ERCO公司在第二次世界大战期间制造的木质螺旋桨，以其卓越的性能和工艺闻名于世。时隔数十年，现代航空工程技术通过数字扫描与仿真技术重新审视这款经典螺旋桨，从中汲取设计智慧，同时推动当代螺旋桨设计工具的创新发展。本文深入解析ERCO木质螺旋桨的三维扫描、计算机辅助设计建模，以及基于空气动力学的性能仿真过程，呈现传统工艺与数字科技的完美融合。项目的起点是由Airshaper提供的高精度三维扫描数据，这一步骤捕捉了螺旋桨复杂的几何形状，为后续的数字建模打下坚实基础。随后，利用Onshape平台及其新发布的2024年Holbrook气动剖面矢量格式（HAVF）工具，设计团队对扫描数据进行了精细的分段截取及剖面拟合。这种高精度的逆向工程，不仅克服了旧螺旋桨因年代久远带来的几何复杂性和数据杂乱，也成功将历史翼型数字化为符合现代工程标准的格式。
值得注意的是，ERCO螺旋桨的翼型设计正值NACA创立的年代，这使得其气动剖面既带有手工雕刻的传统特色，也隐藏着许多现代无法轻易复制的设计秘密。研究人员并未局限于提取几个关键剖面，而是选择了八个纵向截面，精准捕捉从根部到尖端的翼型变化，包括独特的弧形顶端设计。这种严谨细致的处理能够最大限度地复制原始螺旋桨的细节，提高数字模型的真实度和可靠性。传统的翼型库无法涵盖如此古老且复杂的设计，因此团队采取了手动调整三维曲线控制点的方法在CAD环境中精确拟合翼型。该过程突破了二维翼型逆向工程的局限，通过三维视觉评估减轻了扫描网格数据的“杂乱感”，有效重建了螺旋桨的真实几何形态。同时，设计团队创新地应用了攻角与展线分布的组合建模策略，确保了叶片边缘线的统一和光滑过渡，避免了因截面间尺度或姿态微小差异造成的模型畸变。
该技术不仅克服了扫描数据的不完善，还通过限制几何参数实现了高质量模型的生成。此后，基于精确的截面半径和结构参数，研究人员将所有翼型转换为标准化的HAVF格式，可广泛应用于各种CAD软件和仿真平台。这种数据体积小巧但信息完整的格式极大地提升了模型的可移植性和复用性。为了验证数字模型的气动性能，团队采用了自动化的方法从攻角和雷诺数等飞行条件获取详细的升力和阻力极化曲线。结合Qprop这类成熟的螺旋桨性能分析工具，进行了转速1900转每分钟、飞行速度130英里每小时的仿真，结果显示该螺旋桨的效率可达到82.9%，产生约2084牛顿的推力和728牛米的扭矩。这些结果与Airshaper独立的CFD仿真数据基本一致，后者在相同飞行条件下推力略高9%，扭矩则高出约30%。
分析表明，装配在飞机机身上的环境影响尤为显著，机身及发动机整流罩等气动干扰能提高推力输出甚至超过没有机身影响的自由流条件。这一发现强调了整机耦合气动效应在螺旋桨设计和性能评估中的重要性。进一步的研究采用了从Onshape导出的CAD模型生成的网格，进行更细致的CFD模拟。相较于最初照片扫描网格，此优化网格仿真结果与提升线方法预测的推力更为接近，推力误差缩小至6.1%。然而，扭矩预测仍存在较大差异，可能与螺旋桨尖端区域出现的跨声速效应有关，这一领域的气动特性往往带来复杂的干扰影响。整个项目不仅提供了对ERCO经典螺旋桨现代化复刻的技术范例，也为快速高效的螺旋桨设计与性能预测树立了新标准。
利用HAVF格式的数字翼型搭配轻量化CAD模型和自动化仿真流程，极大缩短了传统设计周期，降低了对高性能计算资源的依赖，有助设计师在早期快速评估多种方案。展望未来，团队计划开发更加智能化的几何数据导入工具，支持直接读取STEP、STL及原始扫描数据，以实现更便捷的逆向工程和模型更新。此外，新发布的HAVF绘制工具提供开放API接口，便于整合多样的设计和仿真工作流，推动航空叶片设计向更灵活、高效的方向演进。回顾整个数字仿真历程，从历史悠久的手工制造时代跨越至现代计算机辅助设计，工程师们深刻理解到传统工艺的精湛与数字技术的强大相辅相成。ERCO螺旋桨实现接近80%效率，尽管材料简单且加工工具原始，却展现了极高的设计智慧和制造能力。如今，这一遗产通过数字化永续传承，也激励着新一代工程师不断探索更高性能、更环保的飞行推进方案。
感谢Airshaper团队提供珍贵的扫描数据，以及Holbrook Aerospace对逆向设计工具的创新推动，使得这段航空历史得以在数字化时代焕发新生。未来随着仿真算法和软件的持续完善，结合更丰富的工况和材料分析，ERCO木质螺旋桨的仿真平台将成为验证传统与现代设计思想重要的试验场，推动航空动力学研究迈向更深层次。
