Relative Effizienz von Flugzeugen und Hubschraubern, warum ist dieses Argument falsch?

Ein Argument, das ich in anderen Fragen zu diesem Thema immer wieder sehe, ist, dass Hubschrauber aktiv Energie sowohl zur horizontalen Verschiebung als auch zur Aufrechterhaltung der vertikalen Position beitragen, während Flugzeuge die Vertikale "kostenlos" erhalten und nur den Luftwiderstand überwinden müssen, um in der Luft zu bleiben. Für mich scheint dieses Argument falsch zu sein, aber wenn nicht, würde ich gerne verstehen, wohin mich meine Argumentation in die Irre führt.

Ich stimme zu. Ich habe immer festgestellt, dass es Lücken in der Argumentation gibt, dass Flugzeuge effizienter sind als Hubschrauber, weil ein Flugzeugflügel nur Auftrieb liefern muss, während ein Hubschrauberrotor sowohl Auftrieb als auch Schub liefern muss. Der Grund dafür ist, dass die Auftriebsproduktion in einem Flugzeug nicht kostenlos ist ; Aus diesem Grund benötigen Flugzeuge Propeller, die Schub liefern, um den Formwiderstand und den induzierten Widerstand zu überwinden. Wenn die Auftriebsproduktion frei wäre, könnten Sie mit einem symmetrischen Tragflächenprofil einen Auftrieb bei null Grad AOA erzeugen, wodurch keine induzierten Widerstandsnachteile entstehen, aber wir sind natürlich nicht der Fall.

Diese Argumentation scheint sich auf zwei Dinge zu reduzieren, die oft nicht explizit genug gemacht werden (wenn überhaupt):

1. Die Auftriebsproduktion in einem Flugzeug ist nicht kostenlos, aber die Vorwärtsbewegung, die verwendet wird, um von Punkt A nach Punkt B zu gelangen, ist es. Der Unterschied besteht darin, dass Sie eine Vorwärtsbewegung ohne Auftrieb haben können, aber keinen Auftrieb ohne Vorwärtsbewegung. Dieselbe Bewegung, die erforderlich ist, um Auftrieb zu erzeugen, um das Flugzeug in der Luft zu halten, kann auch von Natur aus verwendet werden, um es von Punkt A nach Punkt B zu bewegen. Während dies für einen Hubschrauber separate Dinge sind. Dies würde die Entfernungseffizienz, aber nicht unbedingt die Flugzeiteffizienz beeinträchtigen.
2. Etwas verwandt mit Nr. 1 ist, dass Sie in einem Hubschrauber eine Auftriebs- / Schuberzeugungsbewegung im sich drehenden Rotor haben, die auf einen Widerstand trifft, der überwunden werden muss, und Sie haben die Vorwärtstranslationsbewegung des Flugzeugs, die einen Widerstand erfährt, der ebenfalls sein muss überwinden. Dies ignoriert jedoch die Tatsache, dass Flugzeugpropeller auch einen Rotationswiderstand zu überwinden haben. Es ist diese Übersetzung von Schub in Auftrieb in einem Flugzeug, bei der Vergleiche mit dieser Argumentationslinie trübe werden, weshalb ich sie nicht mag, es sei denn, Sie haben genügend Informationen, um alle Zahlen auszugleichen.

Im Folgenden sind deutlichere, weniger unklare Gründe aufgeführt, warum Flugzeuge Hubschrauber in Bezug auf die Flugzeiteffizienz schlagen. Obwohl sie nicht unbedingt Distanzeffizienz implizieren, ist dies sicherlich der Fall, wenn Sie sie mit #1 kombinieren.

4. Die Flugzeugzelle eines Flugzeugs ist stromlinienförmiger und erzeugt daher weniger Widerstand für die Translationsbewegung als die Flugzeugzelle eines Hubschraubers, was den Treibstoffverbrauch pro zurückgelegter Strecke reduziert. Und natürlich wird diese translatorische Bewegung, wie bereits erwähnt, auch direkt für die Aufzugsproduktion genutzt.
5. Flugzeugflügel sind aerodynamisch effizienter als Rotorblätter von Hubschraubern, da sie viel größer sind (was ihnen im Vergleich zu Rotorblättern möglicherweise an Seitenverhältnis fehlt, wird durch den Akkord wettgemacht, der sich auf die Reynolds-Zahl auswirkt, mit der sie arbeiten). Die größere Fläche ermöglicht es einem Flugzeugflügel, größere Luftmassen langsam zu bewegen, um den gleichen Impuls zu erzeugen$mv$was zu einem geringeren Energieverbrauch führt$1/2mv^2$. Was in ...
6. Darüber hinaus haben Flugzeugflügel eine höhere Massennutzung, da die Auftriebsverteilungen im Vergleich zu Hubschrauberrotoren gleichmäßiger von der Wurzel bis zur Spitze verteilt sind. Dies liegt daran, dass sich der gesamte Flügel mit mehr oder weniger der gleichen Geschwindigkeit von der Wurzel bis zur Spitze durch die Luft bewegt (wobei Unterschiede in der Strömung in Spannweitenrichtung ignoriert werden), während sich drehende Rotorblätter an der Wurzel nahe dem Rotationszentrum eine Fluggeschwindigkeit von nahezu Null haben und a erzeugen Der Großteil ihres Schubs liegt irgendwo jenseits der Spannweitenmitte an den Außenkanten. Das bedeutet, dass Sie pro in die Flügelstruktur investierter Masse mehr Auftrieb erzeugen.

Wenn Sie Unobtanium-Materialien hätten, die superstark und superleicht sind (in einigen Fällen eine Dichte von fast Null), könnten Sie versuchen, einen Hubschrauber mit einem ENORMEN Rotor zu bauen, der den gleichen Weg beschreibt wie die Flügel eines kreisenden Flugzeugs derselbe Akkord. Offensichtlich ist dies in der realen Welt unmöglich, da ein so größerer Rotor:

• unglaubliche Biegespannungen erfahren
• sehr schwer sein
• erleben Sie unglaubliche zentripetale Spannungen, da Sie einen enormen und schweren Rotor schwingen
• erfordern ein Getriebe, das den Belastungen standhält, die beim Schwingen eines solchen Rotors auftreten, was bedeutet, dass das Getriebe groß und schwer ist, wenn es aus echten Materialien besteht

Aber ein solcher imaginärer Hubschrauber aus Unobtanium hätte eine ähnliche Aerodynamik wie ein kreisendes Flugzeug aus realen Materialien und damit eine ähnliche Flugzeiteffizienz, vorausgesetzt, sie hätten ein ähnliches Gewicht. Aber selbst in der Vorwärtsbewegung verliert dieser imaginäre Hubschrauber, weil der Translationswiderstand eines solchen Rotors enorm ist und die Bewegung des Rotorblatts sich nicht einfach auf das Ziel zubewegt, sodass Sie ihn nicht wie die Starrflügel bei einem ausnutzen können Flugzeug sind.

Die Kräfte können gleich sein, aber Sie müssen die Kraftstoffeffizienz pro Entfernungseinheit vergleichen, nicht die Kräfte. Wenn der Hubschrauber auf der Stelle aufsteigt, ist die Kraft still$mg$, aber die Kraftstoffeffizienz pro Entfernungseinheit ist null. BEARBEITEN (24.10.21): Der vom OP verwendete Begriff "Kraftstoffeffizienz pro Entfernungseinheit" ist falsch, und ich habe ihn falsch verwendet. Ich hätte nur "Kraftstoffeffizienz" sagen sollen, die in MPG gemessen wird.