Os helicópteros usam mais combustível ao pairar?

Sim, é correto que os helicópteros usem mais combustível ao pairar: o motor precisa aplicar mais potência para superar o arrasto. Aqui está um gráfico da potência do motor necessária para diferentes velocidades, de J. Gordon Leishman, Princípios da Aerodinâmica de Helicópteros:

A linha de potência total diminui entre 0 - 70 kts com velocidade no ar aumentada, isto é causado pela linha de potência induzida: potência necessária para superar o arrasto induzido pela lâmina do helicóptero. A potência total necessária do motor é a soma de:

• Potência induzida. A potência necessária para superar o atrito induzido pela criação de sustentação, mais detalhada abaixo. O poder de propulsão está relacionado à velocidade de escape do motor, que agora está sendo útil, e ao aumento da potência induzida em velocidades mais altas, devido ao arraste da compressibilidade.
• Potência do perfil, necessária para o arrasto do perfil de lâmina.
• Potência parasita, para o arrasto causado pela estrutura de ar, hub do rotor, etc. Zero no hover, muito dominante na velocidade máxima. Os helicópteros têm formas muito menos aerodinâmicas do que os planos de asa fixa, e essa fonte de arrasto se torna muito significativa em velocidades mais altas.
• Potência do rotor de cauda. Até 20% da potência do rotor principal, tanto no hover quanto na velocidade máxima, muito baixa no meio, devido à útil cauda vertical. Na velocidade máxima, o torque do rotor principal é alto e o rotor de cauda deve fazer mais trabalho, a menos que a cauda vertical possa ser ajustada.

O poder induzido é dominante no hover. O arrasto induzido é causado pela inclinação para trás do vetor de levantamento: quanto maior o ângulo entre a lâmina e a corrente livre, mais o vetor é inclinado para trás, o que causa perda de sustentação e aumento do arrasto. A equação para o elevador L é:

$$ L = C_L \ cdot \ frac {1} {2} \ cdot \ rho \ cdot V ^ 2 \ cdot S $$

e em uma determinada altitude, as duas variáveis aqui são $ C_L $ (coeficiente de sustentação) e $ V $ (velocidade aerodinâmica na lâmina). $ C_L $ é uma função aproximadamente linear do ângulo de ataque na lâmina, portanto, a elevação aumenta linearmente com a inclinação da inclinação da lâmina e quadrática, com o aumento da velocidade relativa sobre a lâmina.

O gráfico acima de Leishman mostra a distribuição de velocidade sobre as lâminas quando pairando, e na velocidade do ar. Uma situação bastante complicada - quando pairando, a velocidade do ar que atinge a lâmina é apenas a velocidade de rotação do rotor, na velocidade de avanço a lâmina avançando tem velocidade de rotação mais velocidade no ar.

O helicóptero não rola e tanto a lâmina dianteira quanto a de recuo oferecem a mesma quantidade de sustentação, com a lâmina virada para trás inclinada mais para trás do que no hover. Mas a lâmina dianteira inclinada para trás é muito menor: a velocidade no ar tem uma influência quadrática.

Observe que o círculo no gráfico na velocidade do vento não é um fluxo parado, mas o fluxo reverso: o ar entra na parte traseira da lâmina. Então arraste agora é negativo, a corrente de ar ajuda a impulsionar a lâmina! No entanto, há perda de sustentação na área de fluxo reverso.

A potência induzida é reduzida inicialmente com a velocidade do ar de acordo com a simples consideração de impulso 1-D (mais massa de ar através do disco) e depois aumenta à medida que o disco é inclinado para a frente e precisa trabalhar para superar as perdas de arrasto do rotor , arrasto parasita de estrutura e arraste de compressibilidade.

Há também um efeito de interferência do downwash sobre a fuselagem: no aerodeslizador, o ar flui diretamente para baixo, enquanto no vôo para frente a lavagem do rotor está mais alinhada com a fuselagem, captando mais de uma forma aerodinâmica. O arrastamento parasitário é naturalmente dominante na velocidade máxima, enquanto descarregar o rotor usando superfícies de asa fixa reduz a potência induzida em altas velocidades - mas de pairar a moderadas velocidades de avanço é puramente a redução na potência induzida pelo elevador que cria elevação translacional. p>

Sim, está correto, se o helicóptero não voar muito rápido. Um helicóptero produzirá o levantamento necessário mais eficientemente a uma velocidade moderada para frente.

Em um foco, todo o fluxo de ar disponível para a criação do elevador deve ser gerado pela rotação do rotor principal. Isso significa que uma pequena quantidade de ar deve ser acelerada em muito. Se o helicóptero acrescentar velocidade à frente, ele pode atingir um fluxo de massa mais alto através do rotor, e agora é necessária uma menor aceleração do ar para obter o mesmo aumento. Isso melhora a eficiência da criação de sustentação. Se o helicóptero for mais rápido que sua velocidade para a taxa máxima de subida, o arrasto aerodinâmico aumenta muito e reduz a eficiência novamente.

Em alta velocidade, as pontas das pás de avanço podem atingir velocidades transônicas, o que produz um notável aumento de arrasto, e a parte interna da lâmina em recuo verá pouca velocidade no ar e, para continuar produzindo, toda a lâmina a um alto ângulo de ataque, fazendo com que a parte interna fique paralisada, o que novamente produz um notável aumento de arrasto. Há um ponto ideal entre o foco e a velocidade rápida, onde a potência necessária atinge um mínimo.

Sim, eu não sou estudante de física, mas eu trabalho em Black Hawks. Se você conceber um helicóptero apenas como um disco de rotor principal produzindo um elevador, então a resposta de Peter Kampf sobre o fluxo de massa através do disco do rotor é o maior fator. (Lembre-se de que o disco está inclinado para a frente quando o helicóptero se move para frente). No entanto, sua pergunta realmente perguntou por que eles queimam menos combustível: bem, milhares de pequenas características de design na estrutura da aeronave ajudam a economizar preciosos quilos de combustível no vôo para frente. (Você pode querer fazer uma pesquisa de imagens do Google para ver enquanto lê isso.)

O Black Hawk tem uma barbatana vertical que desce o rotor de cauda acima de 60kts e este torque é redirecionado para o rotor principal. Possui um estabilizador variável que altera o ângulo com a velocidade do ar (= mudança do ângulo de retrolavagem do rotor principal) para fornecer elevação, descarregando ainda mais o rotor principal. O rotor de cauda é inclinado em um ângulo e gira para trás na lavagem do rotor principal, novamente para descarregar o rotor principal, liberando mais potência para a velocidade de avanço. Ele tem computadores em vôo e uma unidade misturadora que achatam a estrutura da aeronave em vôo, de modo que ela não apresente um teto de cabine plano na corrente de ar em altas velocidades na frente. Quanto mais plana você conseguir manter o disco no fluxo de ar relativo, menores serão os ângulos de inclinação das lâminas e menos arrasto parasitário do disco do rotor.

As pontas das pás do rotor principal são empurradas para trás para atrasar o início do arrasto da ponta transônica conforme a lâmina que avança vê velocidades relativas mais altas no vôo. Outros helicópteros têm carenagens de estrutura que geram a decolagem do corpo da cabine em vôo para a frente. Todas essas economias aerodinâmicas estão presentes no flight forward, mas não no hover. E, por último, as entradas de ar do seu motor de turbina se beneficiarão de algum efeito de ar-ar no vôo para frente, o que significa queimar menos combustível com o mesmo torque. Todos os helicópteros do mundo usam alguns ou todos esses recursos para economizar combustível em vôo e, se você comparar gerações de helicópteros (Bell 47, Bell UH-1, Bell 412, Black Hawk), poderá ver esses recursos se desenvolverem gradualmente. / p>

Há outras considerações quando um helicóptero está pairando perto do solo, mas eu tentei listar apenas algumas das maneiras pelas quais os helicópteros são projetados para economizar combustível em vôo. Espero que isso ajude.

O conceito é conhecido como "translational lift". Ao mover-se em vôo para frente, o disco do rotor de um helicóptero se parece muito com a asa de um avião - ele tem uma relação de sustentação / resistência significativa. O impulso necessário para manter o vôo nivelado é reduzido por essa razão e, portanto, a potência do motor e o fluxo de combustível necessários também são reduzidos. Em pairar, o sistema do motor + rotor tem que fornecer empuxo totalmente igual ao peso do helicóptero.

Quando em uma passagem, o ar tem mais tempo para ser configurado em uma lavagem induzida de mais para cima, o que se traduz em maior velocidade de fluxo descendente no momento em que a lavagem induzida atinge o plano do rotor. Quando em vôo de translação, o rotor está se movendo continuamente para o ar limpo, de modo que a velocidade do fluxo descendente no momento em que o ar atinge o plano do rotor é menor do que a de um aerodeslizador. Potência é igual a força vezes a velocidade, neste caso, considerar a saída de energia para o ar. Em ambos os casos, a força é a mesma (igual ao peso do helicóptero), mas em um hover, a velocidade de lavagem no plano do rotor é maior do que durante o vôo de translação, então a potência necessária em um hover é maior do que no vôo translacional, até que o arrasto de translação se torne um problema.

Outro problema são os vértices de ponta. Em um foco, estes podem ficar bastante grandes, novamente devido a todo o tempo para que os vórtices se instalem e as pontas do rotor se movam para dentro dos vórtices induzidos pela (s) outra (s) ponta (s) do rotor. No vôo translacional, os vórtices são "lavados" pelo vento horizontal relativo, reduzindo o tamanho dos vórtices da ponta.

Outro ponto a considerar é se o helicóptero tem asas suplementares. Um exemplo bastante famoso é a família de helicópteros de ataque Mi-24 , onde os postes de armas funcionam como asas.

"Em alta velocidade, as asas proporcionam uma elevação considerável (até um quarto do levantamento total)."

Em altitudes elevadas com carga total, o procedimento de descolagem recomendado é ganhar velocidade horizontal para que as asas atinjam um pouco de elevação.

Se a gravidade fosse a única força atuando em uma aeronave, então, a cada momento, a aeronave estaria ganhando certa quantidade de impulso para baixo. Assim, para manter a altitude, a aeronave deve transferir esse momento para alguma outra massa (ou seja, ar). Ou seja, haverá um pouco de ar que começa com velocidade zero (no caso mais simples) e acaba com uma velocidade descendente. Como o momento é massa vezes a velocidade, a velocidade que o ar precisa ser acelerado será inversamente proporcional à massa de ar acelerada: velocidade = momento / massa. No entanto, a energia desse ar é mv ² / 2. Quando substituímos velocidade nessa equação, obtemos energia = massa * (momento ² / (2 * massa ² ). Um poder de massa se anula, dando energia = impulso ² / (2 * massa) Assim, dobrando a quantidade de ar acelerado para baixo, a energia requerida é reduzida Quando um avião está viajando em alta velocidade, uma grande quantidade de ar entra em contato com suas asas , o que significa que ele não precisa gastar muita energia para gerar sustentação (é claro, quanto mais rápido ele viaja, mais arraste ele experimenta, dando um ganho de resistência ao arrasto) Um helicóptero experimenta algo semelhante: quando está viajando horizontalmente Ele se move naturalmente para um novo ar, quando paira, há menos ar para acelerar, e o ar que existe deve ser puxado em direção ao rotor pelo esforço do próprio rotor.