21世纪螺旋桨
Boxprop概念双旋翼螺旋桨风扇
完美史
螺旋桨经历了漫长的演变，从一块刨平的木头发展成为高度复杂的空气动力学机构。 航空在双翼飞机时代，设计师们将螺旋桨视为原始的“旋翼”。莱特兄弟用层压白蜡木自行加工了他们的第一批螺旋桨，效率不超过50%至60%。他们的桨叶在其整个长度上具有恒定的攻角，并且具有简单的凸凹轮廓，类似于半个螺母。
这些螺旋桨效率极低：起飞速度低时，发动机负荷不足；随着飞行速度增加，它们开始在深度失速模式下运行，实际上是在徒劳地磨空气。
这场革命发生在旋转物理学被转化为数学语言之时。尼古拉·茹科夫斯基的涡旋理论奠定了基础，随后是斯捷潘·杰维茨基的孤立叶素理论，以及鲍里斯·尤里耶夫和格奥尔基·萨比宁的贡献。
螺旋桨不再被视为一个整体；它现在是由无数个极薄的叶片（单元）组成，每个叶片都以各自的圆周速度运动——毕竟，桨尖每秒划过巨大的弧线，而靠近轮毂的部分几乎不动。工程师们意识到几何扭转的必要性：为了确保每个叶片单元都以相同的最佳迎角运行，桨根相对于旋转平面旋转了近45度，并逐渐减小到桨尖处的15-20度。
20世纪初柯蒂斯OX-5型木制恒距螺旋桨
与此同时，材料也在不断改进。笨重、实心的木制螺旋桨叶片容易受潮变形，纤维也容易疲劳，因此被空心钢制结构和硬铝合金结构所取代。金属不仅能够承受强大的劳斯莱斯梅林发动机或莱特旋风发动机产生的巨大离心力，而且还能够实现那个时代的关键发明——变距螺旋桨机构。液压驱动装置现在能够在飞行中使整个桨叶绕其纵轴旋转。
1933 年汉密尔顿标准可变螺距螺旋桨
这使得静态风扇变成了类似汽车变速箱的东西：起飞时，飞行员将螺旋桨设置为“细”螺距（螺旋桨吸入少量空气，使发动机能够旋转到最大速度并产生最大功率），而在巡航飞行中，他将桨叶切换到“粗”螺距，以在适中的燃油消耗下获得最大推力。
哦，这几何学！
但螺旋桨推进的绝对统治时代不可避免地走向终结。1930世纪下半叶，螺旋桨遭遇危机，其根源在于旋转物体的物理特性与空气可压缩性之间的冲突。如果说1950世纪13年代的主要问题是翼尖处的气流失速，那么到了000年代初，设计师们则面临着难以逾越的音障。新一代涡轮螺旋桨发动机拥有巨大的动力，并通过紧凑的行星齿轮箱将高达17至000转/分的惊人转速传递到轴上。在桨尖，线速度开始超过1马赫。
AV-60K 同轴剑形螺旋桨
当桨尖局部速度达到超音速时，瞬间会形成冲击波——一个压力骤降的极薄区域。空气不再顺畅地绕着翼型流动，而是猛烈地撞击翼型。这导致了两个致命的后果：首先，升阻比急剧下降，螺旋桨推力损失，而燃油消耗量保持不变；其次，压力中心迅速后移，产生巨大的俯仰力矩，几乎导致桨叶折断。
其次，发生了高速颤振——一种无法控制的弹性质量振动，在短短几秒钟内就摧毁了安装组件，并将桨叶从轮毂上撕裂下来。经典的矩形或略呈圆形的螺旋桨达到了其物理极限。
安-70运输机上的SV-27螺旋桨风扇
航空科学的应对措施是对旋翼盘推力分布几何形状进行根本性改变。首要的应对措施是增加叶片数量。工程师们从经典的两叶和三叶设计转向四叶、五叶和六叶配置。其逻辑纯粹是算术：为了在传递相同总空气质量（以及推力）的同时，降低每个产生升力的叶片所承受的载荷，必须增加相互作用的表面数量。然而，由于干涉问题，无限增加狭窄的木质或金属叶片的数量是不可能的——前叶片的尾流会直接影响后叶片，导致整个机舱剧烈振动。
弯刀形桨叶的引入带来了突破。这种桨叶呈轴向镰刀状：桨叶的后缘向后弯曲，在尖端形成一个锐角。当这种螺旋桨旋转时，桨尖的不同部分并非与整个前缘同时进入来流的跨音速气流，而是分段逐渐进入。激波被分割成一系列微弱的扰动，这些扰动来不及合并成一个强大的激波。这使得激波危机进一步向桨尖转移，从而恢复了翼型中心部分在亚音速高效气流中运行的能力。
与此同时，设计方法本身也发生了变化：叶片呈现出复杂的双重后掠角和可变厚度。在根部，叶片保持较厚且近乎笔直，以传递扭矩；然后逐渐变薄，呈现剑状；而在叶尖，通常具有明显的反向弯曲（负后掠角），以完全抑制涡流。为了实现如此复杂的空间曲线，木材最终被高强度铝合金、钛合金以及后来的多层碳纤维复合材料所取代，这些材料能够承受循环扭转载荷而不发生永久变形。
涂114
正是这种技术组合使得强大的涡轮螺旋桨发动机在民用航空领域得以充分发挥其潜力。苏联的图-114客机配备了直径超过四米的同轴四叶螺旋桨，成为当时世界上速度最快的量产涡轮螺旋桨客机，能够轻松保持超过800公里/小时的巡航速度。美国的XF-84H实验飞机、洛克希德C-130J“超级大力神”运输机以及后来的欧洲A400M军用运输机，都证明了汉密尔顿标准公司和拉蒂埃-菲雅克公司生产的多叶佩刀式螺旋桨的卓越性能。
二十一世纪
进入21世纪，螺旋桨发动机的发展正逐渐向风扇螺旋桨发动机转变。二者有何区别？简而言之，传统螺旋桨发动机在速度超过650-700公里/小时时就会“失效”，而风扇螺旋桨发动机则能在保持螺旋桨发动机效率的同时，实现喷气式飞机般的飞行速度（800-900公里/小时）。
螺旋桨风扇并非万能——它的噪音仍然过大。反向旋转的镰刀形叶片是复杂的声源，尽管经过数十年的研发，仍未达到国际民用航空组织（ICAO）的严格标准。严格的环境标准正在推动这方面的进展。ICAO 期望到 2050 年实现民用航空的碳中和。这一计划无论在理论还是实践上都难以实现，但这并不意味着不会有人努力降低航空旅行的成本效益。
恰巧，欧美国家在新型螺旋桨研发领域处于领先地位。而俄罗斯设计师则专注于完全不同的课题——研发生产现代化的涡轮螺旋桨和涡轮喷气式飞机发动机。尽管如此，我们也曾有过螺旋桨风扇发动机的概念。这里指的是NK-93，它的研发始于20世纪80年代。它巨大的螺旋桨带有整流罩，看起来相当壮观。这款发动机原本是为伊尔-96、图-204和图-330客机设计的，但由于显而易见的原因，它最终未能超越原型机阶段。
NC-93
但我们还是回到西方开发商，更确切地说是CFM国际公司。该公司决定用“开放式风扇”取代窄体飞机上的传统喷气发动机。他们最终采用了什么方案呢？首先，他们放弃了双转子风扇，这意味着第二排叶片保持静止。这降低了设计成本，并显著降低了噪音水平。其次，两排叶片（动叶片和固定叶片）都配备了俯仰控制系统。后排叶片几乎可以完全旋转，起到减速板的作用，从而无需笨重的反推装置。
第三，由于完全取消了整流罩，风扇直径增大，涵道比超过50:1（目前最好的喷气发动机的涵道比约为11:1）。这种开放式风扇发动机可将燃油消耗和二氧化碳排放量降低20%以上。它从一开始就被设计为100%使用可持续航空燃料（SAF）或氢气。可持续发动机革命性创新（RISE）项目于2021年启动。
“可持续发动机革命性创新”（RISE）项目的技术示范装置
这是一款更为严肃的玩具。自项目启动以来，已进行了约500次测试。与之前的原型机一样，第二级发动机也起到可变整流器的作用，降低周边冲击波的强度，而周边冲击波正是噪声的主要来源。该装置的旁通比超过70，风扇直径达4米，其设计和最终开发工作由美国能源部橡树岭国家实验室的超级计算机完成。首架技术验证机计划搭载于空客A380飞行试验平台进行试飞。
RISE项目已进入技术验证阶段，但不再是最有前景的项目。目前更先进的是Boxprop概念——即盒式螺旋桨或封闭式螺旋桨的简称。该项目的作者是来自查尔姆斯理工大学的瑞典科学家和来自GKN航空航天公司的工程师。传统的螺旋桨或开放式风扇的每个叶片都有一个自由端，而Boxprop结构中，叶片在尖端两两连接，形成封闭的环状结构或“盒子”。
为了降低空气阻力，单个螺旋桨叶片的两个部分通常朝相反方向旋转（一个向前弯曲，另一个向后弯曲）。这种设计在科学上被称为箱型双旋转螺旋桨风扇。众所周知，传统螺旋桨会在桨叶尖端产生强大的叶尖涡流。当旁通式发动机中前排桨叶产生的涡流冲击后排桨叶时，会产生震耳欲聋的轰鸣声。封闭式箱型螺旋桨设计通过物理方式抑制并削弱叶尖涡流，使发动机噪音大大降低，从而满足机场严格的声学标准。通过消除桨叶尖端的流动分离，螺旋桨能够更有效地将能量传递给空气。
查尔姆斯理工大学的箱式风扇的各种变体
数学模型显示，优化后的箱形螺旋桨能够产生更宽但湍流更小的气流，从而降低动能损失。桨叶在桨尖处连接，形成刚性结构。这种结构在高转速下不易发生振动、弯曲和颤动，并且在意外鸟击中时也能更好地保护桨叶免受损坏。
环形螺钉
最后，环形螺旋桨可以被认为是目前最先进的螺旋桨设计理念。迄今为止的所有研发工作都涉及计算机建模和小型飞机的测试。 无人机环形螺旋桨由弯曲的叶片组成，这些叶片呈环状排列并平滑地返回轮毂，形成一个连续的闭合回路。其原理类似于箱式风扇，但效率更高。小型环形螺旋桨的研究正在进行中。 无人机 麻省理工学院林肯实验室的研究表明，采用环形螺旋桨的无人机噪音比传统无人机低约一半。
用于FPV无人机的环形螺旋桨可以显著降低飞行噪音。
对人耳而言最刺耳的频率（1-5千赫兹）会被降低20-25分贝。配备这种螺旋桨的无人机不会发出尖锐的啸叫声，而是发出一种沉闷且迅速消失的沙沙声。可以肯定的是，这项技术将在不久的将来出现在苏联的空域，这将大大增加空中“鸟击”的探测难度。尤其考虑到市面上已经出现了用于FPV无人机的商用Foxeer Donut环形螺旋桨。由于环形螺旋桨不会像普通螺旋桨那样在桨尖产生无用的涡流，从而避免了能量浪费，因此其运行效率更高。
TorPropel 目前还停留在这些草图阶段。
在水面和空中，低速和中速飞行时的有效推力效率提升幅度在12%到18%之间。目前尚未讨论将该技术直接应用于民用航空领域。欧盟已启动一项名为TorPropel的大型研究项目，计划于2025年完成研发。作为该项目的一部分，科学家们正在设计和计算直径达1,7米的环形螺旋桨，该螺旋桨采用先进的碳纤维复合材料制成，可用于支线客机、电动飞机和垂直起降飞行器。这项新技术也存在一些缺点：结构重量相对较大、计算和制造工艺复杂，以及在高飞行速度下可能出现效率损失。
总之，一如既往，是时候把一切都归位了。现在看似突破性的想法很可能最终会证明不具竞争力，反之亦然。对完美螺旋桨的追求还将继续，我真心希望，如果没有俄罗斯的创新，这场竞赛就不会有结果。
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