Почему мало используются большие низкоскоростные пропеллеры?

Вы не ошиблись, большую массу эффективнее немного разогнать, чем маленькую массу.

Это связано с тем, что количество движения линейно зависит от скорости и массы, в то время как энергия линейна от массы, но квадратична от скорости, поэтому тот же самый импульс можно получить более эффективно, медленно толкая большое количество воздуха, например, с помощью большого пропеллера.

Причины против этого, как вы себе представляли, такие как удаление от земли и других припаркованных судов. Кроме того, чрезвычайно длинные лопасти гребного винта будут страдать от высокой инерции и изгибающих моментов без преимущества центробежной жесткости. Кроме того, существует проблема сохранения дозвуковых концов винтов, чтобы не тратить много энергии в виде звука.

В этом есть смысл. Вертолет Bell 47 развивает тягу более 3000 фунтов от своего горизонтального «пропеллера» высотой 37 футов со скоростью вращения 300 об/мин всего на 280 л.с. пропеллер на 2700 об/мин в обычном режиме (может быть тяга 13-1500 фунтов). Но чтобы использовать его как обычный пропеллер, потребуются стойки шестерни высотой 20 футов.

Таким образом, с точки зрения «как можно дольше», оставляя в стороне вопрос о концевых скоростях, редукторах и тому подобном, основной проблемой является дорожный просвет для вашего винта на данном планере. Osprey сходит с рук эти сказочно длинные роторы/пропеллеры, которые очень эффективны для крейсерского полета, потому что он включает их в режим зависания для посадки, и ему не приходится иметь дело с проблемой дорожного просвета .

Однако на обычном самолете вы застряли с радиусом в несколько футов, чтобы поиграть с ним, и в идеале вы должны использовать самый длинный винт, который может работать с дозвуковыми наконечниками на пределе оборотов вашего двигателя, не ударяясь о землю.

Я думаю, что есть еще одна очень важная причина: способность летать/зависать в ветреную погоду.

Когда пропеллер перемещает воздух очень медленно, даже небольшая турбулентность может сдуть самолет.

Крайним случаем является вертолет с приводом от человека, он может генерировать подъемную силу 128 кг при мощности всего 1,1 кВт. Но делать это нужно на крытых стадионах, потому что любой ветерок может привести к тому, что вертолет потеряет управление.

Еще одна причина — компромисс между стоимостью/сложностью и эффективностью. Особенно для небольших дронов, большинство двигателей работают более эффективно на относительно высокой скорости, если вы хотите использовать большие/медленные пропеллеры, вам нужно использовать шестерни для снижения оборотов, что увеличивает вес и стоимость.

Большие пропеллеры не всегда лучше. Это зависит от скорости. Согласно теории импульса, эффективность зависит от уменьшения индуктивной скорости, а тяга пропорциональна массовому расходу. На малой скорости вы хотите, чтобы большой винт увеличивал массовый поток и уменьшал индуктивную скорость, но на высокой скорости массовый поток велик, и вы хотели бы уменьшить сопротивление, создаваемое большими лопастями.

По мере увеличения скорости массовый расход также увеличивается, поэтому диаметр оказывает меньшее влияние на эффективность. По мере увеличения скорости сопротивление лопасти «берет верх» над эффективностью движения и быстрее падает на более крупном гребном винте.