Uma hélice de moinho de vento cria mais resistência do que uma hélice parada em um cenário de motor desligado?

Eu não seguiria o conselho no fórum. Embora o raciocínio de que um suporte de moinho de vento cria mais resistência seja sólido, não vi nenhuma evidência empírica que diga quanto ele realmente se traduz em Pés por minuto. Os únicos estudos que vi foram inconclusivos sobre o assunto e dizem que há vários fatores que você realmente não pode controlar nessa situação. O suporte não é tão grande em comparação com o próprio avião, por isso, se um deles girar tiver um% de arraste% a mais (apenas um palpite, como eu disse que não vi números reais), isso não fará com que você desapareça o céu.

O que eu recomendaria é seguir o procedimento de falha do motor no POH de sua aeronave em particular. O conselho para desacelerar o avião e tentar fazer com que o suporte pare tem várias falhas:

• Distração de tarefas críticas: desacelerar o avião até que o hélice pare está desviando o foco de encontrar um campo para aterrissar, garantindo que seus passageiros sejam informados e amarrados, fazendo uma ligação importante e tentando reiniciar o motor. Você estará ocupado o suficiente!
• Perigo de velocidade baixa: desacelerar o suficiente para parar o suporte pode exigir uma velocidade muito baixa, e você pode fazer uma excursão de estol / rotação, que é muito mais perigosa do que uma aterrissagem planada
• Curva de arrasto: voar muito devagar para parar o suporte colocará você abaixo da melhor velocidade de planeio, que é onde você obtém sua melhor taxa de planeio. Abaixo da melhor velocidade de planeio, você começa a desenvolver uma alta taxa de descida; assim, quando você interrompe o suporte, perde centenas de metros extras. Você pode perder mais altitude do que potencialmente economizaria e perder um tempo valioso fazendo isso
• As chances são boas de que você não possa mudar o comportamento do suporte de qualquer maneira: se seu eixo de manivela quebrar, o suporte girará, não importa o que você faça, se você jogou uma haste, ele irá parar e você não conseguirá moinho de vento se você voou em mach 1

Fazer algumas contas coloca isso em perspectiva. Digamos que a taxa de descida do motor de um avião com um suporte giratório seja 1000, e com um suporte imóvel seja 900 fpm. Em um deslize do 3000ft, você compra mais um segundo de 20, mas provavelmente leva mais de 10 segundos para abrandar o suficiente para parar o suporte e recuperar uma velocidade estável.

Voar muito devagar para parar o suporte é uma distração potencialmente perigosa, basta definir a melhor velocidade de deslizamento e, se o suporte parar, é um bônus.

A resposta: depende. Geralmente, uma hélice parada fica paralisada, criando assim um pequeno atrito. Uma hélice de moinho de vento, por outro lado, geralmente não fica parada, extrai energia da corrente de ar e a usa para ligar o motor (que normalmente requer uma quantidade moderada de energia), o que aumenta a taxa de afundamento.

No entanto, você deve parar a hélice? Essa é uma pergunta muito mais difícil. As perguntas relevantes são: quão lento você deve ir para parar a hélice? Você pode parar a hélice? Se for necessário cair abaixo da velocidade mínima do coletor por um período prolongado, é provavelmente uma má ideia, pois o coletor aumenta rapidamente com a diminuição da velocidade (você está na "parte traseira da curva de potência" sempre que estiver voando abaixo da velocidade mínima do coletor )

Em algumas aeronaves antigas, em alguns clubes, é ou tem a reputação de ser um requisito que os pilotos possam parar o motor, dar suporte e dar partida no motor antes de receberem privilégios de piloto para, por exemplo, o clube Tiger Moth (geralmente são iniciado manualmente). Afirma-se amplamente que a interrupção do suporte aumenta consideravelmente o deslize. O Tiger Moth também possui um suporte de madeira grande e de rotação lenta e uma velocidade de estol relativamente baixa.

Quanto a saber se eu tentaria isso em uma emergência? Quase certamente não; se é o POH, então com certeza ... mas nunca o vi no POH de nenhuma aeronave de motor único que já voei. E se estou voando com o motor desligado, provavelmente tenho coisas piores para me preocupar (a menos que esteja pilotando meus planadores mais comuns).

Uma hélice de moinho de vento cria muito mais resistência, pelo menos em uma ordem de magnitude. O exemplo óbvio é um autogiro ou helicóptero em auto-rotação, que cai como uma pedra se o rotor parar.

O arrasto é uma função da área da lâmina para um rotor parado e uma função da área do disco para um moinho de vento. A diferença é mais pronunciada para rotores grandes com poucas pás e quase inexistente para turbofans. este responder dá alguns números:

If we compute the lift component per area of a vertically autorotating rotor, it is comparable to a coefficient of 1.1 to 1.2 referenced to the rotor area. According to this source, a flat plate has a drag coefficient of 1.28 and a parachute has one of 1.4. So in vertical descent, the auto-rotating rotor is almost as good as a parachute of the same area.

Se você estiver alto o suficiente quando o motor parar, é uma boa idéia desacelerar um pouco para que a hélice pare o moinho de vento. Depois de parado, você pode voltar ao normal. Normalmente, a hélice não inicia novamente o moinho de vento, pois sua resistência e a potência disponível são agora muito menores.

O arrasto é significativamente mais para uma hélice de moinho de vento.

O arrasto aerodinâmico e a energia perdida no motor contribuem. Estimo que você afundará pelo menos o 200 FPM mais rápido se deixar o moinho de vento do suporte.

Para o arrasto aerodinâmico, é impossível convertê-lo em uma estimativa de pés por minuto, porque varia muito com o design da hélice e o arraste geral do avião. Mas você pode ver aqui: Aerodinâmica para aviadores navais, 1965 (página 149 nos números de página ou 167 no PDF) que o arrasto pode aumentar significativamente.

Um suporte de passo fixo típico tem um passo de cerca de graus 15 (mais detalhes na parte inferior). Uma hélice de velocidade constante que perdeu a pressão do óleo e não é deformada automaticamente é provavelmente mais parecida com os graus 5. (Os suportes de embandeiramento são usados ​​em aviões multimotor para reduzir o arrasto se um motor falhar. Os adereços que não embandeiram são usados ​​em aviões monomotores; portanto, se o controle de inclinação falhar, mas o motor ainda funcionar, você não perderá toda a sua potência) . No geral, o o arrasto parasitário (aerodinâmico simples) da hélice real aumenta em até um fator de 3. Não ordens de magnitude, mas é significativo. Como não há como estimar quanto do arrasto total é devido à hélice, tudo o que posso dizer é que isso provavelmente é perceptível. No entanto, se você tiver um suporte de cruzeiro ou um suporte ajustável definido para alta frequência, é possível que funcione quase como, acima dos graus 22, o suporte do moinho de vento na verdade tem menos resistência.

Mas há o fator extra do arrasto criado pelo mecanismo, que provavelmente é muito mais significativo. É possível chegar a uma estimativa razoável. Estimativa e física do ensino médio são necessárias.

Um avião sem energia perde energia potencial, na forma de altitude, para se arrastar. Como a velocidade do avião não muda, sua energia cinética também não e apenas a energia potencial precisa ser considerada. Calculamos a rapidez com que a energia é drenada do avião pelo motor giratório.

Trabalho é a quantidade de energia que é transferida de um lugar para outro, e energia é a quantidade de trabalho ao longo do tempo. A fórmula para o trabalho (em um sistema rotacional, como um motor) é torque * theta, em que theta é a distância angular total girada. A potência (watts) é expressa em joules por segundo, embora aqui eu consiga calcular a potência em joules / minuto porque nossas outras unidades de tempo também estão em minutos. O joule, é claro, é a unidade de trabalho e energia.

Suponha que um avião pesando o 1000kg voando no 1500 metros AGL. Sua energia potencial é:

1000 kg * Medidores 1500 * 9.8 (gravidade) = 14,700,000 J (14.7 mJ)

Assumindo um moinho de vento de hélice a 200 RPM, a velocidade angular é:

2pi radianos / revolução * 200 rotações / minuto = ~ 1260 radianos / minuto

Estimo que o torque, dado em newton-metros, esteja em algum lugar entre o 50 e o 500 Nm, tendendo para o lado mais alto. A partir da minha experiência pessoal, o 50 gira manualmente uma hélice em baixa velocidade; trata-se de tanta força; mas no ar acho isso extremamente otimista. 500 é uma estimativa mais alta, justificada da seguinte forma.

Os aviões monomotores, como o Cessna 172, freqüentemente possuem um mecanismo 180HP. A hélice normalmente tem capacidade de pegar ar suficiente para transferir esse 180HP para o ar na linha vermelha do motor de ~ 2700 RPM.

Convertendo HP em joules / minuto (1 watt = 1 joule / segundo):

180 HP * (746 watts / HP) * (60 segundos / minuto) = 8057 kJ / minuto

Supondo que a eficiência da hélice seja relativamente constante com o RPM, você pode converter a capacidade de fornecimento de energia da hélice linearmente com o RPM:

8057 kJ / minuto * (200 RPM / 2700 RPM) = 596 kJ / minuto

Portanto, a hélice deve poder transferir cerca de 600 kJ / minuto de volta para o motor. Isso está no campo da minha estimativa de 500. No entanto, como nem toda a potência normal do motor entra na hélice (devido a perdas mecânicas e acessórios acionados por motor), a estimativa do 500 parece bem próxima, e eu estou mantendo isso por uma questão de matemática mais simples. Essa estimativa é bastante favorável - muitas fontes de erro, como variações na eficiência da hélice com o RPM e sendo acionadas ao contrário - são ignoradas. Mas se a hélice for menos eficiente, ela se dissipa amoras poder - assim, mesmo minha estimativa alta pode ser muito baixa.

De volta à falha do motor. A potência dissipada pelo motor é, portanto:

1260 * (de 50 a 500 ou você escolhe) = 63 kJ a 630 kJ por minuto

Um Cessna 152 tem uma taxa de dissipação de 725 fpm ao voar na melhor planagem com hélice parada (as melhores velocidades de planagem são normalmente especificadas com hélice parada); O Cessna 172 está mais próximo da massa que estou usando e tem desempenho de deslizamento semelhante, portanto, usarei o mesmo número. Este é um cálculo estimado, pelo menos. Na taxa de descida do 725 fpm (221 metros por minuto), normalmente leva 6.78 minutos para sangrar os medidores de altitude 1500 com os quais você começou. Dividindo a energia potencial pelo tempo:

14,700,000 / 6.78 = perda de energia 2.168 MJ / min

Na estimativa baixa (provavelmente razoável apenas para um mecanismo que sofreu perda total de compressão, mas nenhum outro dano), a perda de um 63 kJ / min adicional apenas aumenta sua taxa de dissipação em

(2.168 + .063) / 2.168 = 1.029

cerca de 3% ou de 725 fpm a 746 fpm. Você pode nem perceber isso nos instrumentos, embora, se você se prender a uma linha de energia no último segundo, certamente perceberá isso. No entanto, com uma estimativa alta, a perda de um 630 kJ / min adicional aumentaria sua taxa de colisão:

(2.168 + .630) / 2.168 = 1.29

29% ou de 725 fpm a 935 fpm. Isso é muito significativo. E isso nem inclui o arrasto aerodinâmico extra do suporte giratório. É apenas devido à energia perdida no motor.

Então, em conclusão: Se a energia falhar, pare o suporte.

Há, no entanto, um ponto final. Se você perdeu energia devido a uma falha mecânica, é muito possível que a hélice pare por conta própria devido a qualquer dano causado à perda de energia. No entanto, ficar sem combustível é a causa mais comum de perda de energia em voo. Se você ficar sem combustível, o suporte provavelmente continuará girando, a menos que você o pare.

• Passo ângulo em graus é diferente da maneira como o tom é normalmente descrito, medido em polegadas, onde algo como 76 "x60" seria típico. Você pode calcular o ângulo de inclinação com base nas medidas da hélice em polegadas usando a fórmula para ângulo de hélice. Se o fizer, lembre-se de que o passo da hélice está especificado em 75% do diâmetro da lâmina, em vez de 100%, como nos manuais de matemática).

Essa papel fornecido por Erbureth fornece evidências empíricas para responder à pergunta. A resposta curta é que, às vezes, uma hélice parada fornecia menos arrasto e, às vezes, uma moinho de vento fornecia menos arrasto. Isso realmente faz muito sentido para mim, pois o arrasto deve estar relacionado à localização da linha de pressão de estagnação no suporte.

Algumas observações de outras respostas:

• Uma das coisas que sempre ouço quando essa pergunta é feita: uma hélice rotativa se transforma em disco e tem mais área. Isso está claramente errado, pois a área de uma pá da hélice é sempre a mesma, esteja ela girando ou não.
• Quando um suporte é emplumado, ele pára o moinho de vento e o arrasto é consideravelmente menor. Isso cria a percepção de que a hélice parada tem muito menos arrasto, mas, na realidade, é devido ao fato de que o hélice emplumado tem muito menos arrasto de forma. O fato de o suporte estar parado não é o principal motivo.

O argumento de que o suporte do moinho de vento está desacelerando o avião extraindo energia para ligar um motor morto ignora o fato de que um suporte congelado tenta girar o avião inteiro. As entradas de controle para manter o nível do avião provavelmente estão muito próximas e o aerofólio de viragem pode ser um pouco menos arrastado, então o que está acontecendo aqui?

É sabido que os adereços são aerofólios e a turbulência criada por uma lâmina afeta a outra. No caso do moinho de vento, a turbulência criada pelo propulsor afeta mais o outro aerofólio, a asa.

Este é provavelmente o principal fator na perda da distância de deslizamento. É importante perceber que o ar pelo qual o avião está deslizando não tem energia cinética para extrair, está tudo na energia cinética e potencial do avião. Mas o suporte do moinho de vento reduz a eficiência da asa no uso da energia dos aviões, criando mais turbulência.

Um suporte de moinho de vento está permitindo que o slipstream o empurre. Uma parada está lutando contra a corrente de fuga - empurrando / desviando-a em espiral. A reação disso é o que tenta transformar o avião, como diz Robert DiGiovanni. E está funcionando, porque aplica uma força no ar, que se move como resultado disso.

Então, eu esperaria menos resistência do moinho de vento. É como rodar livremente em uma bicicleta versus ter uma roda travada.

Estou assumindo a mesma AoA nos dois casos, ou seja, que parar não implica emplumação. Algumas pessoas parecem ter assumido o oposto, do que estou curioso: como você aplicaria um suporte de arremesso fixo, que é o que é declarado no OP.

Eu testei isso várias vezes em um C152. Começando com os pés 10,000 e cortando o combustível no nariz do motor - para manter a altitude o maior tempo possível (diminuindo assim minha velocidade de avanço) até parar a hélice. Em seguida, planar com a hélice parou por uma certa distância, passando por vários aeroportos no processo. Uma hélice de moinho de vento me deixou curta por uma distância significativa.

Eu sei que eu era esquisita na minha juventude, mas eu estava voando!

Uma hélice parada está parada e, portanto, cria uma pequena quantidade de torque para "girar" a aeronave. Seu arrasto é pequeno, pois a área da lâmina de superfície é pequena. Uma hélice de moinho de vento não para, então a energia extraída pode ser muito maior. Depende se o suporte estiver girando livremente ou realmente girando o motor.