[技术] 空气动力学

An追求

推力线

第一节引擎下推力与侧推力 动力飞机我们希望引擎油门改变时只有速度改变而飞行的姿态都不要变，但飞机速度越快升力越大，飞机会往上，油门降低时飞机会往下掉，所以我们把引擎推力线的安装角度稍微朝下，让引擎的推力有一些向下的分量叫下推力，引擎推力越大向下分量也越大，以抵销上浮力。 因一般螺旋桨都是顺时针转﹝从后看﹞，因螺旋桨反扭力的关係飞机会朝左滚，且这扭力与转速成正比，所以我们把引擎推力线的安装角度稍微朝右，让引擎的推力有一些向右的分量叫侧推力，引擎转速越快向右分量也越大，刚好抵销反扭力。

第二节陀螺效应 模型飞机还有一个比较奇怪的力叫陀螺效应，有些飞机在突然爬升时飞机会往左滚，除了机身製作不準确外很可能是陀螺效应，螺旋桨可视为一个转动的陀螺虽然它的质量只佔飞机一小部分，飞机从平飞改爬升时依陀螺效应要补一个向上的向量使飞机，这在高转速引擎﹝如竞速机或导风扇机﹞或大螺旋桨的像真机比较会发生，此外后三点的像真机起飞时，当速度逐渐增加而尾巴抬起来时，陀螺效应加上反扭力，也可能使飞机打地转
                  第三节下推力、侧推力的测试 引擎下推力与侧推力的安装角度一般都非常小，很难一眼看出来，侧推力还可以由引擎的散热片用延长基线方式量出，下推力就没办法了，有些人建议将螺旋桨转至6、12点方向，将飞机顶住墙壁后垫平，然后量两个桨端至墙壁的距离换算出下推力角度，这方法非常不準，飞机在製作时就要儘量要求精度，製作完成后虽我们不知道确实角度是否与设计相符，但我们可由试飞来测试，方法如下：

１下推力：将飞机引擎全开后於上空微调成水平直线飞行，约在正前方上空突然将引擎关至怠速，飞机减速后可能的姿态如﹝图9-1﹞，a表示下推力过大，b表示下推力正确，c表示下推力过小，產生姿态a的原因是因为引擎下推力过大，此时为了平衡过大的下推力，飞机的微调被调成有一点升舵，所以飞机才可以维持水平直线飞行时，当然这升舵一般用肉眼看不出来，当引擎关至怠速时下推力消失，但上舵还是有作用，飞机姿态往上仰，但因速度降低升力减少，飞机还是下降，所以有这抬头往掉的姿势，產生姿态c的原因是因为引擎下推力不够，此时为了平衡飞机抬头趋势，平飞时飞机的微调被调成有一点下舵，当引擎关至怠速时下舵作用就表现出来，使飞机以陡角度下降

２侧推力：将飞机引擎全开后於上空微调成水平直线飞行，从正前方往头顶飞，此时突然将引擎关至怠速，飞机减速后可能的方向如﹝图9-2﹞，a表示侧推力过大，b表示侧推力正确，c表示侧推力过小，当引擎侧推力过大，飞机直线飞行时为平衡过大的侧推力，方向舵或副翼会被调成有偏左，当引擎关至怠速时侧推力消失，方向舵或副翼就把飞机往左偏，反之亦然

第四节多引擎飞机 多引擎飞机是很多人喜爱但不敢跨足的领域，多引擎飞机大多是像真机，发动时两颗以上引擎的共鸣声保证吸引全场注意，﹝图9-3﹞是我的朋友阮先生与他的C-47，地点在台北三重飞行场，我用photoimpact 合成的，多引擎飞机因引擎不在机身轴线上，而在离机身颇远的机翼上，推力线需特殊考量，当两边推力不同时飞机即產生偏航，严重的是当其中一颗引擎熄火时，如不立刻处理飞机即迴旋下坠

多引擎飞机一般右边引擎推力线偏右，左边引擎推力线偏左，主要考量是如果左边引擎熄火，右边引擎推力及反扭力会使飞机往左偏，所以右边引擎推力线偏右以抵销飞机向左的倾向，同样如果右边引擎熄火，左边引擎推力会使飞机往右偏，所以左边引擎推力线偏左以抵销向右的倾向。 因引擎轴线与机身轴线的距离產生的扭矩远大於引擎的反扭力，所以当其中一边引擎熄火时想依靠引擎偏角使飞机保持直线飞机是不切实际的，此时应将引擎关至怠速迅速降落，如果距离太远不能进场，应在可维持直线飞行范围内将尚未熄火的引擎慢慢加速配合方向舵的使用，以增加滑翔距离，一般在引擎约60%~70%时光靠垂直尾翼及方向舵尚可维持飞行，所以多引擎飞机垂直尾翼有必要稍微放大。 第五节后置引擎飞机 有些像真喷射机没採用导风扇或涡轮引擎，它的引擎一般是放在机身后面，记得此时应该用反桨就是推力桨，不要直接把正桨拿来倒装，那样推力方向还是不对的，这种后置引擎的配置推力线要装的特别準，只要差一点点要保持平飞就很难了，后置引擎的推力线应儘量与机身轴线重合，如果引擎背在机尾上不与机身轴线重合，因推力与重心的高低差会使高速时低头，否则低速时会抬头，此时应将引擎调整为有下推力，以抑制高速抬头的力矩，这裡说的下推力是以推力线为準，因引擎朝后所以螺旋桨气流是朝上吹，至於下推力角度测试的方法与第三节完全一样
第六节地面效应 当飞机靠近地面约一个翼展高度时，如第三章所说的诱导阻力產生下洗气流，因牛顿第三定律使飞机得到一个向上的力，另外因诱导阻力被地面阻隔无法发展﹝如图9-4﹞，读者可与第三章的图比较，所以当飞机接近地面时诱导阻力减少，翼端升力增大可延长滑行距离，这种效果叫地面效应，越接近地面效应越明显，﹝如图9-5﹞原本飞机滑降线为a，因地面效应的关係滑降线改变为b，﹝图7-5﹞的滑翔机是奥林匹克二型，翼展二米六，手投掷高度约一米七时，在无风状态因地面效应的关係大约可以飞45公尺远，滑空比不可思议的为26.5，所以在量测飞机的滑空比时要把地面效应修正回来

螺旋桨

第一节螺旋桨原理与分类 螺旋桨负责把引擎的功率转变为向前的推力，重要性不言而喻，螺旋桨推进飞机的原理与火箭、导风扇飞机、喷射机不同，也与船用螺旋桨不同，火箭等前进是因为动量守恆的关係，如果飞机也是靠动量守恆的原理前进，那螺旋桨就要把空气儘量快儘量多往后吹去，那螺旋桨的形状就应该像电扇叶片一样宽且短，而不是像现在我们看的细细长长的，导风扇扇叶形状类似船用螺旋桨，效率却很差，因为导风扇引擎、加速管及支撑等物件挡住了不少气流，而且导风扇后送的空气速度不够快，质量更不够多。 我们应该把桨叶看成一片小型的机翼，引擎转动的速度加上飞机前进的速度，使桨叶对空气產生相对的速度，桨叶的截面本来就是一个翼型，然后因伯努利定律產生升力，只是此时的升力是向前的，称为推力，使飞机向前，歷史上有名的竞速机GeeBee，得过很多次世界冠军，也有不少模型像真机，请读者注意其螺旋桨与机身的比例，它螺旋桨向后的气流三分之二以上被引擎及机身偏折，根本没往正后方吹，使人不禁怀疑它怎麼飞，可是它还是世界竞速冠军呢，所以记得螺旋桨的风大不大与推力毫无关係。 螺旋桨可依不同方式分类，我们真正有兴趣的是直径与螺距，将於下节讨论，其餘分类如下： 依桨叶数： 单桨：竞速机常用，可避免吃到前叶的尾流，效率最佳，但另一端要配平。 双桨：最常见的型式，合理的效率，容易平衡。 三桨以上：像真机或桨叶长度受限时使用，效率稍差。 依推力方向： 拉力桨：即正桨，从飞机前面產生拉力使飞机向前。 推力桨：即反桨，从飞机后面產生推力使飞机向前，少数引擎可逆转，双引擎飞机其中一个引擎逆转用反桨以抵销反扭力。 依材值： 木桨：刚性好，重量轻，但易损坏。 塑胶桨：便宜，选择性多，较不易损坏。 碳纤桨：最好，最贵
第二节螺旋桨的选择 我们仔细看一支螺旋桨

上面除了公司的标誌外[APC]，另外还有一组数字12x9，这是选择螺旋桨最重要的一组数字，12代表这支螺旋桨直径是12英寸，9代表螺距是9英寸，另一组数字305x227是公制，单位是mm，代表意义完全一样，直径的意思大家都了解，螺距的意思是螺旋桨旋转一圈，依螺旋桨的角度，理论上螺旋桨前进的距离﹝如图5-2﹞，当螺旋桨旋转时桨上的点因距离轴心的不同，行走的距离也不同﹝=2 x 3.1416 x r﹞，现在的螺旋桨都是定螺距桨，就是旋转一圈桨上每一点的螺距都一样，所以越靠近轴心，桨叶角越大，桨尖部分角度就比较小，当然还有一种定螺角桨，这种桨桨上每一点角度都一样，当旋转一圈桨上每一点的螺距都不一样，越靠桨尖越大，最常见的就是竹蜻蜓，相信大家都玩过，另外也常见於初级橡皮筋动力飞机，因为製作非常简单

你買一個新引擎，引擎的說明書會建議你，試車時用多大的槳，像真機用多大的槳，特技機又用多大的槳，弄得你迷迷糊糊，在這裡說明一下，試車時用的槳一般都比較大，是防止萬一不小心轉數過高，使新引擎燒毀，沒其他意思，像真機及特技機用的槳不同，最主要是因為飛機速度不同的關係，特技機一般飛行速度比較快，希望螺旋槳在高速飛行時比較有效率，像真機一般來說翼面負載大，希望螺旋槳在低速時比較有效率，起飛、降落時才不會出差錯，沒人會管它極速快不快，
我們假設引擎輸出的最大功率是一定值，輸出功率在螺旋槳到達恆定轉速時要克服的是螺旋槳的阻力，我們前面說過應該把槳葉看成一片小型的機翼，螺距越大就是槳葉角越大，相當於機翼攻角越大，當然阻力就越大，螺旋槳越長，面積及槳端切線速度也越大，阻力也越大，既然最大功率是一定值，我們只好在直徑與螺距上作妥協。 特技機希望螺旋槳在高速飛行時比較有效率，像真機希望螺旋槳在低速時比較有效率，我們再提醒一次應該把槳葉看成一片小型的機翼，既然是機翼，同樣就會有攻角、失速問題，甚至誘導阻力情形也一樣，為了找出最佳攻角，請參看﹝圖5-3﹞，合成的氣流速度等於螺旋槳的切線速度加上飛機前進的速度﹝假如你對向量不熟悉的話，因為是相對運動，你可以假設你是一隻螞蟻趴在螺旋槳前緣，你不動，讓氣流來吹你，想像一下因螺旋槳旋轉加上飛機前進，你臉上吹的是那方向來的風﹞，螺距太大而飛行速度不夠快，則攻角太大而失速，這種情形在這裡叫螺旋槳打滑，螺距太小而飛行速度太快，則攻角太小，效率則很差，所以結論是高速飛機用小槳大螺距，低速飛機用大槳小螺距。以前在萊特兄弟時代，飛機做好以後要拉一個綁在樹上磅秤來測拉力，現在飛行場上偶而也有人這麼做，現在我們器D這是多餘的，測得的拉力因沒有飛機前進的速度，所以只有在飛機靜止時有效，飛機有了速度後就不準了



螺距最好的解决办法当然是使用变距螺旋桨，可依飞行速度不同改变螺距，二次大战后大部分的螺旋桨飞机都已使用变距螺旋桨，可依飞行速度变换螺距以取得更佳的效率，万一引擎熄火还可以打顺桨，使螺旋桨的阻力减至最低增加滑行距离。日本MK模型出过一组60级用的可变距桨，但在美国模型飞机禁止用可变距桨，怕飞出来伤人，此外螺旋桨靠轴心部分效率很差，所以很多场合乾脆装上机头罩减低阻力。
第三节螺旋桨角度的计算 现在螺旋桨选择性多，价格便宜，模型玩家很少自行製作，但偶而想玩橡皮筋动力飞机时，就不得不自己动手了，请各位不要瞧不起橡皮筋动力飞机，高级室内橡皮筋动力飞机的螺旋桨会随著橡皮筋扭力自动改变螺距，而且整架飞机不超过2公克，这真的需要天分，我做的室内机则从来没有低於4公克
橡皮筋动力飞机因为转速比引擎飞机慢，螺距比﹝螺距/直径﹞一般1.0~1.6左右，引擎飞机的螺距比大都在0.8以下。 定螺角桨：因为定螺角桨只有一部分效率好，所以我们螺距以距离轴心70~80%的部位为準，螺旋桨靠轴心部分效率很差，所以靠轴心30%以内部份根本不做桨叶，只剩一根轴。 定螺距桨：因定螺距桨每个断面角度均不一样，假设要製作一支直径为D英吋螺距为p英寸的桨，角度图解如

成追忆

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