螺旋桨的回归

对更短、更便宜航班的需求正在推动对涡轮螺旋桨飞机的新研究

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一个世纪前,螺旋桨驱动飞机的首次亮相开启了全球航空航天技术的繁荣,这种繁荣一直延续至今。但自从第二次世界大战期间喷气式飞机发动机出现以来,螺旋桨动力飞行的研究常常退居其次,让位于涡轮风扇技术,后者使喷气式客机飞得更快更远。然而,速度和航程是有代价的,过去 10 年,不断上涨的燃料价格和区域航空旅行需求的增长都改变了飞行的经济性。现在,航空公司再次 寄希望于更小、更高效的涡轮螺旋桨飞机来处理更短的航线,从而推动了新一代螺旋桨驱动飞机技术的发展,这些技术有望在本十年末起飞。

根据加拿大飞机制造商庞巴迪进行的市场调查,涡轮螺旋桨飞机约占 2013 年交付给航空公司的 20 至 99 座客机的半数——这种均等局面自 1990 年代以来从未出现过。需求上升的原因是,在航程小于约 500 海里的航班中,涡轮螺旋桨飞机比涡轮风扇飞机的燃油效率高得多,涡轮风扇飞机只有在长途爬升到更高的巡航高度后才能最有效地飞行。但是,为了提高效率,传统的涡轮螺旋桨飞机牺牲了空速,并产生噪音和振动,从而降低了乘客的舒适度。对于在客户体验和价格方面都展开竞争的航空公司(并且敏锐地意识到乘客对螺旋桨驱动飞机过时的看法),上个世纪的螺旋桨技术是行不通的。

在为新一代涡轮螺旋桨飞机铺平道路的企业中,通用电气航空集团旗下的道蒂螺旋桨公司正在重新探索螺旋桨、发动机舱和飞机机翼之间的相互作用效应。借助几年前还无法获得的计算流体动力学工具,这家总部位于英国格洛斯特的公司工程师不仅在设计具有新的提高效率形状的叶片,而且还在重新思考整个螺旋桨的布局。


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“现在可用的计算能力确实发挥了作用,”道蒂公司的乔纳森·切斯特尼说,他指出研究人员可以分析单个叶片的数据。“这对我们来说是一个激动人心的时刻,”他评论道。“我们能够看到更多的细节,就像一位科学家刚刚得到了第一台显微镜一样。”
道蒂公司的工程师目前正在探索八叶片螺旋桨的两种新颖的间距方案。一种方案是将叶片不均等地布置在螺旋桨轮毂的圆周上;另一种方案是轴向交错叶片,其中四个叶片安装在轮毂上比其他叶片更靠前的位置。这些间距方案打破并改变了飞行中产生的可听频率。道蒂公司正在对志愿者进行相应的客舱声音测试,以了解他们更喜欢哪种声音。

道蒂公司的研究并非在真空中进行。美国国防部想要的下一代直升机和即将到来的无人飞行器中将出现先进的螺旋桨,佐治亚理工学院的航空航天工程师拉克希米·桑卡尔说。因此,研究正在整个行业甚至跨学科领域进行。美国宇航局格伦研究中心和佐治亚理工学院等机构进行的螺旋桨计算流体动力学研究正在为道蒂和总部位于夏洛特的UTC航空航天系统公司等供应商的设计提供支持。

新颖的设计离停机坪不远了。道蒂公司的切斯特尼说:“我们预计在未来几年内,一些主要参与者将公开新的飞机设计。”

延伸阅读和引用ScientificAmerican.com/nov2014/advances

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