Сможет ли летать самолет с вращающимися в противоположных направлениях винтами, длина которых превышает размах крыла самолета?

Краткий ответ: этот дизайн, вероятно, будет работать, но он будет не очень эффективным . Его можно настроить на полет, но когда вы начнете настройку, вы продолжите так, что результат будет выглядеть по-другому.

Теперь давайте рассмотрим ваши вопросы один за другим:

Насколько целесообразно использовать пропеллер больше размаха крыла? Есть ли какой-нибудь закон физики, препятствующий такой конфигурации?

Нет закона, запрещающего такой большой пропеллер. Чтобы создать тягу, нужно разогнать массу воздуха назад. Чем больше гребной винт, тем меньшее ускорение должно быть для данной тяги, поскольку доступен более высокий массовый расход. Это делает большие пропеллеры по своей природе более эффективными , но более крупные лопасти тяжелее, а также создают большее сопротивление трения, поэтому наилучшее место занимают пропеллеры, которые немного меньше крыльев самолета, к которому они прикреплены.

Какие немедленные последствия можно было бы увидеть в воздушном потоке за таким большим пропеллером? Смогут ли крылья позади потока создать стабильную подъемную силу?

Так как ускорение, даваемое воздушным винтом воздушной массе, невелико, крылья позади них летели бы в почти невозмущенном воздухе . Подъемная сила со временем будет немного раскачиваться, потому что пограничный слой, стекающий с лопастей винта, будет вызывать циклическое изменение динамического давления на задние крылья. Это, однако, не помешает их общей способности создавать подъемную силу.

Лопасти в сложенном виде остаются плоскими и служат дополнительной подъемной поверхностью; но я предполагаю, что их можно расположить так, чтобы потеря подъемной силы не влияла на баланс самолета? (Как на эскизе с ними по центру)

На малой скорости это помогает иметь больше площади крыла для создания подъемной силы. Обратите внимание, насколько закрылки авиалайнера перемещаются назад, увеличивая не только развал крыльев, но и их площадь. Использование двух крыльев, летящих строем, позволило бы придать заднему крылу гораздо больший угол атаки и использовать зазор между ними для обновления пограничного слоя заднего крыла, как это делается в щелевых закрылках , так что в совокупности их подъемная сила была бы выше, чем что из одного крыла той же площади. Однако длинные узкие лопасти пропеллера этого вымышленного самолета выглядят слишком хрупкими, чтобы их можно было использовать для увеличения подъемной силы: если бы они были построены из существующих материалов, они сломались бы на части своей потенциальной подъемной силы.

Может ли пропеллер без крутки обеспечить эффективную тягу? Не могли бы вы воспроизвести эффект поворота, изменив вместо этого длину хорды лезвия от корня до кончика?

Хорошо, что вы добавили «эффективный»; это меняет ответ с «да» на «нет». Только с подкруткой локальный угол атаки будет близок к оптимальному, но и без подкрутки возможна тяга. Тогда цель должна заключаться в том, чтобы шаг всей лопасти винта был оптимизирован для внешних 30% его размаха. Однако тяга от этого создаст сильный изгибающий момент корня, и я снова сомневаюсь, что тонкое лезвие винта не сломается. Если попытаться создать тягу ближе к центру, то внешняя часть, летящая при самом высоком динамическом давлении, создаст существенное сопротивление, требующее большого крутящего момента, и снова пропеллер сломается, но уже в другом направлении.

Существуют ли стандартные уравнения для расчета тяги и сопротивления винта без крутки? Или пропеллера вообще?

Да. Первые хорошие были опубликованы А. Бетцем и Л. Прандтлем в 1919 г., а последние существенные улучшения были добавлены Лараби . Заболеваемость может быть задана и, таким образом, может быть установлена ​​постоянной для всего диапазона. Если вы можете запустить копию XROTOR Марка Дрелы , вы можете попробовать сами.

Давайте минутку поговорим о размере пропеллера и проигнорируем аэродинамику остальной части транспортного средства, поскольку они были рассмотрены в другом ответе.

Помните, что кончики пропеллера вращаются быстрее, чем его корни. Несмотря на то, что весь пропеллер вращается с частотой вращения, наконечники должны преодолевать большее расстояние до корней и, таким образом, двигаться быстрее. Это может создать ситуацию со сверхзвуковым наконечником, которая сама по себе может быть проблемой. Вы можете найти некоторые сведения об этом в этом вопросе . Чтобы законцовки оставались дозвуковыми в этом ремесле, вам нужно будет медленно вращать пропеллер, что может не создать достаточной тяги для полета самолета.

Все упирается в физику. То, что мы здесь видим, должно быть вертолетом. Да, безусловно, с противоположно вращающимися винтами он бы полетел.

Но теперь мы должны посмотреть на требования полета, сколько силы необходимо для преодоления гравитации и сколько необходимо для преодоления сопротивления при сохранении скорости. Становится ясно, что конструкция отсталая, с крошечными крыльями и большим пропеллером. Обратите внимание, что если бы он летел как вертолет, ему нужно было бы лишь слегка наклониться вперед, чтобы двигаться вперед.

Эта связь была обнаружена при изучении планеров. Фронтальная площадь очень мала по сравнению с площадью, если смотреть снизу. Это, наряду с обтекаемостью, позволяет планеру двигаться вперед по воздуху, лишь слегка опускаясь (flugzeug gefallen). Находясь в движении, крыло создает подъемную силу еще более эффективно (segelflug).

Такие самолеты уже существуют с пропеллерами, вращающимися в противоположных направлениях, которые выходят за пределы крыльев:

V22 скопа

V280 Доблесть

AW609

Один ротор без наклона, который так и не был запущен в производство:

Воут XF5U

Он подавал большие надежды, особенно в отношении характеристик взлета и посадки, но имел несчастье быть в разработке, когда появились реактивные двигатели.