专题│电动航空器自动变距螺旋桨浅析

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在21世纪，节能与减排一直是绿色航空业关注的重点，作为航空业温室气体减排的重要一分子，电动航空推进系统的发展在世界多国遍地开花。对比于内燃机，电机驱动的航空器推进系统有着低噪音，无排放等优点，而更少的运动部件让电机的可靠性、维修成本、易操控性均比内燃机更具优势。电动机与更高性能电池或燃料电池的结合也为航空界带来了航空器构型及运营模式上的创新与突破。

罗罗“创新精神”号电动飞机采用自动变距螺旋桨

相较于传统航空器，电动航空器在构型与设计思路上或许有着多方面的不同，但一些在传统航空器上已经应用多年的传统技术也同样能在电动航空时代发挥出其潜在的功能。自动变距螺旋桨就是应用在新型航空器中的一个典型成熟技术。

一种螺旋桨变矩器结构

变距螺旋桨通过桨叶的旋转调节安装角，以调节其在不同运行环境中的推进性能。在非运行阶段可以通过手动改变桨叶安装角度的变距螺旋桨被称为地面可调桨距螺旋桨，通常应用在少量轻型及超轻型飞机上，在空中无法改变桨距。有别于需要人工手动调节的地面可调桨距螺旋桨，自动变距螺旋桨可以在运行的过程中根据工况调节桨距，拥有更复杂与先进的机械结构。这种螺旋桨的自动变距系统通常有液压式和电动式等，变距器由相互连接的齿轮及连杆等机械组件组成。

小鹏汇天公布的电动倾转旋翼机采用的自动变距螺旋桨

虽然变距螺旋桨的应用很少被相关电动航空器生产商所提及，但从已公开的资料中可以看出，自动变距螺旋桨已经应用在很多处于研制及试验试飞过程中的电动航空器中，并已经在官方发布的一些电动航空器特许适航条件当中多次提及。那么，这些在电动航空器中应用的变距螺旋桨究竟能够带来哪些利好呢？这就要从螺旋桨的来源与演化说起。

中国人的竹蜻蜓，埃及人的螺杆泵

早在2000多年前，中国古人就发明了竹蜻蜓，不仅成为了儿童手中的玩具，也成为了有历史记录以来最早的螺旋桨。而同样2000多年前的埃及，人们学会了使用由阿基米德螺杆泵作为水利工具。两者都是一种巧妙的机械装置，通过围绕轴向的旋转推动流体流动。竹蜻蜓经过数代的改进成为了如今航空器的螺旋桨，而螺杆泵则演变成轮船的螺旋桨。

作为一种流体力学装置，当今的螺旋桨已经演变成了非常高效的推进装置。早在1903年，莱特兄弟进行飞机飞行试验时制造的螺旋桨，经过当时简陋的地面静推力实验测算其最高推进效率为66%。而根据后人的风洞实验推算，在最优飞行状态下，莱特兄弟设计的螺旋桨可以达到超过80%的推进效率。当今的一些航空器螺旋桨，经过缜密的叶素翼型设计与仿真，在一些环境条件下更是能够达到超过90%的推进效率[1]。这使得螺旋桨能够极高效地将航空器发动机的输出动力转换为推进动力。

螺旋桨的结构与变距原理

虽然在现代飞机与轮船上的螺旋桨的形状区别显著，但其主要结构都为一个中心桨毂以及多个桨叶构成，且桨叶的横截面角度跟随距离桨毂的距离而发生变化以保持一个确定的桨距（螺旋桨旋转一周时在流体中前进的理想距离，类比于螺钉旋转一周行进的距离）。无论是飞机还是轮船用的螺旋桨，都有通过旋转桨叶角度以改变桨距用来调节推进性能的应用，为后来的自动变距螺旋桨发展创造了基础。

为了解释变桨距螺旋桨的用途，我们首先要从认识螺旋桨的叶素理论开始。最常用的螺旋桨基础仿真原理模型把螺旋桨的单个桨叶看作是旋转的机翼，而对螺旋桨的性能分析建立在螺旋桨的叶素（Blade Element）上面。在通常的分析过程中，单个螺旋桨叶片被拆分成距离桨毂轴距离不同的多个叶素，而这些叶素在空气动力作用下产生的升力及阻力转变为螺旋桨轴向的拉力和力矩。

单个螺旋桨叶素的受力分析（升力与阻力d的矢量和在螺旋桨轴上的轴向分量及径向分量分别记作Fz与Fx。所有叶素的Fz之和构成了该螺旋桨叶片的拉力，而单叶素Fx与叶素半径r的乘积则构成了螺旋桨叶片的力矩）

定距螺旋桨运行拉力与效率

如上图所示，一个定距螺旋桨在飞行器水平飞行速度增加的过程中，叶素迎角减小，造成拉力T减小。而螺旋桨的推进效率η则会随着速度增大首先缓慢增加，达到最大效率之后迅速降低到0。

而对于桨叶安装角度可以调节的变距螺旋桨来说，在不同飞行速度时可以通过调整叶素迎角来顺应气流方向，这样不仅能够显著扩大螺旋桨的可运行速度区间，还能够在特定飞行速度下选择最高效率的迎角运行。如下图所示，一个变距螺旋桨桨叶在安装角15°到45°之间时能够在很大的速度范围之内保持超过70%的推进效率。而定距螺旋桨只有在较小的区间内能够高效运行。

变距螺旋桨运行效率曲线（V为螺旋桨轴向气流速度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径）

自动变距螺旋桨的应用历史

在当前的几乎所有直升机中，变距螺旋桨旋翼成为必备的标准配置之一。直升机的旋翼在旋转过程中对机体本身产生反方向的旋转力矩，通常需要直升机尾部的旋翼拉力来抵消。在直升机飞行过程中，变距螺旋桨可以在不改变主旋翼旋转速度的情况下通过改变叶片桨距来调节升力，此举大大避免了因主旋翼旋转速度频繁更改而造成的不稳定问题。鉴于直升机的变距螺旋桨比水平飞行飞机的螺旋桨系统复杂且作用更甚，此处不作过多介绍。

在水平飞行的航空器中，变距螺旋桨的用途则略有不同。早在1933年，在波音247运输机首次使用的自动变距螺旋桨在飞机飞行过程中显著改善螺旋桨推进性能，使得该飞机的爬升性能增加22%，起飞距离减少20%，并使巡航速度增加5.5%[2]。

波音247采用了自动变距螺旋桨以提升飞行性能

在此后的近百年时间里，自动变距螺旋桨在多种固定翼飞机中有所应用：小到使用活塞式引擎驱动的塞斯纳175C、172RG，大到使用涡轮螺旋桨驱动的P-3海上巡逻机以及更大的图-95战略轰炸机。

而在21世纪的今天，进入电动航空时代，变距螺旋桨依然被采用以提升飞行器的多种性能。例如Eviation alice、罗罗“创新精神”等固定翼电动飞机，以及如Joby S4等部分倾转旋翼eVTOL均使用了自动变距螺旋桨。此外，Zunum Aero 在其混动飞机上采用的变距涵道风扇也可以看作是变距螺旋桨的涵道版本。

自动变距螺旋桨在电动航空器中的作用

经过分析整理，变距螺旋桨在电动航空器中的作用主要可以从以下几个方面认识：

1. 扩大平飞飞行速度范围及抗风性

鉴于水平飞行航空器的推力受螺旋桨桨叶攻角影响，在高速飞行时固定桨叶螺旋桨的推进力损失问题可以使用自动变距螺旋桨能达到的更大安装角解决，同时此举还能在不改变电动航空器电机最大转速的情况下提升最大飞行速度及抗风能力。

相反，当螺旋桨驱动的航空处于慢速飞行状态时（如起降阶段），安装角较大的定距螺旋桨桨叶较容易发生失速，对推力性能及推进效率产生不利影响。自动变距螺旋桨通过更小的叶片安装角能够显著减轻或者避免此种不利影响。

2. 提升爬升率及减小起降跑道长度需求

类似于平飞速度范围的提升，自动变距螺旋桨也同时提升了航空器的爬升能力。在水平起飞与降落阶段，通过提升正向推进力或提升反向制动力减少起降所需的跑道长度，这对eSTOL（电动短距离起降）航空器来说至关重要。

3. 提升整体电推进系统效率

虽然当今的航空推进用电机有着远远高于内燃机的效率，但电机的运行效率仍然取决于其旋转速度与力矩组合。自动变距螺旋桨的使用能够配合电机性能在不同飞行工况下选则最高的推进系统综合效率运行以节省不必要的电力损耗。

4. 紧急状态需求

当螺旋桨驱动的航空器发动机因多种原因失效或停机的时候，自动变距螺旋桨可以通过调节桨叶角度顺桨，这样能够在电机失效时减小对应螺旋桨的飞行阻力。

在航空器因故障高速下降时，螺旋桨可能被迫进入风车状态，变距螺旋桨可以大大缓解风车状态对电动航空器电机及电池系统施加的压力，减轻或避免额外损害及向其他电气系统转移危险。

此外，部分电动倾转旋翼机采用变距螺旋桨提供反向推力，在没有起落架制动装置的情况下迫降过程使用螺旋桨提供制动力能够显著降低降落距离，对迫降点的环境要求大大减小。

未来发展前景展望

在航空器中引入电推进系统产生了多旋翼无人机、eVTOL、eCTOL、eSTOL 等多种形态的新型航空器。在它们发展的过程中，从技术角度及审定管理角度看，新航空电机和航空电池等机载动力系统都将面临技术发展与审定标准制定的挑战。而已经相当成熟的螺旋桨制造、生产及适航体系则为电动航空器螺旋桨的设计与选型提供了非常充分的技术与审定基础。

近两年来，适航管理机构已有发布的多个针对电动航空器的专用适航审定条件提及变距螺旋桨，并对其运行状态展示提出了专属要求。对于Joby S4[3]、Archer M001[4]两个电动倾转旋翼机，FAA发布的专用适航审定条件均在变距螺旋桨部分提到了对检验螺旋桨顺桨、逆向力矩、反推等多种状态下的运行功能演示。而对复合翼eVTOL 沃飞AE200，我国民航局颁布的专用条件（征求意见稿）也提到了变距螺旋桨顺桨的功能性试验。考虑到未来进入审定阶段的新型电动航空器数量增加，变距螺旋桨的应用很可能因其在紧急状态下的特殊安全保障性功能而成为部分构型航空器的必要适航审定要素。

在电机技术持续发展的今天，由电机控制的自动变距螺旋桨技术正在愈发变得成熟、高效与轻量化。无论从性能提升及特殊功能上看还是从适航审定角度来看，自动变距螺旋桨一定会在未来更多的新电动航空器上大规模应用，成为大部分有水平飞行需求航空器的不二之选，并与新型螺旋桨降噪、减阻共同成为电动航空器螺旋桨的重要发展方向之一。

参考文献：

https://hartzellprop.com/a-short-history-of-the-aircraft-propeller/

https://airandspace.si.edu/collection-objects/propeller-controllable-pitch-two-blade/nasm_A19350039000

https://www.federalregister.gov/documents/2022/11/08/2022-23962/airworthiness-criteria-special-class-airworthiness-criteria-for-the-joby-aero-inc-model-jas4-1

https://www.federalregister.gov/documents/2022/12/20/2022-27445/airworthiness-criteria-special-class-airworthiness-criteria-for-the-archer-aviation-inc-model-m001

来源 | 民机战略观察

作者 | 中国航空工业发展研究中心 梁长虓

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