Почему вертолеты не используют реактивные колеса для противодействия несущему винту?

Как говорится в основном заголовке. Я ловлю себя на том, что задаюсь вопросом о вертолетах. Хвостовой винт является уязвимой и ключевой частью оборудования, особенно на военных вертолетах. Я знаю, что некоторые вертолеты вместо этого используют два несущих винта (например, КА-50).

Почему бы не использовать реактивное колесо? Главный двигатель мог приводить в движение колесо, и его можно было разместить в бронированной зоне и менее уязвимом для осколочных боеприпасов. Не потому ли, что любое реакционное колесо было бы чрезмерно большим?

Дело в том, что максимальная угловая скорость колеса ограничена, поэтому оно сможет стабилизировать ориентацию вертолета лишь на короткое ограниченное время.
Как указал ниже Род Вэнс, для «реактивного колеса» вам пришлось бы бесконечно ускорять колесо, чтобы противостоять крутящему моменту несущего винта во время установившегося полета. Однако есть вертолеты со сдвоенными несущими винтами, вращающимися в противоположных направлениях. Это еще одно решение для балансировки крутящего момента несущего винта.
Потому что колеса реакции на самом деле не работают так, как в Kerbal Space Program.
@IlmariKaronen Обеспечивают ли реактивные колеса в KSP угловое ускорение сколь угодно долго?
@IlmariKaronen - Справедливое замечание. Я узнал о реактивных колесах от KSP. Мой опыт не связан с физикой (если вы не можете сказать).
Не забывайте об эффекте гироскопической прецессии. Даже если реактивные колеса могли бы создавать постоянное ускорение в течение неопределенного времени (они не могут), у вас было бы тяжелое колесо, вращающееся с очень большой угловой скоростью, что сделало бы вертолет неуправляемым. Вот почему гироскопы используются для повышения стабильности — у них есть петля положительной обратной связи, которая возвращает их в исходную плоскость вращения. Это достаточно плохо для машины, но совершенно катастрофично для вертолета (управлять вертолетом и так достаточно сложно, спасибо :)).
@ScubaSteve Для KSP есть надстройка, которая делает реактивные колеса насыщенными (т. Е. Их использование ограничено).

Ответы (5)

Вы говорите об устройстве (в вертолетах хвостовой вентилятор, создающий горизонтальную тягу), которое противодействует крутящему моменту, сообщаемому несущему винту (и, следовательно, вертолету) окружающим воздухом, когда несущий винт протаскивается по воздуху.

Вместо этого вы предлагаете передавать противоположный крутящий момент через реактивное колесо. Это действительно придало бы противоположный крутящий момент на короткие промежутки времени . Однако вы получаете крутящий момент не от вращения реактивного колеса с постоянной угловой скоростью, а за счет изменения и ускорения этой угловой скорости.

Теперь крутящий момент, сообщаемый вертолету воздухом через несущий винт, является постоянным или, по крайней мере, имеет примерно постоянное направление. Следовательно, чтобы противодействовать этому крутящему моменту, реактивное колесо должно ускоряться равномерно и бесконечно. Понятно, что с инженерной точки зрения это невозможно.

Вы также можете думать об этом, исходя из сохранения углового момента, не думая о происхождении крутящих моментов. Воздух сообщает вертолету устойчивый угловой импульс. Следовательно, угловой момент системы вертолета должен постоянно увеличиваться (если нет противодействующего момента от хвостового вентилятора). Таким образом, либо этот угловой момент является вращением корпуса вертолета (чего мы пытаемся избежать), либо реактивным колесом, чей угловой момент должен постоянно увеличиваться под действием углового импульса, поступающего в систему.

Ах я вижу. Это имеет смысл. Спасибо, что прояснили это. Теперь я лучше понимаю реактивные колеса!
@wetsavannaanimal-aka-rod-vance: Связано ли то, что вы говорите, с концепцией действия/реакции несущего винта и вертолета, любое реактивное колесо будет частью вертолета как интегрированной системы? (Таким образом, несущий винт и хвостовой винт противодействуют друг другу, чтобы обнулить результирующую реакцию.) Это просто мой способ осмысления этого.
@pr1268 Да. Если крутящему моменту, действующему на несущий винт, не противодействовать, то что- то внутри системы вертолета должно постоянно увеличивать свой угловой момент.
Можно ли было бы использовать реактивное колесо, если бы вы постоянно ускоряли его в одном направлении, но затем поворачивали его по одной из других осей, так что теперь оно вращается в противоположном направлении, поэтому теперь оно будет ускоряться за счет сопротивления несущему винту. Как повлияет на вертолет вращение этого гироскопа?
@RobertFrost Тогда вам понадобится большой крутящий момент примерно под прямым углом к ​​угловому моменту. Тут никуда не деться: чтобы изменить направление момента импульса, либо нужен момент, который в конечном итоге может исходить только из воздуха для вертолета, либо АМ должен быть передан корпусу вертолета. Таким образом, переворачивание реактивного колеса означает, что если начальный АМ л → и финал − л → , затем до полудня 2 л → необходимо перенести в корпус вертолета; вы должны разработать способ, с помощью которого воздух мог бы передать этот угловой импульс, не расстраивая вертолет.
@WetSavannaAnimalakaRodVance Мне интересно, какова природа крутящего момента, необходимого для поворота оси инерционного колеса, поскольку вполне возможно, что ему будет сопротивляться комбинация тангажа и крена вертолета, а не рыскание, таким образом достижение устойчивости к рысканью. Только тот, кто разбирается в гироскопах, может ответить на этот вопрос, но я подозреваю, что ответ заключается в том, что этого можно достичь.
@RobertFrost Вы бы проанализировали это с помощью уравнений Эйлера, привязанных к вертолету - это не так уж и сложно. Но вы можете сказать ответ по конечным состояниям: если АД реактивного колеса оказывается перевернутым, либо чистый угловой импульс в системе должен равняться изменению, либо изменение передается корпусу вертолета. Вы просто применяете сохранение AM к системе.
@RobertFrost: что бы это ни было, что передает этот огромный AM в воздух, чтобы перевернуть колесо, вы можете просто постоянно запускать его с небольшой мощностью, и вам не понадобится колесо. На самом деле это то, что делают вертолеты, и это делает хвостовой винт ;-)
@RobertFrost Я предлагаю вам попробовать повернуть вращающийся объект. Например, попробуйте раскрутить мяч для упражнений Powerball. Требуется безумное количество силы, чтобы перевернуть вращающийся объект. Вот почему волчок НИКОГДА не падает. Сопротивление возникает из -за гироскопической прецессии , которую можно проанализировать, поместив уравнения движения (F = ma) через вращающуюся систему отсчета и проинтегрировав.
@Aron Эй, это отличное предложение по поводу «Powerball» - у меня много друзей-скалолазов, которые используют их для силы пальцев. Я думаю, я мог бы организовать демонстрацию вокруг этого в начальной школе моей дочери.

Это действительно инженерный вопрос, имхо, но мне нравится прикладная физика.

Альтернативой реактивным колесам являются подруливающие устройства сзади, которые позволяют машине приближаться к деревьям, линиям электропередач и вообще максимально безопасно работать в ограниченном пространстве.

введите описание изображения здесь

Кроме того, во многих моделях вертолетов используются задние роторы с воздуховодами, как показано ниже.

введите описание изображения здесь

Чтобы противостоять весу машины и крутящему моменту несущего винта вертолета, реактивное колесо, как я уверен, вы знаете, должно было бы быть либо очень тяжелым, либо иметь серьезную угловую скорость, чтобы достичь достаточного углового импульс и выполнять полезную роль восстановления стабильности.

На мой взгляд, лакмусовой бумажкой для конструкции вертолета является то, внедряют ли военные идеи? Если они этого не делают, то, вероятно, существует недостаток, препятствующий дальнейшим исследованиям.

РЕДАКТИРОВАТЬ Другие ответы, касающиеся ускорения реактивного колеса, в значительной степени объясняют приведенную выше строку, это не просто недостаток , его невозможно реализовать. Я должен больше изучить механику реактивных колес, прежде чем отвечать. Такова жизнь. КОНЕЦ РЕДАКТИРОВАТЬ

Не уверен, почему кто-то ответил -1.
Это то, о чем я думал, однако, что чертова штука должна вращаться очень быстро, так что это приведет к серьезной нестабильности. Но часть меня задается вопросом, попали ли более традиционные конструкции в категорию «мы всегда делали это так». Я имею в виду, хвостовые винты - это проверенная система, реактивные колеса, ну, я никогда не слышал, чтобы их использовали даже на испытательном вертолете.
На самом деле это технический вопрос, ad/v достаточно справедлив, поскольку это сайт физики.
Ну, у вас тяжелое колесо, крутится очень быстро, значит, вам нужен тяжелый корпус на случай, если оно "убежит". Я видел результаты работы балансировочного колеса паровой машины, когда механизм регулятора вышел из строя, он разрушил каменные стены мельницы, в которой находился.
Да, это был бы довольно впечатляющий провал для самолета.
« должен быть либо очень тяжелым, либо иметь серьезную угловую скорость »: это мелочи по сравнению с проблемой номер один реактивных колес здесь: постоянное ускорение.
Говоря об альтернативах, мне немного интересно, почему нет больше вертолетов соосной схемы.
@JanDvorak, я думаю, они были бы слишком тяжелыми, их передача слишком сложной и, возможно, не такой эффективной. В основном по той же причине, поскольку вы не видите слишком много из них: bit.ly/2bqlmTe
Ключевым элементом конструкции нотариуса (без хвостового винта) является использование круглой трубы, стрелы с прорезями, которая может вращаться. Он использует эффект Коанды для управления вертолетом. Но вращая трубу (с прорезями), вы можете вращать вертолет как угодно. Это только дополняется реактивным двигателем прямого действия и вертикальными стабилизаторами.
@zipzit Несколько лет назад я видел одного по телевизору, он пробирался сквозь группы деревьев и кустарников. Одним поводом для беспокойства пилота меньше. Но я думаю, что задние винты в воздуховодах повысили безопасность, с тех пор я не слышал так много о нотариусе.
Одна из возможных причин отрицательного голосования заключается в том, что это не ответ на заданный вопрос.

Что касается законов физики, вы могли бы это сделать, если бы время от времени использовали запасенный угловой момент в маховике, чтобы быстро изменить направление основного ротора, а затем начать наращивать угловой момент в другом направлении.

Недостатки: О боже, с чего начать? Вам нужны симметричные и, следовательно, менее эффективные лопасти несущего винта и более сложное устройство автомата перекоса. Вам нужен основной вал и насадки для лопастей, которые могут передавать безумные крутящие моменты ротору во время реверсивного маневра. Вам нужны сложные устройства, чтобы двигатель мог точно контролировать крутящий момент на маховике в широком диапазоне скоростей. И это будет очень захватывающая поездка, если подъемная сила пропадает на полсекунды время от времени, пока ротор реверсирует.

Этот ответ заставил меня громко рассмеяться над фразой «захватывающая поездка».
Тяжелый маховик также допускал бы некоторые очень интересные режимы отказа...

Я считаю это очень интересной идеей, но ясно, что вам придется использовать колесо как гироскоп . Простое вращение колеса, соосного с ротором, совершенно не достигло бы цели, как уточнил Род Вэнс .

Вместо этого вам нужно установить колесо вертикально . Колесо будет вращаться с высокой постоянной скоростью. Теперь ротор создает крутящий момент в направлении, перпендикулярном угловому моменту гироскопа. Из-за того, как складывается угловой момент, результатом будет движение не столько по рысканию, сколько по тангажу/крену . Теперь вы могли бы сказать, что это просто заменяет одну проблему другой, но это не совсем так: в отличие от рыскания, вы можете противодействовать тангажу и крену только с помощью несущего винта за счет использования циклического .

Однако одного этого было бы недостаточно: чтобы действительно «передавать» крутящий момент между направлениями, вам нужно фактически изменить ось вращения колеса. Другими словами, вертолет все равно будет вращаться, только медленнее! Для некоторых целей это действительно может подойти, по крайней мере, для беспилотного вертолета. Но в большинстве случаев вам понадобится шарнирный механизм для изменения оси колеса без вращения корпуса вертолета. Это значительно усложнит конструкцию.

Вполне вероятно, что все это непрактично, но было бы определенно интересно попробовать эту концепцию с игрушечным дроном!

Невозможно использовать реактивное колесо или любые другие средства сопротивления крутящему моменту за счет энергии, запасенной в гироскопе, как упоминалось выше. Такой механизм, как вращающееся колесо или маховик, будет работать на основе его угловой инерции J, которая прямо пропорциональна его массе, а величина крутящего момента, которую он может сохранить и передать, явно недостаточна для противодействия крутящему моменту несущего винта даже на несколько секунд для массы, скажем, 100 фунтов колеса, которое является статической нагрузкой. Вам нужно постоянно ускорять его, потому что его доступный крутящий момент уже израсходован на противодействие ротору. Очень скоро вы достигнете угловых скоростей, которые находятся за пределами любой разумной технологии.

Давайте используем пропеллер Cessna 172 в качестве примера реактивного колеса. Это примерно 50 фунтов и 72 дюйма в диаметре (радиус экспоненциально связан с J). На взлете или при некоторых маневрах он разгоняется с 500 об/мин до 2500 об/мин за пару секунд, и вы ожидаете большого крутящего момента, с которым вам придется иметь дело. Правда, есть некоторый крутящий момент, но даже для меня, как для пилота, который должен его предвидеть, я почти ничего не чувствую. Просто слышишь рев двигателя, набирающего обороты.

Хвостовой вентилятор обеспечивает легкое управление при небольших затратах энергии и может быть соединен с автоматической коробкой передач для беспрепятственной работы с регуляторами тангажа и рыскания и обеспечивает некоторую самобалансирующуюся инерцию.

Является ли это контраргументом моему ответу или только идее реактивного колеса, соосного с ротором, которая уже была полностью опровергнута в предыдущих ответах? (Вполне возможно, что я написал чушь, но я не понимаю, как это следует из вашего рассуждения.)
И FWIW, радиус определенно не экспоненциально связан с моментом инерции, отношение «только» Дж ∝ р 4 , или возможно Дж ∝ р 5 если вы учитываете дополнительную надежность в большем винте. Хотя, во всяком случае, я не совсем понимаю, какой вывод вы из этого делаете – не ослабляет ли больший момент инерции вашу точку зрения?
Давайте просто предположим коптер с диаметром ротора 30 футов и подъемной силой 3000 фунтов с соотношением L/D 4,5. Таким образом, на каждую лопасть ротора приходится 3000/скажем, 5/2=300 фунтов силы сопротивления. Предполагая, что он передается посередине лопасти, мы получаем крутящий момент 300 * 30/2 = 4500 фунтов * фут. Очень грубо любой маховик противодействовать этому даже на несколько секунд не важно в каком положении нецелесообразно. Что касается J пропеллера, грубая оценка, предполагающая, что вся масса одной лопасти находится в центре тяжести, даст J = 2m ^ 2/2 (.3R) ^ 2. Пункт, который я пытаюсь сделать, это величина, если крутящий момент вертолета превышает любой поднимаемый гироскоп.
Используя пропеллер Cessna 172, я утверждаю, что даже такой большой гироскоп эффективно оказывает минимальное влияние на самолет, который имеет тот же порядок массы, что и легкий вертолет, 2000-2400 фунтов!
Почему вертолеты не используют реактивные колеса для противодействия несущему винту?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v