ในด้านการบินใบพัดเครื่องบินหรือที่เรียกว่า^สกรูอากาศ [ ^{1 ] [ 2 ]}จะแปลงการเคลื่อนที่แบบหมุนจากเครื่องยนต์หรือแหล่งพลังงานอื่น ๆ ให้เป็นกระแสลม หมุนวน ที่ผลักใบพัดไปข้างหน้าหรือข้างหลัง ประกอบด้วยดุมที่หมุนได้ซึ่งขับเคลื่อนด้วยพลังงาน โดยมี ใบพัดรูปทรงปีก เครื่องบิน หลายใบติดอยู่ ทำให้ชุดประกอบทั้งหมดหมุนรอบแกนตามยาว มุมของใบพัดอาจคงที่ ปรับได้ด้วยตนเองไปยังตำแหน่งที่กำหนดไว้ไม่กี่ตำแหน่ง หรือเป็นแบบ "ความเร็วคงที่" ที่ปรับได้โดยอัตโนมัติ

ใบพัดจะเชื่อมต่อกับเพลาขับของแหล่งพลังงานโดยตรงหรือผ่านระบบเกียร์ทดรอบใบพัดสามารถทำจากไม้ โลหะ หรือวัสดุผสมได้

ใบพัดมีประโยชน์เฉพาะที่ความเร็วลมต่ำกว่าเสียง โดยทั่วไปต่ำกว่าประมาณ 480 ไมล์ต่อชั่วโมง (770 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) แม้ว่าเครื่องบินทดลองMcDonnell XF-88B ที่ติดตั้งใบพัดจะสามารถทำความเร็วได้ถึง Mach 1.01 ในการดำดิ่งด้วยประสิทธิภาพของใบพัดที่ 78% ก็ตาม ^{[ 3 ]}

การออกแบบใบพัดในยุคแรก จากบนลงล่าง จากซ้ายไปขวา: เฮลิคอปเตอร์ไม้ไผ่ ของเล่น โบราณจากเอเชียตะวันออก (ประมาณ 400 ปีก่อนคริสตกาล); ใบพัดอากาศในจินตนาการของเลโอนาร์โด ดา วินชี (ทศวรรษ 1490); เครื่องจักรตามหลักอากาศพลศาสตร์ของมิคาอิล โลโมโนซอฟ (1754); ใบพัดของเรือเหาะ ลาฟรองซ์ เครื่องบินที่บังคับทิศทางได้เต็มรูปแบบลำแรกของโลก (1884)

การอ้างอิงถึงการบินแนวตั้งที่เก่าแก่ที่สุดมาจากประเทศจีน ตั้งแต่ราว 400 ปีก่อนคริสตกาล^{[ 4 ]} เด็กชาวจีน ได้ เล่น กับ ของเล่นบินที่ทำจากไม้ไผ่^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}เฮลิคอปเตอร์ไม้ไผ่นี้หมุนโดยการกลิ้งแท่งที่ติดอยู่กับใบพัดระหว่างมือ การหมุนทำให้เกิดแรงยก และของเล่นจะบินได้เมื่อปล่อย^{[ 4 ​​]} มีรายงานว่า หนังสือเต๋าBaopuziในศตวรรษที่ 4 โดยGe Hong (抱朴子 "ปรมาจารย์ผู้โอบกอดความเรียบง่าย") ได้อธิบายถึงแนวคิดบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับเครื่องบินปีกหมุน^{[ 8 ]}

ดีไซน์ที่คล้ายกับของเล่นเฮลิคอปเตอร์จีนปรากฏในภาพวาดสมัยเรเนซองส์และงานอื่นๆ^{[ 9 ]}

จนกระทั่งช่วงต้นทศวรรษ 1480 เมื่อเลโอนาร์โด ดา วินชีสร้างแบบจำลองเครื่องจักรที่สามารถอธิบายได้ว่าเป็น"สกรูอากาศ"จึงได้มีการบันทึกความก้าวหน้าใดๆ ในด้านการบินแนวตั้ง บันทึกของเขาชี้ให้เห็นว่าเขาสร้างแบบจำลองการบินขนาดเล็ก แต่ไม่มีข้อบ่งชี้ใดๆ เกี่ยวกับกลไกที่จะหยุดใบพัดไม่ให้ทำให้ยานหมุน^{[ 10 ] [ 11 ]}เมื่อความรู้ทางวิทยาศาสตร์เพิ่มขึ้นและได้รับการยอมรับมากขึ้น มนุษย์ก็ยังคงแสวงหาแนวคิดเรื่องการบินแนวตั้งต่อไป แบบจำลองและเครื่องจักรในยุคหลังๆ เหล่านี้จำนวนมากจะมีลักษณะคล้ายกับลูกข่างไม้ไผ่โบราณที่มีปีกหมุนมากกว่าสกรูของเลโอนาร์โด

ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 1754 มิคาอิล โลโมโนซอฟ ชาวรัสเซีย ได้พัฒนาเครื่องหมุนแกนร่วมขนาดเล็กที่จำลองมาจากลูกข่างจีนแต่ขับเคลื่อนด้วยอุปกรณ์สปริงที่พันไว้^{[ 12 ]}และสาธิตให้สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งรัสเซียเห็น เครื่องหมุน แกนร่วมนี้ขับเคลื่อนด้วยสปริง และถูกเสนอแนะให้เป็นวิธีการยกเครื่องมือทางอุตุนิยมวิทยา ในปี ค.ศ. 1783 คริสเตียน เดอ ลานูยและช่างเครื่อง ของเขา เบียนเวนู ได้ใช้เครื่องหมุนแกนร่วมแบบเดียวกับลูกข่างจีนในแบบจำลองที่ประกอบด้วยขนนกไก่งวง ที่หมุนสวนทางกัน ^{[ 12 ]}เป็นใบพัด และในปี ค.ศ. 1784 ได้สาธิตให้สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งฝรั่งเศสเห็นฌอง บาติสต์ มารี เมอสนิเยร์ ได้บรรยายถึง เรือเหาะแบบควบคุมทิศทางได้ซึ่งนำเสนอในปี ค.ศ. 1783 ภาพวาดแสดงให้เห็นตัวเรือเหาะที่เพรียวบางยาว 260 ฟุต (79 เมตร) พร้อมบอลลูนภายในที่สามารถใช้ในการควบคุมแรงยกได้ เรือเหาะได้รับการออกแบบให้ขับเคลื่อนด้วยใบพัดสามตัว ในปี ค.ศ. 1784 ฌอง-ปิแอร์ บลองชาร์ดได้ติดตั้งใบพัดที่ขับเคลื่อนด้วยมือให้กับบอลลูน ซึ่งเป็นวิธีการขับเคลื่อนขึ้นสู่ที่สูงครั้งแรกที่มีการบันทึกไว้^{[ 13 ]}เซอร์ จอร์จ เคย์ลีย์ได้รับอิทธิพลจากความหลงใหลในลูกข่างจีนในวัยเด็ก จึงได้พัฒนาแบบจำลองขนนก ซึ่งคล้ายกับของลาโนยและเบียนเวนู แต่ใช้ยางรัดเป็นแหล่งพลังงาน ในช่วงปลายศตวรรษ เขาได้พัฒนาไปใช้แผ่นดีบุกเป็นใบพัดและใช้สปริงเป็นแหล่งพลังงาน งานเขียนเกี่ยวกับการทดลองและแบบจำลองของเขาจะมีอิทธิพลต่อผู้บุกเบิกด้านการบินในอนาคต^{[ 10 ]}

วิลเลียม แบลนด์ส่งแบบร่าง "เรือเหาะบรรยากาศ" ของเขาไปยังงานนิทรรศการใหญ่ที่จัดขึ้นในลอนดอนในปี 1851 ซึ่งมีการจัดแสดงแบบจำลอง เรือเหาะนี้เป็นบอลลูนทรงยาวที่มีเครื่องยนต์ไอน้ำขับเคลื่อนใบพัดคู่ที่แขวนอยู่ด้านล่าง^{[ 14 ] [ 15 ]}อัลฟองส์ เปอโนด์พัฒนาของเล่นเฮลิคอปเตอร์จำลองแบบใบพัดแกนร่วมในปี 1870 ซึ่งขับเคลื่อนด้วยยางรัดเช่นกัน ในปี 1872 ดูปุย เดอ โลมปล่อยบอลลูนขนาดใหญ่ที่สามารถเดินเรือได้ ซึ่งขับเคลื่อนด้วยใบพัดขนาดใหญ่ที่หมุนโดยคนแปดคน^{[ 16 ]}ไฮแรม แม็กซิมสร้างยานที่มีน้ำหนัก 3.5 ตัน (3.6 ตัน) มีปีกกว้าง 110 ฟุต (34 เมตร) ซึ่งขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ไอน้ำ 360 แรงม้า (270 กิโลวัตต์) สองเครื่อง ที่ขับเคลื่อนใบพัดสองใบ ในปี 1894 เครื่องจักรของเขาได้รับการทดสอบด้วยรางเหนือศีรษะเพื่อป้องกันไม่ให้มันลอยขึ้น การทดสอบแสดงให้เห็นว่ามันมีแรงยกเพียงพอที่จะบินขึ้นได้^{[ 17 ]} ของเล่นชิ้นหนึ่งของเปโนด์ ซึ่ง พ่อของพวกเขามอบให้เป็นของขวัญเป็นแรงบันดาลใจให้พี่น้องไรท์ใฝ่ฝันที่จะบิน^{[ 18 ]}

รูป ทรงปีกบิด(แอโรฟอยล์) ของใบพัดเครื่องบินได้รับการบุกเบิกโดยพี่น้องไรท์ ในขณะที่วิศวกรบางคนก่อนหน้านี้พยายามจำลองใบพัดเครื่องบินจากใบพัดเรือพี่น้องไรท์ตระหนักว่าใบพัดนั้นโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับปีกและสามารถใช้ข้อมูลจากการทดลองอุโมงค์ลมก่อนหน้านี้เกี่ยวกับปีก โดยแนะนำการบิดตามความยาวของใบพัด ซึ่งจำเป็นต่อการรักษาองศาการโจมตี ที่สม่ำเสมอมากขึ้น ของใบพัดตลอดความยาว^{[ 19 ]}ใบพัดดั้งเดิมของพวกเขามีประสิทธิภาพประมาณ 82% ^{[ 20 ]}เมื่อเทียบกับ 90% สำหรับใบพัดเครื่องบินขนาดเล็กทั่วไปสมัยใหม่ (2010) ใบพัด McCauley 3 ใบที่ใช้ในเครื่องบินBeechcraft Bonanza ^{[ 21 ]} Roper ^{[ 22 ]}อ้างถึง 90% สำหรับใบพัดสำหรับเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยแรงคน

ไม้มะฮอกกานีเป็นไม้ที่นิยมใช้ทำใบพัดในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1แต่การขาดแคลนในช่วงสงครามทำให้ต้องใช้ไม้วอลนัท ไม้โอ๊คไม้เชอร์รี่และไม้แอชแทน [ ^{23 ] อั}ลเบอร์โต ซานโตส ดูมงต์เป็นอีกหนึ่งผู้บุกเบิกในยุคแรก โดยได้ออกแบบใบพัดก่อนพี่น้องไรท์^{[ 24 ]}สำหรับเรือเหาะ ของเขา เขาได้นำความรู้ที่ได้จากประสบการณ์กับเรือเหาะมาใช้ในการสร้างใบพัดที่มีเพลาเหล็กและใบพัดอะลูมิเนียมสำหรับเครื่องบินปีกสองชั้น 14 bis ของเขา ในปี 1906 การออกแบบบางส่วนของเขาใช้แผ่นอะลูมิเนียมดัดงอเป็นใบพัด ทำให้เกิดรูปทรงปีกเครื่องบิน ใบพัดเหล่านี้มีลักษณะโค้ง มาก และการไม่มีการบิดตามยาวทำให้ใบพัดเหล่านี้มีประสิทธิภาพน้อยกว่าใบพัดของไรท์^{[ 25 ]} ถึงกระนั้น นี่อาจเป็นการใช้อะลูมิเนียมครั้งแรกในการสร้างใบพัดเครื่องบิน เดิมที ปีกเครื่องบินที่หมุนอยู่ด้านหลังเครื่องบินซึ่งผลักดันเครื่องบินเรียกว่าใบพัด ในขณะที่ปีก เครื่องบินที่ดึงจากด้านหน้าเรียกว่าแทรกเตอร์^{[ 26 ]}ต่อมาคำว่า 'pusher' ถูกนำมาใช้สำหรับอุปกรณ์ที่ติดตั้งด้านหลังเพื่อเปรียบเทียบกับการกำหนดค่าแบบแทรกเตอร์ และทั้งสองอย่างถูกเรียกว่า 'ใบพัด' หรือ 'สกรูอากาศ' ความเข้าใจเกี่ยวกับอากาศพลศาสตร์ของใบพัดความเร็วต่ำค่อนข้างสมบูรณ์ในช่วงทศวรรษ 1920 แต่ความต้องการในภายหลังที่จะจัดการกับกำลังที่มากขึ้นในเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กลงทำให้ปัญหานี้ซับซ้อนมากขึ้น

การวิจัยใบพัดสำหรับคณะกรรมการที่ปรึกษาแห่งชาติเพื่อการบิน (NACA) ได้รับการกำกับดูแลโดยWilliam F. Durandตั้งแต่ปี 1916 พารามิเตอร์ที่วัดได้ ได้แก่ ประสิทธิภาพของใบพัดแรงขับที่พัฒนา และกำลังที่ดูดซับ แม้ว่าใบพัดอาจได้รับการทดสอบในอุโมงค์ลมแต่ประสิทธิภาพในการบินอิสระอาจแตกต่างกัน ที่ห้องปฏิบัติการการบินอนุสรณ์แลงลีย์ EP Leslie ใช้Vought VE-7ที่มีเครื่องยนต์ Wright E-4 สำหรับข้อมูลเกี่ยวกับการบินอิสระ ในขณะที่ Durand ใช้ขนาดที่ลดลงแต่มีรูปร่างคล้ายกันสำหรับข้อมูลในอุโมงค์ลม ผลลัพธ์ของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ในปี 1926 ในรายงาน NACA ฉบับที่ 220 ^{[ 27 ]}

Lowry ^{[ 29 ]}อ้างถึงประสิทธิภาพของใบพัดประมาณ 73.5% ที่ความเร็วในการบินสำหรับCessna 172ซึ่งได้มาจาก "วิธีการบูตสแตรป" ของเขาสำหรับการวิเคราะห์ประสิทธิภาพของเครื่องบินทั่วไปขนาดเล็กโดยใช้ใบพัดแบบพิทช์คงที่หรือความเร็วคงที่ ประสิทธิภาพของใบพัดได้รับอิทธิพลจากมุมปะทะ (α) ซึ่งกำหนดเป็น α = Φ - θ ^{[ 30 ]}โดยที่ θ คือมุมเกลียว (มุมระหว่างความเร็วสัมพัทธ์ที่เป็นผลลัพธ์และทิศทางการหมุนของใบพัด) และ Φ คือ มุม พิทช์ของใบพัดมุมพิทช์และมุมเกลียวที่เล็กมากจะให้ประสิทธิภาพที่ดีต่อแรงต้าน แต่ให้แรงขับน้อย ในขณะที่มุมที่ใหญ่กว่าจะมีผลตรงกันข้าม มุมเกลียวที่ดีที่สุดคือเมื่อใบพัดทำหน้าที่เหมือนปีกที่สร้างแรงยกมากกว่าแรงต้านมาก อย่างไรก็ตาม 'แรงยกและแรงต้าน' เป็นเพียงวิธีหนึ่งในการแสดงแรงทางอากาศพลศาสตร์บนใบพัด เพื่ออธิบายประสิทธิภาพของเครื่องบินและเครื่องยนต์ แรงเดียวกันนี้จะถูกแสดงออกมาแตกต่างกันเล็กน้อยในแง่ของแรงขับและแรงบิด^{[ 31 ]}เนื่องจากเอาต์พุตที่ต้องการของใบพัดคือแรงขับ แรงขับและแรงบิดเป็นพื้นฐานของคำจำกัดความสำหรับประสิทธิภาพของใบพัดดังที่แสดงไว้ด้านล่างอัตราส่วนความก้าวหน้าของใบพัดนั้นคล้ายกับมุมปะทะของปีก

ประสิทธิภาพของใบพัดถูกกำหนดโดย^{[ 32 ]}

${\displaystyle \eta ={\frac {\hbox{กำลังขับเคลื่อนออก}}{\hbox{กำลังเพลาเข้า}}}={\frac {{\hbox{แรงขับ}}\cdot {\hbox{ความเร็วตามแนวแกน}}}{{\hbox{แรงบิดต้านทาน}}\cdot {\hbox{ความเร็วเชิงมุม}}}}.}$

ใบพัดมีรูปทรงคล้ายกับปีกเครื่องบินที่มีแรงต้าน ต่ำ ดังนั้นจึงทำงานได้ไม่ดีเมื่อมุมปะทะ ไม่ตรงกับมุมที่เหมาะสม ด้วยเหตุนี้ ใบพัดส่วนใหญ่จึงใช้ กลไก ปรับมุมใบพัดเพื่อเปลี่ยนมุมของใบพัดตามความเร็วของเครื่องยนต์และความเร็วของเครื่องบิน

สิ่งที่ต้องพิจารณาเพิ่มเติมคือจำนวนและรูปทรงของใบพัด การเพิ่มอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดจะช่วยลดแรงต้าน แต่ปริมาณแรงขับที่เกิดขึ้นจะขึ้นอยู่กับพื้นที่ของใบพัด ดังนั้นการใช้ใบพัดที่มีอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางสูงอาจทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดใหญ่เกินไป อีกประเด็นที่ต้องพิจารณาคือ การใช้ใบพัดจำนวนน้อยลงจะช่วยลดผลกระทบจากการรบกวนระหว่างใบพัด แต่การที่จะมีพื้นที่ใบพัดเพียงพอที่จะส่งกำลังที่มีอยู่ภายในเส้นผ่านศูนย์กลางที่กำหนดนั้น จำเป็นต้องมีการประนีประนอม การเพิ่มจำนวนใบพัดยังลดปริมาณงานที่แต่ละใบพัดต้องทำ ซึ่งจำกัดความเร็วมา คเฉพาะจุด ซึ่งเป็นข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพที่สำคัญของใบพัด ประสิทธิภาพของใบพัดจะลดลงเมื่อ กระแสลมความเร็ว เหนือเสียงปรากฏขึ้นที่ปลายใบพัดเป็นครั้งแรก เนื่องจากความเร็วลมสัมพัทธ์ที่ส่วนใดส่วนหนึ่งของใบพัดเป็นผลรวมเวกเตอร์ของความเร็วของเครื่องบินและความเร็วสัมผัสเนื่องจากการหมุน กระแสลมที่ไหลผ่านปลายใบพัดจะถึงความเร็วเหนือเสียงก่อนที่เครื่องบินจะถึง เมื่อกระแสลมที่ไหลผ่านปลายใบพัดถึงความเร็ววิกฤตแรงต้านและแรงบิดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและ เกิด คลื่นกระแทกทำให้เกิดเสียงดังเพิ่มขึ้นอย่างมาก ดังนั้น เครื่องบินที่มีใบพัดแบบธรรมดาจึงมักบินได้ไม่เร็วกว่ามัค 0.6 แม้จะมีเครื่องบินใบพัดบางลำที่ทำความเร็วได้ถึงมัค 0.8 แต่ประสิทธิภาพของใบพัดที่ต่ำในความเร็วระดับนั้นทำให้การใช้งานในลักษณะดังกล่าวเป็นเรื่องที่พบได้ยาก

ปลายใบพัดเคลื่อนที่เร็วกว่าแกนกลาง ดังนั้นจำเป็นต้องบิดใบพัดเพื่อลดมุมปะทะของใบพัดลงทีละน้อย และทำให้เกิดแรงยกที่สม่ำเสมอจากแกนกลางไปยังปลายใบพัด มุมปะทะที่มากที่สุดหรือระยะพิทช์สูงสุดจะอยู่ที่แกนกลาง ในขณะที่มุมปะทะที่น้อยที่สุดหรือระยะพิทช์ที่น้อยที่สุดจะอยู่ที่ปลายใบพัด ใบพัดที่ออกแบบให้มีมุมปะทะเท่ากันตลอดความยาวจะไม่มีประสิทธิภาพ เพราะเมื่อความเร็วลมเพิ่มขึ้นในระหว่างการบิน ส่วนที่อยู่ใกล้แกนกลางจะมีมุมปะทะเป็นลบ ในขณะที่ปลายใบพัดจะเกิดการหยุดชะงัก^{[ 33 ]}

มีความพยายามในการพัฒนาใบพัดและใบพัดพัดลมสำหรับเครื่องบินที่ความเร็วสูงระดับซับโซนิก^{[ 34 ]} 'การแก้ไข' นั้นคล้ายกับ การออกแบบปีกทราน โซนิกมีการใช้ส่วนใบพัดที่บางและใบพัดถูกกวาดไปด้านหลังในรูปทรงดาบโค้ง ( ใบพัดดาบโค้ง ) ในลักษณะที่คล้ายกับการกวาดไปด้านหลังของปีก เพื่อชะลอการเกิดคลื่นกระแทกเมื่อปลายใบพัดเข้าใกล้ความเร็วเสียง ความเร็วสัมพัทธ์สูงสุดจะถูกรักษาให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้โดยการควบคุมมุมเอียงอย่างระมัดระวังเพื่อให้ใบพัดมีมุมเกลียวขนาดใหญ่ มีการใช้ใบพัดมากขึ้นเพื่อลดงานต่อใบพัดและลดความแรงของการไหลเวียน มีการใช้ ใบพัดแบบหมุนสวนทาง ใบพัดที่ออกแบบนั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าเทอร์โบแฟนและความเร็วในการบิน (Mach 0.7–0.85) เหมาะสำหรับเครื่องบินโดยสาร แต่เสียงที่เกิดขึ้นนั้นดังมาก (ดู ตัวอย่าง Antonov An-70และTupolev Tu-95สำหรับการออกแบบดังกล่าว)

แรงที่กระทำต่อใบพัดของเครื่องบินประกอบด้วยสิ่งต่อไปนี้ แรงบางส่วนเหล่านี้สามารถจัดเรียงเพื่อหักล้างกัน ลดความเค้นทางกลโดยรวมที่เกิดขึ้น^{[ 35 ] [ 1 ]}

การดัดแบบแรงผลัก

แรงผลักที่กระทำต่อใบพัด ซึ่งเป็นปฏิกิริยาต่อแรงที่ผลักอากาศไปด้านหลัง จะทำให้ใบพัดงอไปข้างหน้า ดังนั้น ใบพัดจึงมักถูกออกแบบให้เอียงไปข้างหน้า เพื่อให้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจากการหมุนกระทำต่อใบพัดให้งอไปด้านหลัง ซึ่งจะช่วยปรับสมดุลผลกระทบจากการงอของใบพัด

การบิดตัวแบบแรงเหวี่ยงและแบบอากาศพลศาสตร์

วัตถุที่หมุนอย่างไม่สมมาตรใดๆ จะได้รับแรงบิดจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ในใบพัด แรงบิดนี้จะบิดใบพัดให้มีมุมเรียวละเอียด ดังนั้น จุดศูนย์กลางแรงดัน ทางอากาศพลศาสตร์ จึงมักถูกจัดวางไว้ข้างหน้าเส้นศูนย์กลางทางกลเล็กน้อย เพื่อสร้างแรงบิดที่ทำให้ใบพัดมีมุมเรียวหยาบขึ้น และต้านทานแรงบิดจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง อย่างไรก็ตาม ในการดิ่งลงด้วยความเร็วสูง แรงทางอากาศพลศาสตร์อาจเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก และแรงบิดอาจไม่สมดุลกัน

แรงเหวี่ยง

แรงที่กระทำต่อใบพัดจะดึงใบพัดออกจากแกนหมุนเมื่อทำการหมุน สามารถจัดเรียงเพื่อช่วยต้านทานแรงดัดงอที่เกิดจากแรงผลักได้ ดังที่ได้อธิบายไว้ข้างต้น

การดัดแรงบิด

แรงต้านอากาศที่กระทำต่อใบพัด ประกอบกับ ผลกระทบ จากแรงเฉื่อยทำให้ใบพัดโค้งงอออกจากทิศทางการหมุน

การสั่นสะเทือน

การรบกวนหลายประเภททำให้เกิดแรงสั่นสะเทือนในใบพัด ซึ่งรวมถึงการกระตุ้นทางอากาศพลศาสตร์เมื่อใบพัดเคลื่อนผ่านใกล้ปีกและลำตัว เครื่องยนต์ลูกสูบสร้างแรงกระตุ้นแรงบิดซึ่งอาจกระตุ้นโหมดการสั่นสะเทือนของใบพัดและทำให้เกิดความล้มเหลวจากความล้า^{[ 36 ]}แรงกระตุ้นแรงบิดจะไม่เกิดขึ้นเมื่อขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์กังหันแก๊ส

จุดประสงค์ของการปรับมุมพิทช์คือการรักษามุมปะทะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับใบพัด ทำให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดตลอดช่วงการบิน ซึ่งจะช่วยลดการใช้เชื้อเพลิง การเพิ่มประสิทธิภาพของใบพัดให้สูงสุดที่ความเร็วสูงเท่านั้นที่จะทำให้ได้ความเร็วสูงสุดที่เป็นไปได้^{[ 37 ]}มุมปะทะที่มีประสิทธิภาพจะลดลงเมื่อความเร็วลมเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงต้องใช้พิทช์ที่หยาบกว่าที่ความเร็วลมสูง

ข้อกำหนดสำหรับการเปลี่ยนแปลงระยะพิทช์แสดงให้เห็นได้จากประสิทธิภาพของใบพัดระหว่าง การแข่งขัน Schneider Trophyในปี 1931 ใบพัดแบบพิทช์คงที่ ของบริษัท Fairey Aviation Companyที่ใช้เกิดอาการเสียการทรงตัวบางส่วนขณะขึ้นบินและทำความเร็วได้ถึง 160 ไมล์ต่อชั่วโมง (260 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) ก่อนที่จะทำความเร็วสูงสุดได้ถึง 407.5 ไมล์ต่อชั่วโมง (655.8 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) ^{[ 38 ]}ช่วงความเร็วที่กว้างมากนี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากข้อกำหนดบางประการสำหรับประสิทธิภาพของเครื่องบินตามปกติไม่ได้ถูกนำมาใช้ ไม่มีการประนีประนอมในเรื่องประสิทธิภาพความเร็วสูงสุด ระยะทางในการขึ้นบินไม่ได้ถูกจำกัดด้วยความยาวรันเวย์ที่มีอยู่ และไม่มีข้อกำหนดในการไต่ระดับ^{[ 39 ]}

ใบพัดปรับมุมได้ที่ใช้ในเครื่องบินTupolev Tu-95ขับเคลื่อนด้วยความเร็วที่เกินกว่าความเร็วสูงสุดที่เคยคิดว่าเป็นไปได้สำหรับเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยใบพัด^{[ 40 ]}โดยใช้มุมใบพัดที่หยาบเป็นพิเศษ^{[ 41 ]}

การตั้งค่าการควบคุมระดับเสียงในช่วงแรกดำเนินการโดยนักบิน โดยอาจมีตำแหน่งที่ตั้งไว้ล่วงหน้าจำนวนเล็กน้อยหรือปรับเปลี่ยนได้อย่างต่อเนื่อง^{[ 1 ]}

กลไกที่ง่ายที่สุดคือใบพัดที่ปรับได้บนพื้นดินซึ่งสามารถปรับได้บนพื้นดิน แต่เมื่ออยู่บนอากาศแล้วจะกลายเป็นใบพัดที่มีมุมคงที่ ใบพัด VP แบบ "สองความเร็ว" ที่มีสปริงจะตั้งค่าไว้ที่มุมละเอียดสำหรับการขึ้นบิน และจะเปลี่ยนเป็นมุมหยาบเมื่อบินในระดับคงที่ โดยใบพัดจะคงอยู่ในมุมหยาบตลอดการบินที่เหลือ

หลังสงครามโลกครั้งที่หนึ่งใบพัดอัตโนมัติถูกพัฒนาขึ้นเพื่อรักษาองศาการโจมตีที่เหมาะสมที่สุด โดยทำได้ด้วยการปรับสมดุลแรงบิดสู่ศูนย์กลางบนใบพัดและชุดตุ้มถ่วงน้ำหนัก กับสปริงและแรงทางอากาศพลศาสตร์บนใบพัด ใบพัดอัตโนมัติมีข้อดีคือเรียบง่าย น้ำหนักเบา และไม่ต้องการการควบคุมภายนอก แต่ประสิทธิภาพของใบพัดแต่ละแบบนั้นยากที่จะเทียบเคียงกับประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ของเครื่องบินได้

ใบพัดปรับมุมใบพัดที่พบได้บ่อยที่สุดคือใบพัดความเร็วคงที่ซึ่งควบคุมโดยหน่วยความเร็วคงที่แบบไฮดรอลิก (CSU) โดยจะปรับมุมใบพัดโดยอัตโนมัติเพื่อรักษาความเร็วรอบเครื่องยนต์ให้คงที่สำหรับการตั้งค่าการควบคุมกำลังใดๆ^{[ 1 ]}ใบพัดความเร็วคงที่ช่วยให้นักบินสามารถตั้งความเร็วรอบตามความต้องการกำลังเครื่องยนต์สูงสุดหรือประสิทธิภาพสูงสุด และตัวควบคุมใบพัดทำหน้าที่เป็นตัวควบคุม แบบวงปิด เพื่อปรับมุมใบพัดตามความจำเป็นเพื่อรักษาความเร็วรอบเครื่องยนต์ที่เลือกไว้^{[ 42 ]}ในเครื่องบินส่วนใหญ่ ระบบนี้เป็นระบบไฮดรอลิก โดยใช้น้ำมันเครื่องเป็นของเหลวไฮดรอลิก อย่างไรก็ตาม ใบพัดที่ควบคุมด้วยไฟฟ้าได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองและมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในเครื่องบินทหาร และเพิ่งได้รับการฟื้นฟูให้กลับมาใช้ในเครื่องบินที่สร้างเองที่บ้าน

อีกหนึ่งการออกแบบคือV-Propซึ่งสามารถขับเคลื่อนและควบคุมตัวเองได้

ในใบพัดปรับมุมได้ส่วนใหญ่ ใบพัดสามารถหมุนขนานกับกระแสลมเพื่อหยุดการหมุนของใบพัดและลดแรงต้านเมื่อเครื่องยนต์ขัดข้องหรือถูกปิดเครื่องโดยเจตนา นี่เรียกว่าการปรับมุมใบพัด(feathering)ซึ่งเป็นคำที่ยืมมาจากกีฬาพายเรือในเครื่องบินเครื่องยนต์เดียว ไม่ว่าจะเป็นเครื่องร่อนหรือเครื่องบินที่ใช้เครื่องยนต์เทอร์ไบน์ ผลที่ได้คือระยะการร่อนที่เพิ่มขึ้น ในเครื่องบินหลายเครื่องยนต์ การปรับมุมใบพัดในเครื่องยนต์ที่ไม่ทำงานจะช่วยลดแรงต้าน และช่วยให้เครื่องบินรักษาระดับความเร็วและความสูงได้ด้วยเครื่องยนต์ที่ยังทำงานอยู่ การปรับมุมใบพัดยังช่วยป้องกัน การหมุนของชิ้นส่วนเครื่องยนต์เนื่องจากแรงลม ( windmilling ) ซึ่งอาจทำให้เครื่องยนต์เสียหาย เกิดไฟไหม้ หรือทำให้โครงสร้างของเครื่องบินเสียหายได้

ระบบปรับมุมใบพัดส่วนใหญ่สำหรับเครื่องยนต์ลูกสูบจะตรวจจับการลดลงของแรงดันน้ำมันและเคลื่อนใบพัดไปยังตำแหน่งปรับมุมใบพัด โดยนักบินจะต้องดึงคันบังคับใบพัดกลับเพื่อปลดหมุดหยุดมุมใบพัดสูงก่อนที่เครื่องยนต์จะถึงรอบเดินเบา ส่วนระบบควบคุม ของ เครื่องยนต์เทอร์โบพร็อปมักใช้เซ็นเซอร์แรงบิดลบในชุดเกียร์ทดรอบ ซึ่งจะเคลื่อนใบพัดไปยังตำแหน่งปรับมุมใบพัดเมื่อเครื่องยนต์ไม่ได้ให้กำลังแก่ใบพัดอีกต่อไป ขึ้นอยู่กับการออกแบบ นักบินอาจต้องกดปุ่มเพื่อปลดหมุดหยุดมุมใบพัดสูงและดำเนินการปรับมุมใบพัดให้เสร็จสมบูรณ์ หรือกระบวนการปรับมุมใบพัดอาจเป็นไปโดยอัตโนมัติ

การปรับปีกโดยไม่ได้ตั้งใจเป็นอันตรายและอาจส่งผลให้เกิดการหยุดชะงักทางอากาศพลศาสตร์ดังเช่นที่เห็นได้จากเที่ยวบิน Yeti Airlines Flight 691ซึ่งตกขณะลงจอดเนื่องจากการปรับปีกโดยไม่ได้ตั้งใจ^{[ 43 ]}

ใบพัดของเครื่องบินบางลำสามารถทำงานได้โดยมีมุมเอียงใบพัดเป็นลบ ซึ่งจะทำให้แรงขับจากใบพัดกลับทิศทาง นี่เรียกว่ามุมเอียงเบต้า (Beta Pitch) แรงขับกลับทิศทางนี้ใช้เพื่อช่วยชะลอความเร็วของเครื่องบินหลังลงจอด และมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อลงจอดบนรันเวย์เปียก เนื่องจากประสิทธิภาพการเบรกของล้อจะลดลง ในบางกรณี มุมเอียงกลับทิศทางยังช่วยให้เครื่องบินสามารถเคลื่อนที่ถอยหลังได้ ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการนำเครื่องบินทะเลออกจากท่าเทียบเรือที่คับแคบ

ใบพัดหมุนสวนทางกันบางครั้งใช้ในเครื่องบินสองเครื่องยนต์หรือเครื่องบินหลายเครื่องยนต์ที่มีเครื่องยนต์ติดตั้งอยู่บนปีก ใบพัดเหล่านี้จะหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามกับใบพัดอีกข้างบนปีกอีกด้านเพื่อปรับสมดุลแรงบิดและ ผลกระทบ จากปัจจัย pบางครั้งจึงเรียกใบพัดเหล่านี้ว่า "ใบพัดมือเดียว" เนื่องจากมีใบพัดแบบมือซ้ายและมือขวาสำหรับแต่ละด้าน

โดยทั่วไป ใบพัดของเครื่องยนต์ทั้งสองเครื่องของเครื่องบินสองเครื่องยนต์ทั่วไปส่วนใหญ่จะหมุนตามเข็มนาฬิกา (เมื่อมองจากด้านหลังของเครื่องบิน) เพื่อขจัด ปัญหา เครื่องยนต์ที่สำคัญใบพัดที่หมุนสวนทางกันมักจะหมุน "เข้าด้านใน" ไปทางลำตัวเครื่องบิน – ตามเข็มนาฬิกาสำหรับเครื่องยนต์ด้านซ้ายและทวนเข็มนาฬิกาสำหรับเครื่องยนต์ด้านขวา – อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้น (โดยเฉพาะในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง ) เช่น เครื่องบินP-38 Lightningซึ่งหมุน "ออกด้านนอก" (ทวนเข็มนาฬิกาสำหรับเครื่องยนต์ด้านซ้ายและตามเข็มนาฬิกาสำหรับเครื่องยนต์ด้านขวา) ออกจากลำตัวเครื่องบินในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง และเครื่องบินAirbus A400ซึ่งใบพัดด้านในและด้านนอกหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามแม้กระทั่งบนปีกเดียวกัน^{[ 44 ]}

ใบพัดหมุนสวนทาง หรือ คอนทราพร็อป คือระบบที่ติดตั้งใบพัดสองตัวหมุนสวนทางกันบนเพลาขับร่วมศูนย์กลาง โดยใบพัดตัวหนึ่งจะอยู่ "ด้านท้าย" ของอีกตัวหนึ่งทันที ระบบนี้ให้ประโยชน์จากใบพัดหมุนสวนทางสำหรับเครื่องยนต์เดียว ใบพัดด้านหน้าให้แรงขับส่วนใหญ่ ในขณะที่ใบพัดด้านหลังช่วยดึงพลังงานที่สูญเสียไปจากการหมุนวนของอากาศในกระแสลมที่เกิดจากใบพัดกลับคืนมา การหมุนสวนทางยังช่วยเพิ่มความสามารถของใบพัดในการดูดซับพลังงานจากเครื่องยนต์ที่กำหนด โดยไม่ต้องเพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัด อย่างไรก็ตาม ต้นทุน ความซับซ้อน น้ำหนัก และเสียงที่เพิ่มขึ้นของระบบนี้ ทำให้ไม่คุ้มค่า และใช้เฉพาะในเครื่องยนต์สมรรถนะสูงที่ให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพสูงสุดมากกว่าประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

• อัตราส่วนความก้าวหน้า
• การออกแบบพัดลมแกนหมุน
• ทฤษฎีองค์ประกอบใบมีด
• ทฤษฎีโมเมนตัมขององค์ประกอบใบมีด
• ใบพัดเฮลิคอปเตอร์
• รายชื่อผู้ผลิตใบพัดเครื่องบิน
• ทฤษฎีโมเมนตัม
• ชาร์ลส์ เอ็ม. โอลมสเตดนักออกแบบใบพัดประสิทธิภาพสูงชาวอเมริกันยุคแรก (ค.ศ. 1909)
• ทฤษฎีใบพัด
• เทอร์โบพร็อป
• โรเตอร์ยกแนวรัศมี

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับใบพัดเครื่องบิน

• ใบพัดเครื่องบินทดลอง
• เว็บไซต์ How Things Fly ของพิพิธภัณฑ์การบินและอวกาศแห่งชาติสมิธโซเนียน
• คำอธิบายเกี่ยวกับใบพัด