Относительная эффективность самолетов и вертолетов, почему этот аргумент неверен?

Один аргумент, который я продолжаю видеть в других вопросах по этой теме, заключается в том, что вертолеты активно выделяют энергию как для горизонтального перемещения, так и для поддержания вертикального положения, тогда как самолеты получают вертикаль «бесплатно», и им нужно только преодолевать сопротивление, чтобы оставаться в воздухе. Мне этот аргумент кажется неверным, но если это не так, я хотел бы понять, где мои рассуждения уводят меня в сторону.

Я согласен. Я всегда находил пробелы в рассуждениях о том, что самолеты более эффективны, чем вертолеты, потому что крыло самолета должно обеспечивать только подъемную силу, а винт вертолета должен обеспечивать и подъемную силу, и тягу. Причина в том, что производство подъемной силы в самолете не бесплатно ; Вот почему самолетам нужны пропеллеры, чтобы обеспечить тягу для преодоления сопротивления формы и индуктивного сопротивления; Если бы производство подъемной силы было бесплатным, вы могли бы создавать подъемную силу при нулевом угле атаки с симметричным аэродинамическим профилем, таким образом, не получая штрафа за индуктивное сопротивление, но, конечно, это не так.

Это рассуждение, кажется, сводится к двум вещам, которые не часто делаются достаточно явными (если вообще):

1. Производство подъемной силы в самолете не является бесплатным, но поступательное движение, используемое для перемещения из точки А в точку Б, является бесплатным. Разница в том, что вы можете иметь движение вперед без подъемной силы, но вы не можете иметь подъемную силу без движения вперед. То же самое движение, которое требуется для создания подъемной силы, чтобы удерживать самолет в воздухе, также может быть использовано для его перемещения из точки А в точку Б. В то время как для вертолета это разные вещи. Это повлияет на эффективность расстояния, но не обязательно на эффективность времени полета.
2. Что-то связанное с № 1, это то, что в вертолете у вас есть подъемная сила / тяга, создающая движение во вращающемся роторе, который сталкивается с сопротивлением, которое необходимо преодолеть, и у вас есть поступательное движение самолета вперед, которое испытывает сопротивление, которое также должно быть преодолено. преодолеть. Но это игнорирует тот факт, что пропеллеры самолетов также должны преодолевать сопротивление вращения. Это перевод тяги в подъемную силу на самолете, где сравнения становятся туманными с этой линией рассуждений, поэтому мне это не нравится, если у вас нет достаточно информации, чтобы сбалансировать все числа.

Ниже приведены более четкие и менее туманные причины, по которым самолеты превосходят вертолеты как по эффективности полетного времени. Хотя они не обязательно подразумевают эффективность на расстоянии, когда вы объединяете их с № 1, это определенно так.

4. Планер самолета имеет более обтекаемую форму и, следовательно, создает меньшее сопротивление при поступательном движении, чем планер вертолета, что снижает расход топлива на пройденное расстояние. И, конечно же, как упоминалось ранее, это поступательное движение также напрямую используется для производства подъемной силы.
5. Крылья самолета более аэродинамически эффективны, чем лопасти несущего винта вертолета, потому что они намного больше (то, что им может не хватать в удлинении по сравнению с лопастями несущего винта, компенсируется хордой, которая влияет на число Рейнольдса, при котором они работают). Большая площадь позволяет крыльям самолета медленно перемещать большие массы воздуха, чтобы создать тот же импульс.$mv$что приводит к меньшему потреблению энергии за счет$1/2mv^2$. Что ведет в...
6. Вдобавок ко всему, крылья самолета имеют более высокий коэффициент использования массы, потому что распределение подъемной силы более равномерно распределяется от корня до кончика по сравнению с несущими винтами вертолета. Это связано с тем, что все крыло движется по воздуху с более или менее одинаковой скоростью от корня до кончика (без учета различий в потоке по размаху), тогда как вращающиеся лопасти несущего винта имеют почти нулевую воздушную скорость в основании, близкой к центру вращения, и создают большая часть их тяги находится где-то за серединой пролета по внешним краям. Это означает, что вы получаете больше подъемной силы на массу, вложенную в конструкцию крыла.

Если бы у вас были необтаниевые материалы, которые были бы сверхпрочными, сверхлегкими (в некоторых случаях почти нулевой плотности), вы могли бы попытаться построить вертолет с ОГРОМНЫМ ротором, который движется по той же траектории, что и крылья кружащего самолета, с тот же аккорд. Очевидно, что в реальном мире это невозможно, поскольку ротор такого большего размера:

• испытывают невероятные напряжения изгиба
• быть очень тяжелым
• испытывать невероятные центростремительные напряжения, так как вы раскачиваете огромный и тяжелый ротор
• требуется редуктор, который может выдерживать нагрузки, возникающие при раскачивании такого ротора, что означает, что редуктор большой и тяжелый, если он сделан из настоящих материалов.

Но такой воображаемый вертолет, сделанный из анобтаниума, будет иметь сходную аэродинамику с вращающимся самолетом, сделанным из реальных материалов, и, следовательно, иметь аналогичную эффективность времени полета, если предположить, что они в конечном итоге будут иметь одинаковый вес. Но даже при движении вперед этот воображаемый вертолет проигрывает, потому что поступательное сопротивление такого ротора огромно, а движение аэродинамического профиля ротора не просто движется к месту назначения, поэтому вы не можете воспользоваться им, как неподвижными крыльями на вертолете. самолет есть.

Силы могут быть равными, но нужно сравнивать эффективность использования топлива на единицу расстояния, а не силы. Если вертолет парит на месте, сила еще$mg$, но эффективность использования топлива на единицу расстояния равна нулю. РЕДАКТИРОВАТЬ (24.10.21): Термин «эффективность использования топлива на единицу расстояния», используемый ОП, неверен, и я ошибался, когда его использовал. Я должен был сказать просто «эффективность использования топлива», которая измеряется в милях на галлон.