Digamos que você tenha duas hélices idênticas e cada uma seja alimentada por seu próprio motor e, juntas, produzem um impulso de 1 kN. Como o impulso muda se, em vez de operá-los de um lado para o outro, empilho um sobre o outro? Tenho certeza de que eles ainda não produziriam o 1 kN, mas quanto seria aproximadamente?
Além disso, e se eu adicionasse outra hélice desse tipo e assim por diante?
Há um artigo realmente interessante de Manikandan Ramasamy (Medições de desempenho em foco para entender a interferência aerodinâmica em rotores coaxiais, em tandem e de inclinação, Jornal da Sociedade Americana de Helicóptero, vol. 60, 2015) que fala sobre essa questão, que é de grande interesse para o UAS multirotor (que, para aeronaves de rotor, é um número substancial de aeronaves): como o empilhamento de dois rotores altera sua eficiência e a produção de empuxo?
Seu aparato de teste era assim: dois rotores localizados exatamente um em cima do outro, e seu aparato lhe permitia medir o torque e o impulso produzidos por cada um independentemente. Ele também pode variar a distância entre os dois rotores. Para referência, os rotores têm ~ 4.3 pés de diâmetro. Além disso, apenas para explicar os gráficos que vomitarei de seu artigo, ele usou lâminas com e sem torção.
A razão pela qual ele tem sensores de torque vai entrar em jogo com os resultados. Para um helicóptero de rotor coaxial (não necessariamente para um avião de hélice coaxial - não sei com o que você se importa), é desejável ter uma configuração de rotor coaxial em que cada rotor produz a mesma quantidade de torque. O UAS multicopter altera o equilíbrio de torque para se controlar em guinada. Para os testes realizados pela Ramasamy, todos foram feitos quando os rotores estavam com equilíbrio de torque; portanto, cada rotor produzia um torque igual e oposto ao outro rotor.
Seus resultados são bastante impressionantes, como mostrado abaixo. Este é um gráfico de como o "fator de interferência" de cada rotor mudou com relação à proximidade dos rotores entre si. "z / D" refere-se à separação vertical dos rotores, z, como uma fração do diâmetro do rotor. O fator de interferência é uma medida da potência extra necessária para girar os rotores superior e inferior ($ \ kappa_u $ e $ \ kappa_l $, respectivamente) em comparação com um rotor isolado. Um fator de interferência do 1 significa que o rotor é equivalente a um rotor isolado. Maior que 1 significa que é menos eficiente que um rotor isolado e vice-versa.
Como você vê, à medida que os rotores se afastam, o rotor superior age como se estivesse sozinho ($ \ kappa_u = 1 $). No entanto, o rotor inferior é sempre mais ineficiente do que um rotor isolado devido à lavagem do rotor superior. Dito isto, à medida que os dois rotores se aproximam, os efeitos ficam um pouco mais selvagens.
À medida que o rotor inferior se aproxima do rotor superior, ele ajuda a puxar o ar pelo rotor superior; portanto, você pode pensar que o ângulo do ar que atinge as pás está ficando mais acentuado (também chamado de ângulo de entrada maior). Isso também leva a um ângulo de ataque mais baixo nas pás, levando aos seguintes efeitos para o rotor superior: diminuição da produção de empuxo (dependente do alto ângulo de ataque para produzir mais sustentação) e aumenta a entrada de torque (dependente do ângulo de entrada). Conseqüentemente, $ \ kappa_u $ aumenta.
No entanto, como o rotor superior está produzindo menos empuxo, a lavagem descendente no rotor inferior diminui ... e, como você pode imaginar, ele vê o efeito oposto que o rotor superior vê: maior produção de empuxo, menor torque de entrada e $ \ kappa_l $ na verdade diminui. Devido a isso, agora você precisa diminuir a velocidade do rotor superior ou acelerar o rotor inferior para obter um equilíbrio de torque.
Portanto, a primeira resposta para sua pergunta é ... depende, mas parece que você pode obter mais impulso da configuração coaxial (em oposição a dois rotores isolados) se conseguir espaçar bem os rotores. Isso se deve, pelo menos em parte, a alguma "recuperação de turbilhão" realizada pelo rotor inferior e contra-rotação. Em outras palavras, como um rotor não apenas empurra o ar para baixo, mas também o obriga a girar (como um tornado), o rotor inferior e contra-rotativo vê o ar em movimento mais rápido e pode tirar vantagem disso para operar em um ângulo de ataque mais baixo: produzindo a mesma quantidade de empuxo com menores penalidades de arrasto. No entanto, a eficácia disso, como dito, varia com a separação dos dois rotores.
E, novamente, a questão maior, acho (do ponto de vista do desempenho) nas configurações coaxiais, não é a produção de impulso, mas os requisitos de energia. Um dos dois rotores (se não os dois) sempre será menos eficiente do que um rotor isolado que produz o mesmo impulso. Isso é mostrado mais claramente abaixo em uma comparação da Figura de mérito (Fig. De mérito = (Requisito de potência idealizado) / (Requisito de potência real), portanto, uma medida da eficiência do rotor) versus o coeficiente de empuxo (análogo à quantidade de empuxo produzido) pelo rotor) para os rotores com pás destorcidas.
Em suma, enquanto você pode Para obter mais impulso de um par de rotores coaxiais e contra-rotativos, não há almoço grátis. E o almoço pode ficar bem caro, pelo menos do ponto de vista do desempenho (sem mencionar a estrutura extra, etc. necessária para distâncias de separação axial maiores).