Было бы более эффективно увеличить длину или хорду лопасти несущего винта для повышения производительности?

Это не так легко. Длина лопасти, хорда и мощность двигателя связаны сложным образом, и для каждой желаемой производительности существует оптимальное сочетание этих параметров.

Роторы (и крылья) создают подъемную силу, ускоряя движение воздуха вниз. Подъемная сила пропорциональна скорости изменения инерции воздуха. Это, однако, также изменяет кинетическую энергию воздуха и, следовательно, требует мощности. Это называется индуцированным сопротивлением.

Поскольку инерция пропорциональна скорости, а кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, более эффективно ускорять большее количество воздуха до более низкой скорости.

Количество затронутого воздуха пропорционально площади диска ротора (всей площади, в которой движутся лопасти), и это просто ($\pi\times$) квадрат длины лезвия. Так что в некотором смысле ответ прост: влияет только длина лопасти, а не хорда лопасти.

Однако увеличение длины лезвия также увеличивает форму и поверхностное сопротивление лезвий, поэтому после некоторого момента сопротивление формы будет превышать индуктивное сопротивление, и любое дополнительное увеличение длины лезвия не повысит эффективность.

Что еще более важно, более длинное лезвие будет тяжелее и, следовательно, должно быть прочнее, чтобы выдерживать центробежную силу при повороте, и жестче, чтобы не слишком сильно изгибаться, когда нет. Но это сделает его еще тяжелее, и вы достигнете точки, когда просто превзойдете возможности материала. И, конечно же, более высокий вес также означает, что требуется большая подъемная сила. Эти эффекты еще больше уменьшат оптимальную длину лопастей.

Таким образом, хорда лопасти является второстепенным параметром, определяемым двумя соображениями: хорда должна быть достаточно длинной, чтобы лопасти могли создавать необходимую подъемную силу без срыва, и они должны быть достаточно прочными, при этом прочность пропорциональна толщине хорды.

Поэтому, если вы хотите улучшить нагрузку, вы можете попытаться повысить эффективность, что вы могли бы сделать, удлинив лопасти, но вам нужно найти материал с более высокой удельной прочностью, иначе увеличенный вес перевесит улучшенную аэродинамическую эффективность.

Если у вас этого нет, вам в первую очередь придется увеличить мощность двигателей. Тогда оптимальная длина лезвия может быть больше, но вы быстро достигнете пределов материала; для этого и существуют многороторные вертолеты.

Если вы вместо этого имели в виду скорость, это совершенно другой вопрос, и ни длина лопасти, ни хорда не играют здесь существенной роли. При поступательном движении скорость вертолета ограничена двумя ограничениями: достаточная часть отступающей лопасти должна двигаться назад по отношению к воздушному потоку, а острие наступающей лопасти не должно превышать скорость звука (фактически критическое число Маха, равное несколько ниже). Первое требование означает, что конечная скорость должна быть примерно в три раза выше, чем максимальная поступательная скорость, иначе отступающая сторона несущего винта не сможет создать достаточную подъемную силу, и самолет покатится в эту сторону. Вместе со вторым параметром он ограничивает скорость примерно до четверти критического Маха. Есть несколько экспериментальных вертолетов с двумя роторами (взаимозацепляющимися, расположенными бок о бок), которые не не обращайте внимания на асимметрию подъемной силы и может летать несколько быстрее. Но это не имеет ничего общего с длиной лезвия; лопасти большего ротора вращаются на более низких оборотах, чтобы поддерживать одинаковую скорость кончика.

Вертолетные характеристики, как по мощности, необходимой для:

1. Максимальная высота
2. Наведение на потолок
3. Скорость набора высоты
4. Максимальная скорость

Пункты 1, 2 и 3 сводятся к вопросу: как можно максимизировать тягу при заданной установленной мощности двигателя? Это достигается за счет увеличения размаха лопастей и уменьшения прочности несущего винта (хорды лопастей и количества лопастей), что аналогично более высокому удлинению для данной площади крыла в неподвижном крыле. Для этого есть предел: на висении мы не хотели бы превышать критическое число Маха, так как тогда мы будем бессмысленно использовать мощность двигателя для преодоления сопротивления сжимаемости. Ответ по пунктам 1, 2 и 3: длина лезвия.

Пункт 4. является лишним, теперь мы хотим уменьшить размах лопасти и увеличить ее прочность, чтобы сохранить подъемную силу. Опять же, критическое число Маха является ограничивающим фактором, теперь уже потому, что скорость кончика добавляется к скорости движения вертолета вперед. Один диск ротора наклонен вперед для создания тяги, а также должен создавать всю необходимую подъемную силу. Снижение нагрузки на диск ротора позволяет увеличить скорость одним из следующих способов:

• Диск ротора меньшего размера, больше наклоненный вперед, в сочетании с неподвижным крылом делает ротор более похожим на пропеллер и обеспечивает большую скорость движения вперед.
• Использование двойных роторов, вращающихся в противоположных направлениях, позволяет использовать более короткие лопасти на ротор.
• Использование отдельных винтов для тяги, как у автожира.
• Наклон роторов, поэтому на высокой скорости неподвижное крыло обеспечивает подъемную силу, а большие пропеллеры обеспечивают тягу.

Ответ по пункту 4: хорда лопастей, но желательно больше лопастей, либо другой несущий винт, либо дополнительное неподвижное крыло.

Источник изображения

По состоянию на прошлый год рекорд скорости для чистого одновинтового вертолета принадлежал Westland Lynx, в котором использовалась специальная высокоскоростная технология законцовки крыла, позволяющая отсрочить критическое число Маха.

Превышение скорости в 200 узлов — редкий опыт для чистого вертолетчика. Наклонные роторы могут делать это регулярно. Этот составной вертолет также создан для скорости.

Источник изображения

Я предполагаю, что вы конкретно спрашиваете об увеличении подъемной силы. Есть много других ограничений и проблем, которые возникают при проектировании аэродинамического профиля, но вот краткий ответ.

Имейте в виду, что основным ограничивающим фактором будет аэродинамическое сопротивление. Существует два основных вида сопротивления: сопротивление формы и сопротивление поверхности. Сопротивление формы — это сопротивление, вызванное площадью и формой объекта, движущегося по воздуху. Думайте об этом, как о вытянутой руке из окна автомобиля ладонью вперед. Другой вид сопротивления — поверхностное сопротивление, это сопротивление, вызванное площадью поверхности, параллельной воздушному потоку — представьте, что вы держите руку из окна большим пальцем вперед.

Подъемная сила пропорциональна площади поверхности аэродинамического профиля. Увеличение размера аэродинамического профиля приведет к увеличению поверхностного сопротивления независимо от того, увеличите ли вы длину или ширину. Однако увеличение длины аэродинамического профиля приведет к большему сопротивлению формы, в то время как увеличение хорды «только» увеличит поверхностное сопротивление.

Итак, краткий ответ на ваш вопрос: увеличение хорды более эффективно, чем увеличение длины. Тем не менее, очевидно, что в игре гораздо больше, иначе роторы вертолета были бы короткими и короткими!