Uma aeronave com hélices contra-rotativas mais longas que a envergadura do avião poderia voar?

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Eu gosto de ter tempo para tentar visualizar como as aeronaves fictícias podem realmente funcionar na realidade. Infelizmente há alguns que parecem altamente impraticáveis do ponto de vista de um estudante de engenharia.

Uma em particular é a Bella Ciela de " O lugar prometido em nossos primeiros dias " Ele possui um conjunto de asas semelhantes a lâminas que se projetam para frente e se instalam em hélices contra-rotativas, sustentando o vôo após sua decolagem assistida por jatos. As lâminas giram muito mais lentamente que uma hélice convencional.

Eu posso passar pela asa de circuito fechado. O V-Tail não tem problemas, tanto quanto eu posso ver. Minha principal preocupação são as grandes pás rotativas que se estendem muito além da envergadura do avião. Tirando o design da Bella Ciela da equação e focando apenas nos conceitos.

  • Como é possível usar uma hélice maior que a envergadura? Existe alguma lei da física que impeça essa configuração?
  • Quais consequências imediatas seriam vistas no fluxo de ar por trás de uma hélice tão grande? As asas à ré do fluxo ainda seriam capazes de produzir sustentação estável?
  • As lâminas permanecem planas quando guardadas e funcionam como uma superfície de elevação adicional; mas eu suponho que alguém poderia posicioná-los de forma que sua perda de sustentação não afete o equilíbrio do avião? (Como o esboço com eles centrados)
  • Sem torcer, uma hélice ainda pode fornecer empuxo eficiente? Você poderia reproduzir o efeito da torção ao variar o comprimento do acorde da lâmina da raiz à ponta?
  • Existem equações padrão para calcular o empuxo e o arrasto de uma hélice que não possui torção? Ou de uma hélice em geral?

Eu já posso ver como o arraste seria um grande problema ao girar algo tão grande. Existe um limite para quanto tempo as pás da hélice podem chegar?

Minhas desculpas se eu estou fazendo [demasiadas] perguntas que não se encaixam nos critérios deste fórum. Este é apenas um conceito que me fez navegar nas últimas horas. É legal, e eu odeio ignorar as coisas apenas como arte sem pelo menos tentar justificá-las.

    
por Kyle Lowery 16.09.2015 / 07:44

4 respostas

Resposta curta: Este design provavelmente funcionará, mas será não ser muito eficiente . Ele pode ser ajustado para voar, mas quando você começa a fazer ajustes, você continua de tal forma que o resultado seria diferente.

Agora, vamos analisar suas perguntas, uma por uma:

How feasible is it to use a propellor larger than the wingspan? Is there any law of physics that prevent this configuration?

Não há lei que proíba uma hélice tão grande. Para criar impulso, você precisa acelerar uma massa de ar para trás. Quanto maior a hélice, menor a aceleração precisa ser para um determinado impulso, uma vez que um maior fluxo de massa está disponível. Isso faz com que , mas as pás maiores são mais pesadas e também produzem mais arraste por fricção, então o ponto ideal é em hélices que são um pouco menores que as asas da aeronave a que estão ligados.

What immediate consequences would be seen in the airflow behind such a large propellor? Would the wings aft of the flow still be able to produce stable lift?

Como a aceleração fornecida pela hélice à massa de ar é pequena, as asas por trás delas voam em ar quase intacto . O elevador irá balançar um pouco ao longo do tempo, porque a camada limite que flui das pás da hélice produzirá uma variação cíclica na pressão dinâmica nas asas traseiras. Isso, no entanto, não impedirá sua capacidade geral de criar sustentação.

The blades remain flat when stowed and act as an additional lifting surface; but I assume one could position them so that their loss of lift doesn't affect the balance of the plane? (Like the sketch with them centered)

Em velocidade lenta, ajuda a ter mais área de asa para a criação de sustentação. Observe o quanto as flapes de aves de caça de um avião de passageiros se movem para trás para aumentar não só a curvatura das asas, mas também sua área. Usar duas asas em formação permitiria dar à asa traseira um ângulo de ataque muito mais alto e usar a distância entre elas para refrescar a camada limite da asa traseira como se faz em abas com fenda , portanto, em combinação, seu levantamento seria mais alto do que o de uma asa da mesma área. As pás de hélice longas e estreitas desta aeronave fictícia parecem muito frágeis, no entanto, para serem úteis na adição de sustentação: elas se quebrariam em uma fração do seu potencial de sustentação se fossem construídas com materiais existentes.

Without twist, can a propellor still provide efficient thrust? Could you reproduce the twist's effect by instead varying the length of the blade's chord from root to tip?

Bom que você adicionou "eficiente"; isso muda a resposta de um "sim" para um "não". Somente com torção o ângulo de ataque local estará próximo do ótimo, mas mesmo sem torção, o empuxo será possível. Então o objetivo deve ser lançar toda a pá da hélice otimizada para os 30% externos de sua extensão. O impulso disto criará um strong momento de flexão da raiz, no entanto, e eu duvido que a lâmina de suporte fina não se rompa. Se você tentar criar um empuxo mais próximo do centro, a parte externa, que está voando na pressão dinâmica mais alta, criará um arrasto substancial, exigindo muito torque, e novamente a hélice se quebrará, mas em uma direção diferente. p>

Are there standard equations for calculating thrust and drag of a propellor that does not have twist? Or of a propellor in general?

Sim. Os primeiros bons foram publicados por A. Betz e L. Prandtl em 1919 , e as últimas melhorias substanciais foram adicionadas por Larabee . A incidência pode ser prescrita e, portanto, pode ser definida constante durante todo o período. Se você puder executar uma cópia de Mark Drela's XROTOR , você pode tentar por si mesmo.

    
16.09.2015 / 08:54

Vamos falar sobre o tamanho da hélice por um minuto e ignorar a aerodinâmica do resto do veículo, já que eles foram abordados em outra resposta.

Lembre-se de que as pontas de uma hélice giram mais rápido que as raízes. Embora toda a hélice gire no RPM, as pontas devem cobrir mais as raízes e, portanto, estão se movendo mais rápido. Isso pode criar uma situação de ponta supersônica que pode ser um problema por si só. Você pode encontrar alguma cobertura sobre isso em esta questão . Para manter as pontas subsônicas nesta embarcação, você precisaria girar a hélice lentamente, o que pode não criar força suficiente para pilotar o avião.

    
16.09.2015 / 16:17

Tudo se resume a física. O que estamos vendo aqui deveria ser um helicóptero. Sim, absolutamente, com rotores contra-rotativos ele voaria.

Mas agora devemos olhar para as exigências do vôo, quanta força é necessária para superar gravidade e quanto é necessário para superar o arrasto enquanto produz velocidade. Se torna limpar o design é para trás, com pequenas asas e uma hélice de tamanho grande. Se ele voou como um helicóptero, observe que precisaria apenas de uma ligeira inclinação para frente para se mover para frente.

Esta relação foi encontrada enquanto estudava planadores. Há muito pouca área frontal comparada com a área vista de baixo. Isso, junto com a aerodinâmica, permite que o planador se mova para frente através do ar enquanto apenas cai levemente (flugzeug gefallen). Uma vez em movimento, a asa gera o elevador de forma ainda mais eficiente (segelflug).

    
15.01.2019 / 22:12

Tais aeronaves já existem, com hélices contra-rotativas que se estendem além das asas:

V22 Águia-pescadora

V280 Valor

AW609

Um rotor não inclinado que nunca chegou à produção:

Vought XF5U

Ele se mostrou muito promissor, especialmente pelas características do STOL, mas teve a infelicidade de estar no design quando os motores a jato surgiram.

    
14.01.2019 / 18:07