Do helikoptrar använder mer bränsle vid svängning?

Ja, det är korrekt att helikoptrar använder mer bränsle vid svängning: motorn måste använda mer kraft för att övervinna drag. Här är ett diagram över motorkraften som krävs för olika flyghastigheter, från J. Gordon Leishman, Principer of Helicopter Aerodynamics:

Linjenförtotaleffektsjunkermellan0-70ktsmedökandeflyghastighet,dettaberorpålinjenförinduceradkraft:kraftsomkrävsförattövervinnainduceraddragningavhelikopterbladet.Dentotalaönskademotoreffektenärsummanav:

• Induceradkraft.Kraftensomkrävsförattövervinnainduceraddragningavlyftskapande,ytterligaredetaljeradnedan.Propulsivkraftavsermotornsutblåsningshastighetsomnuärtillhjälp,ochökningenavinduceradkraftvidhögrehastigheterpågrundavkompressionsdrag.
• Profilstyrkasomkrävsförknivprofilensdragning.
• Parasitiskkraft,fördragsomorsakasavluftramen,rotornsnavetc.Nollisvävaren,mycketdominerandemedhögstahastighet.Helikoptrarharformersomärmindreaerodynamiskaänfastavingsplan,ochdennadragkällablirväldigtsignifikantvidhögrehastigheter.
• Svansrotornskraft.Upptill20%avhuvudrotornskraftbådeisvävarenochmedhögstahastighet,mycketlågimittenpågrundavdenhjälpsammavertikalasvansen.Vidhögstahastighetärhuvudrotornsvridmomenthögochsvansrotornmåstegöramerarbete,omintedenvertikalasvansenkanjusteras.

Induceradkraftärdominerandeisvävaren.Induceraddragningorsakasavdenbakåtgåendelutningenavlyftvektorn:juhögrevinkelnmellanbladetochfriaströmmendestomervektorernalutasbakåt,vilketorsakarbådeförlustavhissochökningavdrag.EkvationenförlyftLär:

$$L=C_L\cdot\frac{1}{2}\cdot\rho\cdotV^2\cdotS$$

ochvidengivenhöjdärdetvåvariablernahär$C_L$(lyftkoefficient)och$V$(flyghastighetvidbladet).$C_L$ärenapproximativtlinjärfunktionavangreppsvinkelnpåbladet,såhissenökarlinjärtmedklingbackbackenochkvadratisktmedökandelufthastighetöverbladet.

OvanståendegraffrånLeishmanvisarhastighetsfördelningenöverknivarnavidsvängningochvidflyghastighet.Enganskakompliceradsituation-vidsvängningärlufthastighetensomnårbladetbararotornsrotationshastighet,medframåtgåendehastighetharbladetframåtrotationshastighetpluslufthastighet.

Helikopternrullarinteöverochbådeframbladetochreturrättbladetlevererarsammamängdlyft,meddetbakåtgåendebladetlutattillbakamerändetvarisvängaren.Mendetframåtgåendebladetärlutattillbakamycketmindre:flyghastighetenharettkvadratisktinflytande.

Observeraattcirkelniplottetvidfwd-flyghastighetenintestannarflöde,utanomvändflöde:luftenströmmarinpåbaksidanavbladet.Sådraärnunegativ,luftströmmenhjälpertillattdrivabladet!Mendetfinnsförlustavhissiomvändflödesområde.

Induceradeffektminskarmedlufthastighetenförstenligtdenenkla1-D-impulskonsekvensen(merluftmassagenomskivan)ochökarsenare,eftersomskivaniallthögregradlutasframåtochmåstegöramerarbeteförattövervinnaförlusterfrånrotorprofildrag,parasolldragningavflygplanochdragningavkompressibilitet.

Detförekommerocksåenstörningseffektavnedkylningenöverskrovet:isvävarenströmmarluftenraktner,medanrotorvattnetiframflyttningenärmerinriktatpåskrovetochfångarmeravenströmlinjeformadform.Parasitisktdragärnaturligtvisdominerandeihögstahastighet,medanavlastningavrotorngenomattanvändafastavingsytorminskardeninduceradeeffektenvidhögahastigheter-menfrånsvävatillmåttligaframåthastigheterärdetbaraminskningenihissinduceradkraftsomskapartranslationslift.

Ja, det är rätt, om helikoptern inte flyger för fort. En helikopter kommer att producera den nödvändiga hissen mest effektivt med en måttlig framfart.

I en svängare måste allt luftflöde som är tillgängligt för upphöjning skapas genom rotation av huvudrotorn. Det betyder att en liten mängd luft måste accelereras med mycket. Om helikoptern ökar framåthastigheten kan det uppnå ett högre massflöde genom rotorn, och nu behövs mindre acceleration av luft för att uppnå samma lyft. Detta förbättrar effektiviteten hos liftskapande. Om helikoptern går snabbare än sin hastighet för maximal stigning, ökar aerodynamiskt drag för högt och minskar effektiviteten igen.

Vid hög hastighet kan spetsarna på de framåtgående bladen nå transsoniska hastigheter, vilket ger en märkbar dragförhöjning, och den inre delen av returtrycket kommer att se väldigt lite airspeed, och för att fortfarande producera lyft kommer hela bladet att lägga sig till en hög angreppsvinkel, vilket medför att den inre delen stagnerar, vilket igen ger en märkbar dragökning. Det finns en söt plats mellan svävar och snabb hastighet där den önskade effekten når ett minimum.

Ja, jag är ingen fysikstudent, men jag jobbar på Black Hawks. Om du konceptualiserar en helikopter som bara en huvudrotorskiva som producerar hiss, är Peter Kampfs svar om massflödet genom rotorskivan den största faktorn. (Kom ihåg att skivan är lutad framåt när helikoptern går framåt). Men din fråga frågade faktiskt varför bränner de mindre bränsle: Tja, tusentals små designfunktioner på flygplanet hjälper varje gång till att spara värdefulla pounds bränsle i framflyttningen. (Du kanske vill göra en Google-bildsökning för att titta på medan du läser detta.)

Den svarta hökan har ett kammat vertikalfink som avlastar svansrotorn över 60kt, och detta vridmoment omdirigeras till huvudrotorn. Den har en variabel stabilator som ändrar vinkel med fwd-lufthastighet (= byte av huvudrotorns nedåtvridningsvinkel) för att ge hiss och ytterligare lossning av huvudrotorn. Svansrotorn är kantad i en vinkel och spinner bakåt i huvudrotorns tvätt, återigen för att lossa huvudrotorn, vilket frigör mer kraft för framåtgående hastighet. Den har flygdatorer och en mixer som plattar ut flygplanet under flygning, så att det inte uppvisar ett platt kabintak i luftströmmen vid höga framåtväxthastigheter. Ju smidigare du kan hålla skivan i det relativa luftflödet, desto mindre blir bladets stigningsvinklar och det mindre parasitära draget från rotorskivan.

Huvudrotorbladspetsarna sveps bakåt för att fördröja starten av transonspetsdragningen, eftersom det framåtriktade bladet ser högre relativa lufthastigheter i framflyttningen. Andra helikoptrar har flygfarkoster som genererar lyft från hyttkroppen i framflyttningen. Alla dessa aerodynamiska besparingar är närvarande i framflyttning, men inte i svängaren. Och till sist kommer dina turbinmotorns luftinlopp att dra nytta av någon ram-luft-effekt i framåtgående flyg, vilket innebär att man bränner mindre bränsle för samma vridmoment. Varje helikopter i världen använder några eller alla dessa funktioner för att spara bränsle under flygning. Om du jämför jämförelser med helikoptrar (Bell 47, Bell UH-1, Bell 412, Black Hawk) kan du se att dessa funktioner utvecklas gradvis.

Det finns andra överväganden när en helikopter svävar strax utanför marken, men jag har försökt att lista bara några av de sätt som helikoptrar är utformade för att spara bränsle under flygning. Hoppas det här hjälper.

Konceptet är känt som "translationslyft". Vid framflyttning sker en helikopters rotorskiva mycket som en flygplans vinge - den har ett signifikant lift-to-drag-förhållande. Den nödvändiga kraften för att upprätthålla nivåflygning reduceras med detta förhållande och därför reduceras också nödvändig motorkraft och bränsleflöde. I svänghjulet måste motorns + rotorsystemet försörja kraften lika med helikopterns vikt.

När luften är i en svängare har luften mer tid att installera i en inducerad tvätt från längre uppåt, vilket övergår till högre nedflödeshastighet när den inducerade tvätten når rotorns plan. Vid translationsflygning rör sig rotorn kontinuerligt i ren luft, så nedflödeshastigheten vid den tidpunkt då luften når rotorns plan är mindre än den hos en svängare. Kraften är lika med krafttiderna, i så fall överväga effekten till luften. I båda fallen är kraften densamma (lika med helikopterns vikt), men i en svängare är nedvattenshastigheten genom rotorns plan större än under överskridande flygning, så den önskade kraften i en svängare är större än i translationell flygning, tills översättningsdragen blir ett problem.

Ett annat problem är spetsvortices. I en svängare kan dessa bli ganska stora, igen på grund av hela tiden för att vorterna ska sätta upp och rotordipparna rör sig in i virvlarna som induceras av de andra rotorns spetsar. Vid translationsflygning "sköljs vorten" av den relativa horisontella vinden, vilket minskar spetsvorternas storlek.

En annan punkt att överväga är om helikoptern har kompletterande vingar. Snarare känt exempel är Mi-24 familj av attackhelikoptrar, där vapenpyloner fungerar som vingar.

"Vid hög hastighet ger vingarna betydande lyft (upp till en fjärdedel av den totala hissen)."

Vid höga höjder med full belastning är det rekommenderade lyftproceduren att få horisontell hastighet så att vingarna hämtar upp någon hiss.

Om tyngdkraften var den enda kraft som verkar på ett flygplan, så skulle flygplanet i varje ögonblick i tiden få viss mängd nedåtgående momentum. För att behålla höjden måste flygplanet överföra denna momentum till en annan massa (dvs luft). Det kommer att bli en del luft som börjar med nollhastighet (i det enklaste fallet) och slutar med viss nedåtgående hastighet. Eftersom momentum är masstider hastighet, kommer hastigheten som luften ska accelereras att vara omvänd proportionell mot massan av luftaccelererad: hastighet = momentum / massa. Energin i den luften är dock mv 2 / 2. När vi ersätter hastighet i den ekvationen får vi energi = mass * (momentum 2 / (2 * mass 2 ). En kraftmassa avbryter, ger energi = momentum 2 / (2 * mass). Således fördubblas luftmängden som accelereras nedåt, den energi som krävs. När ett flygplan färdas med hög hastighet kommer en stor mängd luft i kontakt med sina vingar , vilket betyder att det inte behöver ägna mycket energi för att generera lift (ju ju snabbare den reser desto mer dra det upplever, vilket ger en lift-drag-avvägning). En helikopter upplever något liknande: när den reser horisontellt , det rör sig naturligt in i ny luft. När det svävar är det mindre luft att accelerera nedåt, och vilken luft som finns måste dras mot rotorn genom rotorns egen ansträngning.