Por que a decolagem vertical é restrita a aeronaves de menor peso?

Essencialmente, trata-se de pontas de rotor supersônico

Com um avião, em teoria você pode torná-lo praticamente tão grande quanto você quiser - contanto que você tenha materiais strongs / leves o suficiente, e possa continuar adicionando energia, um design de avião escala muito bem. Maior asa = mais sustentação Contanto que você possa aumentar a asa sem que ela quebre, e contanto que você possa adicionar potência suficiente para superar o arrasto extra, não há muitos limites fixos

Com um helicóptero, estamos limitados pelas pontas do rotor: uma vez que eles se tornam supersônicos, eles causam muitos problemas.

Então, como um helicóptero produz elevador? Usando rotores para empurrar o ar para baixo dentro de um tipo de círculo. Para adicionar mais sustentação, podemos fazer (essencialmente) três coisas.

1. Faça o rotor girar mais rápido, para empurrar mais ar para baixo no círculo que ele já usa. Obviamente, isso faz com que as pontas girem mais rápido, então só podemos fazê-lo até certo ponto. Já atingimos esse limite.

2. Deixe as pás do rotor mais compridas, para que elas empurrem um círculo maior de ar. Novamente, porém, devido à natureza de uma lâmina circular, o lado externo de uma lâmina está se movendo mais rápido do que o interior. Para uma certa velocidade do rotor, há um limite fixo para o tamanho das lâminas. Novamente, já atingimos esse limite

3. Adicione mais lâminas, para que haja mais lâminas produzindo sustentação. Isso funciona até certo ponto (daí porque helicópteros menores podem ter duas pás de rotor, mas as maiores têm 4, 5 ou mais. Novamente, porém, isso não escala indefinidamente - cada rotor interfere com o próximo, você não pode simplesmente manter adicionando mais

Existem outras pequenas modificações que podemos fazer, como o aerofólio do rotor, mas elas não adicionam ganhos significativos

O que me leva ao ponto final - os helicópteros são muito ineficientes e muito lentos ... Simplesmente não precisamos, exceto em algumas circunstâncias específicas, carregar mais peso com eles.

A resposta de Jon está correta: "helicópteros são muito ineficientes e muito lentos ..."

mas ele sente falta de um ponto importante: os helicópteros também são incrivelmente frágeis e delicados. Mesmo um helicóptero de rotor único com um rotor normal é um milagre. Tem sido chamado: "10.000 peças de reposição voando em formação próxima."

Você poderia adicionar mais rotores para ganhar mais sustentação, o Chinook tem dois rotores, o que faz parte do motivo pelo qual ele pode carregar tanto. O rotor traseiro aumenta a complexidade, mas também elimina a necessidade de um rotor de cauda, e é por isso que 20.000 peças sobressalentes não voam em formação. Mas até os Chinooks são frágeis em comparação com os C-130.

A adição de mecanismos adiciona redundância em um plano. E lembre-se que se você está em um avião e perde um motor (ou todos os motores), você ainda pode voar ou planar para um pouso seguro.

Se você estiver em um helicóptero e perder seu motor (rotor principal ou cauda) ou realmente qualquer parte dessas 10.000 peças, tudo o que você pode fazer é rezar e tentar uma aterrissagem com auto-rotação. Fica pior quanto mais rotores você adicionar, não melhor. Essa é uma das limitações do rotorcraft e por que você, na maior parte, só vê vários rotores (4-, 6-, 8-) usados em drones não tripulados, exceto em alguns veículos muito experimentais.

Para um helicóptero decolar verticalmente: $$ Lift \ gt Weight. $$

O peso cresce com o comprimento até a terceira potência ($ l ^ 3 $, o peso é proporcional ao volume) enquanto o elevador só cresce com $ l ^ 2 $, porque é proporcional à área da planta do rotor.

Mais sustentação significa maior coeficiente de sustentação e mais área de plano de rotorblade. A velocidade circunferencial máxima nas pontas da lâmina é limitada (há a restrição de que as pontas não podem se mover em velocidades supersônicas). Um precisaria de lâminas mais duras e trapezoidais e há um limite estrutural para o possível torque na raiz da lâmina.

A potência necessária para manter a altitude no vôo para frente é menor que a potência necessária para pairar. À medida que a velocidade horizontal ($ V_x $) aumenta, a velocidade induzida ($ V_i $) no disco diminui e a potência induzida ($ P_i $) diminui aproximadamente igual a $ \ frac {1} {V_i} $. No entanto, à medida que $ V_x $ aumenta, o poder parasitário ($ P_p $) aumenta proporcionalmente a $ V ^ 3 $. A potência do perfil ($ P_0 $ - a potência necessária para manter a velocidade do rotor) permanece praticamente constante. Se você mapear todos esses itens junto com a energia necessária no eixo y e a velocidade de avanço no eixo x, você terá algo parecido com isto:

O que isto significa é que existe uma ótima velocidade de avanço na qual seu poder é minimizado. Isso é importante, porque a taxa máxima de subida (e potência de levantamento) é determinada pelo seu poder disponível $$ P_ {av} = P_ {tot} - P_i - P_p - P_0 $$. Se você minimizar a potência necessária para manter a aeronave voando, você tem mais poder líquido para levantar outras coisas (e para helicópteros pesados, eles podem não ser capazes de decolar verticalmente). Por esta razão, a taxa máxima de subida será sempre em alguma velocidade para frente e, por definição, a capacidade máxima de elevação também será em alguma velocidade para a frente. Uma demonstração prática desse princípio é que grandes carregadores de cargas, como o guindaste do céu e o chinook, sempre decolam com algum componente de velocidade para a frente. É por isso.