Por que os helicópteros têm alcance tão limitado?

Helicópteros são muito ineficientes no vôo, por várias razões.

• Considere a suposição de alta velocidade de Glauert, ou seja, o helicóptero pode ser representado como uma aeronave com uma asa circular durante o vôo de alta velocidade. Agora, se você souber alguma coisa sobre desempenho básico de asa fixa, perceberá imediatamente que isso implica uma razão de aspecto um pouco maior que 1, o que é muito pequeno. Você deve se lembrar de que, para uma aeronave de asa fixa, o arrasto induzido é uma relação de aspecto inversamente proporcional - portanto, uma taxa de proporção muito baixa significa um arrasto induzido muito alto! O arrasto induzido normalmente não é um grande negócio para aeronaves de asa fixa em alta velocidade porque é proporcional ao quadrado do coeficiente de sustentação (que diminui com a velocidade), mas ...
• Na realidade, a situação de um helicóptero é ainda pior! A suposição de Glauert supõe que temos um rotor ideal, ou seja, um que tenha uma velocidade induzida uniforme por toda parte. Na prática, a distribuição de fluxo de entrada sobre o rotor é altamente não uniforme, especialmente em altas velocidades, onde o lado de avanço do rotor está em um ambiente aerodinâmico muito diferente do lado de recuo. Mesmo em um nível muito simples, a "área de trabalho" varrida no lado recuado é muito menor do que a do lado que avança. Como a sustentação precisa ser equilibrada, a teoria do momento implica uma maior velocidade induzida sobre a área menor "trabalhada" pelo lado em recuo e, portanto, um arrasto induzido muito mais alto em altas velocidades do que uma aeronave de asa fixa equivalente.
  Computação do rotor wake do código TsAGI RC-VTOL (Kritsky, BS).
• À medida que o helicóptero vai mais rápido, e à medida que o rotor gira mais devagar, mais da lâmina lateral que se retrai irá parar, o que leva a um aumento dramático no arrasto. Isso começa na seção interna das pás e se move para fora à medida que a relação de avanço (relação entre a velocidade de vôo e a velocidade da ponta) aumenta. Na verdade, as seções mais internas da lâmina estarão em fluxo invertido - e os aerofólios não funcionam muito bem para trás.
• Do lado avançado, as coisas também são ruins, mas por razões diferentes. O arrasto do perfil do rotor aumenta rapidamente com a velocidade. Além disso, à medida que a taxa de avanço aumenta, o número de Mach da ponta em avanço também aumenta - e à medida que as lâminas entram no alto regime transônico, choques locais começam a se formar e levam a aumentos ainda maiores no arrasto. Isso pode ser atrasado diminuindo a velocidade do rotor, mas isso torna os problemas do lado de recuar ainda piores! Em geral, é difícil desenvolver aerofólios que funcionem bem em ambos os regimes.
• Fora do proprio rotor, o cubo do rotor e muito arrastado, entre o eixo do rotor principal, elos de passo, swashplate, dobradiças e pegas, etc. Os helicopteros geralmente tem fuselagens "utilitaras", que nao sao assim bem simplificado. Além disso, você tem o rotor de cauda, que tem a maioria dos problemas do rotor principal.
• Voltando à questão específica do alcance, a equação da escala de Bregruet diz que o alcance de uma aeronave é proporcional à relação entre sustentação e resistência e a velocidade da aeronave. Nós já estabelecemos que o L / D de um helicóptero é muito ruim, especialmente na velocidade. Então, a velocidade de cruzeiro será muito baixa e a L / D será muito baixa, então, para resumir, a faixa vai ser muito baixa.

Porque são menos eficientes que as aeronaves de asa fixa.

1. As pás do rotor precisam mover-se significativamente mais rápido do que a embarcação e, portanto, incorrer em muito mais arrasto do que as asas fixas.
2. Mais arrasto é causado pela distribuição de elevação abaixo do ideal. O centro do rotor cria pouca sustentação porque as pás são lentas e são protegidas pela fuselagem, o que causa vórtices adicionais no meio da enxurrada.
3. O diâmetro do rotor é limitado pela velocidade da ponta da lâmina e resistência do material, o que limita a eficiência, pois só pode afetar uma quantidade limitada de ar e, portanto, deve acelerar para maior velocidade, que precisa de mais energia.
4. Aeronaves atingem eficiência voando alto, onde o ar é mais fino e, portanto, o arrasto é mais baixo, e compensa o levantamento inferior voando mais rápido. Mas, para helicópteros, isso não é possível devido a limites físicos no tamanho e velocidade do rotor, nem realmente funcionaria, porque o seu arrasto induzido não diminui tanto com a velocidade.
5. Devido a todas essas limitações, os helicópteros têm relativamente menos sustentação por seu peso seco e, portanto, não podem consumir tanto combustível.

Basicamente, para a mesma massa bruta, um helicóptero requer consideravelmente mais potência do que uma asa fixa. Isso se deve ao fato de que o sistema de propulsão de aeronaves de asa fixa precisa criar empuxo que é igual ao arrasto da aeronave completa, e o peso da aeronave é levantado pela força de sustentação das asas (que normalmente é 10 ou 20 vezes maior). do que arrastar); enquanto o rotor de um helicóptero precisa criar empuxo que é igual ao peso total do helicóptero.

Mesmo que ambas as aeronaves tenham a mesma eficiência de motor, a taxa de consumo de combustível do helicóptero (litros por hora) seria consideravelmente maior. Portanto, teoricamente os helicópteros não são comparáveis à eficiência da asa fixa.