Цель винтов изменяемого шага - поддержание оптимального угла атаки?

То, что вы знаете о винтах с изменяемым шагом, в целом верно. Если вы сделаете небольшое изменение, у вашего летного инструктора не будет причин возражать: они держат лопасти винта под оптимальным углом атаки в широком диапазоне скоростей.

По мере увеличения расстояния от ступицы секция лопасти набирает окружную скорость, сохраняя при этом ту же скорость движения вперед, что и все остальные секции. Следовательно, крутка лопасти винта должна изменяться линейно от ступицы к кончику. Если вы крутите всю лопасть у основания, вы добавляете постоянное изменение к каждому поперечному сечению, поэтому на высокой скорости у основания лопасти угол атаки слишком большой, а у кончика слишком маленький угол атаки. Обычно секция примерно на 75% размаха гребного винта поддерживается под идеальным углом для наилучшего общего компромисса. Этого вполне достаточно для практического использования.

В идеале винт крутился бы быстрее с увеличением скорости полета, но для этого потребовался бы редуктор и переключение передач при ограниченных диапазонах оборотов двигателей внутреннего сгорания, давала бы малую тягу в начале разбега и на большой скорости бежала бы в проблемы сжимаемости на концах гораздо раньше - практические высокоскоростные пропеллеры вращаются медленнее, чем типичные низкоскоростные пропеллеры.

Если вы посмотрите на приведенную ниже диаграмму КПД трехлопастного гребного винта с изменяемым шагом, вы увидите, что пик КПД приходится на одну скорость (данную как коэффициент опережения на графике ниже) и один угол шага. Это когда полная лопасть летит под оптимальным углом атаки для каждой секции. Этот оптимум будет смещаться к более высоким скоростям для меньшего скручивания и к более низким скоростям для большего скручивания. Эксплуатация гребного винта вдали от расчетной точки сопряжена с небольшими потерями, поскольку не вся лопасть находится точно под оптимальным углом атаки, но если вы сравните общую эффективность с эффективностью установки с одним шагом, преимущество переменного шага становится очевидным.

График КПД винта изменяемого шага. Источник: McCormick BW Aerodynamics, Aeronautics & Flight Mechanics. Джон Вили и сыновья, Inc., 1979.

Цель винта с изменяемым шагом состоит в том, чтобы позволить пилоту выбрать, где на кривой (кривых) мощности двигателя он хочет управлять двигателем. Когда требуется полная мощность, например, для взлета и начального набора высоты, дроссельная заслонка полностью открыта, а шаг устанавливается настолько мелким, насколько это необходимо, чтобы позволить двигателю раскрутиться до пика его номинальной кривой мощности. Для экономичного круиза шаг винта увеличивается, чтобы нагрузить двигатель до более низкой скорости вращения, при которой он вырабатывает меньше мощности и потребляет меньше топлива.

В связи с этим вы можете рассматривать управление шагом на винте как аналог трансмиссии в вашем автомобиле: первая передача = мелкий шаг, высшая передача/овердрайв = крупный шаг.

Обратите внимание, что это означает, что комбинация винта и двигателя с постоянной скоростью будет аналогом системы круиз-контроля в вашем автомобиле.

Есть два вида пропеллера:

• Зафиксируйте шаг гребного винта, который шаг или, как мы более привычно, называем углом атаки (AoA), всегда одинаковый, обороты двигателя регулируются в соответствии с требованиями.
• Воздушный винт постоянной скорости, у которого обороты двигателя варьируются за счет изменения шага.

Первый пропеллер старый, и дешевле. Нет возможности изменить шаг. Шаг обычно низкий, около 5 градусов (зависит от дизайна производителя). Последний более дорогой и более подходящий для использования в текущем полете. Винт с малым шагом подходит для взлета, а с большим — во время крейсерского полета. «Высокий» здесь зависит от производителя, но будет около 15 градусов, максимальный предел до того, как он свалится, что означает, что мощность двигателя не более эффективна для движения самолета вперед.

Низкий шаг с пропеллером с фиксированным шагом мы можем представить себе как автомобиль с пониженной передачей, который используется для движения автомобиля от остановки, а затем для подъема по пешеходной дороге. А через некоторое расстояние встречаете ровную и гладкую платную дорогу. Во время набора высоты больше подходит 1-я передача (низкий шаг), но не во время движения по ровной и гладкой платной дороге. Во время движения по этой платной дороге удобнее использовать 5-ю передачу (высокий шаг). То же самое относится и к самолету. Во время взлета самолет требует малого шага, но высоких оборотов. Это позволяет пропеллеру «кусать» воздух понемногу, и медленно тянуть самолет вперед, затем взлетать, пока он не достигнет крейсерского эшелона. После крейсерского эшелона (который самолет заставит двигаться на высокой скорости) винт настраивается с подходящим шагом, чтобы соответствовать подходящему числу оборотов в минуту., что ниже RPM, но выше TAS или, по крайней мере, такой же TAS. Более низкие обороты означают меньший ход поршня в минуту. Меньший ход поршня в минуту означает меньший расход газа. Итак, инструкторское слово под " оптимальным " означает " лучший расход газа за счет более низких оборотов ". Более низкие обороты уменьшат температуру двигателя и, наконец, увеличат срок службы двигателя.