Используют ли вертолеты больше топлива при зависании?

Да, верно, что вертолеты расходуют больше топлива при зависании: двигателю нужно приложить больше мощности, чтобы преодолеть сопротивление. Вот график мощности двигателя, необходимой для различных скоростей полета, из J. Gordon Leishman, Principles Of Helicopter Aerodynamics:

Линия для полной мощности снижается между 0 - 70 уз с увеличением воздушной скорости, это вызвано линией для индуктивной мощности: мощность, необходимая для преодоления индуктивного сопротивления лопасти вертолета. Общая требуемая мощность двигателя представляет собой сумму:

• Индуцированная мощность. Мощность, необходимая для преодоления индуктивного сопротивления при создании подъемной силы, более подробно описанная ниже. Движущая сила относится к скорости выхлопа двигателя, которая теперь полезна, и к увеличению индуцированной мощности на более высоких скоростях из-за сопротивления сжимаемости.
• Мощность профиля, необходимая для сопротивления профиля лопасти.
• Паразитная мощность для сопротивления, вызванного воздушной рамой, втулкой несущего винта и т. д. Нулевая в режиме зависания, очень доминирующая на максимальной скорости. Вертолеты имеют формы, которые намного менее аэродинамичны, чем самолеты с неподвижным крылом, и этот источник сопротивления становится очень значительным на более высоких скоростях.
• Мощность хвостового винта. До 20% мощности несущего винта как на режиме зависания, так и на максимальной скорости, очень низкая в середине из-за полезного вертикального хвостового оперения. На максимальной скорости крутящий момент несущего винта высок, и хвостовой винт должен выполнять больше работы, если только вертикальное хвостовое оперение нельзя отрегулировать.

Индуцированная мощность преобладает в парении. Индуктивное сопротивление вызвано наклоном вектора подъемной силы назад: чем больше угол между лопастью и набегающим потоком, тем больше вектор наклонен назад, что вызывает как потерю подъемной силы, так и увеличение сопротивления. Уравнение для подъемной силы L:

и на заданной высоте две переменные здесь$C_L$(коэффициент подъемной силы) и$V$(скорость полета на лопасти).$C_L$является приблизительно линейной функцией угла атаки на лопасти, поэтому подъемная сила увеличивается линейно с наклоном лопасти назад и квадратично с увеличением воздушной скорости над лопастью.

Приведенный выше график от Лейшмана показывает распределение скорости по лопастям при висении и на воздушной скорости. Довольно сложная ситуация - на висении скорость долетающая до лопасти равна только скорости вращения несущего винта, при поступательной скорости у идущей вперед лопасти скорость вращения плюс скорость по воздуху.

Вертолет не переворачивается, и передняя и отступающая лопасти обеспечивают одинаковую подъемную силу, при этом задняя лопасть наклонена назад больше, чем при зависании. Но лезвие, идущее вперед, отклоняется назад намного меньше: скорость полета имеет квадратичное влияние.

Обратите внимание, что кружок на графике при воздушной скорости вперед — это не застойный поток, а обратный поток: воздух втекает в заднюю часть лопасти. Таким образом, сопротивление теперь отрицательное, воздушный поток помогает двигать лезвие! Однако есть потеря подъемной силы в области обратного потока.

Индуцированная мощность сначала уменьшается со скоростью полета в соответствии с простым рассмотрением одномерного импульса (большая масса воздуха проходит через диск), а затем увеличивается по мере того, как диск все больше наклоняется вперед и должен выполнять больше работы, чтобы компенсировать потери из-за сопротивления профиля несущего винта, паразитной конструкции планера. сопротивление и сопротивление сжимаемости.

Существует также интерференционный эффект нисходящей струи над фюзеляжем: при висении потоки воздуха направлены прямо вниз, в то время как в прямом полете струя несущего винта более совмещена с фюзеляжем, приобретая более обтекаемую форму. Паразитное сопротивление, конечно, доминирует на максимальной скорости, в то время как разгрузка несущего винта за счет использования неподвижных поверхностей крыла снижает индуктивную мощность на высоких скоростях, но от зависания до умеренных скоростей движения поступательную подъемную силу создает исключительно уменьшение индуцированной подъемной силы.

Да, правильно, если вертолет не летает слишком быстро. Вертолет будет создавать необходимую подъемную силу наиболее эффективно при умеренной скорости движения вперед.

При зависании весь воздушный поток, доступный для создания подъемной силы, должен создаваться вращением несущего винта. Это означает, что небольшое количество воздуха должно быть ускорено большим. Если вертолет увеличивает поступательную скорость, он может достичь более высокого массового расхода через ротор, и теперь для достижения той же подъемной силы требуется меньшее ускорение воздуха. Это повышает эффективность создания подъемной силы. Если вертолет движется быстрее, чем его скорость для максимальной скорости набора высоты, аэродинамическое сопротивление становится слишком большим и снова снижает эффективность.

На высокой скорости кончики наступающих лопастей могут достигать околозвуковых скоростей, что приводит к заметному увеличению сопротивления, а внутренняя часть отступающей лопасти будет иметь очень небольшую воздушную скорость, и, чтобы все еще создавать подъемную силу, вся лопасть будет наклоняться на большой угол. угла атаки, что приводит к остановке внутренней части, что опять-таки приводит к заметному увеличению лобового сопротивления. Между зависанием и быстрой скоростью есть золотая середина, когда требуемая мощность достигает минимума.

Да, я не учусь на физике, но работаю над Черными ястребами. Если вы представляете вертолет как просто диск несущего винта, создающий подъемную силу, то ответ Питера Кампфа о массовом потоке через диск ротора является самым важным фактором. (Помните, что диск наклонен вперед, когда вертолет движется вперед). Тем не менее, ваш вопрос на самом деле касался того, почему они сжигают меньше топлива: ну, тысячи маленьких конструктивных особенностей планера помогают экономить драгоценные фунты топлива в прямом полете. (Возможно, вы захотите выполнить поиск изображений в Google, чтобы просмотреть их, пока читаете это.)

Black Hawk имеет изогнутое вертикальное оперение, которое разгружает хвостовой винт на скорости выше 60 узлов, и этот крутящий момент перенаправляется на несущий винт. Он имеет регулируемый стабилизатор, который изменяет угол в зависимости от скорости полета вперед (= изменение угла наклона несущего винта вниз), чтобы обеспечить подъемную силу, дополнительно разгружая несущий винт. Хвостовой винт наклонен под углом и вращается назад в омывателе несущего винта, опять же, чтобы разгрузить несущий винт, высвобождая больше мощности для скорости вперед. У него есть бортовые компьютеры и блок микшера, который выравнивает планер в полете, так что он не представляет плоскую крышу кабины воздушному потоку на высоких скоростях полета. Чем более плоско вы можете удерживать диск в относительном воздушном потоке, тем меньше углы наклона лопастей и тем меньше паразитное сопротивление диска ротора.

Концы лопастей несущего винта отогнуты назад, чтобы задержать начало околозвукового сопротивления законцовок, поскольку движущаяся лопасть имеет более высокие относительные скорости полета в прямом полете. Другие вертолеты имеют обтекатели планера, которые создают отрыв от корпуса кабины при полете вперед. Вся эта аэродинамическая экономия присутствует при прямом полете, но не при зависании. И, наконец, воздухозаборники вашего газотурбинного двигателя выиграют от некоторого эффекта набегающего потока воздуха в прямом полете, что означает сжигание меньшего количества топлива при том же крутящем моменте. Каждый вертолет в мире использует некоторые или все эти функции для экономии топлива в полете, и если вы сравните поколения вертолетов (Bell 47, Bell UH-1, Bell 412, Black Hawk), вы увидите, что эти функции постепенно развиваются.

Есть и другие соображения, когда вертолет зависает над землей, но я попытался перечислить лишь некоторые из способов, которыми вертолеты спроектированы для экономии топлива в полете. Надеюсь, что-то из этого поможет.

Эта концепция известна как «поступательный лифт». При движении вперед диск несущего винта вертолета во многом похож на крыло самолета — он имеет значительное аэродинамическое качество. Требуемая тяга для поддержания горизонтального полета уменьшается на это соотношение, и, следовательно, необходимая мощность двигателя и расход топлива также уменьшаются. В режиме зависания система двигатель + винт должна обеспечивать тягу, полностью равную весу вертолета.

В режиме зависания воздух имеет больше времени для создания искусственной струи, направленной дальше вверх, что приводит к более высокой скорости нисходящего потока к тому времени, когда индуцируемая струя достигает плоскости ротора. В поступательном полете несущий винт непрерывно перемещается в чистый воздух, поэтому скорость нисходящего потока к моменту достижения воздухом плоскости несущего винта меньше, чем при зависании. Мощность равна силе, умноженной на скорость, в этом случае рассмотрим выходную мощность в воздухе. В обоих случаях сила одинакова (равна весу вертолета), но на висении скорость смыва вниз через плоскость несущего винта больше, чем при поступательном полете, поэтому потребная мощность на висении больше чем в поступательном полете, пока поступательное сопротивление не станет проблемой.

Другая проблема — вихри на конце. При зависании они могут стать довольно большими, опять же из-за того, что все время образуются вихри и кончики ротора движутся в вихри, вызванные другим наконечником (концами) ротора. В поступательном полете вихри «смываются» относительным горизонтальным ветром, уменьшая размер концевых вихрей.

Еще один момент, который следует учитывать, это наличие у вертолета дополнительных крыльев. Достаточно известным примером является семейство ударных вертолетов Ми-24 , в которых пилоны вооружения выполняют роль крыльев.

«На высокой скорости крылья обеспечивают значительную подъемную силу (до четверти общей подъемной силы)».

На больших высотах с полной нагрузкой рекомендуемая процедура отрыва состоит в том, чтобы набрать горизонтальную скорость, чтобы крылья приобрели некоторую подъемную силу.

Если бы гравитация была единственной силой, действующей на самолет, то в каждый момент времени самолет набирал бы определенную нисходящую скорость. Таким образом, чтобы поддерживать высоту, самолет должен передать этот импульс какой-либо другой массе (например, воздуху). То есть будет некоторый воздух, который начинается с нулевой скорости (в простейшем случае) и заканчивается с некоторой нисходящей скоростью. Поскольку импульс равен массе, умноженной на скорость, скорость, до которой необходимо разогнать воздух, будет обратно пропорциональна массе ускоряемого воздуха: скорость = импульс/масса. Однако энергия этого воздуха составляет mv ² /2. Когда мы подставляем скорость в это уравнение, мы получаем энергия = масса * (импульс ² / (2 * масса ² ). Одна степень массы сокращается, что дает энергию = импульс ²/(2*масса). Таким образом, удвоение количества воздуха, ускоряемого вниз, вдвое снижает требуемую энергию. Когда самолет движется с высокой скоростью, большое количество воздуха соприкасается с его крыльями, а это означает, что ему не нужно тратить много энергии для создания подъемной силы (конечно, чем быстрее он летит, тем большее сопротивление он испытывает, давая компромисс между подъемной силой и сопротивлением). Нечто подобное происходит с вертолетом: когда он летит горизонтально, он естественным образом выходит на новый уровень воздуха. Когда он зависает, меньше воздуха для ускорения вниз, а тот воздух, который есть, должен притягиваться к ротору собственным усилием ротора.