Frage:
Warum ist der vertikale Start auf leichtere Flugzeuge beschränkt?
user2174870
2015-02-14 09:43:02 UTC
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Vertikaler Start ist ein großer Vorteil, aber warum ist er nur auf geringes Gewicht beschränkt?

Zum Beispiel kann ein Starrflügel wie An225 mehr als hundert Tonnen Nutzlast heben, während der größte Hubschrauber 25 ist Tonnen. Warum es keine Anstrengung gibt, einen Hubschrauber zu bauen, kann 50 - 100 Tonnen heben. Was begrenzt sie? Wirtschaftliches oder technisches Problem? Ich denke, es ist ein technisches Problem, denn selbst der schwerste Hubschrauber ist nur ein Experiment, aber was ist das?

Um fair zu sein, hat [der größte Hubschrauber] (http://en.wikipedia.org/wiki/Mil_V-12) über 44 Tonnen angehoben. Auf der anderen Seite hob An-225 über 250 t :)
Wenn wir die Definition von Flugzeugen etwas erweitern wollen, hat sich die erste Stufe des Saturn V vertikal weit über 3000 Tonnen angehoben. Wenn Sie darüber nachdenken, wird die relative Effizienz des vertikalen Starts tendenziell beleuchtet.
Fünf antworten:
#1
+24
Jon Story
2015-02-14 18:16:35 UTC
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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

  4. ol>

    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.

+1 für den Endpunkt. Um vielleicht etwas klarer zu sein, benötigen Hubschrauber Schub / Gewichts-Verhältnisse> 1. Flugzeuge nicht. Selbst wenn wir genug Rotoren und genügend Blätter darauf setzen könnten, müssten die Triebwerke viel mehr Leistung produzieren als die eines Flugzeugs mit der gleichen Nutzlast. Über einen Punkt hinaus müssten wir damit beginnen, vertikal montierte [GE90] (http://en.wikipedia.org/wiki/General_Electric_GE90) oder ähnliches auf ihnen zu installieren. Es sollte auch beachtet werden, dass diese Einschränkung für alle vertikalen Starts (außer für Fahrzeuge, die leichter als Luft sind) gilt, nicht nur für Hubschrauber.
Flugzeuge erfordern Schub-zu-Gewicht-Überlegungen, es ist einfach nicht genau proportional in der gleichen Weise
Ja, aber sie liegen normalerweise näher bei 0,25, nicht bei> 1,0. Viel weniger Motorleistung (und damit viel weniger Kraftstoff) bei gleichem Auftrieb.
Zwar wird auch der Kraftstoffverbrauch zu einem Problem - das kann ich der Antwort hinzufügen
Ist das aus physischer Sicht nicht so, dass Macht und Gewalt gehandelt werden können? Z.B. Ein längerer Hebel hat bei gleicher Kraft eine höhere Kraft?
@user2174870: Aus theoretischer Sicht ja. In Wirklichkeit erhöhen Hebel das Gewicht. Und ein Hebel benötigt auch einen Stützpunkt, was für ein Flugzeug eher unpraktisch ist.
Ich denke, Sie haben eine Option vergessen: Fügen Sie weitere Rotoren hinzu (wie [this] (http://www.aerospaceweb.org/question/helicopters/q0284.shtml)).
@quentin siehe den vorletzten Absatz, ich habe das behandelt - es ist normalerweise unhandlich und es wird sinnvoller, nur einen festen Flügel zu verwenden: Anders als beim Chinook ist mir kein Mehrrotor-Design bekannt, das tatsächlich genau genug für den Flug ist Eigenschaften für das Heben vor Ort ... und wenn Sie die Nutzlast nicht von jedem Ort abholen können, sondern zu einem Flugplatz bringen müssen, können Sie auch ein Flugzeug verwenden
#2
+8
RoboKaren
2015-02-14 19:34:45 UTC
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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.

Ein großer Vorteil für den Chinook ist, dass Sie ein Lastzentrum überall entlang der Mittellinie haben können und nicht nur genau unterhalb des Rotorzentrums. Sehr nützlich für einen Militärtransport mit untergetauchter Fracht
"Sie könnten mehr Rotoren hinzufügen, um mehr Auftrieb zu erzielen", und dennoch war der Chopper mit dem höchsten Hub, der in Produktion ging, ein Einzelrotorkonzept.
#3
+2
user7241
2015-02-15 23:39:42 UTC
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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.

Ohne mehr Details wäre dies besser als Kommentar.
Nun, damit etwas überhaupt abheben kann, muss der Auftrieb größer als das Gewicht sein. Flugzeuge müssen mit dem gleichen Quadratwürfelgesetz umgehen, um genügend Auftrieb zu erzeugen, was dazu führt, dass größere Flugzeuge unverhältnismäßig größere Flügel haben. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Flugzeuge keinen Schub verwenden müssen, um ihren Auftrieb direkt zu erzeugen, was viel niedrigere Schub / Gewichts-Verhältnisse und damit einen viel besseren Kraftstoffverbrauch bei gleicher Last ermöglicht.
Sie können immer einen Stein werfen, ohne Aufzug. Unterschallflugzeuge erfahren an jedem Teil ihres Flügels die gleiche hohe Unterschallgeschwindigkeit, im Gegensatz zu einem Hubschrauber, bei dem die hohe Unterschallgeschwindigkeit an den Rotorblattspitzen vorhanden ist. Wenn Sie von den Spitzen nach innen gehen, nimmt die Geschwindigkeit ab.
#4
  0
Aerodude
2016-04-18 17:43:00 UTC
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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:

Power vs forward speed

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.

Gute Antwort, haben Sie eine Quelle für das Bild?
#5
-1
PCARR
2015-03-25 23:32:51 UTC
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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.

Ja. Selbst wenn Sie davon ausgehen, dass Sie alle technischen Probleme eines wirklich schweren Hubschraubers lösen können, wo ist die wirtschaftliche Nachfrage nach ihnen? Was können Sie mit einem großen Hubschrauber billiger machen, um die Entwicklungs- und Betriebskosten zu bezahlen? Selbst wenn die Nachfrage nach Schwergütern besteht, scheint dies mit Luftschiffen besser möglich zu sein: http://www.bloomberg.com/news/articles/2013-06-14/blimps-morph-into-haulers-as- Luftschiff-Hersteller-sieht-Fracht-Revolution
Dies scheint die abschließende Aussage der aktuell am häufigsten gewählten Antwort zu wiederholen: "Wir müssen einfach, außer unter einigen Nischenbedingungen, nicht mehr Gewicht mit [Hubschraubern] tragen." Wir bevorzugen Antworten, die etwas Wesentliches hinzufügen, das noch nicht in einer anderen Antwort auf die Frage geschrieben wurde. Können Sie Ihre Antwort so bearbeiten, dass dies der Fall ist?


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