另一個解決方法， 那就是限制螺旋槳的尺寸，不要用那麼大的螺旋槳， 例如下圖(Figure 10)的 Velocity XL 就沒有像震電戰鬥機那樣誇張長的起落架。 只不過採用小尺寸螺旋槳的副作用就是以犧牲螺旋槳的效率來作為代價的(具體原理往後再談)。

螺旋槳放後面還有最後一項缺點，那就是不利於跳傘逃生！

當飛機損壞或在戰鬥中被擊傷而駕駛員欲棄機逃生的時候，拉開駕駛艙蓋往外一跳， 得，等待你的就是在後面可能仍在高速轉動的螺旋槳切刀！ 當然從描述來看就能知道這項缺點主要體現在軍用戰鬥機上面， 至於如果是民用飛機或雙發動機以上的軍用飛機則無此問題。 而在歷史上採用後推螺旋槳的戰鬥機都同樣面臨駕駛員難以跳傘逃生的問題， 往往需要搭配螺旋槳爆破裝置或彈射式逃生座椅來解決這個問題； 或者讓駕駛員懷抱著與飛機共存亡的使命踏進駕駛艙！

螺旋槳飛機採用前拉式或後推式動力佈局，在中、小型飛機， 特別是單發動機的小飛機上面的影響差異相當大， 也是在此前提下更加具有討論價值； 至於在中、大型等多發動機的飛機上，採用前拉或後推的影響差異較小。

採用後推螺旋槳的好處是動力系統效率較好，使得速度較快、航程較遠， 特別是在搭配鴨式機翼佈局的情況下能夠更進一步放大前述的優點！ 缺點則是起降距離較長，起飛與進場速度較高，以及低速下的飛機控制能力較差， 不能進行高攻角機動動作(在不考慮現代飛控電腦干預下的靜不穩定設計條件下)， 並且起落架的設計佈置和耐用性的困擾較多，以及不利於跳傘逃生等。 雖然說採用前拉與後推動力佈局各有優缺點，但是以結果論， 當今絕大部份小型飛機都採用前拉式動力配置的現實已經告訴了我們， 前拉式螺旋槳在大多情況下是更加廣泛適用的選擇。