环形螺旋桨如何影响航空航海领域

这些奇怪形状的扭曲环形螺旋桨看起来像是航空和航海领域的革命性进步。它们比传统的螺旋桨在空气和水中都要安静得多，而且效率也有了巨大的提升。

螺旋桨的设计目的是携带流体，通常是空气或水，并利用旋转运动推动流体通过。从某种意义上说，它们是从阿基米德的螺旋进化而来的，在阿基米德在公元前234年描述它之前，古埃及人可能已经使用了数千年。

然而，对于以旋转为设计目的的设备，很长一段时间以来几乎没有革命性的设计变化。螺旋桨是由几个高速旋转的叶片组成的机械装置，可以使飞机或水上交通工具移动一段距离。螺旋桨驱动的飞机仍然使用扭曲机翼叶片的螺旋桨，其设计与2400年前中国孩子们喜欢的竹直升机类似，与莱特兄弟1903年在风洞中开发的木质螺旋桨相比，效率的提高令人惊讶。船只仍然使用螺旋式螺旋桨，其变体可以追溯到18世纪。

几个世纪以来，人类一直在优化这些引擎。尽管如此，在过去100年中，变化似乎已经趋于平稳，这促使一些公司和机构测试新的迭代，被称为环形螺旋桨，这可能会给航空和航海领域带来革命性的变化——特别是无人机和船只的性能。

麻省理工学院林肯实验室(MIT Lincoln Laboratory)和美国Sharrow Marine公司利用传统旋翼的两个最具挑战性的特征——嗡嗡作响的噪音和过时的效率——提出了扭曲的环形螺旋桨设计，可以在不浪费能源的情况下极大地降低噪音，同时最大限度地提高性能。以下是每个团队设计模型的方式。

Sharrow MX™螺旋桨

Sharrow marine的螺旋桨技术

在流体力学方面，Sharrow Marine公司开发了一系列螺旋桨，大大推进了19世纪30年代后停止的旋翼桨技术。这些设备被设计成扭曲的环而不是传统的桨叶，“解决了旋转推进的最基本问题”。该公司解释说：“叶尖空化和涡流已经消除或显著减少，改变了整个驾船体验。”

Sharrow CX-1™双螺旋桨

Sharrow Marine对36 ' Twin Vee进行了测试，配备了两台Yamaha 300马力舷外发动机。数据表明，与传统螺旋桨相比，在中等转速的水中，Sharrow Marine螺旋桨效率的提高是荒谬的，它填补了船只加速曲线中的一个明显空洞，节省了大量的能量。

Sharrow MX™适用于150- 450 HP舷外机和艉轴驱动器，Sharrow NX™适用于舷内应用(直径25-60英寸)，Sharrow CX-1™双螺旋桨是船舶制造商通过公司自己的计划提供的独家型号。Sharrow公司使用数控机床根据舷外/舷内的行业级标准生产其产品。

麻省理工学院林肯实验室为无人机设计的无声环形螺旋桨

从水里再到空中，麻省理工学院林肯实验室的一组研究人员在2022年的研发100奖获奖设计中提出了一种环形螺旋桨原型。这作为一种封闭、扭曲的设计，麻省理工学院的发明允许像无人机这样的多旋翼无机几乎无声地飞行，这种飞机以其烦人的嗡嗡声而闻名。林肯实验室团队写道：“通过使无人机减少噪音干扰，这种螺旋桨可能会加快此类飞机在广泛用途中的接受程度，例如，空中交付、电影拍摄、工业或基础设施检查以及农业监测。

环形螺旋桨可以降低1-5千赫范围内的噪声水平

该实验室结构和热流体工程小组高级成员托马斯·塞巴斯蒂安博士测试了一架由“离子”提供动力的静音飞机，这种降噪环形原型应运而生。塞巴斯蒂安解释道：

“众所周知，螺旋桨噪音很大。我们可以看看机翼是如何工作的。早在20世纪初和第二次世界大战期间，当人们对固定翼飞机提出各种疯狂的想法时，有一些基本上是这些环形机翼设计。所以我想知道如果你把一个环形机翼变成一个螺旋桨会是什么样子。”

“我们想出了这个最初的概念，使用环形形状，希望能制造一款更安静的螺旋桨。我有一名非常出色的实习生，他赞同这个想法。他利用这个概念，并使用3D打印机进行了一系列迭代。”

麻省理工学院林肯实验室屡获殊荣的环形螺旋桨

其结果是噪音大大降低，达到了1-5Hz的频率，使无人机的飞行听起来像是远处的呜呜声，而不是嗡嗡声。这背后的原因是不寻常的扭曲设计会扩散涡流，我们认为让螺旋桨更安静的关键是，现在螺旋桨产生的气旋分布在整个形状上，而不仅仅是在叶尖。”这使得它在大气中有效地更快地消散。“气旋不会传播太远，所以你不太可能听到它。”

新型螺旋桨的一些关键特征是，在人类最敏感的频率范围内，噪音大幅减少，并且在不需要增加重量和增加功率消耗的额外组件的情况下，噪音显著降低。

虽然仍处于实验阶段，但这种环形螺旋桨有望在商业航空服务领域进行大规模生产，包括空中运输、电影摄影、工业或基础设施检查以及农业监测。

更重要的是，它们的环形形状不仅增加了结构的稳定性，还减少了螺旋桨被切割、夹住或被碰到的东西卡住的机会。

就缺点而言，这些都是相当复杂的形状，所以它们比使用廉价和简单的注塑成型的标准螺旋桨更难制造。所以可能需要3D打印的那种东西。但是，即使它们的价格是标准螺旋桨的两倍或三倍，它们也是无人机的一个低成本部件。

目前还不清楚这样的设计是否适用于更大范围，取代固定翼飞机上的传统螺旋桨，或者取代电动垂直起降空中出租车。后者似乎已经比直升机安静得多，但如果它们最终以快速、廉价、绿色的航空运输淹没城市空域，那么当涉及到公众和监管机构的阻力时，每一分贝的噪音都会产生影响。真正的问题是，这些更大的螺旋桨会在音频频谱中占据什么样的频率，以及环形螺旋桨是否会将声音转向对人类友好的方向。

该团队已经为该设计申请了专利，虽然目前尚不清楚是否有计划将其商业化，但麻省理工学院似乎准备将其许可给感兴趣的制造商。

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