Между вертолетом и самолетом, которому требуется больше мощности для полета, для данного TOW?

Самолеты летают, создавая подъемную силу своими крыльями. Это вызывает некоторое сопротивление, но хорошие крылья имеют отношение подъемной силы к сопротивлению в диапазоне 15-20. Это означает, что сопротивление, зависящее от подъемной силы, составляет всего 5% от подъемной силы. С другой стороны, вертолеты генерируют подъемную силу непосредственно благодаря доверию; множитель не задействован.

Например, самолет массой 4000 кг будет иметь вес 40 000 ньютонов, поэтому возникающее сопротивление составит 2000-3000 ньютонов. Вертолет массой 4000 кг должен будет создавать подъемную силу 40 000 ньютонов только для того, чтобы зависнуть.

Конечно, и самолеты, и вертолеты имеют дополнительное сопротивление из-за скорости полета вперед, и для самолетов это, очевидно, неизбежно для предотвращения сваливания.

Давайте посмотрим на это предельно упрощенно.

Самолет с массой$m_{ac}$остается в воздухе, толкая воздух вниз или, в частности, создавая массовый поток$\dot{m}_A$[кг/с] воздуха с определенной скоростью вниз$v_A$[РС]. Это дает импульс «потока»$\dot{m}v$[кг м/с²] что является подъемной силой$F_{lift}$[Н]

Мощность, необходимая для этого, исходит из необходимости придать воздушному потоку поток кинетической энергии.

Это чисто мощность, необходимая для создания подъемной силы (в частности, мощность, необходимая для преодоления индуктивного сопротивления). Это можно увидеть, сделав$\dot{m}_A$сколь угодно большой и$v_A$произвольно малой (при сохранении их произведения постоянным), требуемая мощность может быть сделана произвольно малой. Например, это можно сделать, удлинив крылья или роторы, чтобы они воздействовали на больший объем воздуха (и, следовательно, воздушную массу), или за счет более быстрого полета (чтобы они проходили через большее количество воздуха, снова увеличивая массовый поток).

Однако это предполагает идеальную эффективность. На самом деле крылья будут испытывать сопротивление, даже если не создается подъемной силы, и то же самое касается фюзеляжа. Вы часто обнаружите, что минимум полной мощности требуется на некоторой скорости, так что индуктивное сопротивление довольно мало, но сопротивление трения не такое большое. Это касается как самолетов с неподвижным, так и винтокрылым крылом. Эти факторы являются результатом практической конструкции самолета, а не теоретических соображений.

Так что теоретического ответа на этот вопрос нет. Есть только практический ответ, который заключается в том, что зависание в вертолете очень неэффективно и требует большой мощности (поскольку оно может воздействовать только на небольшую массу воздуха, поскольку ему не разрешено двигаться), поэтому, учитывая ограничения в вашем вопросе (парящий вертолет против неподвижного крыла на скорости 100 узлов), неподвижное крыло, вероятно , более эффективно на практике.

Если вы имеете в виду, что 400-килограммовый вертолет и 400-килограммовый самолет с неподвижным крылом будут двигаться со скоростью 100 узлов, то, как правило, это будет вертолет, который требует большей мощности, поскольку вся эта беспорядок, бьющий яйца, намного менее эффективен при преобразовании энергии в скорость движения.

Конечно, вы можете сделать самолет достаточно тяговитым, чтобы ему потребовалась больше мощности, чем вертолету, чтобы разогнаться до 100 узлов, если хотите, и таких вариантов предостаточно, но я предполагаю, что мы говорим здесь об оптимизированном корабле.

Несущие винты вертолета должны обеспечивать достаточную тягу, чтобы компенсировать вес вертолета:$T_H = W$.

Самолеты с неподвижным крылом должны обеспечивать достаточную тягу для преодоления лобового сопротивления, а подъемная сила крыла компенсирует вес. Как правильно утверждает @MSalters, крыло обеспечивает гораздо большую подъемную силу, чем сопротивление, плюс есть фюзеляж и хвост.

Torenbeek Synthesis of Subsonic Airplane Design дает некоторые отношения L / W для полных самолетов, турбовинтовой двигатель среднего размера, такой как F-27, указан как имеющий L / D 13,8 во время взлета, поскольку удлинение A = 12. Таким образом, это неподвижное крыло Самолет должен был бы обеспечить 1/14 тяги вертолета того же Т/О:$T_F = W/14$

Простая импульсная теория дает следующее соотношение между тягой T и мощностью P:

Скорость наконечника$(\Omega R)$винтов и винтов вертолета сопоставимы, площадь диска неподвижного крыла меньше. Так что требуемая мощность при постоянном весе для неподвижного крыла как минимум на порядок ниже, чем для вертолета.

«крылья» вертолета (лопасти его несущего винта) движутся по воздуху со скоростью около 400 миль в час на своих концах, даже когда сам вертолет находится в граунд-эффекте и вообще не движется по воздуху. Это требует работы, и чтобы лететь вперед, двигатель должен преодолевать сопротивление несущего винта, в то же время он должен преодолевать сопротивление фюзеляжа. Итак: больше сопротивление для вертолета, меньше для Cessna 150.

Общее эмпирическое правило: чем тяжелее самолета, тем больше, медленнее подъемная поверхность с меньшими помехами более ЭФФЕКТИВНО преобразует доступную мощность в подъемную и/или тяговую силу.

Лопасть вертолета имеет большую эффективность в создании тяги по сравнению с винтом (см. V-22 Osprey), но крыло гораздо более эффективно создает подъемную силу, поэтому Cessna 150 требует меньше МОЩНОСТИ для создания того же количества общей СИЛА (подъемная сила и толкать).

Вы заметите, что это работает для моноплана и биплана (меньше помех), пропеллера и вентилятора (значительно меньше помех), планера с большим удлинением и самолета с малым удлинением (более эффективное крыло), вертолета с 2 лопастями и вертолета с 8 лопастями (меньше помех), птицы против самолета (более медленный «пропеллер»)

Сила тяги = мощность х КПД

Вы заметите, что птицы движутся и поднимают больше, чем вертолеты. Тем не менее, они БОЛЕЕ эффективны, чем Cessna, потому что их ВИНТ пропорционально больше и медленнее. Но мы не видим 400-килограммовых птиц или 800 000-фунтовых Cessna, потому что тяга NET — это то, что на самом деле движет самолет.

Менее ЭФФЕКТИВНЫЙ реактивный двигатель имеет гораздо большую мощность, поэтому доступна гораздо большая тяга, хотя и с большим расходом топлива на фунт производимой тяги.

Наконец, сила, необходимая для того, чтобы «заставить самолет зависнуть» и «заставить самолет летать», действительно сравнима! Нужно просто понимать, что в обоих случаях это FORCE vs DRAG. Итак, для прямого сравнения они оба должны быть на скорости полета.

РЕДАКТИРОВАНИЕ ПОСЛЕ - ОТВЕТ НА КОММЕНТАРИИ

В интересах @ MSalters и @ AirCraft Lover проводится проверка единиц.

F = ma кг м/секунды в квадрате

Теперь уравнение для мощности = F x скорость = кг м/секунды в квадрате x м/секунду

Это неудачное искажение оригинальной работы Джеймса Уоттса по поднятию тяжестей с лошадьми (происхождение слова «лошадиная сила») и должно читаться так:

Мощность = масса x гравитация + масса x ускорение для достижения скорости и Мощность = масса x гравитация при постоянной скорости F = ma = поднимаемый вес. Векторы силы являются АДДИТИВНЫМИ. Сопротивление воздуха и трение шкива пренебрежимо малы. (Ватт знал, что нужно брать только первый метр)

Расстояние НИЧЕГО не связано с МОЩНОСТЬЮ! (Я уверен, что футболисты, борющиеся за линию схватки (Thrust vs Drag Superbowl), оценят это).

Давайте перенесемся к кривой ТЯГИ ракеты модели Estes C6-0 и альта! Вот что делает лошадь Джеймса Уатта!

Таким образом, мы можем рассматривать тягу, подъемную силу, сопротивление и гравитацию как ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ силы (намного проще) и, что еще лучше, разбить их на вертикальную и горизонтальную составляющие!