同軸反轉螺旋槳
提示：此條目的主題不是反向旋轉螺旋槳。
同軸反轉螺旋槳（英語：Contra-rotating Propellers），又稱同軸反轉旋翼，是渦輪螺旋槳引擎所特有的一類螺旋槳。其與普通的螺旋槳最大的不同，在於其單個發動機上有兩組並列轉動的螺旋槳，這兩組螺旋槳轉動的角速度方向相反，因此被稱為同軸反轉螺旋槳。
同軸反轉螺旋槳的兩組螺旋槳通常連接的同一台發動機，並利用一組行星齒輪來實現反向旋轉。同軸反轉螺旋槳不是反向旋轉螺旋槳，後者指的是飛機兩側兩個不同的發動機，其螺旋槳轉動方向相反。
工作原理
[編輯]在低速巡航的狀態下，螺旋槳葉片的葉尖會形成切向的空氣渦流，這種渦流會造成一定的能量損失。在完美的設計下，同軸反轉螺旋槳兩組葉片轉動時產生的渦流會互相抵消，將渦流造成的能量損失降到最低。
優點
[編輯]扭矩配平
[編輯]由於反作用力原理，當一個螺旋槳轉動時，空氣會通過葉片會對發動機產生一個角速度相反的力，即扭矩。這個力會造成飛機沿着扭矩方向翻滾。對於二戰時不少單發螺旋槳飛機，扭矩對飛行的穩定性影響很大，工程師只能通過調節飛機副翼來配平扭矩。由於扭矩的大小和飛行的速度有很大的關係，副翼的角度也必須隨着速度的不同的改變，這大大增加了飛機設計的複雜程度。
然而同軸反轉螺旋槳就沒有這個問題，兩組反向旋轉的葉片產生的扭矩相互抵消。設計師不需要通過調節飛機副翼來配平扭矩，飛機的設計得以簡化，也大大增加了飛機的穩定性。
高效能
[編輯]由於消除了葉尖的空氣渦流，同軸反轉螺旋槳比一般螺旋槳能增加約6%-16%的效率。[1]
缺點
[編輯]同軸反轉螺旋槳最大的缺點在於運轉產生的噪音太大。其軸方向的噪音增加30分貝，側方向增加10分貝，這種噪音的增加在葉片高速轉動時尤為明顯。由於噪音大的缺點，同軸反轉螺旋槳未能在客機上得以很好的運用。有一種解決方案是在兩組螺旋槳上安裝不同數量的葉片（例如，前面的一組使用4個葉片，後面一組使用5個葉片）。
同軸反轉螺旋槳另一個缺點是增加了發動機的設計複雜程度，並且增加了重量。因此只能在軍用飛機上使用。
有研究項目正在計劃改進這些缺點並應用於民用航空。[2]
實際應用
[編輯]儘管不少國家都試圖製造同軸反轉螺旋槳飛機，只有英國和蘇聯曾大量生產。美國雖然掌握了相關的技術，但是並沒有大量生產。[3]
英國
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1909年，弗雷德里克·W·蘭徹斯特申請同軸反轉螺旋槳的專利。[4] 有一些著名的英國飛機裝備了同軸反轉螺旋槳發動機，例如夏克頓轟炸機，以及Fairey Gannet空中預警機，搭載了四具勞斯萊斯·格里芬引擎。塘鵝式反潛機則使用Armstrong Siddeley Double Mamba（渦輪螺旋槳發動機）。
在後期的噴火戰鬥機的某些型號上，也採用了同軸反轉螺旋槳發動機。英國人在噴火戰鬥機上安裝該類螺旋槳最主要的原因是因為葉片的長度受到飛機前起落架高度的限制。由於戰略的需要，在不能增加螺旋槳轉動時葉片面積的情況下，只能採用同軸反轉螺旋槳來實現更高的輸出功率來提升戰鬥機的速度。
布里斯托布拉巴宗（Bristol Brabazon）是英國飛機公司早期的試驗機型。該機搭載了四對，共八組螺旋槳，配備了八具引擎。每組螺旋槳都有一個獨立引擎來驅動。[5]
蘇聯，俄羅斯和烏克蘭
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1950年代，蘇聯研發了庫茲涅佐夫設計局的NK-12渦輪螺旋槳引擎，採用了同軸反轉螺旋槳。該具引擎是迄今為止世界上推力最大的渦輪螺旋槳引擎。
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搭載了四具NK-12引擎的圖-95，是蘇聯最早期的一款洲際戰略轟炸機，也是目前全世界唯一仍服役中的大型四渦輪螺旋槳引擎之長程戰略轟炸機。由於發動機功率太大，在槳葉直徑和轉速無法繼續增加的情況下，就只能增加葉片數量來提高效率。因此他的飛行速度接近於噴氣式轟炸機，是最快的螺旋槳飛機之一。在這種速度下四對同軸反轉螺旋槳的效率要比單一八葉螺旋槳效率高。其衍生機型圖-114,是一種俄國長程螺旋槳客機，至今仍保持着最快螺旋槳飛機的世界紀錄。[6]
蘇聯軍方看重其載重能力，用一架圖-95V型轟炸機在北冰洋新地島群島附近試爆了全世界有史以來最大的核武器：沙皇炸彈。
由於採用了同軸反轉螺旋槳，圖-95有一個巨大的缺點，就是由四具同軸反轉渦輪螺旋槳引擎所產生出來的噪音非常巨大，聲音大到居然美軍在北大西洋設置的聲納網甚至可以捕捉到圖-95的聲紋，這使其成為可能是史上唯一一架能被聲納捕捉的轟炸機。
另一款搭載NK-12引擎的飛機是安-22重型運輸機。該機問世時，是當時世界上最大，至今仍舊最大的配備渦輪螺旋槳引擎的重型軍用運輸機。冷戰時期，它多次打破載重飛行的記錄。
但是由於安-22的經濟性和安全性有待加強，只生產85架就停產了。安-124運輸機問世後，便代替了安-22的地位。它沒有採用同軸反轉螺旋槳，而是四具渦輪風扇發動機來實現更高的飛行速度。
蘇聯與1972年生產的A-90翼地效應機也搭載了NK-12引擎。它只採用了一具該款引擎，安裝在T型垂直尾翼的頂部。該機在機鼻亦搭載了兩具噴射引擎。
1994年，庫茲涅佐夫設計局推出了安托諾夫An-70中程運輸機。該機搭載四具Progress D-27引擎，驅動四對同軸反轉螺旋槳。Progress D-27引擎一種槳扇發動機，是一種介於渦輪螺旋槳發動機和渦輪風扇發動機之間的飛機引擎。
直升機方面，卡莫夫設計局的Ka系列直升機（例如:Ka-27直升機）幾乎全部採用同軸反轉螺旋槳去抵消發動機產生的反向扭力。
美國
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美國曾經製造出幾架採用同軸反轉螺旋槳的試驗機型，例如道格拉斯飛行器公司的XB-42 Mixmaster、XTB2D Skypirate，以及波音公司的XF8B、XP-56等機型。
但是，在噴射引擎的技術逐漸成熟後，美國逐漸放棄了對同軸反轉螺旋槳發動機軍事方向的研發。
超輕型飛機
[編輯]太陽飛機公司（Sun Flightcraft），一家澳大利亞的飛機製造企業，在其生產的Rotax 503/582引擎上採用了同軸反轉齒輪。由於抵消了扭力，比一般超輕型飛機增加了約15%到20%的動力。該公司還聲稱已經解決了同軸反轉螺旋槳帶來的噪音問題。
參考文獻
[編輯]- ^ Design and cavitation performance of contra-rotating propellers. [2013-02-20]. （原始內容存檔於2017-01-01）.
- ^ Kijk magazine, 1/2013
- ^ "Planes Propellers Revolve In Opposite Directions", November 1931, Popular Science （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）第33頁
- ^ 1941 - 2944. Flight Archive. [2015-08-30]. （原始內容存檔於2019-11-05）.
- ^ 航空成就（Aviation Archive）. [2013-02-20]. （原始內容存檔於2012-02-14）.
- ^ Fédération Aéronautique Internationale (FAI) - General Aviation World Records. [2013-02-20]. （原始內容存檔於2007-10-07）.
