Sind Flügel effizienter bei der Erzeugung von Auftrieb, als den Schub des Motors nach unten zu richten?

Interessante Frage. Rein empirisch ist es das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand, nach dem Sie suchen. Wenn Sie diesen Wert für ein bestimmtes Flugzeug als gegeben nehmen, haben Sie eine direkte Antwort darauf, wie viel effektiver Flügel sind. Es ist das Verhältnis des Auftriebs zum Gesamtwiderstand. Der Motor muss nur den Widerstand überwinden.

Bei L/D gleich Eins bräuchten Sie den gleichen Schub wie beim Senkrechtstart. Aber selbst ziemlich "schlechte" Starrflügelflugzeuge hätten ein L/D von etwa 5. Segelflugzeuge oder ähnliche Flugzeuge, die mit einem starken Fokus auf Aerodynamik gebaut wurden, können ein L/D von 50 oder mehr haben (zumindest in einem engen Bereich von Fluggeschwindigkeiten).

Also ja, Flügel sind effizienter. Etwa eine Größenordnung als Faustregel für gängige Flugzeuge und optimale Fluggeschwindigkeit.

Warum Ihre Argumentation mit nach unten gedrückter Luft falsch ist, ist schwieriger zu erklären. Ich beginne mit der Annahme, dass, wenn Luft an einem Flügel vorbeiströmt, ihre Geschwindigkeit relativ zum Flügel unverändert bleibt und sich nur die Richtung ändert. (Ich weiß, dass Luft zumindest aufgrund von Reibung usw. langsamer wird, aber dies sind zumindest theoretisch vermeidbare Dinge, die nicht direkt mit der Erzeugung des Auftriebs zusammenhängen. Wenn es etwas gibt, das intrinsisch mit dem Auftrieb zusammenhängt, ändert sich nicht nur die Richtung, sondern auch die Geschwindigkeit des Luftstroms , dann korrigiert mich hier hoffentlich jemand.)

Siehe das Bild. Luftmasse, die sich zunächst mit Geschwindigkeit auf das Tragflächenprofil zubewegt$\vec{v_0}$wird um einen Winkel nach unten abgelenkt$\alpha$. Daher ist die Änderung der Geschwindigkeit$\vec{\Delta v}$. Diese Änderung kann in horizontale und vertikale Komponenten unterteilt werden. Um das Flugzeug in der Luft zu halten, muss die vertikale Komponente dem Gewicht des Flugzeugs dividiert durch die Massenstromrate über dem Flügel entsprechen. Die vertikale Komponente hängt mit der horizontalen um zusammen

Aus dieser vereinfachten Sicht wäre der Luftwiderstand also$\tan\alpha/2$mal den Aufzug. Höherer Massenstrom über dem Flügel (längere Flügel, höhere Fluggeschwindigkeit) ermöglicht es, den gleichen Auftrieb bei geringerer Auslenkung zu halten ($\alpha$), dadurch weniger Luftwiderstand durch den erzeugten Auftrieb.

Zusätzlicher Kommentar: Wie hängt es mit Kraft und Energie zusammen?

Die obige Antwort konzentriert sich darauf, wie Flügel den erforderlichen Triebwerksschub verringern , aber die ursprüngliche Frage könnte auch im Hinblick auf die Energieeffizienz interpretiert werden. Ich werde versuchen, einige Kommentare zu diesem Teil hinzuzufügen.

• einfaches Beispiel – Raketentriebwerk: nicht allzu typisch für Flugzeuge, aber einfach. Die Rakete verbraucht pro Sekunde die gleiche Menge an Treibstoff, um eine Einheit Schub zu erzeugen, unabhängig von ihrer Größe und unabhängig davon, ob sie nach oben zeigt (und in Bezug auf Luft statisch ist) oder nach vorne zeigt (und sich durch die Luft bewegt). Sie müssen proportional mehr Kraftstoff pro Sekunde verbrennen, um einen höheren Schub zu erzeugen. Für den Raketenantrieb sparen Sie also Treibstoff im gleichen Verhältnis wie der notwendige Schub abnimmt.

• Propeller- oder Strahltriebwerke sind komplizierter, da ihr Schub und ihr Kraftstoffverbrauch auch von der Triebwerksbewegung durch die Luft abhängen. Wie David K ​​in seiner Antwort betonte, können wir den Impuls und die kinetische Energie beschleunigter Luft nutzen, um die für die Schubeinheit erforderliche Leistung zu erhalten.

  Mit einigen Vereinfachungen ist der Schub der Massendurchfluss durch den Motor / die Stütze multipliziert mit der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit, die er verursacht.$T = \dot m \cdot (v_{\rm out} - v_{\rm in}) = \dot m \Delta v$. Dafür benötigte Leistung ist$P = \dot m \cdot {1\over2}(v_{\rm out}^2 - v_{\rm in}^2)=\dot m\Delta v\cdot(v_{\rm in} + {\Delta v\over 2})$. Daher

  $${P\over T}=v_{\rm in} + {\Delta v\over 2}\,.$$

  Für ein stationäres Triebwerk, das gegen die Schwerkraft hält, ist ein höherer Schub im Vergleich zu fliegenden Starrflügelflugzeugen erforderlich, wie oben gezeigt. Wenn wir nicht "schummeln", indem wir den Massenstrom durch den Motor erhöhen (wie einen Hubschrauberrotor machen oder mehrere Motoren verwenden),$\Delta v$erhöht werden muss, um die nötige Schubkraft zu erreichen. Sie benötigen also nicht nur mehr Leistung durch erhöhten Schub, sondern auch mehr Leistung durch erhöhte Watt pro Schubeinheit. Beachten Sie, dass selbst "Helikopter-Cheat" nicht allzu gut funktioniert. Um den Stromverbrauch des Motors anzupassen, der dank des L/D des Flügels weniger Schub erzeugt, müssen Sie auch P/T verbessern – durch Verringern$\Delta v$, wodurch der Massenstrom (Rotor- / Propellerradius sogar mehr als proportional zum erhöhten Schub) erhöht wird.

  Was ist mit der Abnahme von P/T aufgrund der Bewegung durch Luft? Nun, es hängt vom jeweiligen Motor und dessen ab$\Delta v$. Sie liegt typischerweise in einer ähnlichen Größenordnung wie die Fluggeschwindigkeit (oder sogar darunter), sodass wir sie nicht vernachlässigen können$v_{\rm in}$in Watt-pro-Schub-Gleichung oben. Es gibt einen Effizienznachteil, wenn der Motor in einem sich bewegenden Flugzeug arbeitet. Aber es sollte sich trotzdem lohnen, da der Gewinn durch den Auftrieb größer ist.

  Ein vereinfachtes Beispiel: Wir haben einen Motor, der genügend Schub erzeugen kann, um ein Flugzeug vertikal anzuheben. Es kann durch Ändern gedrosselt werden$\Delta v$ohne praktische Probleme oder Änderung der internen Effizienz. Und nehmen wir an, dass der Massendurchfluss durch ihn eine feste Fläche ist$S$multipliziert mit der Luftdichte und multipliziert mit dem arithmetischen Mittel der Lufteintritts- und -austrittsgeschwindigkeiten. Für schwebende Flugzeuge und stationäre Triebwerke, die einen Schub erzeugen, der dem Gewicht des Flugzeugs entspricht,$w$es ist

  $$w=\dot m \Delta v_{\rm hover} = \rho S \Delta v_{\rm hover}^2 / 2\,;\quad \Delta v_{\rm hover}=\sqrt{2 w \over \rho S}$$ und somit $$P_{\rm hover}=w\cdot \Delta v_{\rm hover}/2=\sqrt{w^3\over 2\rho S}\,.$$

  Das gleiche Flugzeug, das auf seinen Flügeln fliegt, braucht nur$w\over L/D$von Schub. Fluggeschwindigkeit ist$v_{\rm air}$. Gleichung für den Schub:${w\over L/D} = \dot m \Delta v_{\rm flight} = \rho S \cdot (v_{\rm air}+{\Delta v_{\rm flight} \over 2}) \cdot \Delta v_{\rm flight}$. Daher

  $$\Delta v_{\rm flight}=\sqrt{{2w\over(L/D)\rho S}+v_{\rm air}^2}-v_{\rm air}$$ und $$P_{\rm flight}={w\over L/D}\cdot(\sqrt{{w\over 2(L/D)\rho S}+{v_{\rm air}^2\over 4}}+{v_{\rm air}\over 2})\,.$$

  Leider sehe ich keine Möglichkeit, das zu vereinfachen und zu vergleichen$P_{\rm hover}$und$P_{\rm flight}$Also ein paar konkrete Zahlen:

  • Leichtflugzeug, 1 Tonne, 100 Knoten,$S = 5\,\rm m^2$,$L/D = 15$:$P_{\rm hover} = 290\,\rm kW$,$P_{\rm flight} = 35\,\rm kW$.

  • Schweres Flugzeug, 100 Tonnen, 200 Knoten,$S = 50\,\rm m^2$,$L/D = 15$:$P_{\rm hover} = 90\,\rm MW$,$P_{\rm flight} = 7\,\rm MW$.

  Basierend auf diesen Vereinfachungen sollte das Fliegen mit Flügeln mit ähnlichem Motortyp also auch in energetischer Hinsicht deutlich effizienter sein. Und darüber hinaus bewegen Sie sich bereits mit Kraft vorwärts$P_{\rm flight}$. Für einen vertikalen Motor wäre zusätzliche Leistung erforderlich, um den Luftwiderstand aufgrund der Bewegung zu überwinden.

In Bezug auf Energieaufwand und Leistung ist für eine gegebene Kraft, die durch Beschleunigung einer Luftmasse erzeugt werden soll, bei der Beschleunigung einer kleinen Luftmasse in jedem Zeitraum mehr Leistung erforderlich als bei der Beschleunigung einer großen Luftmasse. Dies liegt daran, dass die Kraft proportional zur Impulsänderung der Luftmasse ist, während die Leistung proportional zur Änderung der kinetischen Energie ist; und während Momentum ist$mv,$kinetische Energie ist$\frac12 mv^2.$

Der typische Flugzeugmotor erfasst relativ kleine Luftpakete und treibt sie mit hoher Geschwindigkeit nach hinten. Ein großer Propeller oder ein High-Bypass-Turbofan mit großem Einlass ist besser geeignet als ein kleiner Propeller oder ein Turbojet mit kleinem Einlass. Aber der Flügel eines typischen konventionellen Flugzeugs "greift" während jeder Zeiteinheit ein viel größeres Luftpaket auf als seine Triebwerke. Indem der Flügel nach vorne durch die Luft geschoben wird, wandelt das Flugzeug die relativ ineffiziente Krafterzeugung durch seine Triebwerke (kleine Luftpakete von vor dem Flugzeug aufnehmen und schnell nach hinten beschleunigen) in die viel effizientere Krafterzeugung durch seine Flügel um (große Luftpakete über dem Flugzeug nehmen und relativ langsam nach unten beschleunigen).

Das einfache Drehen des typischen Triebwerks (Düse oder Propeller) eines herkömmlichen Flugzeugs nach unten erlaubt es dem Flugzeug nicht, annähernd so viel Luft nach unten zu beschleunigen, wie es der Flügel kann, wenn sich das Flugzeug im normalen Flug befindet.

In einem Hubschrauber (auch bekannt als "Drehflügler") dreht der Motor den Flügel (auch bekannt als Rotor), drückt ihn dadurch durch die Luft und beschleunigt die Luft über dem Flugzeug nach unten, unabhängig davon, ob sich der Rumpf durch die Luftmasse vorwärts bewegt oder nicht. Ein Hubschrauber kann daher mit einem relativ kleinen Triebwerk vertikal abheben, verglichen mit dem, was Sie für einen vertikalen Start mit einem herkömmlichen Starrflügler-Triebwerk benötigen würden. Wenn Sie sich einen Helikopterrotor als "nach unten gerichteten Lüfter" vorstellen, dann funktioniert er eigentlich recht gut.

In einem herkömmlichen Flugzeug wird der Großteil der Motorleistung dazu verwendet, das Flugzeug mit einer bestimmten Geschwindigkeit vorwärts zu bewegen. Nur sehr wenig dieser Kraft wird tatsächlich benötigt, um Auftrieb zu erzeugen.

Stellen Sie sich einen einfachen Papierflieger vor. Es fliegt lange Zeit ohne jeglichen Motor, bis es durch den Luftwiderstand langsamer wird und wenn es den Auftrieb verliert und auf den Boden sinkt.

In den Händen eines erfahrenen Piloten können Segelflugzeuge stundenlang ohne Motor in der Luft bleiben.

Ich werde nicht auf das Argument eingehen, ob Flügel funktionieren, indem sie Luft nach unten leiten oder nicht, weil es einfach irrelevant ist. Die grundlegende Wahrheit ist, wenn ein Flügel so ausgerichtet ist, dass er beim Vorwärtsbewegen Auftrieb bietet, braucht der Motor nur diesen Flügel und den Rest des Flugzeugs mit dieser Geschwindigkeit vorwärts zu treiben.

Der Flügel und der Körper des Flugzeugs erzeugen einen effektiven Luftwiderstand, wenn sie nach vorne gezogen oder geschoben werden, und der Motor muss nur diese Kraft erzeugen, um nicht langsamer zu werden. Diese Kraft ist VIEL geringer, als Sie zum direkten Anheben benötigen.

Die meisten Flugzeugtriebwerke haben einfach nicht die Schubkraft, um das Flugzeug alleine anzuheben. Während der frühen Flugzeugentwicklung wurden viele Versuche unternommen, dies zu tun, und scheiterten, weil Motoren mit ausreichender Stärke einfach nicht verfügbar waren.

Wings gab es schon lange, bevor die Gebrüder Wright auftauchten, aber das Fliegen war unvorhersehbar und unkontrolliert. Das erste echte Flugzeug wurde erfunden, weil die Brüder einen Mechanismus entdeckten und erfanden, der es ihnen ermöglichte, die Tragfläche(n) zu steuern.

Kurz gesagt, es ist viel einfacher, mit Flügeln Auftrieb zu erzeugen, als mit Schubvektoren.

JEDOCH: An diesem Punkt kratzen Sie sich wahrscheinlich immer noch am Kopf und fragen sich, wie Sie ein Flugzeug anheben können, ohne tatsächlich so viel Leistung aus dem Motor zu bekommen ... Lassen Sie mich also versuchen, es zu erklären.

Nehmen wir an, Sie haben ein Auto und ich sage Ihnen, Sie sollen es 6 Fuß hochheben ... Nun, wenn Sie nicht dieser Typ sind, wird es einfach nicht passieren ...

Aber was ist, wenn Sie Folgendes tun?

Nun, Sie könnten sich beschweren und außer Atem sein, aber Sie können sehen, wie Sie, wenn die Rampe lang genug wäre, unsere Muskeln einsetzen könnten, um das Auto auf diese Höhe zu bringen.

Da wir uns langsam bewegende Wesen sind, halten wir Luft für überhaupt nichts. Luft wird jedoch zu einer anderen Sache, wenn Sie versuchen, sie sehr schnell aus dem Weg zu räumen. Es wird deutlich "hart".

Man kann sich daher vorstellen, dass ein Flugzeug im Flug eine Luftrampe erklimmt, wie unten gezeigt.

Das Flugzeug und die Flügel schneiden relativ leicht durch die Luft, aber die Luft unter den Flügeln und dem Körper wirkt wie eine Rampe. Je größer die Flügel, desto härter und stabiler die Rampe. Dies sorgt für den Auftrieb und hält das Flugzeug in der Luft.

Natürlich ist die Rampe nicht fest und fällt effektiv ab, wenn wir das Flugzeug nach vorne schieben. Mit anderen Worten, das Flugzeug sinkt und steigt gleichzeitig. Im Horizontalflug fällt die Rampe mit der gleichen Geschwindigkeit ab, wie das Flugzeug sie erklimmt.

Das bedeutet, dass die Flügel Ihnen den mechanischen Vorteil bieten , eine Rampe zu verwenden, um die Kraft zu reduzieren, die zum Ausführen der Arbeit erforderlich ist. Abgesehen vom Luftwiderstand ist die erforderliche Arbeit die gleiche wie beim vertikalen Anheben, aber da Sie die Arbeit über eine lange Vorwärtsstrecke verteilen, wird die vom Motor benötigte Kraft erheblich geteilt.

Effizienz:

Ist das jetzt effizienter? Nun, traditionell sind Rampen und andere mechanische Vorteilsvorrichtungen weniger effizient als ein gerades Heben, da Verluste durch zusätzliche Reibung in der Vorrichtung entstehen.

Auf vertikalem Antrieb basierende Aufzugssysteme selbst sind jedoch fürchterlich ineffizient.

Wie wir bereits besprochen haben, ist es schwieriger, Luft zu bewegen, je schneller Sie versuchen, sie zu bewegen. Dies bedeutet, dass eine Verdoppelung der Motorleistung NICHT in einer Verdoppelung des Schubs übersetzt wird, sondern eher eine Exponentialfunktion ist. Das heißt, Sie müssen mehr als doppelt so viel Gas verbrennen, um den doppelten Schub zu erhalten.

Schlimmer noch, für jeden Motor gibt es eine Grenze, wie viel Schub er erzeugen kann. Irgendwann kavitiert die Luft davor. Es wird, wenn es schnell genug drehen kann, die gesamte Luft so schnell aus dem Einlass saugen, dass sich ein Vakuum bildet. An diesem Punkt hat der Motor keine Luft mehr und kann nicht schneller laufen, egal WIE VIEL Kraftstoff Sie einfüllen. Das heißt, um mehr Schub zu bekommen, brauchen Sie einen größeren Motor, was mehr Gewicht bedeutet, was bedeutet, dass Sie mehr Schub brauchen .... Siehst du, worauf ich damit hinaus will?

Und denken Sie daran, dass dies nur dazu dient, Sie aufrechtzuerhalten, Sie müssen immer noch mehr Kraft aufwenden, um von Punkt A nach Punkt B zu gelangen.

Daher verbraucht der Flügelflug trotz der Luftwiderstandsverluste immer noch viel weniger Benzin für eine bestimmte Reisestrecke.

Motoren (sagen wir Kolbenmotoren) bieten keinen Auftrieb. Motoren treiben Flügel an. Jedes Blatt eines Propellers ist ein Flügel. Jeder Flügel (bei gleicher Größe, Profil, Anstellwinkel, Relativgeschwindigkeit, Höhe) bietet den gleichen Auftrieb.

Beide Geräte unten bieten den gleichen Auftrieb, eines fliegt geradeaus, das andere fliegt im Kreis. Das eine ist ein Flugzeug, das andere ein Propeller. Den Schub eines Triebwerks nach unten zeigen = die Flugrichtung der Blätter horizontal zeigen. Hoffe das hilft.

Wenn wir die Verluste ignorieren, erfordert das Halten des Flugzeugs auf einer bestimmten Höhe keine Energie , da keine Arbeit daran verrichtet wird. Es erfordert jedoch eine Kraft, und Sie scheinen Kraft und Macht zu verwechseln. Der Begriff Effizienz hat keine Bedeutung (zumindest keine klar definierte Bedeutung), wenn es um Kräfte geht.

Zum Beispiel kann ich ein Gewicht von 20 kg in der Hand halten, und ich könnte 200 kg mit einem 1:10-Hebel halten. Sicher, Sie können sagen, dass der Hebel 10-mal effizienter ist, und in diesem Sinne sind Flügel effizienter als Senkrechtstarter: Sie können mit einem Motor abheben, der 10-mal weniger Schub hat. Die logische Folge ist, dass Sie 10-mal mehr Zeit benötigen, um eine bestimmte Höhe zu erreichen, so wie ich ein 200-kg-Gewicht 10-mal langsamer mit einem Hebel heben würde, als ich ein 20-kg-Gewicht mit meinen Händen heben würde.

Die Art und Weise, wie mir "einfacher" Flug immer erklärt wurde, ist, dass aufgrund der Form des Flügels die Luft über der Oberseite weiter gehen muss, wodurch die Luft unter dem Flügel "gedehnt" wird und weniger Weg zurücklegen muss. Die Luft unter dem Flügel hat also mehr "Druck" als über dem Flügel. Zu keinem Zeitpunkt drücken Sie tatsächlich "Luft nach unten". Zumindest nicht genau. Das Gewicht des Fahrzeugs bewirkt, dass die Luft unter dem Flügel auf die gleiche Weise "glättet" (oder verdrängt) wird wie ein Boot, während keine Kraft (abgesehen vom Auftrieb) auf den Flügel "nach oben" drückt.

Das ist alles eine sehr einfache Erklärung. Aber der Kernteil, der sehr sehr wichtige Teil ist, dass in keinem Flugzeug, Starrflügel (Flugzeug) oder Drehflügel (Hubschrauber) irgendein Auftrieb durch Herunterdrücken von Luft erzeugt wird. Der Auftrieb wird dadurch erzeugt, dass „oben“ auf dem Flügel weniger Luftdruck herrscht als „unter“ dem Flügel, wenn er mit der nach unten gerichteten Schwerkraft kombiniert wird. Es ist der Sog nach unten, der Flugzeuge in die Höhe treibt, so seltsam das auch klingen mag.

Jetzt möchten Sie in Ihrer Frage wissen, warum es weniger Energie kostet, "Flugzeug wie" als "Helikopter" wie zu fliegen. Denken Sie noch einmal daran, dass das Herunterdrücken der Luft keine Kniebeuge macht, bis Sie in Raketentriebwerke kommen.

Um das zu beantworten, werfen wir einen Blick darauf, was jeder Motor zu bewegen versucht. In einem kleinen Flugzeug muss der Motor einen Propeller bewegen. Sagen wir etwa 70 Pfund. Mit diesem Motor, der 70 Pfund Gewicht dreht, kann er (ähnlich wie der Flügel) ein kleines Flugzeug mit etwa 140 Knoten "ziehen". Das ist mehr als genug "Geschwindigkeit", um die Flügelteile des Flugzeugs zum Auftrieb zu bringen. Denken Sie daran, dass "Heben" nicht diese riesige Kraft sein muss, es muss nur ein bisschen stärker sein als die Schwerkraft.

Im Gegensatz dazu wiegen die "Blätter" eines Hubschraubers (es gibt nur Flügel, die sich drehen) etwa 250 Pfund. Es ist schwierig, die Rotationsgeschwindigkeit in Knoten umzurechnen, aber bei 650 Fuß / s sind das ungefähr 385 Knoten (die Mathematik dazu ist sehr grob).

Es braucht also viel weniger Energie, um ein Flugzeug mit 140 Knoten vorwärts zu ziehen. Dann tut es, einen Satz Flügel mit 384 Knoten zu drehen.

Denken Sie daran, dass die Flügel eines Flugzeugs VIEL größer sein können als die Flügel eines Hubschraubers. Diese zusätzliche Oberfläche erzeugt mehr Auftrieb bei langsameren Geschwindigkeiten.

Um es komplizierter zu machen, wird die gesamte Energie der "Flugzeuge" verwendet, um das Fahrzeug vorwärts zu bewegen. Das ist es. Ein Flugzeug fliegt nur in eine Richtung. Sie drehen sich nicht wirklich so viel, wie sie in eine vorgeschriebene Richtung "fallen" (indem sie auf der einen oder anderen Seite entlang der 3-Achse weniger Auftrieb erzeugen). Der Hubschrauber hingegen muss einen Teil seiner Energie aufwenden, um sich "vorwärts" zu bewegen. Seine "Vorwärts" -Bewegung ist im Grunde vorgeschrieben, genau wie das Flugzeug zu fallen, muss dann aber Energie aufwenden, um mehr Auftrieb zu erzeugen, während sich das Flugzeug nur vorwärts bewegt.

TL; DR Es ist nicht wirklich Äpfel für Äpfel, aber es braucht weniger Energie, um den gleichen Auftrieb zu erzeugen, indem man sich vorwärts bewegt, als Flügel im Kreis zu drehen und auf diese Weise Auftrieb zu erzeugen.

GROSSE HINWEISE Ich habe die Geschwindigkeiten und Flugprofile vieler Flugzeuge verwendet. Das Flugzeug, das ich benutzte, war "eine Cessna", aber ich nahm Nummern, wo ich sie finden konnte, also sind einige die geliebten 172, andere sind die anderen Varianten. Die Helikopterzahlen sind noch vielfältiger. Ich habe versucht, es bei leichteren Hubschraubern zu halten, aber es ist mir möglicherweise nicht gelungen. Der wichtige Teil ist, dass die Theorie stimmt, aber versuchen Sie nicht, sich wirklich auf die Mathematik zu verlassen.

Ein weiterer Hinweis, einige VTOL-Flugzeuge drücken tatsächlich Luft nach unten, aber dies ist noch weniger effizient als das Drehen winziger Flügel. Kurz gesagt, nach unten zu drücken, um nach oben zu gehen, ist wie eine Rakete, die oben weniger Druck erzeugt, und nach oben "schweben" ist ein Flugzeug.

Ich möchte nur etwas hinzufügen, was meiner Meinung nach hier allgemein übersehen wurde. Mit zunehmender spezifischer Fluggeschwindigkeit über dem Flügel / Propeller steigt der Luftwiderstand mehr als nur linear an, nämlich exponentiell. Mit anderen Worten, da der Luftstrom (in Masse) über einem Flügel viel höher ist, kann er bei niedriger Fluggeschwindigkeit x Auftrieb erzeugen, während er mit einem Motor, da er einen geringeren Luftstrom (wieder in Masse) hat, bewegt werden muss die Luft schneller über die Propeller im Motor, um den gleichen Auftrieb zu erzeugen. Da der Luftwiderstand nicht linear ist, wird erheblich mehr Kraft benötigt, um den Luftwiderstand des Motors zu überwinden, was die Ineffizienzen verursacht.

Beim Durchblättern der Antworten vermisse ich einen sehr einfachen Ansatz, um den Unterschied zu erklären:
Auflisten der Ineffizienzen für beide Designlösungen

Reparierter Flügel

• nicht auftriebserzeugender Luftwiderstand – Ein Teil des Luftwiderstands steht in keinem Zusammenhang mit der Erzeugung von Auftrieb, z. B. Reibung von Luft an der Flügeloberfläche.
• Flügelspitzenwirbel - Der Druckunterschied zwischen oben und unten versucht der Flügel durch eine Luftströmung von unten nach oben auszugleichen. Dies kann durch Winglets und/oder eine hohe Streckung des Flügels gemildert werden.
• irgendetwas - Dies ist ein Platzhalter für alles, was ich vielleicht übersehen habe. Siehe unten für sein Gegenstück.

Drehflügel

• nicht auftriebserzeugender Luftwiderstand - Derselbe wie der entsprechende Punkt oben, mit Ausnahme des unterschiedlichen Flügelprofils, des Tragflügels und der unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten. Siehe unten für mehr über unterschiedliche Fluggeschwindigkeiten.
• Flügelspitzenwirbel - Wie der entsprechende Punkt oben, außer dass die Flügellänge und damit das Seitenverhältnis in der Designauswahl eingeschränkter sind. Winglets würden viele strukturelle Probleme verursachen und den Luftwiderstand überproportional erhöhen, da sie sich per Definition an der (sich schnell bewegenden) Spitze befinden.
• alles - Grundsätzlich gilt alles, was für Starrflügel gilt, auch für Drehflügel. Außerdem lässt der ungleichmäßige Luftstrom (siehe unten) oft keine Optimierungen des Flügelprofils, des Tragflügels usw. zu.
• ungleichmäßige Verteilung der Luftgeschwindigkeiten über das Blatt - Die Spitzen eines Rotors bewegen sich schneller durch die Luft als seine Basis. Daher ist es schwierig, überall auf dem Rotorblatt gleichzeitig eine optimale Fluggeschwindigkeit zu erreichen.
• unterschiedliche Fluggeschwindigkeiten für vorangehendes vs. zurückgehendes Blatt - Die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs wird zur Fluggeschwindigkeit über dem vorangehenden Blatt addiert, aber von der zurückgehenden abgezogen. Dieser Unterschied trägt zu dem Problem bei, einen optimalen Luftstrom zu erreichen.
• Bedarf an Gegendrehmoment - Der Heckrotor im klassischen Hubschrauberdesign benötigt Leistung vom Hauptmotor, ohne den Auftrieb oder den Vorwärtsschub zu erhöhen. Es ist im Grunde eine "nutzlose Notwendigkeit". Konstruktionen mit zwei Rotoren können unter zunehmend „gestörtem Luftstrom“ leiden (siehe unten).
• kreisförmige Bewegung - Die kreisförmige Bewegung beschleunigt sich im Grunde zum Zentrum hin. "Geradeaus fliegen" wäre effizienter, zB gibt es Lager am Rotor, die den Drehimpuls abgeben. Im Vergleich dazu verliert ein Starrflügel neben den anderen Ineffizienzen nicht an Schwung. Dies stellt auch strukturelle Anforderungen an die Rotorblätter, die andere Designoptimierungen einschränken können.
• gestörter Luftstrom - Das zuvor zurückweichende Blatt bewegt sich im Nachlauf des zuvor vorangehenden in die nächste Umdrehung. Die gestörte Luft erzeugt keinen so sauberen Luftstrom wie ungestört. Dies reduziert das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand.
• nicht optimiertes Schaufelblatt - Mehrere Punkte oben erwähnen dies bereits, entweder indem sie es notwendig machen (strukturelle Anforderungen bei Kreisbewegungen) oder indem sie eine Optimierung verhindern (ungleichmäßige Verteilung der Luftgeschwindigkeiten über die Schaufel).

Um auf die ursprüngliche Frage zurückzukommen:
Als Faustregel können wir davon ausgehen, dass das Design umso weniger effizient ist, je länger die Liste der Ineffizienzen ist. Vor allem, wenn alles (und alles ) auf der einen Liste auch auf der anderen erscheint. Es müssten große qualitative Unterschiede in jedem Punkt vorliegen, damit die Faustregel verletzt wird.

Ein großer Vorteil eines Flügels gegenüber einem Motor besteht darin, dass er bei typischer Verwendung ständig auf relativ ungestörte Luft trifft. Ein nach unten gerichteter Motor würde darüber einen Bereich mit niedrigem Druck erzeugen, und Luft, die hineinströmt, bewegt sich nach unten, noch bevor das Flugzeug etwas damit zu tun hat. Die einzige Möglichkeit, wie das Flugzeug Schub erzeugen kann, besteht darin, die sich bereits bewegende Luft auf eine noch höhere Geschwindigkeit zu beschleunigen. Die Energiemenge, die benötigt wird, um einen Kubikmeter Luft von 9 m/s auf 10 m/s zu beschleunigen, ist fast doppelt so groß wie die Energie, die benötigt wird, um 10 Kubikmeter Luft von 0 m/s auf 1 m/s zu beschleunigen, aber der Auftrieb der von letzterem erzeugt wird, wird zehnmal so groß sein.

Der Artikel macht eine irreführende Verallgemeinerung, da es eines der ersten Dinge war, die ich während des Flugtrainings gelernt habe. Flugzeuge fliegen nicht, indem sie "Luft nach unten werfen", sie arbeiten, indem sie einen reduzierten Luftdruck erzeugen, der das Flugzeug anhebt (daher "anheben") und vorwärts (Schub). Sowohl Flügel als auch Propeller (und Turbinen) sind Tragflächen, deren obere gekrümmte Oberfläche Luft beschleunigt, wenn sich die Tragfläche durch sie bewegt, wodurch der Luftdruck verringert wird. Der relativ verringerte Luftdruck über den Flügeln und der relativ erhöhte Luftdruck unter den Flügeln und hinter dem Propeller lässt das Flugzeug aufwärts und vorwärts schweben.

Ein Fünkchen Wahrheit ist, dass die über den Flügel strömende Luft nach unten abgelenkt wird und ein Teil der Luft unter dem Flügel komprimiert wird, wenn sich das Flugzeug bewegt, aber ein viel kleinerer Bestandteil dessen ist, was das Flugzeug am Fliegen hält.

Niedrigerer Luftdruck hinter dem Flügel erzeugt Luftwiderstand und ist ein Nebenprodukt des Auftriebs. Die Oberflächenreibung der Auftriebsflächen und des Flugzeugkörpers sind ebenfalls Komponenten des Luftwiderstands. Ein Wirbel, der an der Flügelspitze erzeugt wird, wenn die Luftströme mit höherem und niedrigerem Druck zusammenlaufen und sich spiralförmig umeinander winden, kann ebenfalls eine starke Komponente des Luftwiderstands sein und Turbulenzen verursachen, die andere Flugzeuge beeinträchtigen können.

Um einen anderen Teil Ihrer Frage anzusprechen, folgt die Erzeugung von Auftrieb und Schub mit herkömmlichen Kolben- und Strahltriebwerken denselben Prinzipien (Raketentriebwerke erzeugen Schub durch Expandieren von Gasen). Vielleicht eines der am besten sichtbaren Beispiele ist das Kipprotorflugzeug von Osprey mit großen Propellern, die je nach Winkel der Triebwerke Auftrieb, Schub und jede Kombination dazwischen erzeugen können.

Die Analogie von @ ymb1 zum Schieben einer Kiste war eine ausgezeichnete Wahl. Sich senkrecht zur Schwerkraft zu bewegen (dh den Flügel vorwärts zu bewegen) erfordert weniger Kraft als ihr einfach entgegenzuwirken (dh nach unten zu stoßen). Daher sind Flügel sowohl aus struktureller als auch aus komplexer Sicht eine effizientere Wahl.

Lassen Sie uns in der Zeit zurückgehen, um die Pioniere zu fragen, die versuchten, mit Menschenkraft zu fliegen. Das Flügeldesign bot Effizienz gegenüber Designs, die auf vertikalem Schub beruhten. Diese Effizienz ermutigte zu weiterer Forschung.

Die von einem Flügel bei angemessener Fluggeschwindigkeit entwickelte Auftriebskraft hängt vom Druck ab. Druck ist auch für die Auftriebskraft in Booten verantwortlich (Wasserdruck statt Luft). Sie können einen U-Boot-Designer fragen, ob er auf Ballast verzichten und nach unten gerichtete Propeller hinzufügen möchte, um die Tiefe beizubehalten.

Obwohl es sich um einen anderen Mechanismus handelt, kann ein Heißluftballon zeigen, dass unterschiedliche Energiemengen benötigt werden, um denselben Auftrieb mit einem anderen technischen Prinzip zu erzeugen. Ein kleines Düsentriebwerk kann tatsächlich verwendet werden, um genug heiße Luft zu erzeugen, um den Ballon mit Schlitten anzuheben. Wenn Sie diesen kleinen Motor jedoch nach unten richten, wird nicht genügend Schub für einen entsprechenden Auftrieb bereitgestellt.

Ist das nicht ein bisschen so, als würde man Äpfel mit Birnen vergleichen? Da keine äußeren Kräfte vorhanden sind, tragen Flügel ohne Motor zum Antreiben nur sehr wenig dazu bei, Sie in die Luft zu bringen.

Ein Motor kann „Auftrieb“ erzeugen, indem er nach unten zeigt. Um vom Boden abzuheben, müsste der Motor Schub erzeugen, um seinem Gewicht entgegenzuwirken. Wenn Sie Flügel hinzufügen, können Sie mit viel weniger Schub in die Luft kommen. Flügel ERHÖHEN also die Effizienz eines Triebwerks, wenn es darum geht, wie viel Schub erforderlich ist, um in die Luft zu gelangen.

Ergänzend zu @Dmitry Gregoriev ausgezeichnete Antwort: Es könnte sein, dass Ihre Frage darauf hinausläuft: Warum ist ein fester Flügel effizienter als ein scheibenförmiger Flügel.

Wegen der Hebelinientheorie. Das Erzeugen einer bestimmten Auftriebsmenge über eine endliche Spannweite ist umso effizienter, je größer die Spannweite ist.

Zum Artikel:

Sie sagen, dass Sie verstehen, dass der Artikel besagt, dass Flügel in einem Flugzeug im Grunde genommen Auftrieb erzeugen, indem sie Luft nach unten "drücken".

Diese Aussage ist insofern falsch, als dies impliziert, dass der Auftrieb nur von der Unterseite des Flügels erzeugt wird. (Ich bin mir nicht 100% sicher, dass das der Artikel sagt, da er lediglich besagt, dass "Flugzeuge fliegen, indem sie Luft nach unten werfen.")

Die Theorie, dass der Auftrieb nur von der Unterseite des Flügels erzeugt wird, wird auf der in früheren Kommentaren beschriebenen NASA- Webseite als „Skipping Stone“-Theorie bezeichnet. Die Webseite besagt, dass diese Theorie falsch ist, weil sie nicht erkennt, dass der Auftrieb auch von der Oberseite des Flügels erzeugt wird.

Eine andere NASA - Webseite erklärt, dass "Auftrieb eine Kraft ist, die durch Drehen einer sich bewegenden Flüssigkeit erzeugt wird" und dass "sowohl luvseitige [untere] als auch leeseitige [obere] Teile eine Strömung ablenken". (Wörter in eckigen Klammern hinzugefügt)

Lassen Sie mich einige andere Beweise und Beobachtungen hinzufügen:

Das 1944 von Wolfgang Langewiesche geschriebene Buch "Stick and Rudder" wurde manchmal zur Unterstützung der "Skipping Stone"-Theorie zitiert, weil das Buch davon spricht, die Luft nach unten zu "knallen". In seiner Erklärung stellt der Autor jedoch fest, dass:

„Die Haupttatsache aller Flüge, die schwerer als Luft sind, ist folgende: Der Flügel hält das Flugzeug in der Höhe, indem er die Luft nach unten drückt … Er schiebt die Luft mit seiner Unterseite nach unten und zieht die Luft mit seiner Oberseite nach unten Oberfläche; die letztere Aktion ist die wichtigere." [p. 9]

Eine weitere Beobachtung, die die Bedeutung des von der Oberseite erzeugten Auftriebs hervorhebt, ist die Tatsache, dass ein Strömungsabriss den Verlust von Auftrieb beinhaltet, der nur von der Oberseite erzeugt wird. Die Unterseite des Flügels erzeugt nach wie vor Auftrieb. Aber es bietet nicht genug Auftrieb, um das Flugzeug in der Luft zu halten.

Die Bedeutung des von der Oberfläche erzeugten Auftriebs ist auch jedem Piloten bekannt, der in Vereisungsbedingungen geflogen ist. Wie in "Aircraft Icing" AOPA Safety Advisor, Weather No. 1, p. 2:

„Windkanal- und Flugtests haben gezeigt, dass Frost-, Schnee- und Eisansammlungen (an der Vorderkante oder der oberen Oberfläche des Flügels), die nicht dicker oder rauer als ein Stück grobes Sandpapier sind, den Auftrieb um 30 Prozent verringern und den Luftwiderstand um bis zu 40 erhöhen können Prozent. Größere Ablagerungen können den Auftrieb noch weiter reduzieren und den Luftwiderstand um 80 Prozent oder mehr erhöhen.“

Ich erinnere mich auch, dass ich ein paar anekdotische Berichte darüber gelesen habe, was passiert, wenn die Luft, die über den oberen Flügel strömt, gestört wird, aber ich kann kein Zitat liefern. Einer betraf Martin Caiden, der einen Rekord für die Anzahl der Fallschirmspringer aufstellte, die gleichzeitig sprangen, als 19 Fallschirmspringer an der Spitze der Tragfläche seiner Ju 52 „Iron Annie“ hingen.

Ich weiß, dass die Hersteller von Geschäftsflugzeugen früher Streben an der Oberseite ihrer Flugzeugflügel anbringen mussten, um sicherzustellen, dass die Luft entlang der Oberseite wie ursprünglich beabsichtigt strömte. Die Ingenieure von Cessna waren ziemlich stolz, als sie in der Lage waren, einen Flügel (die Citation X) zu konstruieren, der keine Strakes benötigte.

Flügel sind eine kostengünstige Möglichkeit, eine Luftmasse nach unten zu beschleunigen. Die Tatsache, dass die natürliche Selektion dieses System anderen Alternativen vorgezogen hat, bedeutet möglicherweise, dass Flügel die wirtschaftlichste Lösung sind ...