É possível projetar um helicóptero com pás de rotor fixas somente (sem ângulo / aba / inclinação)?

Leis escalonadas são seu inimigo aqui.

Helicópteros modelo podem ser controlados com mudanças na velocidade de rotação, mas para helicópteros de tamanho completo a energia necessária para mudar rapidamente a velocidade de seus rotores em relação à energia necessária para a criação de sustentação é muito alta. Em detalhe:

O momento de inércia de um rotor ampliado muda com o quinto poder de duração . A massa do rotor muda com o cubo da escala linear, e o momento de inércia adiciona outro fator proporcional ao quadrado da escala linear.

Um objeto maior também precisa de mudanças mais lentas, mas o tempo escala apenas com a raiz quadrada da escala linear. Em seguida, a potência do motor disponível para mudanças de velocidade será escalonada com o cubo da balança, em paralelo com a massa. Isso deixa um déficit de 1 ½ potência na potência do motor disponível para mudanças de velocidade quando o helicóptero é escalonado.

Levantar as assimetrias no vôo para frente pode ser resolvido adicionando um segundo rotor contra-rotativo, mas as leis de escala não podem ser projetadas. Como Jan Hudec aponta, você precisa repetir o mesmo truque para a mudança de marcha para frente e para trás, então quatro rotores seriam o mínimo para controlar esse tipo de helicóptero em todas as direções.

that can not flap or pitch or adjust otherwise?

Sim, você pode criar um assim, mas não conseguirá muitas pessoas para pilotá-lo.

Sem alteração de afinação (chamada de difusão), você terá valores de elevação continuamente variáveis, em vez de um "disco" estável que torna o helicóptero controlável. Na foto acima, as lâminas no lado "vermelho" teriam mais sustentação do que no lado "azul", de modo que o helicóptero rolaria ou arremessaria naturalmente, com um movimento de rolamento mais strong quanto mais rápido você estivesse. Flapping é uma reação ao aumento da sustentação à medida que a lâmina avança, e é necessária para evitar o mesmo tipo de desequilíbrio entre o avanço e o recuo das pás. (Acertar isso é um trabalho sério de engenharia, teste e desenvolvimento). Ele também aborda o fato de que você não tem um rastro de lâmina perfeito, e assim você estará "voando" cada lâmina nos vórtices do que o precede.

Sim, a capacidade de controle pode ser conseguida com apenas um rotor (rígido).

Graus de liberdade

Em um espaço tridimensional, geralmente há seis graus de liberdade (DoF):

1. para frente / para trás
2. esquerda / direita
3. para cima / para baixo
4. rolo
5. pitch
6. guinada

A maioria das aeronaves permite que as rpm e a velocidade do motor sejam controladas separadamente (hélice / rotor de passo variável) como um sétimo DoF.

7. rpm

Aeronaves com vários motores podem ter ainda mais graus de liberdade. Em seu projeto de helicóptero proposto, o piloto só pode usar rpm do rotor principal e de cauda para controlar sete DoF.

Como controlar sete DoF com apenas duas alavancas?

Acontece que você não pode. Pelo menos não de forma independente. Teremos que sacrificar a independência de alguns deles.

5 DoF

A coisa mais óbvia a cair é a independência do movimento horizontal e da atitude. Para mover-se horizontalmente, podemos apenas rolar / inclinar o helicóptero inteiro na direção desejada e aplicar força ascendente. A maioria dos helicópteros do mundo real usa essa configuração.

4 DoF

Quando não estamos limitados pela velocidade da ponta do rotor, seu momento de inércia ou a faixa útil de rpm do motor, podemos abandonar sua independência. Este é o caso da maioria dos helicópteros elétricos RC. Os Quadcopters, por exemplo, possuem quatro entradas de controle (as configurações de potência dos quatro motores) e, assim, permitem o controle independente dos quatro DoF restantes:

3. para cima / para baixo
4. rolo
5. pitch
6. guinada

Outras 4 configurações de DoF, como dois rotores coaxiais e passo e rotação cíclicos, atingem o mesmo nível de controlabilidade.

3 DoF

A próxima coisa geralmente sacrificada é a capacidade de realizar turnos coordenados. Muitas aeronaves RC de asas fixas não têm ailerons e, portanto, permitem apenas giros, mas são muito bem comportadas e ainda assim fáceis de pilotar. O mesmo se aplica aos helicópteros, então descartamos o controle de rolagem cíclico.

2 DoF

As coisas ficam um pouco mais difíceis agora. Nós reduzimos nosso helicóptero a três entradas de controle (rotação do rotor principal, rotação do rotor de cauda, passo cíclico) e ele ainda era bastante capaz e útil. Agora perdemos algo valioso: a capacidade de controlar a velocidade de avanço. Nós fixamos o rotor principal em uma posição levemente para frente, para que o nosso helicóptero se mova lentamente para a frente o tempo todo, assim como um girocóptero. Não podemos mais pairar no lugar nem voar rápido, e precisamos de uma pista para decolar e aterrissar. Ainda chegamos ao nosso destino.

1 DoF

Coisas. Tornar-se. Desagradável.

Quando abandonamos nosso rotor de cauda, o helicóptero começa a se virar em alta velocidade. Um piloto humano não conseguirá mantê-lo sob controle, e os passageiros também não irão gostar dele. No entanto, ainda é possível movê-lo de forma coordenada: cada vez que o helicóptero aponta na direção desejada, aumentamos momentaneamente a potência, fazendo com que ela avance um pouco mais rápido e vice-versa. Poder de modulação significa que o helicóptero vai subir e descer violentamente, mas a potência média ao longo de uma volta completa ainda nos permite controlar sua altitude média. Como já foi dito, o tempo e a magnitude das variações de potência permitem correções de posição.

Tal helicóptero tem, na verdade, foi construído pela ETH Zürich. Aproveite.

Sim e não.

Eu nunca vi um projeto como esse para um helicóptero grande, mas há muitos helicópteros RC de tamanho micro que utilizam esse esquema usando um par de rotores principais rotativos e um pequeno rotor de cauda para controlar o passo.

Esse tipo de design funciona bem, embora seja difícil de controlar para brinquedos do tamanho da palma da mão, mas não se adapta bem a veículos maiores.

Há também os problemas no cruzeiro com a assimetria de sustentação sobre o disco do rotor, o que criaria momentos de laminação indesejados que o projeto não poderia suportar, como mencionado acima.

É realmente possível. Um dos primeiros helicópteros foi o helicóptero Petroczy-Kármán-Žurovec PKZ 2, equipado com dois rotores coaxiais contrarotadores que tinham pás fixas, sem provisões para flapping ou mudança de inclinação:

link

Por favor, veja o produto japonês Gen H-4, que não tem controle de inclinação, mas apenas controle de velocidade - também velocidades diferenciais para controlar a guinada. Este sistema único não tem apenas o rotor de cauda, mas o boom da cauda também está ausente.

Pensando fora da caixa:

Se você não conseguir frear os rotores com eficiência, você poderia quebrar o fluxo de ar que aplica o elevador?

Dado que a quantidade de sustentação é controlada pelo fluxo de ar, não vejo razão para que não seja possível interferir com isso usando estruturas separadas acima e / ou abaixo das lâminas. Aumentando ou diminuindo essa interferência, você pode ajustar a quantidade de sustentação aumentando / reduzindo a distância entre a estrutura interferente e as próprias lâminas. Você não precisaria mais inclinar as pás, o que poderia melhorar a integridade estrutural. A distância das estruturas interferentes à direita e à esquerda pode ser diferenciada para compensar o movimento para frente (ou reverso).