Erzeugt ein Windmühlenpropeller in einem Motorausfall-Szenario mehr Luftwiderstand als ein angehaltener Propeller?

Den Ratschlägen im Forum würde ich nicht folgen. Während die Argumentation, dass eine Windmühlenstütze mehr Luftwiderstand erzeugt, stichhaltig ist, habe ich keine empirischen Beweise gesehen, die sagen, wie viel es tatsächlich in Fuß pro Minute bedeutet. Die einzigen Studien, die ich gesehen habe, waren zu diesem Thema nicht schlüssig und besagen, dass es eine Reihe von Faktoren gibt, die Sie in dieser Situation nicht wirklich kontrollieren können. Die Requisite ist im Vergleich zum Flugzeug selbst nicht so groß. Wenn also eine sich drehende 30% mehr Luftwiderstand hat (nur eine Vermutung, wie gesagt, ich habe keine tatsächlichen Zahlen gesehen), wird Sie das nicht dazu bringen, herauszustürzen der Himmel.

Ich würde empfehlen, das Triebwerksausfallverfahren im POH Ihres jeweiligen Flugzeugs zu befolgen. Der Rat, das Flugzeug zu verlangsamen, um zu versuchen, den Propeller zum Stoppen zu bringen, hat eine Reihe von Fehlern:

• Ablenkung von kritischen Aufgaben: Wenn Sie das Flugzeug verlangsamen, bis der Propeller stoppt, lenken Sie Ihren Fokus davon ab, ein Feld zum Landen zu finden, sicherzustellen, dass Ihre Passagiere gebrieft und angeschnallt sind, einen Notruf abzusetzen und zu versuchen, den Motor neu zu starten. Du wirst genug beschäftigt sein!
• Gefahr bei niedriger Fluggeschwindigkeit: Eine ausreichende Verlangsamung, um den Propeller zu stoppen, kann eine sehr niedrige Fluggeschwindigkeit erfordern, und Sie könnten einen Stall-/Spin-Ausflug haben, der weitaus gefährlicher ist als eine Gleitlandung
• Schleppkurve: Wenn Sie sehr langsam fliegen, um den Propeller zum Stoppen zu bringen, werden Sie unter die beste Gleitgeschwindigkeit gebracht, wo Sie Ihre beste Gleitzahl erzielen. Unterhalb der besten Gleitgeschwindigkeit beginnen Sie, eine hohe Sinkgeschwindigkeit zu entwickeln, so dass Sie, wenn Sie den Propeller stoppen, Hunderte von zusätzlichen Fuß verloren haben. Sie könnten mehr Höhe verlieren, als Sie potenziell sparen würden, und wertvolle Zeit damit verschwenden
• Die Chancen stehen gut, dass Sie das Propellerverhalten sowieso nicht ändern können: Wenn Ihre Kurbelwelle gebrochen ist, dreht sich der Propeller, egal was Sie tun, wenn Sie eine Stange geworfen haben, wird er stoppen und Sie konnten ihn nicht dazu bringen Windmühle, wenn Sie mit Mach 1 geflogen sind

Etwas Mathematik bringt dies ins rechte Licht. Angenommen, die Sinkgeschwindigkeit eines Flugzeugs ohne Motor mit einer sich drehenden Stütze beträgt 1000 und mit einer stillstehenden Stütze 900 fpm. Bei einem Gleitflug aus 3000 Fuß verschafft Ihnen das zusätzliche 20 Sekunden, aber es dauert wahrscheinlich viel mehr als 20 Sekunden, um langsam genug zu sein, um den Propeller zu stoppen und dann wieder eine stabile Fluggeschwindigkeit zu erreichen.

Sehr langsam zu fliegen, um den Propeller zu stoppen, ist eine potenziell gefährliche Ablenkung. Stellen Sie einfach die beste Gleitgeschwindigkeit ein, und wenn der Propeller stoppt, ist dies ein Bonus.

Die Antwort: Es kommt darauf an. Im Allgemeinen wird ein angehaltener Propeller abgewürgt und erzeugt so wenig Luftwiderstand. Umgekehrt wird ein Windmühlenpropeller normalerweise nicht abgewürgt, sondern entzieht dem Luftstrom Energie und verwendet diese, um den Motor zu drehen (was normalerweise eine moderate Menge an Energie erfordert), was die Sinkrate erhöht.

Sollten Sie jedoch den Propeller stoppen? Das ist eine viel schwierigere Frage. Relevante Fragen sind: Wie langsam müssen Sie fahren, um den Propeller zu stoppen? Kannst du den Propeller stoppen? Wenn es erforderlich ist, über einen längeren Zeitraum unter die Mindestsinkgeschwindigkeit zu fallen, ist dies wahrscheinlich eine schlechte Idee, da das Sinken mit abnehmender Geschwindigkeit schnell zunimmt (Sie befinden sich jedes Mal auf der „Rückseite der Leistungskurve“, wenn Sie unter der Mindestsinkgeschwindigkeit fliegen ).

Bei einigen antiken Flugzeugen ist oder war es in einigen Clubs angeblich eine Anforderung, dass Piloten den Motor und die Stütze abstellen und den Motor im Flug neu starten können, bevor sie Pilotenrechte für beispielsweise den Club Tiger Moth erhalten (diese sind im Allgemeinen handgestartet). Es wird allgemein behauptet, dass das Stoppen des Propellers den Gleitflug merklich verlängert. Die Tiger Moth hat auch eine große, sich langsam drehende Holzstütze und eine ziemlich niedrige Stallgeschwindigkeit.

Ob ich das im Notfall ausprobieren würde? Mit ziemlicher Sicherheit nicht; Wenn es der POH ist, dann sicher ... aber ich habe ihn noch nie im POH eines einmotorigen Flugzeugs gesehen, das ich je geflogen bin. Und wenn ich den Motor auslasse, habe ich wahrscheinlich schlimmere Dinge, um die ich mir Sorgen machen muss (es sei denn, ich fliege meine üblicheren Segelflugzeuge).

Ein Windmühlenpropeller erzeugt viel mehr Luftwiderstand, mindestens um eine Größenordnung. Das offensichtliche Beispiel ist ein Autogyro oder Hubschrauber in Autorotation, der wie ein Stein fällt, wenn der Rotor stoppt.

Der Widerstand ist eine Funktion der Blattfläche für einen angehaltenen Rotor und eine Funktion der Scheibenfläche für einen Windmühlenrotor. Der Unterschied ist bei großen Rotoren mit wenigen Blättern am deutlichsten und bei Turbofans fast nicht vorhanden. Diese Antwort gibt einige Zahlen:

Berechnet man den flächenbezogenen Auftriebsanteil eines vertikal selbstrotierenden Rotors, so ist dieser vergleichbar mit einem auf die Rotorfläche bezogenen Koeffizienten von 1,1 bis 1,2. Laut dieser Quelle hat eine flache Platte einen Luftwiderstandsbeiwert von 1,28 und ein Fallschirm einen von 1,4. Im vertikalen Sinkflug ist der automatisch rotierende Rotor also fast so gut wie ein Fallschirm mit der gleichen Fläche.

Wenn Sie hoch genug sind, wenn der Motor stoppt, ist es eine gute Idee, ein wenig langsamer zu werden, damit der Propeller aufhört zu windmillen. Sobald es angehalten hat, können Sie wieder normal beschleunigen. Der Propeller beginnt normalerweise nicht wieder mit dem Windmühlen, da sein Luftwiderstand und damit die verfügbare Leistung jetzt viel geringer ist.

Der Luftwiderstand ist für einen Windmühlenpropeller deutlich höher.

Sowohl Luftwiderstand als auch im Motor verlorene Energie tragen dazu bei. Ich schätze, Sie werden mindestens 200 FPM schneller sinken, wenn Sie die Propellerwindmühle lassen.

Für den aerodynamischen Widerstand ist es unmöglich, dies in eine Schätzung in Fuß pro Minute umzuwandeln, da er so stark von der Konstruktion des Propellers und dem Gesamtwiderstand des Flugzeugs abhängt. Aber Sie können hier sehen: Aerodynamics for Naval Aviators, 1965 (Seite 149 in den Seitenzahlen, oder 167 im PDF), dass der Luftwiderstand erheblich ansteigen kann.

Eine typische Stütze mit fester Neigung hat eine Neigung von etwa 15 Grad (mehr Details unten). Ein Propeller mit konstanter Geschwindigkeit, der Öldruck verloren hat und nicht automatisch ausfedert, liegt wahrscheinlich eher bei 5 Grad. (Feathering Props werden in mehrmotorigen Flugzeugen verwendet, um den Luftwiderstand zu verringern, wenn ein Motor ausfällt. Non-Feathering Props werden in einmotorigen Flugzeugen verwendet, sodass Sie nicht Ihre gesamte Leistung verlieren, wenn die Pitch-Steuerung ausfällt, aber der Motor immer noch funktioniert.) . Insgesamt erhöht sich der tatsächliche Propeller-Parasitärwiderstand (einfacher Luftwiderstand) um bis zu Faktor 3. Nicht Größenordnungen, aber es ist signifikant. Da ich nicht abschätzen kann, wie viel des Gesamtwiderstands auf den Propeller zurückzuführen ist, kann ich nur sagen, dass dies wahrscheinlich spürbar ist. Wenn Sie jedoch einen Kreuzfahrtprop oder einen einstellbaren Propeller mit hoher Steigung haben, ist es möglich, dass er nahezu gleichmäßig funktioniert, da der Windmühlenpropeller über 22 Grad tatsächlich weniger Luftwiderstand hat.

Aber dann ist da noch der zusätzliche Faktor des vom Motor erzeugten Luftwiderstands, der wahrscheinlich viel bedeutender ist. Es ist möglich, eine vernünftige Baseballzahl zu finden. Schätzung und Highschool-Physik sind erforderlich.

Ein Flugzeug ohne Antrieb verliert potenzielle Energie in Form von Höhe, um es zu ziehen. Da sich die Geschwindigkeit des Flugzeugs nicht ändert, ändert sich auch seine kinetische Energie nicht und es muss nur die potentielle Energie berücksichtigt werden. Wir berechnen, wie schnell dem Flugzeug durch den sich drehenden Motor Energie entzogen wird.

Arbeit ist die Energiemenge, die von einem Ort zum anderen übertragen wird, und Leistung ist die Menge an Arbeit im Laufe der Zeit. Die Formel für Arbeit (in einem rotierenden System, wie z. B. einem Motor) ist Drehmoment * Theta, wobei Theta die gesamte gedrehte Winkelstrecke ist. Leistung (Watt) wird in Joule pro Sekunde ausgedrückt, obwohl ich die Leistung hier in Joule/Minute beziffern werde, weil unsere anderen Zeiteinheiten auch in Minuten sind. Das Joule ist natürlich die Einheit von Arbeit und Energie.

Angenommen, ein Flugzeug mit einem Gewicht von 1000 kg fliegt in einer Höhe von 1500 Metern AGL. Seine potentielle Energie ist:

1000 kg * 1500 meters * 9.8 (gravity) = 14,700,000 J (14.7 mJ)

Unter der Annahme einer Propellerwindmühle bei 200 U / min beträgt die Winkelgeschwindigkeit:

2pi radians / revolution * 200 revolutions / minute = ~1260 radians / minute

Das Drehmoment, angegeben in Newtonmetern, schätze ich zwischen 50 und 500 Nm, tendenziell eher hoch. 50 ist aus meiner persönlichen Erfahrung, einen Propeller mit langsamer Geschwindigkeit von Hand zu drehen, es ist ungefähr so ​​viel Kraft; aber in der Luft denke ich, dass dies äußerst optimistisch ist. 500 ist eine höhere Schätzung, die wie folgt begründet wird.

Einmotorige Flugzeuge wie die Cessna 172 haben häufig einen 180-PS-Motor. Der Propeller hat normalerweise genug Luftgreiffähigkeit, um diese 180 PS bei einer Motorrotlinie von ~ 2700 U / min in die Luft zu übertragen.

Umrechnung PS in Joule/Minute (1 Watt = 1 Joule/Sekunde):

180 HP * (746 watts / HP) * (60 seconds / minute) = 8057 kJ / minute

Unter der Annahme, dass der Propellerwirkungsgrad mit der Drehzahl relativ konstant ist, können Sie die Leistungsabgabe des Propellers linear mit der Drehzahl umrechnen:

8057 kJ / minute * (200 RPM / 2700 RPM) = 596 kJ / minute

Der Propeller sollte also etwa 600 kJ / Minute zurück in den Motor übertragen können. Dies liegt im Bereich meiner Schätzung von 500. Da jedoch nicht die gesamte normale Motorleistung in den Propeller fließt (aufgrund mechanischer Verluste und motorgetriebenem Zubehör), scheint die Schätzung von 500 ziemlich nahe zu liegen, und ich bleibe dabei es wegen der einfacheren Mathematik. Diese Schätzung ist ein ziemlicher Sitz der Hose - viele Fehlerquellen, wie Schwankungen der Propellereffizienz mit der Drehzahl und Rückwärtsfahren - werden ignoriert. Aber wenn der Propeller weniger effizient ist, verbraucht er mehr Leistung - also könnte sogar meine hohe Schätzung zu niedrig sein.

Zurück zum Motorschaden. Die vom Motor abgegebene Leistung ist daher:

1260 * (50 to 500 or you pick) = 63 kJ to 630 kJ per minute

Eine Cessna 152 hat eine Sinkrate von 725 fpm , wenn sie mit angehaltenem Propeller im besten Gleitflug fliegt (die besten Gleitgeschwindigkeiten werden normalerweise mit angehaltenem Propeller angegeben); Die Cessna 172 ist näher an der Masse, die ich verwende, und hat eine ähnliche Gleitleistung, also verwende ich einfach dieselbe Nummer. Dies ist sowieso eine geschätzte Berechnung. Bei einer Sinkrate von 725 Fuß pro Minute (221 Meter pro Minute) dauert es normalerweise 6,78 Minuten, um die 1500 Höhenmeter, mit denen Sie begonnen haben, zu überwinden. Potenzielle Energie durch Zeit dividieren:

14,700,000 / 6.78 = 2.168 MJ/min energy loss

Bei der niedrigen Schätzung (wahrscheinlich nur vernünftig für einen Motor, der einen totalen Kompressionsverlust, aber keinen anderen Schaden erlitten hat), erhöht der Verlust von zusätzlichen 63 kJ / min Ihre Sinkrate nur um

(2.168 + .063) / 2.168 = 1.029

etwa 3 % oder von 725 fpm auf 746 fpm. An den Instrumenten merkt man das vielleicht gar nicht, aber wenn man dadurch in letzter Sekunde an einer Stromleitung hängen bleibt, merkt man das auf jeden Fall. Bei der hohen Schätzung würde der Verlust von zusätzlichen 630 kJ/min Ihre Sinkrate jedoch um Folgendes erhöhen:

(2.168 + .630) / 2.168 = 1.29

29 % oder von 725 fpm auf 935 fpm. Das ist sehr bedeutsam. Und das beinhaltet noch nicht einmal den zusätzlichen aerodynamischen Widerstand durch die sich drehende Stütze. Es liegt nur an der Energie, die im Motor verloren geht.

Also abschließend: Wenn der Strom ausfällt, stoppt die Stütze .

Es gibt jedoch einen letzten Punkt. Wenn Sie aufgrund eines mechanischen Fehlers die Leistung verloren haben, ist es sehr wahrscheinlich, dass der Propeller aufgrund des Schadens, der den Leistungsverlust verursacht hat, von selbst stoppt. Kraftstoffmangel ist jedoch die häufigste Ursache für Leistungsverlust während des Fluges. Wenn Ihnen der Treibstoff ausgeht, dreht sich der Propeller wahrscheinlich weiter, es sei denn, Sie stoppen ihn selbst.

• Der Neigungswinkel in Grad unterscheidet sich von der normalen Beschreibung der Neigung, die in Zoll gemessen wird, wobei etwa 76 "x 60" typisch wäre. Sie können den Steigungswinkel basierend auf den Propellermessungen in Zoll berechnen, indem Sie die Formel für den Schrägungswinkel verwenden . Wenn Sie dies tun, denken Sie daran, dass die Propellersteigung mit 75 % des Blattdurchmessers angegeben ist und nicht mit 100 % wie in den Mathematiklehrbüchern).

Dieses von Erbureth bereitgestellte Papier liefert empirische Beweise zur Beantwortung der Frage. Die kurze Antwort ist, dass manchmal ein angehaltener Propeller weniger Widerstand und manchmal ein Windmühlenmotor weniger Widerstand lieferte. Dies macht für mich tatsächlich sehr viel Sinn, da der Luftwiderstand mit der Position der Staudrucklinie an der Stütze zusammenhängen sollte.

Ein paar Beobachtungen aus anderen Antworten:

• Eines der Dinge, die ich immer höre, wenn diese Frage gestellt wird, ist, dass sich ein rotierender Propeller in eine Scheibe verwandelt und mehr Fläche hat. Dies ist eindeutig falsch, da die Fläche eines Propellerblatts immer gleich ist, ob es sich dreht oder nicht.
• Wenn eine Stütze gefiedert ist, hört die Stütze auf zu windmillen und der Luftwiderstand ist erheblich geringer. Dies erzeugt den Eindruck, dass der gestoppte Propeller viel weniger Luftwiderstand hat, aber in Wirklichkeit liegt dies an der Tatsache, dass der gefiederte Propeller viel weniger Formwiderstand hat. Die Tatsache, dass die Stütze gestoppt ist, ist nicht der Hauptgrund.

Das Argument, dass die Windmühlenstütze das Flugzeug verlangsamt, indem sie Energie entzieht, um einen toten Motor zu drehen, ignoriert die Tatsache, dass eine gefrorene Stütze versucht, das gesamte Flugzeug zu drehen. Die Steuereingaben, um das Flugzeug waagerecht zu halten, sind wahrscheinlich sehr eng, und das drehende Flügelprofil ist möglicherweise etwas weniger schleppend, also was geht hier vor?

Es ist allgemein bekannt, dass Propeller Tragflächen sind, und Turbulenzen, die von einem Blatt erzeugt werden, wirken sich auf das andere aus. Im Windmühlenfall hat die vom Propeller erzeugte Turbulenz einen größeren Einfluss auf das andere Strömungsprofil, den Flügel.

Dies ist höchstwahrscheinlich der Hauptfaktor für den Verlust der Gleitdistanz. Es ist wichtig zu erkennen, dass die Luft, durch die das Flugzeug gleitet, keine kinetische Energie zu extrahieren hat, alles liegt in der kinetischen und potentiellen Energie des Flugzeugs. Aber die Windmühlenstütze verringert die Effizienz des Flügels bei der Nutzung der Flugzeugenergie, indem sie mehr Turbulenzen erzeugt.

Ich habe das mehrfach in einem C152 getestet. Beginnend bei 10.000 Fuß und Abschalten des Treibstoffs für den Motor – Anwenden der Nase nach oben, um die Höhe so lange wie möglich zu halten (wodurch meine Vorwärtsgeschwindigkeit verlangsamt wird), bis der Propeller stoppt. Dann hielt der Segelflug mit dem Propeller für eine lange Strecke an und überflog dabei mehrere Flughäfen. Ein Windmühlenpropeller ließ mich um eine beträchtliche Distanz zurück.

Ich weiß, dass ich in meinen jüngeren Tagen komisch war, aber ich bin geflogen!

Eine Windmühlenstütze erlaubt es dem Windschatten, sie herumzuschieben. Ein angehaltener kämpft gegen den Windschatten - indem er ihn in eine Spirale drückt / ablenkt. Die Reaktion darauf versucht, das Flugzeug zu drehen, wie Robert DiGiovanni sagt. Und es verrichtet Arbeit, weil es eine Kraft auf die Luft ausübt, die sich dadurch bewegt.

Ich würde also weniger Luftwiderstand vom Windmilling erwarten. Es ist wie Freilauf auf einem Fahrrad im Vergleich zu einem blockierten Rad.

Ich gehe in beiden Fällen von der gleichen AoA aus, dh gestoppt bedeutet nicht gefiedert. Einige Leute scheinen das Gegenteil angenommen zu haben, worauf ich neugierig bin: Wie würden Sie eine Stütze mit fester Tonhöhe federn, was in OP angegeben ist.

Ein angehaltener Propeller wird abgewürgt und erzeugt so ein geringes Drehmoment, um das Flugzeug zu "drehen". Der Luftwiderstand ist gering, da die Blattoberfläche klein ist. Ein Windmühlenpropeller wird nicht abwürgen, daher könnte die extrahierte Energie viel höher sein. Es hängt davon ab, ob der Propeller frei läuft oder den Motor tatsächlich dreht.