Pytanie:
Czy skrzydła są bardziej wydajne w tworzeniu siły nośnej w porównaniu z ustawieniem ciągu silnika w dół?
user9037
2017-04-18 14:15:29 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jak zrozumiałem z tego artykułu, skrzydła samolotu zasadniczo wytwarzają siłę nośną, spychając powietrze w dół.

Utrzymanie siły nośnej powoduje zużycie energii, ponieważ powietrze musi być stale przyspieszane w dół. . W „budżecie energetycznym” samolotu ten koszt energii przejawia się w postaci dodatkowego oporu związanego ze skrzydłem, który musi być kompensowany przez dodatkowy ciąg silnika.

Wydaje mi się wtedy, że wymagana moc utrzymanie samolotu na stałej wysokości przy użyciu skrzydła jest dokładnie równoważne z mocą, która byłaby potrzebna, gdybyśmy „po prostu” użyli wentylatora skierowanego w dół zamiast skrzydła.

Teraz niektóre posty na ta strona porównuje samoloty VTOL do samolotów podobnej wielkości i stwierdza, że ​​VTOL wymaga znacznie większego ciągu (np. tutaj - zamieściłbym więcej linków, ale nie wolno mi). Ale zgodnie z powyższym rozumowaniem, czy nie powinno wymagać dokładnie takiej samej mocy, aby wynieść samolot w powietrze, niezależnie od tego, czy używa się skrzydła, czy kieruje silnik w dół?

Proszę przez chwilę zignorować problemy techniczne i kwestie bezpieczeństwa. Zostały one omówione w innych pytaniach związanych z ciągiem gimbala i samolotami VTOL. Moje pytanie dotyczy wydatku energetycznego i mocy.

Całkiem dobre na pierwsze pytanie! Witamy!
Zwróć uwagę, że helikopter jest jak śmigłowiec bez skrzydeł i ogromnym rekwizytem skierowanym w dół. Więc tak, możesz stworzyć użyteczną siłę nośną, po prostu kierując silnik prosto w dół, ale wtedy nie możesz użyć tego samego silnika do ruchu do przodu. To zakłada, że ​​chcesz, aby twój samolot zabrał cię gdzieś poza samą górę. Porównaj z rakietami używanymi do lotów kosmicznych.
weeeelllll ... Helikoptery @ToddWilcox, _ idą do przodu, po prostu przechylają skrzydła w kierunku, w którym chcą lecieć. Silniki z przegubem (lub wydech) zrobiłyby to samo.
Wielkie dzięki za zainteresowanie i wkład! Sprawdzę odpowiedzi i skomentuję je, ale w tej chwili myślę, że pytanie nadal nie jest zamknięte, jeśli chodzi o leżącą u podstaw fizykę.
@FreeMan Powinienem był napisać: „Nie można używać tego samego silnika * równie skutecznie * do ruchu do przodu”. Oznacza to, że nie jest tak wydajna, jeśli chodzi o szybkie podróżowanie w kierunku poziomym. Kiedy używasz układu silnika z przegubem Cardana, samolot w zasadzie staje się stałym skrzydłem w locie.
Re „… czy nie wymagałoby to dokładnie takiej samej mocy…”: Tak, a trzmiele nie powinny latać :-) Niemniej jednak obserwujemy latające trzmiele i samoloty skrzydłowe zużywające znacznie mniej mocy niż byłby potrzebny do utrzymania samolotu w powietrzu podczas ciągu. Nawet samoloty VTOL przechodzą na używanie skrzydeł do podnoszenia, gdy są już od ziemi.
Technicznie rzecz biorąc, ciąg skierowany w dół nie powoduje podnoszenia. Oczywiście ma taki sam efekt jak podnoszenie, ponieważ przeciwdziała sile grawitacji, ale nie jest podnoszeniem :)
Czy pod względem wymaganej mocy i energii pytasz zasadniczo o zużycie paliwa (w zależności od odległości / czasu)? Więc który zużywa mniej paliwa, zwykły odrzutowiec czy Harrier? A może zwykły samolot czy helikopter?
Bardzo niewiele samolotów ma stosunek [ciągu do masy] (https://en.wikipedia.org/wiki/Thrust-to-weight_ratio) większy niż 1, tj. Mają silniki wystarczająco mocne, aby same podnieść ciężar samolotu. Na przykład, F-15 ma ciąg do wagi „ledwie” 1,07, a większość samolotów pasażerskich jest bliżej 0,2
@el.pescado: A jakie jest spalanie paliwa, kiedy F-15 pracuje na pełnym gazie, w porównaniu z normalnym rejsem? A może Harrier wykonujący pionowy start (lub unoszący się w powietrzu) ​​vs utrzymujący wysokość skrzydłami ORAZ pokonujący opór potrzebny do przelotu z prędkością kilkuset węzłów?
Pewna intuicja: istnieją maszyny latające, które są całkowicie bezskrzydłe. Nazywa się to rakietami. Zwykle mają wiele problemów z wytrzymałością i strasznym czasem włóczęgi. Z drugiej strony masz takie rzeczy jak bezsilnikowe szybowce, które mogą latać, mimo że nie mają żadnego silnika - więc nie ma nic do wskazania.
Jakiś czas temu zadałem podobne pytanie na Physics.SE: https://physics.stackexchange.com/questions/122102/what-does-a-wing-do-that-an-engine-cant. Tl; dr: energia rośnie jak v ^ 2, podczas gdy pęd rośnie a v. Dla tego samego pędu możesz albo szybko poruszyć trochę powietrzem, albo dużo powietrza powoli; pierwsza z nich wymaga więcej energii, z tego powodu ^ 2. Silniki wykonują pierwszą opcję, a skrzydła przekształcają tę energię na drugą (i dzięki temu uzyskują większy rozpęd dla energii).
Bardzo prostą odpowiedzią jest zaobserwowanie, że samoloty komercyjne mają skrzydła, które ważą i kosztują. Komercyjne samoloty są zaprojektowane tak, aby zminimalizować koszty, więc gdyby mogły rozsądnie pozbyć się skrzydeł, to by to zrobiły.
Czternaście odpowiedzi:
#1
+50
Martin
2017-04-18 15:26:25 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ciekawe pytanie. Czysto empirycznie, jest to stosunek siły nośnej do oporu, którego szukasz. Jeśli weźmiesz tę wartość jako podaną dla konkretnego samolotu, otrzymasz bezpośrednią odpowiedź na temat tego, o ile skuteczniejsze są skrzydła. Jest to stosunek siły nośnej do całkowitego oporu. Silnik musi tylko pokonać opór.

Przy L / D równym jedności potrzebujesz takiego samego ciągu, jak przy pionowym starcie. Ale nawet całkiem „zły” samolot stałopłatowy miałby L / D około 5. Szybowce lub podobne samoloty zbudowane z silnym naciskiem na aerodynamikę mogą mieć L / D 50 lub więcej (przynajmniej w pewnym wąskim zakresie prędkości). / p>

Więc tak, skrzydła są bardziej wydajne. Około jednego rzędu wielkości jako praktyczna reguła dla zwykłych statków powietrznych i optymalnej prędkości lotu.

Trudniej jest wyjaśnić, dlaczego twoje rozumowanie przy wypychanym powietrzu jest nieprawidłowe. Zacznę od założenia, że ​​gdy powietrze przechodzi przez płat, jego prędkość względem płata jest niezmienna i zmienia się tylko kierunek. (Wiem, że powietrze zwalnia, przynajmniej z powodu tarcia itp., Ale są to, przynajmniej teoretycznie, rzeczy, których można uniknąć, niezwiązane bezpośrednio z tworzeniem windy. Jeśli jest coś nieodłącznie związanego z windą, co powoduje, że przepływ powietrza zmienia nie tylko kierunek, ale także prędkość , mam nadzieję, że ktoś mnie tu poprawi.) velocity change over a airfoil

Zobacz zdjęcie. Masa powietrza poruszająca się początkowo w kierunku płata z prędkością $ \ vec {v_0} $ jest odchylana w dół o kąt $ \ alpha $. Dlatego zmiana prędkości wynosi $ \ vec {\ Delta v} $. Tę zmianę można podzielić na komponenty poziome i pionowe. Aby utrzymać statek powietrzny w powietrzu, składowa pionowa musi być równoważna masie samolotu podzielonej przez masowe natężenie przepływu nad skrzydłem. Komponent pionowy jest powiązany z poziomem przez $$ \ Delta v _ {\ rm horiz} = \ Delta v _ {\ rm vert} \ cdot \ tan {\ alpha \ over 2}. $$

Zatem z tego uproszczonego widoku opór byłby $ \ tan \ alpha / 2 $ razy większy. Wyższe masowe natężenie przepływu nad skrzydłem (dłuższe skrzydła, wyższa prędkość lotu) umożliwia utrzymanie tego samego unoszenia przy mniejszym ugięciu ($ \ alpha $), a tym samym mniejszy opór z powodu generowanego wyporu.


Dodatkowy komentarz: jaki ma to związek z mocą i energią

Powyższa odpowiedź skupia się na tym, jak skrzydła zmniejszają niezbędny ciąg silnika, ale pierwotne pytanie można zinterpretować w kategoriach wydajności energetycznej też. Spróbuję dodać kilka komentarzy do tej części.

  • Prosty przykład - silnik rakietowy: niezbyt typowy dla samolotu, ale prosty. Rakieta zużywa taką samą ilość paliwa na sekundę, aby wygenerować jednostkę pędu niezależnie od jej wielkości i niezależnie od tego, czy jest skierowana do góry (i jest statyczna w stosunku do powietrza), czy do przodu (i porusza się w powietrzu). Aby wygenerować większy ciąg, musisz spalać proporcjonalnie więcej paliwa na sekundę. Tak więc w przypadku napędu rakietowego zaoszczędzisz paliwo w takim samym stosunku, w jakim spada niezbędny ciąg.

  • Silniki śmigłowe lub odrzutowe są bardziej skomplikowane, ponieważ ich ciąg i zużycie paliwa zależą od ruch silnika w powietrzu. Jak wskazał David K ​​w swojej odpowiedzi, możemy wykorzystać pęd i energię kinetyczną przyspieszonego powietrza, aby uzyskać moc potrzebną do jednostki ciągu.

    Z pewnymi uproszczeniami, ciąg to masowe natężenie przepływu przez silnik / śrubę pomnożone powoduje zmianę prędkości przepływu. $ T = \ dot m \ cdot (v _ {\ rm out} - v _ {\ rm in}) = \ dot m \ Delta v $. Potrzebna do tego moc to $ P = \ dot m \ cdot {1 \ over2} (v _ {\ rm out} ^ 2 - v _ {\ rm in} ^ 2) = \ dot m \ Delta v \ cdot (v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ ponad 2}) $. Zatem $$ {P \ over T} = v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ over 2} \,. $$

    W przypadku stacjonarnego silnika utrzymywanego wbrew grawitacji wymagany jest większy ciąg w porównaniu do latających stałopłatów, jak pokazano powyżej. Jeśli nie „oszukujemy” zwiększając masowe natężenie przepływu przez silnik (np. Robiąc z niego wirnik helikoptera lub używając wielu silników), to $ \ Delta v $ musi zostać zwiększone w celu uzyskania niezbędnego ciągu. Potrzebujesz więc nie tylko większej mocy z powodu zwiększonego ciągu, ale także większej mocy ze względu na zwiększone waty na jednostkę ciągu. Zauważ, że nawet „cheat helikoptera” nie działa zbyt dobrze. Aby dopasować pobór mocy silnika generującego mniejszy ciąg dzięki L / D skrzydła, musisz również poprawić P / T - zmniejszając $ \ Delta v $, zwiększając w ten sposób przepływ masowy (promień wirnika / śmigła nawet bardziej niż proporcjonalnie do zwiększonego ciągu) .

    A co ze spadkiem P / T spowodowanym ruchem powietrza? To zależy od konkretnego silnika i jego $ \ Delta v $. Zwykle będzie podobnego rzędu wielkości co prędkość lotu (lub nawet mniej), więc nie możemy pominąć powyższego równania $ v _ {\ rm in} $ w watach na ciąg. Występuje spadek wydajności, gdy silnik pracuje w poruszającym się statku powietrznym. Ale i tak powinno być tego warte, ponieważ zysk zapewniany przez siłę nośną jest większy.

    Uproszczony przykład: mamy silnik zdolny do wytworzenia ciągu wystarczającego do podniesienia samolotu w pionie. Można go dławić, zmieniając $ \ Delta v $ bez żadnych praktycznych problemów lub zmiany jego wewnętrznej wydajności. I załóżmy, że masowe natężenie przepływu przez nią jest stałą powierzchnią $ S $ pomnożoną przez gęstość powietrza i pomnożoną przez średnią arytmetyczną prędkości wchodzącego i wychodzącego powietrza. W przypadku unoszącego się samolotu i stacjonarnego silnika wytwarzającego ciąg równy masie samolotu, $ w $ to jest $$ w = \ dot m \ Delta v _ {\ rm hover} = \ rho S \ Delta v _ {\ rm hover} ^ 2/2 \ ,; \ quad \ Delta v _ {\ rm hover} = \ sqrt {2 w \ over \ rho S} $$, a więc $$ P _ {\ rm hover} = w \ cdot \ Delta v _ {\ rm hover} / 2 = \ sqrt {w ^ 3 \ ponad 2 \ rho S} \,. $$

    Ten sam samolot lecący na skrzydłach potrzebuje ciągu $ w \ powyżej L / D $. Prędkość lotu to $ v _ {\ rm air} $. Równanie ciągu: $ {w \ over L / D} = \ dot m \ Delta v _ {\ rm flight} = \ rho S \ cdot (v _ {\ rm air} + {\ Delta v _ {\ rm lot} \ ponad 2}) \ cdot \ Delta v _ {\ rm lot} $. Zatem $$ \ Delta v _ {\ rm flight} = \ sqrt {{2w \ over (L / D) \ rho S} + v _ {\ rm air} ^ 2} -v _ {\ rm air} $$ i $$ P _ {\ rm lot} = {w \ nad L / D} \ cdot (\ sqrt {{w \ ponad 2 (L / D) \ rho S} + {v _ {\ rm air} ^ 2 \ over 4}} + {v _ {\ rm air} \ over 2}) \,. $$

    Niestety nie widzę sposobu, jak uprościć i porównać $ P _ {\ rm hover} $ i $ P_ { \ rm lot} $ czyli kilka konkretnych liczb:

    • Lekki samolot, 1 tona, 100 węzłów, $ S = 5 \, \ rm m ^ 2 $, $ L / D = 15 $: $ P _ {\ rm hover} = 290 \, \ rm kW $, $ P _ {\ rm lot} = 35 \, \ rm kW $.

    • Ciężki samolot, 100 ton, 200 węzłów, $ S = 50 \, \ rm m ^ 2 $, $ L / D = 15 $: $ P _ {\ rm hover} = 90 \, \ rm MW $, $ P _ {\ rm flight} = 7 \, \ rm MW $.

    Zatem w oparciu o te uproszczenia latanie na skrzydłach z podobnym silnikiem powinno być również znacznie wydajniejsze pod względem energetycznym. Dodatkowo, posuwasz się już naprzód, używając mocy $ P _ {\ rm flight} $. W przypadku silnika pionowego potrzebna byłaby dodatkowa moc, aby pokonać opór powietrza spowodowany ruchem.

Choć jest to interesujące, nie zapewnia mi pełnej odpowiedzi. Nawet przy mniejszym ugięciu zwiększona masa odchylana przez dłuższe skrzydło lub wyższa prędkość powietrza spowodowałaby znaczny wzrost oporu. Ponieważ jest to nieodłącznie związane z podnoszeniem, uważam, że należy to wziąć tutaj pod uwagę, jednak należy zauważyć, że nie mam pojęcia, o czym mówię.
Cóż, zależność między pionową i poziomą składową prędkości jest taka sama, jak zależność między siłami zginającymi przepływ powietrza w odpowiednim kierunku, niezależnie od wielkości v_0. Siła pionowa jest stała (waga samolotu), więc siła pozioma maleje wraz ze spadkiem alfa. Mogę dodać formułę, jak alfa zmienia się z v0 do mojej odpowiedzi, jeśli brakuje tylko tego. Inne siły oporu niezwiązane z wypychaniem powietrza w dół są oczywiście również ważne w praktyce, szczególnie jeśli chcesz wykonać samolot _fast_ z wysokim L / D, ale obawiam się, że nie ma na to prostej teorii ani równania.
Masz całkowitą rację, coś mi się wykręciło w głowie, ponownie przeczytałem twoją odpowiedź (kilka razy) i rozwiązałem to. Dzięki!
Nie do końca zgadzam się z użyciem stosunku L / D do stwierdzenia, że ​​skrzydła są wydajniejsze. Duży stosunek L / D oznacza, że ​​większość ciągu silnika jest wykorzystywana do generowania siły nośnej i utrzymania wysokości przelotowej, podczas gdy tylko niewielka część ciągu jest faktycznie wykorzystywana do utrzymania prędkości przelotowej. Ale samo skrzydło zwiększa opór samolotu. Moje rozumowanie jest takie, że jeśli zdejmiesz skrzydło i ponownie zorientujesz ciąg silnika w dół, prawdopodobnie zmniejszysz D znacznie, ale nadal generujesz taką samą siłę nośną. Wymagałoby to (nieco) mniejszej mocy.
@user9037 Nie do końca zgadzam się z tą interpretacją L / D. L / D mówi, że statek powietrzny wytwarzający x jednostek siły nośnej (zazwyczaj ciężar samolotu) lecący w powietrzu wytwarza x / (L / D) jednostek oporu w tym samym momencie. Do tej pory nie był używany żaden silnik. Podnoszenie utrzymuje cię w górze (lepiej: utrzymuje stałą prędkość pionową, czy to zero, czy jakąkolwiek inną liczbę), ponieważ znosi się wraz z ciężarem. Aby zlikwidować opór, potrzebujesz ciągu silnika. I tylko do tego. Aby utrzymać 1 tonę ciężkiego samolotu z L / D = 10 w locie, potrzebujesz 1 kN pragnienia. Aby podnieść go w pionie, potrzeba 10 kN. Opór skrzydła itp. Jest już uwzględniony w całkowitym L / D.
OTOH, moja odpowiedź dotyczy bardziej koniecznego ciągu niż mocy, które są trochę innymi rzeczami. Może odpowiedź Davida K. jest lepiej skoncentrowana na tym, o co pytasz.
Mały nit-pick - lifting wymaga lepkości, jest to absolutnie niezbędne. Argument „teoretyczny”, że nie jest oparty na teorii, a raczej na matematycznych przybliżeniach i starannym doborze dziedzin. Nie zmienia to żadnej odpowiedzi, ale jest to subtelny punkt, który jest bardzo często pomijany. Pisałem o tym w Physics.SE] (https://physics.stackexchange.com/questions/46131/does-a-wing-in-a-potential-flow-have-lift/46134#46134) .
@Martin: Dziękuję za wyjaśnienia. Zaczyna mieć dla mnie więcej sensu. Jednak nadal muszę owinąć głowę wokół aspektu energii.
@Martin: Twój dodatkowy komentarz wyjaśnia mi, dlaczego skrzydło jest bardziej energooszczędne. Wiele innych odpowiedzi również dotyczyło ważnych aspektów tego pytania, ale myślę, że twoje ma teraz pełniejsze wyjaśnienie matematyczne, więc zaznaczę je jako wybraną odpowiedź. Dziękujemy wszystkim za ich wkład!
#2
+29
David K
2017-04-18 18:19:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

W odniesieniu do wydatku energetycznego i mocy, dla danej ilości siły, która ma być wytworzona przez przyspieszenie masy powietrza, potrzeba więcej mocy, gdy przyspieszasz małą masę powietrza w każdym okresie czasu, niż gdy przyspieszasz dużą masę powietrza. Dzieje się tak, ponieważ siła jest proporcjonalna do zmiany pędu masy powietrza, podczas gdy moc jest proporcjonalna do zmiany energii kinetycznej; a gdy pęd wynosi $ mv, energia kinetyczna $ wynosi $ \ frac12 mv ^ 2. $

Typowy silnik samolotu łapie stosunkowo małe paczki powietrza i wprawia je w tył z dużą prędkością. Duże śmigło lub turbofan z dużym obejściem i dużym wlotem sprawdzi się lepiej niż małe śmigło lub turboodrzutowy z małym wlotem. Ale skrzydło typowego konwencjonalnego samolotu „chwyta” znacznie większy paczkę powietrza w dowolnej jednostce czasu niż jego silniki.Popychając skrzydło do przodu w powietrzu, samolot przekształca stosunkowo nieefektywną produkcję siły przez swoje silniki (biorąc małe paczki powietrza z przodu samolotu i przyspieszając je gwałtownie do tyłu) ) w znacznie bardziej wydajne wytwarzanie siły przez skrzydła (zabieranie dużych paczek powietrza nad samolot i ich względnie powolne przyspieszanie w dół).

Po prostu obrócenie w dół typowego silnika (odrzutowego lub śmigłowego) konwencjonalnego samolotu powoduje nie pozwalać dronowi na przyspieszenie prawie tak dużej ilości powietrza w dół jak skrzydło, gdy jest w normalnym locie.

W helikopterze (znanym również jako „wiropłat”) silnik obraca skrzydło (aka wirnik), popychając go w ten sposób gh powietrza i przyspieszając, pchnij samolot w dół, niezależnie od tego, czy kadłub porusza się do przodu w masie powietrza, czy nie. helikopter może zatem wystartować pionowo z relatywnie małym zespołem napędowym w porównaniu do tego, co musiałbyś startować pionowo z czymś takim jak konwencjonalny samolot stałopłatowy Jeśli myślisz o wirniku helikoptera jako o „wentylatorze skierowanym w dół”, wtedy faktycznie działa całkiem dobrze.

Dziękuję za wskazanie różnicy między energią kinetyczną a pędem i dlaczego duże skrzydło jest korzystne. Jest jednak coś, co mnie niepokoi: skrzydło nie _ wytwarza_ siły, lecz _ przekształca_ siłę. W szczególności przekształca poziomy ciąg silnika w pionowe podnoszenie. Robi to wydajnie, ale nie więcej niż 100%. Nie może zrekompensować tego, że silnik jest nieefektywnym, szybkim akceleratorem małych mas powietrza (prawda?). Dlaczego więc skierowanie ciągu bezpośrednio w dół miałoby być mniej efektywne (jak w helikopterze)?
W tym przypadku dość istotne jest rozróżnienie między siłą (ciągiem) a mocą (energią). Skrzydła „przetwarzają” siłę ze znacznie większą „sprawnością” niż 100%, gdybym użył takiego sformułowania. W taki sam sposób, jak prosty system kół pasowych może zwielokrotniać siłę („przekształcić” ją z ponad 100% „sprawnością”).
Właściwie układ kół pasowych jest tutaj prawdopodobnie dobrą analogią. Twoje ciało jest (biologicznie) nieefektywne, wytwarzając niezwykle duże siły. Ale możesz użyć systemu bloczków, aby wymienić siłę na większą długość liny ... co może okazać się bardziej wydajne, nawet jeśli stracisz trochę energii w systemie bloczków. W ten sam sposób skrzydła umożliwiają pracę silnika przy niższym ciągu. Oszczędność energii pośrednio, ponieważ jest lepsza dla „normalnego” silnika. Oczywiście, jak zauważył David, można skalować silnik, aby wydajniej zapewniał wyższy ciąg, co będzie działać, ale kończy się czymś w rodzaju helikoptera.
@user9037 Nie jestem pewien, co masz na myśli mówiąc, że skrzydło „konwertuje” siłę, ale wydaje się, że używasz go jako synonimu z „przekierowaniami”, co nie jest prawdą. Poruszające się skrzydło doświadcza siły, wynikającej z interakcji z przepływem powietrza, którą można rozłożyć na siłę nośną i opór. Aby poruszać się ze stałą prędkością, śmigło musi tylko wytworzyć wystarczający ciąg, aby pokonać opór, który w przypadku każdego w połowie przyzwoitego skrzydła jest znacznie mniejszy niż element nośny.
Ale helikoptery * nie mogą * startować w pionie, jeśli są załadowane blisko maksimum. Muszą iść naprzód, co pozwala im produkować więcej siły nośnej. Jak to działa?
@PhilFrost W tej odpowiedzi starałem się uzyskać efekty pierwszego rzędu. Najechanie kursorem pociąga za sobą dodatkowe komplikacje, na które moim zdaniem najlepiej odpowiedzieć w innym pytaniu - i tak naprawdę myślę, że _are_ mają odpowiedź na https://aviation.stackexchange.com/questions/22427/why-dont-helicopters-always-takeoff -od-unoszącego-efektu-z-ziemi
Jasne, ale miałem to na myśli jako pytanie retoryczne. Biorąc pod uwagę te komplikacje w zawisie, czy naprawdę możemy myśleć o helikopterze jako o „wentylatorze skierowanym w dół”? Być może nie, przynajmniej w taki sposób, w jaki PO by o tym pomyślał. Nadal musi istnieć jakieś wyjaśnienie, w jaki sposób poruszanie się do przodu generuje siłę nośną bardziej efektywnie, poza przekierowaniem masy powietrza.
@PhilFrost Odniosłem wrażenie, że helikopter wciąż może podnosić w pionie własny ciężar i część ładunku (choć nie jego maksimum). Czy to nieporozumienie? Podczas gdy po prostu weźmiemy śmigło (a) zwykłego samolotu i skierujemy je w dół, przy pełnej mocy ledwo odciążymy koła. Porównanie unoszącego się wirnika ze skrzydłem poruszającym się do przodu w niezakłóconym powietrzu nie jest idealne, ale tak naprawdę chodziło o to, że jeśli skierujesz wentylator w dół, musi to być _ naprawdę duży_ wentylator poruszający się stosunkowo wolno.
Myślę, że twoje wrażenie jest trafne. Udało mi się znaleźć nazwę tego zjawiska: [winda translacyjna] (http://www.copters.com/aero/translational.html).
Artykuł Wikipedii o współczynniku L / D mówi, że śmigłowce mają stosunek około 4: 1 podczas autorotacji (tj. Bez silnika). https://en.wikipedia.org/wiki/Lift-to-drag_ratio
@Martin OK, to ma dużo sensu. Tak więc silniki zapewniają pewnego rodzaju efekt dźwigni, który pozwala samolotowi latać z dużo mniejszym ciągiem, niż wymagałby jego ciężar.
Skrzydła @user9037 działają jak dźwignia, pozwalając na lot z niższym ciągiem, tak. Druga część jest taka, że ​​silniki (reakcyjne) samolotu zużywają moc i paliwo nawet podczas generowania ciągu podczas postoju (w przeciwieństwie do, na przykład, samochodu na drodze, który nie potrzebuje, przynajmniej teoretycznie, żadnej mocy, dopóki nie zacznie ruch), więc zmniejszenie potrzebnego ciągu się opłaca.
#3
+27
Trevor_G
2017-04-19 19:51:07 UTC
view on stackexchange narkive permalink

W tradycyjnym samolocie większość mocy silnika jest wykorzystywana do utrzymywania samolotu w ruchu do przodu z określoną prędkością. W rzeczywistości bardzo niewiele tej mocy jest potrzebne do wytworzenia siły nośnej.

Rozważmy prosty papierowy samolot. Leci przez długi czas bez żadnego silnika, dopóki opór na nim nie spowoduje zwolnienia, a jeśli straci siłę nośną i opuści na podłogę.

Enter image description here

W rękach doświadczonego pilota szybowce mogą pozostawać w powietrzu przez wiele godzin bez żadnego silnika.

Nie zamierzam wdawać się w spór o to, czy skrzydła działają, kierując powietrze w dół lub nie, ponieważ jest to po prostu nieistotne. Podstawowa prawda jest taka, że ​​kiedy skrzydło jest zorientowane w sposób zapewniający siłę nośną podczas ruchu do przodu, wszystko, czego potrzebujesz, aby silnik zrobił, to popchnąć to skrzydło i resztę samolotu do przodu z tą prędkością. strong>

Skrzydło i korpus samolotu tworzą efektywny opór, gdy są ciągnięte lub pchane do przodu, a silnik musi tylko wytworzyć taką siłę, aby nie zwalniać. Ta siła jest DUŻO mniejsza niż potrzeba, aby ją podnieść bezpośrednio.

Większość silników lotniczych po prostu nie ma takiej siły ciągu, aby samodzielnie unieść samolot. Podczas wczesnych prac nad samolotami podejmowano wiele prób, aby to zrobić, ale zakończyły się niepowodzeniem, ponieważ silniki o wystarczającej mocy po prostu nie były dostępne.

Enter image description here

Skrzydła były na długo przed pojawieniem się braci Wright, ale lot był nieprzewidywalny i niekontrolowany. Pierwszy prawdziwy samolot został wynaleziony, ponieważ bracia odkryli i wynaleźli mechanizm pozwalający im kontrolować skrzydło (a).

Enter image description here

Krótko mówiąc, o wiele łatwiej jest zapewnić siłę nośną skrzydłami niż przy użyciu wektorowania ciągu.

JEDNAK: W tym momencie prawdopodobnie nadal drapiesz się po głowie zastanawiam się, jak podnieść samolot bez pobierania takiej ilości mocy z silnika ... Pozwólcie, że spróbuję wyjaśnić.

Powiedzmy, że masz samochód i mówię ci, żebyś podniósł go 6 stóp ... Cóż, chyba że jesteś tym facetem, to się po prostu nie stanie ...

Enter image description here

Ale co, jeśli wykonasz następujące czynności?

Enter image description here

Cóż, możesz narzekać i bez tchu, ale możesz zobaczyć, jak gdyby rampa była wystarczająco długa, mogłabyś użyć naszych mięśni, aby podnieść samochód na tę wysokość.

Ponieważ jesteśmy wolno poruszającymi się stworzeniami, myśl o powietrzu jak o niczym. Jednak powietrze staje się inną rzeczą, gdy próbujesz bardzo szybko usunąć je z drogi. Staje się to znacznie „trudne”.

Można zatem pomyśleć o samolocie w locie, który wspina się po rampie powietrznej, jak pokazano poniżej.

Enter image description here

Dron i skrzydła dość łatwo przecinają powietrze, ale powietrze pod skrzydłami i ciałem działa jak rampa. Im większe skrzydła, tym twardsza i solidniejsza rampa. Zapewnia to siłę nośną… utrzymywanie samolotu w górze.

Oczywiście rampa nie jest solidna i skutecznie opada, gdy pchamy samolot do przodu. Innymi słowy, samolot spada i wznosi się w tym samym czasie. Podczas lotu poziomego rampa opada w tym samym tempie, w jakim wznosi się po niej samolot.

Oznacza to, że skrzydła zapewniają przewagę mechaniczną polegającą na użyciu rampy w celu zmniejszenia siłę potrzebną do wykonania pracy. Ignorując opór, wymagana praca jest taka sama, jak w przypadku podnoszenia go pionowo, ale ponieważ rozłożono pracę na dużą odległość do przodu, wysiłek wymagany od silnika jest znacznie podzielony.

Wydajność:

Czy to jest bardziej wydajne? Cóż, tradycyjnie rampy i inne mechaniczne urządzenia zapewniające przewagę są mniej wydajne niż prosta winda, ponieważ występują straty związane z dodatkowym tarciem w urządzeniu.

Jednak same systemy podnoszenia oparte na napędzie pionowym są horrendalnie nieefektywne.

Jak już wspomnieliśmy, powietrze jest trudniejsze do poruszania, im szybciej się je porusza. Oznacza to, że podwojenie mocy silnika NIE przekłada się na podwojenie ciągu, jest to raczej funkcja wykładnicza. Oznacza to, że musisz spalić ponad dwa razy więcej gazu, aby uzyskać podwojony ciąg.

Enter image description here

Gorzej dla dowolnego silnika, istnieje granica tego, jak duży ciąg może wytworzyć. W końcu powietrze przed nim kawituje. Jeśli może obracać się wystarczająco szybko, będzie zassać CAŁE powietrze z wlotu tak szybko, że powstanie podciśnienie. W tym momencie silnik jest pozbawiony powietrza i nie może pracować szybciej, niezależnie od tego, JAK DUŻO wpompujesz paliwa. Oznacza to, że aby uzyskać większy ciąg, potrzebujesz większego silnika, co oznacza większą masę, co oznacza, że ​​potrzebujesz większego ciągu .... Czy widzisz, dokąd zmierzam z tym?

I pamiętaj, że to tylko po to, aby Cię utrzymać, nadal musisz użyć więcej mocy, aby przejść z punktu A do punktu B.

W związku z tym, nawet przy stratach oporu, lot skrzydlaty nadal zużywa o wiele mniej gazu na każdym dystansie podróży.

Bardzo ładna pierwsza odpowiedź! Witamy w [aviation.se].
AilirnripwCMT dzięki :)
To świetna odpowiedź - dzięki! Wiele innych odpowiedzi zakłada, że ​​czytelnik już rozumie odpowiedź na pytanie PO :-)
Niezła analogia do podnoszenia samochodu.
#4
+4
Dmitry Grigoryev
2017-04-19 00:05:58 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jeśli zignorujemy straty, utrzymanie samolotu na określonej wysokości nie wymaga żadnej mocy , ponieważ nie wykonuje się na nim żadnej pracy. Wymaga to jednak siły i wydaje się, że mylisz siłę i moc. Termin wydajność nie ma żadnego znaczenia (przynajmniej nie ma dobrze zdefiniowanego znaczenia), gdy mówię o siłach.

Na przykład mogę trzymać w dłoni ciężar 20 kg i Mogłem utrzymać 200 kg za pomocą dźwigni 1:10. Jasne, możesz powiedzieć, że dźwignia jest 10 razy wydajniejsza, a pod tym względem skrzydła są wydajniejsze niż silniki do startu pionowego: możesz wystartować z silnikiem, który ma 10 razy mniejszy ciąg. Konsekwencją jest to, że będziesz potrzebować 10 razy więcej czasu, aby osiągnąć daną wysokość, tak jakbym podniósł 200-kilogramowy ciężar 10 razy wolniej za pomocą dźwigni, niż gdybym podniósł 20-kilogramowy ciężar własnymi rękami.

Utrzymanie wysokości nie wymaga pracy, jednak wytworzenie siły nośnej powinno wymagać energii, ponieważ powietrze musi zostać przemieszczone. Nie jest to równowaga statyczna. Tak więc, skoro energia jest zużywana, pytanie brzmi, czy skrzydło jest w jakiś sposób bardziej wydajne niż silnik skierowany w dół. Czy coś mi brakuje?
Uhm, tak, skrzydło jest bardziej wydajne, ponieważ generuje taką samą siłę nośną przy mniejszym ciągu silnika, a jak sam powiedziałeś, generowanie ciągu zużywa energię. Po prostu wskazuję, że zamieszanie bierze się ze zdania * moc wymagana do utrzymania samolotu na stałej wysokości [jest taka sama dla skrzydła i silnika] *. Moc nie musi być taka sama, ponieważ żadna prawdziwa praca nie jest wykonywana.
OK, teraz rozumiem twój punkt widzenia (moc nie musi być taka sama, ponieważ żadna prawdziwa praca nie jest wykonywana). Dziękuję za wyjaśnienie!
Siła równa sile wywieranej przez grawitację musi zostać w jakiś sposób wygenerowana, aby utrzymać samolot w powietrzu. Ale nie ma reguły, która wymagałaby wydatkowania określonej ilości energii, aby zastosować tę siłę. W teorii siłę można przyłożyć bez żadnego wydatkowania energii. Na przykład magnes trwały naciskający na pole magnetyczne Ziemi mógłby (przynajmniej w teorii) to zrobić.
@DavidSchwartz Teoretycznie wystarczyłaby wystarczająco szybka jazda (aby wytworzyć wystarczającą siłę odśrodkową), ale tak, o to mi chodzi.
@DavidSchwartz Jeszcze prościej, gdybyś po prostu podniósł przedmiot i położył go na stole, szczęśliwie pozostaje na wysokości stołu bez dalszej pracy. Myślę, że ta odpowiedź jest świetna - uderza bezpośrednio w błędne przekonanie, że OP ma (i że inne odpowiedzi zostały pominięte). Po prostu koszt przeciągania skrzydła wytwarza siłę nośną, która w pewnym zakresie sprawia, że ​​samolot / system powietrzny * zbliża się * do obiektu na stole.
#5
+3
qq jkztd
2017-04-18 20:44:32 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Silniki (powiedzmy, silniki tłokowe) nie zapewniają siły nośnej. Silniki napędzają skrzydła. Każde łopatki śmigła to skrzydło. Każde skrzydło (o tej samej wielkości, profilu, kącie natarcia, prędkości względnej, wysokości) zapewnia taką samą siłę nośną.

Oba urządzenia poniżej zapewniają taką samą siłę nośną, jeden leci prosto do przodu, a drugi krąży po okręgu. Jeden to samolot, drugi to śmigło. Skierowanie ciągu silnika w dół = skierowanie kierunku lotu łopatek w poziomie. Mam nadzieję, że to pomoże.

wing lift

Niezupełnie poprawne. W przypadku wirującego prędkość powietrza za skrzydłem jest nierównomierna (maleje w kierunku środka), w wyniku czego całkowity generowany wyciąg jest niższy ceteris paribus.
@ymb1 Moment obrotowy jest znacznie wyższy niż w przypadku śmigła w samolocie po prawej stronie, ale prędkość obrotowa jest również znacznie niższa. Zatem zapotrzebowanie na moc może być podobne, chociaż możemy potrzebować skrzyni biegów, aby zapewnić moc przy wysokim momencie obrotowym i niskich obrotach.
@DavidK - prawda, około 30 RPM.
#6
+2
Redja
2017-04-20 02:36:40 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Chcę tylko dodać coś, co moim zdaniem zostało tutaj przeoczone. Wraz ze wzrostem prędkości lotu nad skrzydłem / śmigłem opór wzrasta nie tylko liniowo, jest wykładniczo. Innymi słowy, ponieważ przepływ powietrza (w masie) nad skrzydłem jest znacznie większy, może wytworzyć x siłę nośną przy niskiej prędkości, podczas gdy z silnikiem, ponieważ ma niższy przepływ powietrza (ponownie w masie) musi się poruszać powietrze szybciej nad śmigłami w silniku, aby wygenerować taką samą siłę nośną. Ponieważ opór nie jest liniowy, potrzebuje znacznie więcej mocy, aby przezwyciężyć opór silnika, co jest przyczyną nieefektywności.

#7
+2
NoAnswer
2017-04-20 19:31:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Przeglądając odpowiedzi, brakuje mi bardzo prostego podejścia do wyjaśnienia różnicy:
Wymienienie nieefektywności obu rozwiązań projektowych

Stałe skrzydło

  • opór nie powodujący podnoszenia - część oporu nie jest związana z produkcją siły nośnej, np. tarcie powietrza o powierzchnię skrzydła.
  • wiry na końcach skrzydeł - Różnica ciśnień pomiędzy nad i pod skrzydłem ma na celu wyrównanie przez przepływ powietrza z dołu do góry. Można to złagodzić przez winglety i / lub wysokie proporcje skrzydła.
  • cokolwiek - to jest miejsce na wszystko, co mogłem przegapić. Zobacz poniżej jego odpowiednik.

Skrzydło obrotowe

  • opór nie powodujący podnoszenia - Tak samo jak w powyższym równoważnym punkcie, z wyjątkiem różnych profili skrzydeł, płatów i różnych prędkości. Zobacz poniżej, aby uzyskać więcej informacji na temat różnych prędkości lotu.
  • Wiry na końcach skrzydeł - Taki sam jak powyższy odpowiednik, z wyjątkiem długości skrzydła, a zatem współczynnik kształtu jest bardziej ograniczony w wyborze projektu. Winglety powodowałyby wiele problemów strukturalnych i zwiększałyby opór nieproporcjonalnie, ponieważ z definicji znajdują się na (szybko poruszającej się) końcówce.
  • wszystko - w zasadzie wszystko, co dotyczy nieruchomych skrzydeł dotyczy to również skrzydeł obrotowych. Ponadto często nierównomierny przepływ powietrza (patrz poniżej) nie pozwala na optymalizację profilu skrzydła, profilu itp.
  • nierównomierny rozkład prędkości powietrza na łopatce - Końcówki wirnika poruszają się w powietrzu szybciej niż jego podstawa. W związku z tym trudno jest uzyskać optymalną prędkość w każdym miejscu na łopacie wirnika naraz.
  • różne prędkości lotu dla łopaty poprzedzającej i cofającej się - Prędkość lotu samolotu do przodu jest dodawana do prędkości powietrza powyżej poprzedzające ostrze, ale odjęte od cofającego się. Ta różnica zwiększa problem uzyskania optymalnego przepływu powietrza.
  • potrzeba przeciwdziałania momentu obrotowego - śmigło ogonowe w klasycznej konstrukcji śmigłowca wymaga mocy z silnika głównego bez zwiększania siły nośnej lub ciągu do przodu. Zasadniczo jest to „bezużyteczna konieczność”. Konstrukcje z dwoma wirnikami mogą cierpieć z powodu coraz bardziej „zakłóconego przepływu powietrza” (patrz poniżej).
  • ruch kołowy - ruch kołowy zasadniczo przyspiesza w kierunku środka. „Latanie prosto” byłoby bardziej wydajne, np. na wirniku znajdują się łożyska, które nie przepuszczają momentu obrotowego. Dla porównania, stałe skrzydło nie traci swojego pędu poza innymi wadami. Stwarza to również wymagania konstrukcyjne dla łopatek wirnika, które mogą ograniczać inne optymalizacje projektowe.
  • zakłócony przepływ powietrza - poprzednio cofnięta łopatka porusza się po śladzie poprzedniej podczas następnego obrotu. Zakłócone powietrze nie wytwarza tak czystego przepływu powietrza, jak byłoby niezakłócone. Zmniejsza to współczynnik siły nośnej do oporu.
  • niezoptymalizowany profil płata - W wielu punktach powyżej wspomniano już o tym, czy to przez to, że jest to konieczne (wymagania konstrukcyjne w ruchu kołowym), czy też przez zapobieganie optymalizacji (nie: równomierny rozkład prędkości powietrza na łopatce).

Wracając do pierwotnego pytania:
Z reguły możemy założyć, że dłuższa lista nieefektywności, tym mniej efektywny projekt. Zwłaszcza, gdy wszystko (i cokolwiek ) z jednej listy pojawia się również na drugiej. Aby złamać praktyczną zasadę, musiałyby istnieć duże jakościowe różnice w każdym punkcie.

#8
+1
supercat
2017-04-19 00:37:39 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Główną zaletą skrzydła w porównaniu z silnikiem jest to, że podczas typowego użytkowania będzie ono stale napotykało względnie niezakłócone powietrze. Silnik skierowany w dół utworzyłby nad nim obszar niskiego ciśnienia, a wpływające do niego powietrze będzie poruszać się w dół, zanim samolot zdąży z nim cokolwiek zrobić. Jedynym sposobem, w jaki samolot może wytworzyć ciąg, będzie przyspieszenie już poruszającego się powietrza do jeszcze większej prędkości. Ilość energii potrzebna do przyspieszenia metra sześciennego powietrza z 9 m / s do 10 m / s jest prawie dwukrotnie większa niż ilość potrzebna do przyspieszenia 10 m / s powietrza z 0 m / s do 1 m / s, ale wygenerowany przez ten ostatni będzie dziesięciokrotnie większy.

Dzięki twojemu wyjaśnieniu. Jest bardziej skondensowana niż odpowiedź Martina, ale oznaczyłem jego odpowiedź jako ważną, ponieważ zawiera odpowiednie wzory.
@user9037: Oceniłem, że odpowiedź Martina była dobrą odpowiedzią, ale pomyślałem, że przydałaby się prosta, intuicyjnie jasna odpowiedź, dlaczego latanie jest bardziej wydajne niż zawis. Wydawałoby się koncepcyjnie, że unoszący się pojazd powinien być prostszy niż latający (i rzeczywiście zabawki whirlygig, które poprzedzały samolot, działają po prostu kierując ciąg w dół), ale myślę, że potrzeba nieruchomego powietrza może nie być oczywista, dopóki się nie rozważy ale po rozważeniu wiele rzeczy natychmiast stanie się oczywistych.
Ale czy ssanie, które wytwarza wspomniane niskie ciśnienie nad silnikiem, nie podlegałoby również trzeciemu prawu Newtona? Czy silnik powoduje przyspieszenie danej partii powietrza w dół - czy przed, czy po wejściu do wentylatora - czy nie jest równa, ale przeciwna siła działająca na silnik?
@reirab: Wszystko podlega trzeciemu prawu Newtona, ale samolot nie jest jedyną rzeczą działającą w powietrzu. Powietrze jest podtrzymywane przez planetę, a jeśli samolot leciałby w dużych kręgach wokół planety, większość powietrza, które mu przeszkadza, miałaby szansę przenieść siłę samolotu na planetę, zanim samolot napotka ją następnym razem.
@reirab: Całkowita ilość siły przenoszonej na planetę przez powietrze będzie musiała być równa masie samolotu bez względu na sposób jego przenoszenia, ale ilość pracy wymagana do nadania przyspieszenia powietrzu będzie się różnić w zależności od tego, jak to powietrze już się rusza.
@supercat Tak, nie kwestionuję tych rzeczy. Miałem na myśli twoje stwierdzenie, że silnik tworzy obszar niskiego ciśnienia nad nim, ale wydaje się, że sugeruję, że przyspieszenie tego powietrza w dół przed wejściem do wlotu nie powoduje wywierania siły skierowanej w górę na silnik / samolot. Jeśli praca jest wykonywana w powietrzu, z pewnością na samolot działa przeciwna siła, prawda?
Chyba że masz na myśli samolot lecący prosto w górę, w którym to przypadku powietrze już poruszałoby się w dół względem silnika bez wymaganego przyspieszenia, a ja źle zrozumiałem twoje znaczenie. I oczywiście dokładnie to dzieje się w przypadku silnika zorientowanego poziomo lecącego do przodu w powietrzu.
@reirab: Wydaje mi się, że trochę odpłynąłem od mojego głównego punktu do kwestii związanych z zawisem, które niekoniecznie mają zastosowanie podczas wspinaczki w pionie na tyle szybko, aby nadal czerpać „świeże” powietrze. Samolot faktycznie uzyskuje "pęd" z powietrza, które powoduje, że porusza się przez silnik, ale potrzeba więcej energii kinetycznej, aby przenieść pewną masę powietrza przez silnik z dużą prędkością, niż osiągnąć ten sam transfer pędu przez przyspieszenie większą ilość powietrza do wolniejszej prędkości.
@supercat Tak, ta część jest zdecydowanie poprawna.
#9
+1
coteyr
2017-04-19 19:40:06 UTC
view on stackexchange narkive permalink

„Podstawowy” lot zawsze był mi wyjaśniany, że ze względu na kształt skrzydła powietrze nad górą musi iść dalej, przez co jest „rozciągane”, a powietrze pod skrzydłem ma mniejszą odległość do przebycia. Powietrze pod skrzydłem ma więc większe „ciśnienie” niż nad skrzydłem. W żadnym momencie tak naprawdę nie „spychasz powietrza w dół”. A przynajmniej nie do końca. Ciężar jednostki powoduje, że powietrze pod skrzydłem „smużnie” (lub wypiera) w taki sam sposób, jak łódź, podczas gdy nie ma żadnej siły (poza podnośnikiem) pchającej „w górę” na skrzydło.

To wszystko jest bardzo proste wyjaśnienie. Ale podstawową częścią, bardzo ważną częścią jest to, że w żadnym samolocie, stałe skrzydło (samolot) lub wirnik (helikopter) nie jest ŻADNYM podnośnikiem generowanym przez spychanie powietrza w dół. Podnoszenie jest generowane przez mniejsze ciśnienie powietrza „na górze” skrzydła, a następnie „pod” skrzydłem w połączeniu z działającą w dół siłą grawitacji. To pociągnięcie w dół sprawia, że ​​samoloty wznoszą się w górę, chociaż to dziwne.

W swoim pytaniu chcesz wiedzieć, dlaczego latanie „samolotem” wymaga mniej energii, a potem „helikopterem”. Ponownie pamiętaj, że spychanie powietrza w dół nie powoduje przysiadu, dopóki nie wsiądziesz do silników rakietowych.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, przyjrzyjmy się, co próbuje poruszyć każdy silnik. W małym samolocie silnik musi poruszać śmigłem. Powiedzmy około 70 funtów. Przy tym silniku obracającym 70 funtów ciężaru może on „ciągnąć” (podobnie jak skrzydło) mały samolot z prędkością około 140 węzłów. To więcej niż wystarczająca „prędkość”, aby skrzydlate części samolotu generowały siłę nośną. Pamiętaj, że „winda” nie musi być tak ogromną siłą, po prostu musi być odrobinę silniejsza od grawitacji.

W przeciwieństwie do „łopatek” helikoptera (są tylko skrzydła, które się obracają około) waży około 250 funtów. Trudno jest zamienić prędkość obrotową na węzły, ale przy 650 stóp / s to około 385 węzłów (matematyka na tym jest bardzo szorstka)

Tak więc, pociągnięcie samolotu do przodu z prędkością 140 węzłów wymaga znacznie mniej energii . Następnie kręci skrzydłami z prędkością 384 węzłów.

Utrzymuj wiatr, aby skrzydła samolotu były DUŻO większe niż skrzydła helikoptera. Ta dodatkowa powierzchnia zapewnia większą siłę nośną przy niższych prędkościach.

Aby było to bardziej skomplikowane, cała energia „samolotów” jest używana do poruszania statku do przodu. Otóż ​​to. Samolot leci tylko w jednym kierunku. W rzeczywistości nie obracają się tak bardzo, jak „opadają” w określonym kierunku (generując mniejszy udźwig po jednej lub drugiej stronie wzdłuż 3 osi). Z drugiej strony helikopter musi poświęcić część swojej energii, aby ruszyć „do przodu”. Jego ruch „do przodu” jest w zasadzie zalecany jako opadanie tak jak samolot, ale wtedy musi być zużyta energia na wytworzenie większej siły nośnej, podczas gdy samolot porusza się po prostu do przodu.

TL; DR Tak naprawdę to nie jabłka dla jabłek, ale generowanie tej samej siły nośnej przez poruszanie się do przodu wymaga mniej energii niż kręcenie skrzydłami w kółko i generowanie podnieś w ten sposób.

OGROMNA UWAGA Wykorzystałem prędkości i profile lotu wielu samolotów. Samolotem, którego użyłem, była „Cessna”, ale wziąłem numery tam, gdzie mogłem je znaleźć, więc niektóre to ukochane 172, inne to inne warianty. Liczby helikopterów są jeszcze bardziej zróżnicowane. Próbowałem utrzymać go w lżejszych helikopterach, ale może mi się to nie udało. Ważną częścią jest to, że teoria jest poprawna, ale nie próbuj w żaden sposób liczyć na matematykę.

Kolejna uwaga niektóre statki VTOL faktycznie spychają powietrze w dół, ale jest to nawet mniej wydajne niż kręcenie maleńkich skrzydełek. Krótko mówiąc, naciskanie w dół, aby wznosić się w górę, jest jak rakieta, wytwarza mniejszy nacisk na górę, a „unoszenie się” w górę jest samolotem.

Wyjaśnienie ciśnienia i wyjaśnienie „spychania powietrza w dół” to w zasadzie tylko dwa sposoby opisania tej samej rzeczy. Wszyscy zgadzamy się, że skrzydło działające w powietrzu przyspiesza powietrze w dół. Aby tak się stało, należy wywrzeć siłę w powietrzu. A jeśli tak się stanie, to na skrzydło działa siła o jednakowej wielkości i przeciwnym kierunku. Ta siła jest windą. Jednak część „dłuższa podróż” [nie jest do końca poprawna] (https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong1.html). Rzeczywiście, istnieją symetryczne skrzydła, w których odległość tranzytu jest równa, a które nadal latają.
#10
  0
Suncat2000
2017-04-18 19:07:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Artykuł wprowadza w błąd uogólnienie, ponieważ była to jedna z pierwszych rzeczy, których nauczyłem się podczas szkolenia lotniczego. Samoloty nie latają „zrzucając powietrze w dół”, działają poprzez wytwarzanie obniżonego ciśnienia powietrza, które podnosi samolot do góry (stąd „podnoszenie”) i do przodu (ciąg). Zarówno skrzydła, jak i śmigła (i turbiny) to płaty, których górna zakrzywiona powierzchnia przyspiesza powietrze, gdy porusza się przez niego płat, zmniejszając w ten sposób ciśnienie powietrza. Stosunkowo zmniejszone ciśnienie powietrza nad skrzydłami i stosunkowo zwiększone ciśnienie powietrza pod skrzydłami i za śmigłem unosi samolot w górę i do przodu.

Odrobina prawdy jest taka, że ​​powietrze przepływające nad skrzydłem jest odchylane w dół, a część powietrza jest sprężana pod skrzydłem, gdy samolot się porusza, ale jest to znacznie mniejszy składnik tego, co utrzymuje samolot w locie.

Niższe ciśnienie powietrza za skrzydłem powoduje opór i jest produktem ubocznym siły nośnej. Tarcie powierzchniowe powierzchni nośnych i korpusu samolotu jest również składową oporu. Wir generowany na końcówce skrzydła, gdy strumienie powietrza o wyższym i niższym ciśnieniu zbiegają się i spiralnie wokół siebie mogą być również silnym składnikiem oporu, a także powodować turbulencje, które mogą wpływać na inne statki powietrzne.

Aby rozwiązać problem inna część twojego pytania, wytwarzanie siły nośnej i ciągu odbywa się według tych samych zasad przy użyciu konwencjonalnych silników tłokowych i odrzutowych (silniki rakietowe wytwarzają ciąg poprzez rozprężanie gazów). Być może jednym z najlepiej widocznych przykładów jest samoloty wahadłowe Osprey z dużymi śmigłami, które mogą wytwarzać siłę nośną, ciąg i dowolną kombinację pomiędzy nimi, w zależności od kąta nachylenia silników.

@ ymb1 analogia do pchania pudełko było doskonałym wyborem. Poruszanie się prostopadle do grawitacji (tj. Poruszanie się skrzydła do przodu) wymaga mniej siły niż po prostu przeciwstawianie się mu (tj. Pchnięcie w dół). Dlatego skrzydła są bardziej efektywnym wyborem, zarówno z perspektywy strukturalnej, jak i złożoności.

Więc co się dzieje z powietrzem przepływającym nad skrzydłem? Ssanie na górnej powierzchni ciągnie powietrze nad skrzydłem w dół, a ciśnienie na dolnej stronie spycha więcej powietrza w dół. W rezultacie powietrze jest przyspieszane w dół, gdy wypływa ze skrzydła. Tak, samoloty latają, spychając powietrze w dół; nie jest to uproszczenie, ale konsekwencja pola ciśnienia wokół skrzydła lub wirnika helikoptera.
Może zechcesz poczytać o teorii podnoszenia. Wysokie ciśnienie poniżej, niskie ciśnienie powyżej teorii zostało dobrze i naprawdę spoczęło. Podnoszenie jest odwrotną i równą reakcją na przyspieszanie powietrza w dół.
@Simon: Grube płaty mają zasysanie po obu stronach, ale zawsze występuje różnica ciśnień, gdy jest podniesiona.
@PeterKämpf Tak, zwracałem uwagę, że mit wysokiego ciśnienia „unosi skrzydło do góry” został porzucony.
@Simon… ale przy prędkościach naddźwiękowych jest to częściowo prawda. A także w efekcie przyziemnym.
Nie ma znaczenia, jak to analizujesz, niektóre podstawowe fakty nie mogą / nie mogą się zmienić. Powietrze jest płynne; jeśli na to naciskasz, to się porusza. Powietrze ma masę, więc jeśli na nie popchniesz i się porusza, praca jest skończona. Skrzydła nigdy nie „ciągną” w powietrzu; jeśli, jak mówisz, skrzydło zmniejsza ciśnienie powietrza na górnej powierzchni, ciśnienie powietrza otoczenia wypycha powietrze w dół w odpowiedzi na niezrównoważone siły. Tak więc, gdy skrzydło generuje siłę nośną, powietrze jest przemieszczane w dół, co wymaga wkładu pracy. Nadal można uważać, że skrzydło generuje ciąg pionowy poprzez duże masy powietrza przyspieszane do bardzo małej prędkości opadania.
Niestety, wiele materiałów, których uczy się pilotów podczas szkolenia w locie, jest błędnych w odniesieniu do sposobu działania generowania podnoszenia. Zasada Bernoulliego i trzecie prawo Newtona są jednocześnie prawdziwe. To nie jest kwestia tego, że część dźwigu jest generowana przez jedną, a część przez drugą. _Wszystkie_ windy są zgodne z trzecią zasadą Newtona. Siła przyłożona w kierunku do dołu do powietrza jest równa i przeciwna do siły przyłożonej do siły skierowanej do góry przyłożonej do samolotu. Gdy prędkość pionowa się nie zmienia, wielkość tej siły jest równa masie samolotu.
@PhilipRoe Jaka byłaby nowość dla większości aerodynamików? Pracując z kilkoma z nich w ośrodku testującym aerodynamikę, jestem prawie pewien, że ogólnie znają trzecie prawo Newtona. Może zamiast tego chciałeś odpowiedzieć Simonowi?
@reirab: Ups, przepraszam. Naprawdę chciałem odpowiedzieć Simonowi.
Samoloty * latają *, wyrzucając powietrze w dół. Płaska płyta może spowodować podniesienie.
#11
  0
Boog Dow
2017-04-19 02:20:34 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Cofnijmy się w czasie, aby zapytać pionierów próbujących latać z napędem ludzkim. Konstrukcja skrzydła zapewniała skuteczność w porównaniu z konstrukcjami, które opierały się na ciągu pionowym. Taka wydajność zachęciła do dalszych badań.

Siła nośna wytwarzana przez skrzydło przy odpowiedniej prędkości zależy od ciśnienia. Ciśnienie jest również odpowiedzialne za siłę nośną (wypór) w łodzi (ciśnienie wody zamiast powietrza). Możesz poprosić projektanta łodzi podwodnej o porzucenie stateczników i dodanie skierowanych w dół śmigieł w celu utrzymania głębokości.

Chociaż balon na ogrzane powietrze ma inny mechanizm, może wykazać, że do wytworzenia tej samej siły nośnej potrzebne są różne ilości energii, przy zastosowaniu innej zasady inżynieryjnej. W rzeczywistości mały silnik odrzutowy może być użyty do wytworzenia wystarczającej ilości gorącego powietrza, aby unieść balon za pomocą wózka. Jednak skierowanie małego silnika w dół nie zapewni wystarczającego ciągu do równoważnego podnoszenia.

#12
  0
skua
2017-04-19 23:34:19 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Czy to nie jest trochę jak porównywanie jabłek i pomarańczy? Bez sił zewnętrznych, skrzydła bez silnika, który nimi napędza, niewiele robią, aby wzbić się w powietrze.

Silnik może tworzyć „podniesienie”, kierując go w dół. Aby oderwać się od ziemi, silnik musiałby wytwarzać ciąg, który przeciwdziała jego masie. Jeśli dodasz skrzydła, możesz wzbić się w powietrze ze znacznie mniejszym ciągiem. Tak więc skrzydła ZWIĘKSZAJĄ sprawność silnika, jeśli chodzi o siłę ciągu potrzebną do uniesienia się w powietrze.

„Jeśli dodasz skrzydła, możesz wzbić się w powietrze ze znacznie mniejszym ciągiem.” Tak, ale dlaczego?
#13
  0
Koyovis
2017-05-04 19:01:35 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Dodając do @Dmitrija Gregoriewa świetną odpowiedź: być może twoje pytanie sprowadza się do: dlaczego stałe skrzydło jest bardziej wydajne niż skrzydło w kształcie dysku.

Ze względu na teorię liny nośnej. Utworzenie określonej wielkości podnoszenia na skończonej rozpiętości jest tym bardziej efektywne, im większy rozpiętość.

#14
-4
xxavier
2017-04-18 15:23:17 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Skrzydła to ekonomiczny sposób na przyspieszenie masy powietrza w dół. Fakt, że dobór naturalny wybrał ten system zamiast innych alternatyw, prawdopodobnie oznacza, że ​​skrzydła są najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem ...

dobór naturalny nie ma większego znaczenia w produkcji samolotów. albo mielibyśmy samoloty, które musiałyby trzepotać skrzydłami. lub ptaki z silnikami spalinowymi.
@Federico Jest odwrotnie ... Nie byliśmy (jeszcze) w stanie zbudować ani żywotnych ornithopterów, ani silników, które przekształcają energię chemiczną w pracę mechaniczną. Dobór naturalny ma zawsze rację ...
dobór naturalny nie jest magią, działa z tym, co ma, co często jest dość nieoptymalne, zarówno w punkcie wyjścia, jak i końcowym wyniku. jej jedynym „celem” jest uczynienie żywej istoty X zdolną do przetrwania żywej istoty „Y”. zobacz także tutaj: https://biology.stackexchange.com/q/21272/9247
@ Nie jestem pewien, czy to „nieoptymalne”… W końcu udało mu się wyprodukować „Federico”. Czy znasz alternatywny, lepszy sposób na zbudowanie takiego ...?
dużo. Mam wiele wad fizycznych, tak jak wszyscy. zaczynając od tej małej irytującej skłonności do zachorowania.
Pomijając argumenty dotyczące doboru naturalnego, „to jest X, ponieważ X jest najlepszy” nie jest szczególnie dobrą odpowiedzią na jakiekolwiek pytanie w witrynie SE. Naprawdę szukamy odpowiedzi, która opisuje, dlaczego X jest najlepszy.
@Federico Cóż, bardzo mi przykro z powodu twoich niedociągnięć, ale na tym polega problem z rzeczywistością. Fantazja to kolejna rzecz ... Jasne, że jesteś w stanie wyprodukować w swojej wyobraźni „ulepszonego Federico”. Ale zrobienie prawdziwego, którego nie możesz ... Nie znasz żadnego alternatywnego sposobu na wyprodukowanie zwykłego „Federico”, a tym bardziej „ulepszonego Federico”. Jednak dobór naturalny stworzył taki, który działa ... I to jest fakt, a nie fantazja ...
@FreeMan Dobór naturalny zawsze wygrywa. Czy adaptacja jest najlepsza? Cóż, gdyby nie najlepsza, byłaby inna, lepsza adaptacja i ta adaptacja byłaby z konieczności najlepsza ...
Niestety, „dobór naturalny” (proces biologiczny, a nie mechaniczny) nie zawsze wygrywa. Jest wiele rzeczy, które zdarzają się w moim miejscu pracy, które w żaden sposób nie są najlepszym sposobem robienia rzeczy, ale „tak zawsze to robiliśmy” jest powodem, dla którego nie należy się zmieniać. Dlatego twój argument „Skrzydła są najlepsze, ponieważ są” byłby akceptowaną, ale bardzo nieważną odpowiedzią w moim miejscu pracy. Powtórzę, że Twój argument „X jest najlepszy, ponieważ tak to się robi” jest nieważny bez potwierdzających dowodów. Jednak widzę, że podjąłeś decyzję, więc teraz rzucę.
@FreeMan: Daj tu trochę luzu początkującym. Gdyby to zostało przeformułowane jako „brzytwa Ockhama”, społeczność prawdopodobnie oceniłaby mniej surowo. xxavier ma rację, chociaż nie jest to absolutny dowód. Mam wystarczająco dużo doświadczenia z algorytmami genetycznymi, aby mieć zdrowy szacunek dla doboru naturalnego. Mam nadzieję, że możesz być przekonany, że tak surowe przegłosowanie odstraszy nowych współtwórców. Nie powinniśmy być jak Wikipedia!
Dobór naturalny stworzył skrzydła, które zasadniczo różnią się od skrzydeł samolotów. Samoloty nie muszą chować się przed drapieżnikami, nie budują gniazd i nie używają skrzydeł do tańców godowych.
@Dmitry Grigoryev To prawda, ale pomimo pewnych różnic są one w końcu skrzydłami ... Wszystkie latające zwierzęta używają skrzydeł, a nie - na przykład - dmuchaw skierowanych w dół, i nikt nie zdecydował się być latającym aerostatem, lżejszym -system nadmuchowy ...
@xxavier Jednak aerostaty mają nieskończoną skuteczność w utrzymywaniu wysokości: nie wymagają żadnego ciągu do unoszenia się. Wydaje się, że pokonujesz tutaj swój własny argument.
@Dmitry Grigoryev Wystarczy zobaczyć, ile osób lata w aerostatach, a ile w skrzydlatych maszynach cięższych od powietrza. To `` stosunek sukcesu '' ... Fantazja to jedno, a rzeczywistość to drugie ...
@xxavier Pytanie dotyczy efektywności w utrzymaniu wysokości, a nie „wskaźnika sukcesu”. Niewielu też lata na szybowcach.
@Dmitry Grigoryev. To Ty mówisz, że pytanie dotyczy „wydajności w utrzymaniu wysokości”. To tylko część problemu latania, a nie najważniejszy, o czym może świadczyć „sukces” sterowców ...
@PeterKämpf nie mieszajmy algorytmów, zaprojektowanych tak, aby dawały pewne optymalne wyniki, z losowym procesem, który nie jest zaprojektowany ani dostosowany do optymalizacji, ale tylko po to, aby „host” przeżył wystarczająco długo. „Funkcja kosztów” jest zupełnie inna.
Ciekawa odpowiedź „po wyjęciu z pudełka”
@Federico: Algorytmy genetyczne używają losowych wariacji, więc działają jak ewolucja. Ale może mimo wszystko jesteś kreacjonistą, więc nie widzę sensu wchodzenia w spór. Wiara i nauka nie pasują do siebie.
@PeterKämpf nie, ja jestem punktowcem (Gauld), a ty gradualistą (Dawkins).
@Federico: Nonsens - zmiana zależy od presji środowiskowej, a nie od jakiegoś światopoglądu, który jest opisywany skomplikowanym słowem. Zmiana zachodzi, gdy jest potrzebna.
@PeterKämpf to jesteś interpunkcjonistą, ale wtedy nie rozumiem twojego poglądu na ewolucję, ponieważ algorytmy są zawsze pod "presją środowiskową", natura mniej (jak właśnie powiedziałeś) i taka presja nie jest stała w czasie.
@Federico Tak, algorytm kompresuje czas. Robi to tak czy inaczej w symulacji - to jeden z punktów prowadzenia symulacji. Nie sprawia to, że strategia optymalizacji różni się od naturalnej ewolucji.
@PeterKämpf „nie jest stały w czasie”, jak „nie jest stały w kierunku ani wielkości”: jeśli nie masz funkcji kosztu, która zmienia się podczas symulacji (ale wtedy tak naprawdę nie wykonujesz pracy inżynierskiej), nie symulujesz natury. zmieniają się drapieżniki, zmiany klimatyczne, zmienia się twoja ofiara. aerodynamika i termodynamika nie ulegają zmianie. natura „optymalizuje” dla wszystkich z nich, inżynier tylko dla dwóch ostatnich.


To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...