是的,直升機懸停時使用更多的燃油是正確的:發動機需要施加更多的動力來克服阻力。這是不同空速所需的發動機功率的圖表,摘自J. Gordon Leishman,《直升機空氣動力學原理》:
隨著空速的增加,總功率下降了0-70 kts,這是由感應功率線引起的:克服直升飛機葉片感應阻力所需的功率。所需的發動機總功率為:
感應功率在懸停中占主導地位。感應阻力是由升力矢量向後傾斜引起的:葉片和自由流之間的角度越大,矢量向後傾斜的程度就越大,這既會引起升力損失,也會增加阻力。升力L的等式為:
$$ L = C_L \ cdot \ frac {1} {2} \ cdot \ rho \ cdot V ^ 2 \ cdot S $$
在給定的高度下,此處的兩個變量是$ C_L $(升力係數)和$ V $(葉片處的空速)。 $ C_L $是葉片迎角的近似線性函數,因此升力隨著葉片向後傾斜而線性增加,並且隨葉片上空速的增加而平方增加。
Leishman的上圖顯示了懸停時和空速時葉片上的速度分佈。非常複雜的情況-懸停時,到達葉片的空速只是轉子的轉速,在前進速度時,葉片前進的轉速是空速加上空速。
直升機不會翻轉,並且前葉片和後退葉片都提供相同的升力,而後退葉片向後傾斜的角度大於懸停時。但是前進的葉片向後傾斜的程度要小得多:空速具有二次影響。
請注意,圖中空速為fwd時的圓不是停滯流,而是倒流:空氣以刀片背面。因此,阻力現在為負,氣流有助於推動葉片!但是,在逆流區域會損失升力。
首先,由於簡單的一維脈衝考慮(通過盤的空氣量增加),感應功率首先隨空速降低(後來通過盤的空氣質量增加),隨後隨著盤的增大越來越向前傾斜,必須做更多的工作來克服因旋翼外形阻力,機身寄生阻力和可壓縮性阻力而造成的損失。
下衝對機身也有乾擾作用:在空中懸停氣流直接下降,而在向前飛行時,旋翼清洗器與機身更加對齊,捕捉到更多的流線型形狀。寄生阻力當然是最高速度時的主要表現,而使用固定翼面使轉子卸載可降低高速時的感應功率-但從懸停到中等的前進速度,純粹是提升感生功率的減少會產生平移升力。 >
是的,如果直升機的飛行速度不太快,那是正確的。直升機將以適度的前進速度最有效地產生必要的升力。
在懸停時,必須由主旋翼的旋轉產生所有可用於升力的氣流。這意味著少量空氣必須大量加速。如果直升機增加前進速度,則可以通過旋翼獲得更高的質量流量,現在需要更少的空氣加速來實現相同的升力。這提高了舉昇機的創建效率。如果直升機以最大的爬升速度快於其速度,則空氣阻力會變得過高並再次降低效率。
在高速行駛時,前進葉片的尖端可能會達到超音速,這會產生明顯的聲速。阻力增加,而後退槳葉的內部幾乎看不到空速,並且仍然產生升力,整個槳葉的俯仰角變大,導致槳葉內部失速,這又導致阻力明顯增加。在懸停和快速移動之間有一個最佳點,即所需的功率達到最小。
是的,我不是物理系學生,但是我在Black Hawks工作。如果您將直升機概念化為僅產生升力的主旋翼盤,那麼彼得·卡姆普夫(Peter Kampf)關於通過旋翼盤的質量流的答案就是最大的因素。 (請記住,隨著直升機向前移動,光盤會向前傾斜)。但是,您的問題實際上是問為什麼它們消耗更少的燃油:好吧,機身上的數千個小設計功能都有助於節省向前飛行中的寶貴燃油。 (您可能會在閱讀本文時進行Google圖像搜索以查看它。)
黑鷹有一個彎曲的垂直鰭片,可將尾旋翼卸載到60kts以上,並且該扭矩被重定向到主旋翼上。轉子。它具有可變的穩定器,可隨著空速的變化而改變角度(=改變主旋翼的下衝角),以提供升力,從而進一步使主旋翼卸載。尾旋翼傾斜一定角度,然後向後旋轉進入主旋翼洗滌區,再次卸載主旋翼,從而釋放更多動力以保持前進速度。它具有飛行中的計算機和一個混合器單元,該單元可以使飛行中的機身變平,從而不會在高速前進時向氣流中提供平坦的機艙頂蓋。可以使圓盤保持相對氣流越平坦,葉片的俯仰角越小,並且來自轉子圓盤的寄生阻力越小。
當前進葉片在前進飛行中看到較高的相對空速時,主旋翼葉片的尖端向後掃掠以延遲跨音速尖端阻力的發作。其他直升飛機的機體整流罩在向前飛行時會產生升離機艙的升力。所有這些空氣動力節省都存在於前向飛行中,但不在懸停中。最後,您的渦輪發動機進氣口將受益於前向飛行中的沖壓空氣效應,這意味著在相同扭矩下燃燒更少的燃料。世界上每架直升機都使用部分或全部這些功能來節省飛行中的燃料,如果您比較幾代直升機(貝爾47,貝爾UH-1,貝爾412,黑鷹),您會發現這些功能逐漸發展。 / p>
當直升機懸停在地面上時,還有其他考慮因素,但我試圖列舉一些直升機為節省飛行燃料而設計的方法。希望有些幫助。
這個概念被稱為“平移提升”。在向前飛行中移動時,直升機的轉子盤的作用與飛機機翼非常相似-它具有顯著的升阻比。保持水平飛行所需的推力以該比例減小,因此必要的發動機功率和燃油流量也減小了。在懸停時,發動機+旋翼系統必須提供完全等於直升機重量的推力。
在懸停時,空氣有更多時間從更高的方向進入感應洗滌,到感應洗滌到達轉子平面時,空氣轉化為更高的向下流速。在平移飛行中,旋翼不斷向乾淨的空氣移動,因此,當空氣到達旋翼平面時的向下流動速度小於懸停時的速度。功率等於力乘以速度,在這種情況下,請考慮向空中輸出的功率。在這兩種情況下,力是相同的(等於直升機的重量),但是在懸停時,通過旋翼飛機的向下沖洗速度大於平移飛行時的速度,因此懸停時所需的動力更大直到翻譯阻力成為問題為止。
另一個問題是尖端渦旋。在懸停過程中,這些可能會變得非常大,這又是由於所有時間都需要建立渦流,並且轉子尖端會移動到由其他轉子尖端引起的渦流中。在平移飛行中,渦旋被相對的水平風“沖走”,從而減小了尖端渦旋的大小。
要考慮的另一點是直升機是否具有補充機翼。較有名的例子是 Mi-24攻擊直升機家族,其中的武器塔用作機翼。
“在高速情況下,機翼可提供相當大的升力(佔總數的四分之一)
在滿載的高海拔地區,建議的升空程序是獲得水平速度,以便機翼獲得一定的升力。
如果重力是唯一作用在飛機上的力,那麼飛機在每個時刻都會獲得一定程度的向下動量。因此,要保持高度,飛機必須將動量傳遞給其他質量(即空氣)。也就是說,將會有一些空氣以零速度開始(在最簡單的情況下)並以一定的向下速度結束。由於動量是質量乘以速度,因此必須將空氣加速到的速度將與加速的空氣質量成反比:速度=動量/質量。但是,空氣的能量為mv 2 sup> / 2。當我們將速度代入該方程式時,我們得到能量=質量*(動量 2 sup> /(2 *質量 2 sup>)。質量的一冪抵消了,能量=動量 2 sup> /(2 * mass)。因此,向下加速的空氣量增加一倍,所需的能量減少了一半。當飛機高速行駛時,大量的空氣與其機翼接觸,這意味著它不必花費大量的能量來產生升力(當然,它飛行的速度越快,它受到的阻力就越大,就可以在升力與阻力之間進行權衡)。直升機會遇到類似的情況:水平飛行時,它自然會流到新的空氣中。當它徘徊時,有更少的空氣向下加速,並且必須由轉子自己的力將其中的空氣拉向轉子。