Im Wesentlichen kommt es auf Überschallrotorspitzen an

Mit einem Flugzeug können Sie es theoretisch so groß machen, wie Sie möchten - solange Sie stark genug / leicht genug sind und halten können Ein Flugzeugdesign lässt sich gut skalieren. Größerer Flügel = mehr Auftrieb. Solange Sie den Flügel größer machen können, ohne dass er bricht, und solange Sie genug Kraft hinzufügen können, um den zusätzlichen Widerstand zu überwinden, gibt es nicht viele feste Grenzen.

Mit einem Hubschrauber sind wir begrenzt durch die Rotorspitzen: Sobald sie Überschall gehen, verursachen sie viele Probleme.

Wie erzeugt ein Hubschrauber Auftrieb? Durch die Verwendung von Rotoren, um die Luft innerhalb einer Art Kreis nach unten zu drücken. Um mehr Auftrieb hinzuzufügen, können wir (im Wesentlichen) drei Dinge tun.

1. Lassen Sie den Rotor schneller drehen, damit mehr Luft in den Kreis gedrückt wird, den er bereits verwendet. Dies führt natürlich dazu, dass sich die Spitzen schneller drehen, sodass wir dies nur bis zu einem gewissen Grad tun können. Wir haben diese Grenze bereits erreicht.

2. Machen Sie die Rotorblätter länger, damit sie einen größeren Luftkreis drücken. Aufgrund der Natur einer kreisförmigen Klinge bewegt sich die Außenseite einer Klinge jedoch schneller als die Innenseite. Für eine bestimmte Rotordrehzahl gibt es eine feste Grenze für die Größe der Blätter. Auch hier haben wir dieses Limit bereits erreicht.

3. Fügen Sie mehr Klingen hinzu, sodass mehr Klingen Auftrieb erzeugen. Dies funktioniert bis zu einem gewissen Grad (daher haben kleinere Hubschrauber möglicherweise zwei Rotorblätter, größere jedoch 4, 5 oder mehr. Auch dies ist jedoch nicht unbegrenzt skalierbar - jeder Rotor stört den nächsten, Sie können ihn nicht einfach behalten Hinzufügen weiterer

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Es gibt weitere geringfügige Änderungen, die wir vornehmen können, z. B. das Tragflächenprofil des Rotors, die jedoch keine signifikanten Gewinne erzielen.

Also Im Grunde haben wir die Grenze dessen erreicht, was wir mit einem einzelnen Rotor heben können. Der einzige wirkliche Weg, um jetzt mehr Auftrieb hinzuzufügen, besteht darin, mehr Rotoren hinzuzufügen: Dies wäre weitaus weniger effizient als die einfache Verwendung eines Flugzeugs.

Das bringt mich zum letzten Punkt - Hubschrauber sind sehr ineffizient und ziemlich langsam ... Wir müssen einfach, außer in einigen Nischensituationen, nicht mehr Gewicht mit ihnen tragen.

Jons Antwort ist richtig: "Hubschrauber sind sehr ineffizient und ziemlich langsam ..."

aber er übersieht einen wichtigen Punkt: Hubschrauber sind auch unglaublich zerbrechlich und empfindlich. Selbst ein normaler Einrotor-Hubschrauberflug ist ein Wunder. Es heißt: "10.000 Ersatzteile fliegen in enger Formation."

Sie könnten mehr Rotoren hinzufügen, um mehr Auftrieb zu erhalten. Der Chinook hat zwei Rotoren, weshalb er so viel tragen kann. Der hintere Rotor erhöht die Komplexität, macht aber auch einen Heckrotor überflüssig, weshalb nicht ganz 20.000 Ersatzteile in enger Formation fliegen. Aber selbst Chinooks sind im Vergleich zu C-130 zerbrechlich.

Das Hinzufügen von Motoren erhöht die Redundanz in einem Flugzeug. Und denken Sie daran, dass Sie, wenn Sie in einem Flugzeug sitzen und einen Motor (oder alle Motoren) verlieren, immer noch fliegen oder zu einer sicheren Landung gleiten können.

Wenn Sie sich in einem Drehflügler befinden und Ihren Motor (entweder Hauptrotor oder Heck) oder wirklich einen einzelnen Teil dieser 10.000 Teile verlieren, können Sie nur beten und eine Landung mit automatischer Rotation versuchen. Es wird schlimmer, je mehr Rotoren Sie hinzufügen, nicht besser. Dies ist eine der Einschränkungen von Drehflüglern und warum Sie zum größten Teil nur mehrere Rotoren (4-, 6-, 8-) sehen, die in unbemannten Drohnen verwendet werden, mit Ausnahme einiger sehr experimenteller Fahrzeuge.

Damit ein Hubschrauber vertikal abhebt: $$ Lift \ gt Weight. $$

Das Gewicht wächst mit der Länge bis zur dritten Potenz ($ l ^ 3 $, Gewicht ist proportional zum Volumen) Der Auftrieb wächst nur mit $ l ^ 2 $, da er proportional zur Planformfläche der Rotorblätter ist.

Mehr Auftrieb bedeutet einen höheren Auftriebskoeffizienten und eine größere Fläche der Rotorblade-Planform. Die maximale Umfangsgeschwindigkeit an den Blattspitzen ist begrenzt (es gibt die Einschränkung, dass sich die Spitzen nicht mit Überschallgeschwindigkeit bewegen können). Man würde steifere längere und trapezförmige Blätter benötigen und es gibt eine strukturelle Grenze für das mögliche Drehmoment an der Blattwurzel.

Flugzeuge, die mit hohen Unterschallgeschwindigkeiten fliegen, erfahren im Gegensatz zu a an jedem Abschnitt entlang der Flügel die gleiche Fluggeschwindigkeit Hubschrauber mit einer Beziehung von $ v = r \ omega $ für die Geschwindigkeit entlang des Rotorblatts. $ v $ ist auf Unterschallgeschwindigkeit beschränkt.

Die Leistung, die erforderlich ist, um die Höhe beim Vorwärtsflug aufrechtzuerhalten, ist geringer als die Leistung, die zum Schweben erforderlich ist. Wenn die horizontale Geschwindigkeit ($ V_x $) zunimmt, nimmt die induzierte Geschwindigkeit ($ V_i $) an der Scheibe ab und die induzierte Leistung ($ P_i $) nimmt ungefähr gleich $ \ frac {1} {V_i} $ ab. Wenn jedoch $ V_x $ zunimmt, nimmt die parasitäre Kraft ($ P_p $) proportional zu $ ​​V ^ 3 $ zu. Die Profilleistung ($ P_0 $ - die Leistung, die zur Aufrechterhaltung der Rotordrehzahl benötigt wird) bleibt ungefähr konstant. Wenn Sie all dies zusammen mit der erforderlichen Leistung auf der y-Achse und der Vorwärtsgeschwindigkeit auf der x-Achse grafisch darstellen, erhalten Sie Folgendes:

Dies bedeutet, dass es eine optimale Vorwärtsgeschwindigkeit gibt, bei der Ihre Leistung minimiert wird. Dies ist wichtig, da die maximale Steiggeschwindigkeit (und Hubkraft) durch Ihre verfügbare Leistung bestimmt wird $$ P_ {av} = P_ {tot} - P_i - P_p - P_0 $$. Wenn Sie die zum Minimieren des Flugzeugs erforderliche Leistung minimieren, haben Sie mehr Nettoleistung zum Heben anderer Dinge (und bei schweren Hubschraubern können diese möglicherweise überhaupt nicht vertikal abheben). Aus diesem Grund liegt die maximale Steiggeschwindigkeit immer bei einer bestimmten Vorwärtsgeschwindigkeit, und per Definition liegt die maximale Hubkapazität auch bei einer bestimmten Vorwärtsgeschwindigkeit. Eine praktische Demonstration dieses Prinzips ist, dass große Frachtheber wie der Himmelskran und der Chinook immer mit einer Vorwärtsgeschwindigkeitskomponente abheben. Deshalb.

Zusätzlich zu dem oben bereits treffend beschriebenen Leistungsgewicht-Verhältnis gehe ich unverblümt auf die wirtschaftlichen Gründe ein und zitiere, dass Bohnenzähler die Kosten pro Start betrachten und den Kopf schütteln.