符長青

電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）要想實(shí)現(xiàn)垂直起降和空中懸停，必須要安裝有能夠產(chǎn)生克服重力的升力裝置，簡稱空氣螺旋槳。換言之，空氣螺旋槳是它的必備之物。

空氣螺旋槳的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

空氣螺旋槳，也稱為旋翼，是一種靠槳葉在空氣中旋轉(zhuǎn)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力或升力的裝置。它由多個(gè)槳葉和中央的槳轂組成的，槳葉好像一扭轉(zhuǎn)的細(xì)長機(jī)翼安裝在槳轂上，發(fā)動(dòng)機(jī)軸與槳轂相連接并帶動(dòng)它旋轉(zhuǎn)。中國明代（1368～1644年）民間的玩具“竹蜻蜓”實(shí)際上就是一種原始的空氣螺旋槳。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)以前，所有帶動(dòng)力的航空器無不以空氣螺旋槳作為產(chǎn)生推進(jìn)力的裝置。當(dāng)空氣螺旋槳應(yīng)用到無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)上時(shí)稱為旋翼，這只是一種習(xí)慣用語，雖然名稱不同，但是其結(jié)構(gòu)和工作原理是一樣的。

截取空氣螺旋槳一小段槳葉來看，恰像一小段機(jī)翼，其相對氣流速度由前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度合成（如圖1所示），槳葉上的氣動(dòng)力在前進(jìn)方向的分力構(gòu)成拉力。在旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的分量形成阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩，由發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩來平衡。槳葉剖面弦（相當(dāng)于翼弦）與旋轉(zhuǎn)平面夾角稱槳葉安裝角。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，以槳葉安裝角為導(dǎo)引向前推進(jìn)的距離稱為槳距。實(shí)際上槳葉上每一剖面的角速度都是相同的，但線速度則與該剖面距轉(zhuǎn)軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對氣流與旋轉(zhuǎn)平面的夾角隨著離轉(zhuǎn)軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個(gè)剖面與相對氣流都保持在有利的迎角范圍內(nèi)，各剖面的安裝角也隨著與轉(zhuǎn)軸的距離增大而減小。這就是每個(gè)槳葉都有扭轉(zhuǎn)的原因。

空氣螺旋槳分為定距螺旋槳和變距螺旋槳兩大類。定距螺旋槳的槳葉安裝角（槳距）是固定的。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，重量輕；缺點(diǎn)是只在選定的速度范圍內(nèi)效率較高，在其他狀態(tài)下效率較低。變距螺旋槳的槳葉安裝角（槳距）可變，高速時(shí)用高距，低速時(shí)用低距。螺旋槳變距機(jī)構(gòu)由液壓或電力驅(qū)動(dòng)，可使螺旋槳始終處于最佳工作狀態(tài)。

影響空氣螺旋槳（旋翼）工作效率的因素有很多，其中主要有以下幾種。

（1）旋翼直徑。旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉尖所劃圓圈的直徑叫做旋翼直徑。直徑是影響旋翼性能重要參數(shù)之一，一般情況下，旋翼直徑增大拉力隨之增大，效率隨之提高。所以在結(jié)構(gòu)允許的情況下盡量選直徑較大的旋翼。此外還要考慮槳尖氣流速度不應(yīng)過大，否則可能出現(xiàn)激波，導(dǎo)致效率降低。

（2）旋翼槳葉翼型。旋翼槳葉的剖面形狀稱為翼型，它是旋翼能夠產(chǎn)生拉力的關(guān)鍵因素。當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每片槳葉都會(huì)產(chǎn)生升力，所有槳葉產(chǎn)生的升力合成為一個(gè)向上的總拉力，該總拉力克服了無人機(jī)本身的重量，從而能夠使無人機(jī)升空飛行。

（3）旋翼旋轉(zhuǎn)速度。旋翼轉(zhuǎn)速一般以每分鐘轉(zhuǎn)的圈數(shù)為單位，而角速度以每秒鐘一個(gè)弧長為單位。提高旋翼轉(zhuǎn)速將要受到葉尖速度的限制，以避免葉尖出現(xiàn)過大的空氣壓縮效應(yīng)。目前旋翼的葉尖速度為ΩR=180～220m/s，大約相當(dāng)于葉尖0.55～0.6Ma。

（4）旋翼實(shí)度。旋翼實(shí)度是指其所有槳葉實(shí)際面積之和與整個(gè)槳盤面積的比值（常用希臘字母σ表示），通過槳葉剖面弦長和葉片數(shù)量可以增加旋翼的實(shí)度，高實(shí)度會(huì)帶來高扭矩和高功率的需求。

一個(gè)空氣螺旋槳的槳葉片數(shù)通常有2、3、4、5、6、7、8、9片槳葉，一般槳葉數(shù)目越多吸收功率越大，但最好不要超過5片槳葉。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：具有5片槳葉的空氣螺旋槳工作效率最高，超過5片槳葉后空氣螺旋槳工作效率反而下降。高槳盤載荷和同時(shí)低葉尖馬赫數(shù)通常需要螺旋槳高槳距設(shè)置和高旋翼實(shí)度，典型的代表就是電動(dòng)垂直起降飛行器Joby S4旋翼的實(shí)度（圖2d）比傳統(tǒng)直升機(jī)上通常使用的旋翼實(shí)度（圖2a，b，c）要高很多。

（5）旋翼槳葉的平面形狀。槳葉的平面形狀，特別是槳尖形狀對旋翼性能有著重大的影響。槳葉槳尖區(qū)域是一個(gè)非常敏感的區(qū)域，它既是槳葉的高動(dòng)壓區(qū)，又是槳尖渦的形成和逸出之處，槳尖形狀小小的改變就能導(dǎo)致槳尖渦的強(qiáng)度和軌跡有較大的變化，從而影響旋翼的流場、氣動(dòng)載荷和噪聲。

槳葉尖部形狀對旋翼的氣動(dòng)噪聲和前行槳葉的激波失速有重要影響，還有可能給槳葉帶來有利的動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)，因此，采用先進(jìn)、合適的槳尖形狀，能有效地改進(jìn)旋翼的氣動(dòng)特性，可延緩氣流分離（前、后行）、改善氣動(dòng)載荷分布及槳渦干擾、降低振動(dòng)和噪聲、提高氣動(dòng)效率等。各種先進(jìn)的槳尖形狀如圖3所示，包括后掠尖削、后掠槳尖、前緣后掠、短尖削、雙曲線后掠、長尖削、拋物線型后掠等，研究表明后掠槳尖能夠緩解壓縮性影響，同時(shí)，由于槳尖翼弦長度變小，使邊緣渦流密度減小，又延緩了后行槳葉的氣流分離，大大改善了旋翼的氣動(dòng)特性。

（6）旋翼槳葉槳尖扭轉(zhuǎn)。旋翼是電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）進(jìn)行垂直起降和空中懸停飛行時(shí)主要的升力部件，其氣動(dòng)性能的優(yōu)劣直接決定了eVTOL的飛行性能。受材料、加工工藝等技術(shù)條件的限制，早期的有人駕駛直升機(jī)旋翼槳葉主要采用矩形槳葉、小線性負(fù)扭轉(zhuǎn)等設(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)在，隨著材料、加工工藝等技術(shù)的進(jìn)步，早先的難題獲得了不同程度的解決，許多新型氣動(dòng)外形槳葉得到了應(yīng)用。除了采用先進(jìn)的槳尖平面形狀外，為了有效地提升電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）性能，其使用的旋翼槳葉已經(jīng)從早期的簡單外形發(fā)展到具有特殊平面形狀、非線性負(fù)扭轉(zhuǎn)和槳尖扭轉(zhuǎn)等多種外形設(shè)計(jì)，其中旋翼槳葉進(jìn)行槳尖扭轉(zhuǎn)的旋翼氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)已成為eVTOL獲得成功的關(guān)鍵技術(shù)之一，如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表明：旋翼槳葉槳尖向上或向下翻一個(gè)角度都能提高其氣動(dòng)效率，使eVTOL具有更好的懸停性能，同時(shí)能顯著降低噪聲。至于是向上翻好，還是向下翻好，以及翻多大角度（扭轉(zhuǎn)角）才最佳，對于不同實(shí)度的旋翼不一樣，需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)或采用旋翼計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）通過理論計(jì)算獲得最佳結(jié)果。

開放螺旋槳的結(jié)構(gòu)和工作原理

安裝在無人機(jī)上的空氣螺旋槳，除了按其使用的飛行平臺(tái)習(xí)慣上分為兩大類：安裝在固定翼無人機(jī)上稱為螺旋槳，安裝在無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)上稱為旋翼以外，人們還按其外面有沒有安裝涵道分為兩類：安裝了涵道的稱為涵道風(fēng)扇（或涵道螺旋槳）系統(tǒng)；沒有安裝涵道的稱為開放螺旋槳（或開放旋翼）系統(tǒng)。

常規(guī)的無人直升機(jī)大多采用開放旋翼系統(tǒng)，頭頂上頂著一個(gè)或兩個(gè)直徑很大的旋翼；電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）有兩種氣動(dòng)布局形式，一種是多旋翼氣動(dòng)布局，另一種是復(fù)合氣動(dòng)布局，在固定翼無人機(jī)上增加安裝多臺(tái)開放螺旋槳或涵道風(fēng)扇。無論是哪一種氣動(dòng)布局，電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）采用的開放空氣螺旋槳的直徑都比無人直升機(jī)的旋翼直徑小，目的是優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減小噪聲。開放螺旋槳（或開放旋翼）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，懸停升力效率高，不僅適用于無人直升機(jī)，也為大多數(shù)電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）所采用，如圖5所示。

（1）單旋翼帶尾槳無人直升機(jī)（圖5a）沿用了現(xiàn)代直升機(jī)最常用的氣動(dòng)布局結(jié)構(gòu)，升力系統(tǒng)由一個(gè)水平布置的大開放螺旋槳（稱為主旋翼）和尾部一個(gè)小垂直螺旋槳（尾槳）組成。主旋翼轉(zhuǎn)軸近于鉛直地安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)或主減速器主軸上，每片槳葉的工作原理類同于固定翼飛機(jī)的一個(gè)機(jī)翼，主旋翼在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，即槳葉在主軸帶動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與周圍空氣發(fā)生作用，產(chǎn)生向上的升力，把無人機(jī)舉托在空中。發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)也輸出一小部分動(dòng)力至尾槳，產(chǎn)生抵消旋翼反扭矩的側(cè)向力，如圖6所示。

（2）采用雙旋翼（空氣螺旋槳）的無人直升機(jī)有多種不同的氣動(dòng)布局方案，兩個(gè)開放螺旋槳（旋翼）可以前后串列：縱列式（圖5b），可以左右并列：橫列式（圖5c），可以上下共軸：共軸式（圖5d），還可以上下不共軸：叉動(dòng)式（圖5e）。雖然無人直升機(jī)每種氣動(dòng)布局方案都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但是不論是何種類型的雙旋翼無人直升機(jī)，兩副旋翼的相對位置如何布置，其兩副旋翼的旋轉(zhuǎn)方向一定是相逆的，以達(dá)到兩副旋翼的反扭矩彼此抵消的目的。

（3）大多數(shù)電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）設(shè)計(jì)方案采用4個(gè)或4個(gè)以上雙數(shù)（4，6，8，10，12？？）個(gè)旋翼，其原因主要也是為了讓成對旋翼的反扭矩相互抵消（圖5f）。

涵道風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)和工作原理

涵道風(fēng)扇的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

如果在空氣螺旋槳外面加一個(gè)圓桶形外殼將空氣螺旋槳保護(hù)起來，就構(gòu)成了一種新的空氣螺旋槳結(jié)構(gòu)體，稱為涵道風(fēng)扇（Ducted Fan），如圖7所示。雖然開放螺旋槳結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，應(yīng)用廣泛，但是，由于空氣螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)主要存在的阻力有空氣摩擦阻力、壓差阻力、誘導(dǎo)阻力和干擾阻力等，槳葉因高速圓周運(yùn)動(dòng)使葉尖處速度最高，誘導(dǎo)阻力比較大，對外界氣流產(chǎn)生沖擊造成噪聲大，超出了城市居民能夠接受的水平，這是開放螺旋槳?jiǎng)恿π实偷闹饕颉?/p>

另外，由于開放螺旋槳是懸臂梁結(jié)構(gòu)桿件，在氣動(dòng)力作用下葉尖處容易變形導(dǎo)致效率進(jìn)一步惡化，受到音障限制，導(dǎo)致安裝了開放螺旋槳的無人直升機(jī)的前飛速度一般不會(huì)超過200～300km/h。

為了克服開放螺旋槳的這些固有缺陷，涵道風(fēng)扇應(yīng)運(yùn)而生。涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是把空氣螺旋槳（旋翼）包在一個(gè)由復(fù)合材料制成的直徑比較小的涵道內(nèi)部，當(dāng)空氣螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)形成所謂涵道氣流。涵道風(fēng)扇的工作原理與無人直升機(jī)開放螺旋槳（旋翼）相同，它們的區(qū)別在于兩者的工作環(huán)境有較大差別。涵道風(fēng)扇無人機(jī)在前飛時(shí)，涵道處于前方來流和風(fēng)扇吸流的復(fù)雜氣流中，其升力、阻力和俯仰力矩對整機(jī)的配平乃至穩(wěn)定控制具有決定性影響。由于涵道風(fēng)扇內(nèi)空氣螺旋槳的槳葉槳尖處空氣流動(dòng)受涵道限制，因而沖擊噪聲減小，誘導(dǎo)阻力減少，氣動(dòng)效率較高，大約能提高10%～15%，如圖8所示。在同樣功率消耗下，涵道風(fēng)扇比同樣直徑的開放旋翼可以產(chǎn)生更大的升力。

在相同的螺旋槳轉(zhuǎn)速下，涵道螺旋槳的滑流區(qū)氣流速度要小于開放螺旋槳，導(dǎo)致涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的螺旋槳拉力小于開放螺旋槳拉力，但是涵道壁會(huì)產(chǎn)生附加拉力，使得涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的整體拉力要大于開放螺旋槳的拉力。另外，涵道風(fēng)扇的扭矩略小于開放螺旋槳的扭矩，這主要是由于涵道的存在改變了滑流狀態(tài)，使得涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的整體拉力大為提高，而扭矩卻略微減小。

涵道產(chǎn)生氣動(dòng)效率增益的原理主要有兩點(diǎn)：首先，涵道必須足夠高，通常涵道的高度h應(yīng)大于0.4D（直徑），并且有一個(gè)完整的圓潤飽滿的邊緣。涵道的存在使得螺旋槳的滑流場發(fā)生改變，降低了空氣滑流速度，改善了螺旋槳槳尖區(qū)域的繞流特性，減少了槳尖損失，從而在一定程度上提高了螺旋槳的氣動(dòng)效率；其次，螺旋槳吸流在涵道唇口處產(chǎn)生繞流，形成低壓區(qū)，使涵道產(chǎn)生附加拉力，涵道壁上的拉力最大可達(dá)總拉力的60%左右。與此同時(shí)，由于涵道的環(huán)繞作用，其結(jié)構(gòu)緊湊、氣動(dòng)噪聲低、不易受外界因素干擾、使用安全性好。涵道風(fēng)扇的缺點(diǎn)是：為了提高氣動(dòng)效率要求槳葉的葉尖和管道間的間隙要非常小，通常要求螺旋槳槳尖和內(nèi)壁的距離控制在槳盤直徑的5‰之內(nèi)。一般來說，涵道三維形狀設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和制造一個(gè)優(yōu)秀的涵道是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，因?yàn)樵O(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)暮莱藭?huì)增加額外的重量，還會(huì)引起振動(dòng)加大，甚至發(fā)生顫振，從而產(chǎn)生更多的噪聲。另外，當(dāng)把涵道風(fēng)扇實(shí)際應(yīng)用到航空器上作為動(dòng)力裝置使用時(shí)，對航空器整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有更高的功率要求，原因是在開放螺旋槳的基礎(chǔ)上增加了一定的結(jié)構(gòu)，也就增加了空氣阻力和系統(tǒng)的重量。

涵道風(fēng)扇內(nèi)的螺旋槳（旋翼）數(shù)量有兩種，一種是單個(gè)螺旋槳（旋翼），另一種是共軸雙旋翼：有兩個(gè)直徑和結(jié)構(gòu)相同的螺旋槳（旋翼）繞同一理論軸線一正一反旋轉(zhuǎn)，起到相互抵消反扭矩的作用。對于共軸雙旋翼的涵道風(fēng)扇，根據(jù)涵道內(nèi)包含螺旋槳（旋翼）的數(shù)量（1個(gè)或2個(gè)）分為兩類：

（1）全涵道風(fēng)扇。不論涵道內(nèi)的螺旋槳（旋翼）是一個(gè)還是兩個(gè)，如果所有的螺旋槳（旋翼）完全包含在涵道內(nèi)，則稱之為“全涵道風(fēng)扇”。

（2）半涵道風(fēng)扇。對于共軸雙旋翼涵道風(fēng)扇，如果只有1個(gè)螺旋槳（旋翼）包含在涵道內(nèi)，另一個(gè)完全曝露在涵道外，則稱之為“半涵道風(fēng)扇”，如圖9所示，如果包含在涵道內(nèi)的是上螺旋槳（旋翼），則稱為“上半涵道風(fēng)扇”。反之，如果包含在涵道內(nèi)的是下螺旋槳（旋翼），則稱為“下半涵道風(fēng)扇”。

自適應(yīng)涵道風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)和工作原理

自適應(yīng)涵道風(fēng)扇（Adaptive Ducted Fan，ADF）是一種進(jìn)氣口可隨飛行狀態(tài)的變化而自動(dòng)改變其大小的涵道風(fēng)扇。由于安裝了涵道風(fēng)扇作為升力系統(tǒng)的電動(dòng)垂直起降飛行器，在垂直起降和空中懸停飛行過程中功率消耗大，因此所需的空氣流量也需要增大。一般普通涵道風(fēng)扇進(jìn)氣口大小是固定不變的，顯然無法滿足這一要求。為了解決這一難題，人們提出了自適應(yīng)涵道風(fēng)扇設(shè)計(jì)方案，如圖10所示。

自適應(yīng)涵道風(fēng)扇在進(jìn)氣口打開狀態(tài)時(shí)，可以在管道中產(chǎn)生更大的空氣量，提高氣動(dòng)效率，降低損耗，在垂直起飛和降落時(shí)增加推力，達(dá)到提高起飛重量的目的。而在進(jìn)氣口收回狀態(tài)時(shí)，具有更優(yōu)的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，減少風(fēng)阻，適應(yīng)于電動(dòng)垂直起降飛行器前飛和巡航飛行狀態(tài)。

自適應(yīng)涵道風(fēng)扇與固定口徑的普通涵道風(fēng)扇相比較，優(yōu)勢明顯。

（1）自適應(yīng)涵道風(fēng)扇提高了垂直起降飛行器懸停時(shí)的氣動(dòng)效率（約60%）。

（2）減小了涵道風(fēng)扇的體積（大約1/4）。

（3）減小了涵道風(fēng)扇的重量（大約1/4）。

（4）降低了巡航飛行時(shí)涵道風(fēng)扇的空氣阻力（大約20%）。

圖11顯示開放螺旋槳、常規(guī)涵道風(fēng)扇和自適應(yīng)涵道風(fēng)扇三種不同推進(jìn)系統(tǒng)，應(yīng)用到電動(dòng)垂直起降飛行器上以相同前飛速度進(jìn)行巡航飛行時(shí)，所需螺旋槳直徑大小的對比情況。從圖上可以看出：開放螺旋槳所需的直徑最大，常規(guī)涵道風(fēng)扇次之，自適應(yīng)涵道風(fēng)扇最小。這就意味著自適應(yīng)涵道風(fēng)扇在尺寸、重量和生產(chǎn)成本上都有比較大的優(yōu)勢。

環(huán)形螺旋槳的結(jié)構(gòu)和噪音水平

環(huán)形螺旋槳的結(jié)構(gòu)

扭曲環(huán)形螺旋槳看起來形狀非常奇特，但它卻是航空領(lǐng)域的革命性技術(shù)進(jìn)步，把它安裝在航空器上替代以往安裝的開放旋翼或涵道風(fēng)扇，在空中飛行時(shí)大大降低了噪聲，比以往安靜得多，而且氣動(dòng)效率也有很大的提高，經(jīng)濟(jì)效益可提高20%。

航空器使用傳統(tǒng)的螺旋槳（開放旋翼或涵道風(fēng)扇）遇到的一個(gè)關(guān)鍵問題是它們飛行時(shí)會(huì)發(fā)出令人討厭的噪聲，因?yàn)榇蟛糠衷肼暸c嬰兒哭聲的頻率范圍相同，人們對頻率從100Hz到5kHz之間的聲音最為敏感。為了解決傳統(tǒng)螺旋槳噪聲擾民問題，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室（MITs Lincoln Laboratory）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：可以用扭曲環(huán)形螺旋槳來降低傳統(tǒng)螺旋槳的噪聲。經(jīng)過幾次嘗試，該團(tuán)隊(duì)確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一種環(huán)形螺旋槳設(shè)計(jì)，如圖12所示。

環(huán)形螺旋槳的噪聲水平

雖然運(yùn)行環(huán)形螺旋槳的無人機(jī)發(fā)出的聲音水平，與普通無人機(jī)的噪聲水平大致相當(dāng)，但是噪聲傳播距離大約只有普通無人機(jī)噪聲傳播距離的一半。原因是環(huán)形螺旋槳產(chǎn)生的渦流分布在整個(gè)槳葉形狀上，而不僅僅是在槳尖部分。這使得它在大氣中能有效地、更快地消散。由于漩渦不會(huì)傳播太遠(yuǎn)，人們不太可能聽到它。更重要的是，它們的環(huán)形形狀不僅增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還減少了槳葉切割、剪切或碰到物體的幾率。環(huán)形螺旋槳缺點(diǎn)是槳葉的形狀相當(dāng)復(fù)雜，所以它們比使用廉價(jià)而簡單的注塑成型的標(biāo)準(zhǔn)槳葉更難制造，需要3D打印出來。

電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是新一代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝置，屬于一種全新概念的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)類型，其核心技術(shù)基礎(chǔ)是采用涵道電動(dòng)矢量推力技術(shù)（Ducted Electric Vectored Thrust， DEVT），用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)渦輪轉(zhuǎn)子（葉輪）高速旋轉(zhuǎn)，對進(jìn)入管道內(nèi)的空氣流進(jìn)行加速加壓；其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的為95%商用航空器提供動(dòng)力的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)完全不同，它只有渦輪轉(zhuǎn)子（葉輪）和拉瓦爾噴氣管道，沒有燃燒室，僅依賴于由零排放電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的單級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子/定子系統(tǒng)產(chǎn)生向后的推力，例如德國百合花電動(dòng)飛機(jī)公司的復(fù)合eVTOL的設(shè)計(jì)方案，在每個(gè)固定機(jī)翼的襟翼上都安裝有三個(gè)電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，襟翼可以各自獨(dú)立傾轉(zhuǎn)，允許安裝其上的電動(dòng)涵道傾轉(zhuǎn)，從而改變它們產(chǎn)生的推力方向，如圖14所示。從圖上可以看出：當(dāng)襟翼處于垂直狀態(tài)時(shí)，復(fù)合eVTOL通過它襟翼上安裝的電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子推力矢量，提供其垂直起降和懸停飛行所需的升力；當(dāng)復(fù)合eVTOL轉(zhuǎn)換為向前飛行模式時(shí)，該電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子推力矢量轉(zhuǎn)向90°，指向后方，提供前飛所需的推力。

電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和傾轉(zhuǎn)工作狀態(tài)如圖13所示。與開放螺旋槳及涵道風(fēng)扇推進(jìn)器相比，其優(yōu)點(diǎn)非常明顯：結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械部件少，重量輕，制造成本和維護(hù)成本低，故障率低，安全性好，巡航飛行狀態(tài)效率高，噪聲低，占用空間小和可擴(kuò)展性好等。其缺點(diǎn)是在懸停飛行狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致 50% 的功耗損失，懸停升力效率比較差。

為了改善懸停升力效率，電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)采取的技術(shù)措施是安裝可調(diào)控噴嘴，即可以依據(jù)飛行狀態(tài)改變噴氣管道截面形狀。在巡航飛行（平飛）狀態(tài)，電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣管道截面面積最??；當(dāng)需要退出平飛狀態(tài)，進(jìn)入過渡飛行階段時(shí)，隨著電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)向下傾轉(zhuǎn)，逐漸打開噴嘴，即逐漸擴(kuò)大噴氣管道截面面積；最后進(jìn)入垂直起降和懸停飛行狀態(tài)時(shí)，噴嘴完全打開，噴氣管道截面面積最大。對于流速小于聲速的亞聲速氣流，當(dāng)流過收斂型管道時(shí)，隨著管道截面積的減小，流速升高，同時(shí)伴隨壓力、溫度降低。當(dāng)流過擴(kuò)散型管道時(shí)，隨著管道截面積增大，流速降低，同時(shí)伴隨壓力、溫度升高。收斂-擴(kuò)散型管道，即前端為收斂型管道，后端連接著擴(kuò)散型管道，這種管道稱為拉瓦爾管，如圖14所示。

拉瓦爾管在正常工作狀態(tài)下，亞聲速氣流在收縮段加速，至喉道（即管中橫截面最小處）達(dá)到最大流速，進(jìn)入擴(kuò)張段繼續(xù)加速，直到管道出口為止。就功能而言，拉瓦爾噴管實(shí)際上起到了一個(gè)“流速增大器”的作用，在航空器上有非常廣泛的應(yīng)用。

（未完待續(xù)）