Warum erhöht das Vorwärtsbewegen der Propellersteuerung bei einem Propeller mit konstanter Geschwindigkeit den Luftwiderstand?

Die Propellersteuerung bestimmt die Motordrehzahl. Wenn Sie ihn nach vorne bewegen, kann der Regler die Blätter abflachen, was zu einem geringeren Anstellwinkel führt. Tatsächlich wird die AoA unter bestimmten Umständen so niedrig, dass sie tatsächlich negativ wird, was bedeutet, dass sich der Luftstrom schneller durch den Propeller bewegt, als sich der Propeller vorwärts bewegt. Das ist wie mit einem Windrad herumzulaufen .

In unserem Fall haben Propeller im Allgemeinen immer einen Unterschied zwischen der effektiven Steigung und der geometrischen Steigung [*]. Wenn die effektive Steigung kürzer ist, erzeugt der Propeller positiven Schub, und wenn sie länger ist, erzeugt der Propeller negativen Schub.

Wir können sofort schlussfolgern, dass die spürbare starke Verzögerung beim Beschleunigen der Propellersteuerung darauf zurückzuführen ist, dass die effektive Steigung länger ist als die geometrische Steigung. So wissen wir, dass die AoA negativ ist.

Auswirkungen von negativem AoA

@MichaelHall hat es in seiner Antwort gut erklärt , also werde ich hier nicht viel darauf eingehen. Kurz gesagt bedeutet die negative AoA, dass der Hochdruckbereich nicht die Unterseite der Klinge ist, sondern die Oberseite. Dadurch wird die invertiert$F$Vektorrichtung und bedeutet, dass der Propeller kein Drehmoment mehr von der Welle aufnimmt, sondern stattdessen Drehmoment auf die Welle überträgt .

Wohin geht die Energie?

Der Propeller dreht sich schneller, das stimmt, aber warum verlangsamt das das Flugzeug? Schließlich,$E = F d$, und wenn es also eine Verzögerungskraft gibt, muss irgendwo Energie fließen.

Die Antwort ist zweigeteilt. Ein kleiner Teil der Energie geht an parasitäre Schleppverluste im Propeller, aber der größte Teil davon geht an die Motorpump- und Reibungsverluste.

Etwas vereinfacht[**], für einen klassischen Benzin-ICE ist der Energieverlust pro idealem Zylinderzyklus$E = p v$. Wenn wir einen Moorstandard haben$360\rm{in}^3$Motor, wie dem ehrwürdigen Lycoming O-360, dann haben wir, wenn wir in Standardeinheiten umrechnen und ein Vakuum von 75 % hinter der geschlossenen Drosselklappe annehmen, E = 101300[Pa] * 0,75 * 5,90[L]/1e3[L/ m^3] = 448 J pro Zyklus. Da der Lycoming ein Viertakter ist, dauert ein Kolbenzyklus zwei Umdrehungen, und somit haben wir bei 2700 U/min – einer typischen Höchstgeschwindigkeit – 1350 Zyklen/Minute oder 22,5 Zyklen/Sekunde.

22,5 * 448 = 10 kW oder ungefähr 13 PS .

Wenn man bedenkt, dass der 0-360 nur 180 PS leistet, wird sich ein Motorbremsfaktor von ungefähr 10% des Spitzenschubs sicherlich bemerkbar machen.

Obwohl wir weder innere Reibung noch parasitären Luftwiderstand noch Abweichungen von einem idealen Carnot-Motor berücksichtigt haben, können wir dennoch erkennen, dass die primäre Leistungssenke der Motor ist, der Luft gegen eine geschlossene Drosselklappe pumpt.

Dieser Motorbremseffekt ist Motorradfahrern und Schalthebelfahrern sehr vertraut, und es gelten die gleichen Prinzipien. Interessanterweise gilt dies nicht für Diesel, da sie keine Drosselklappe haben. Sie haben weitaus geringere Motorbremskräfte und Diesel-Lkw müssen einige Zeit in Anspruch nehmen , um eine Motorbremskraft zu erzeugen, die eine nützliche Unterstützung für herkömmliche Reibungsbremsen darstellt.

_{[*] Lesen Sie mehr über die faszinierende und geniale Methode, um echten 0-Schub zu erreichen, der erforderlich ist, um die Gleitzahl eines Motorflugzeugs empirisch zu testen: https://engineering.purdue.edu/~andrisan/Courses/AAE490A_S2010/Buffer/AIAA- 46372-872.pdf
[**] Wir gehen von keinen Reibungsverlusten und minimaler Wärmeübertragung aus.}

Lassen Sie uns den Motor aus der Gleichung herausnehmen, um die Dinge zu vereinfachen. Lassen Sie uns tatsächlich auch die Requisite herausnehmen und einen sehr elementaren Vergleich betrachten – das alte Beispiel „Gib das Fenster raus“ …

Legen Sie beim Fahren Ihre Hand aus dem Fenster und spüren Sie den Widerstand, den sie erzeugt. Drehen Sie nun Ihre Hand. Können Sie fühlen, wie wenig Luftwiderstand vorhanden ist, wenn Ihre Hand eine „Messerkante“ bildet, im Vergleich zu einer flachen und senkrecht zum Luftstrom stehenden Handfläche? (Ich weiß, dass Sie das wissen, und ich versuche nicht, die Intelligenz von irgendjemandem zu beleidigen, aber ich finde es manchmal nützlich, zu den Grundlagen zurückzukehren, um einen Punkt zu machen ...)

Dies ist das gleiche Prinzip, wenn Sie die Tonhöhe der Stütze variieren. Wenn Sie die Propellersteuerung nach hinten in Richtung Kursneigung bewegen, verringern Sie die Oberfläche des Propellers, die dem Luftstrom zugewandt ist, und verringern den Luftwiderstand. ( Denken Sie daran, wir betrachten hier einen frei drehenden Propeller in einem gleitenden Abstieg, weil ich die Motorleistung vorerst aus dem Beispiel herausgenommen habe …) Mit einem voll gefiederten Propeller ist es möglich, die Propellerblätter zu „messerschneiden“, wodurch sehr viel entsteht wenig ziehen.

Stellen Sie sich nun das Gegenteil vor, dass wir die Propellersteuerung ganz nach vorne bewegen. Dies hat den Effekt, dass die Schaufeln auf eine feine Teilung abgeflacht werden. Wenn wir weit genug gehen, bilden sie eine sich langsam drehende Scheibe, mit viel Oberfläche, die dem entgegenkommenden Wind ausgesetzt ist, was viel Parasitenwiderstand erzeugt. (genau wie Ihre Handfläche.)

Lassen Sie uns den Motor wieder einbauen - Während des Starts und des Steigflugs wählen wir eine feine Steigung, aber nicht um Luftwiderstand zu erzeugen, sondern um die meiste Leistung bei hohen Drehzahlen und langsameren Fluggeschwindigkeiten zu erhalten, wenn wir sie brauchen. Genauso wie das Schalten Ihres Autos oder Fahrrads in einen niedrigeren Gang, wenn Sie bergauf fahren. Normalerweise ziehen wir beim Cruisen oder Sinkflug den Propellerhebel zurück, um eine gröbere Steigung für die Effizienz bei hoher Geschwindigkeit und niedrigerer Drehzahl auszuwählen, genau wie Sie den Overdrive auf der Autobahn verwenden würden.

Wenn der Propeller vom Motor belastet wird, erzeugt er Strom. Die Rotorblätter haben einen positiven Anstellwinkel, und sie nehmen „Luftbisse“ und beschleunigen sie nach hinten, um Schub zu erzeugen. Bei einem Abstieg mit der Leistung im Leerlauf könnte jedoch das Gegenteil der Fall sein. Der Anstellwinkel kann negativ sein, da die Propeller dem Luftstrom Energie entziehen, um sich zu drehen, anstatt Energie hinzuzufügen. Dies trägt zur Verzögerungswirkung des Widerstands bei.

Grundsätzlich können wir durch Variieren des Blattwinkels und der Motorleistungseinstellung die Stütze verwenden, um uns entweder nach vorne zu ziehen oder einer Vorwärtsbewegung zu widerstehen.

Wann könnten wir also die Stütze verwenden, um mehr Luftwiderstand zu erzeugen und der Vorwärtsbewegung zu widerstehen? Nun, bei einem Sinkflug im Leerlauf, wenn versucht wird, auf Fahrwerks- und Klappenausfahrgeschwindigkeit zu verlangsamen. Ohne Geschwindigkeitsbremsen kann es manchmal eine Herausforderung sein, langsamer zu werden, aber wenn wir die Propeller auf eine feine Steigung bewegen, werden sie flacher und werden zu einem sehr effizienten Bremsgerät.

Ich weiß, es fühlt sich kontraintuitiv an, die Requisiten hochzuschieben, um langsamer zu werden, aber glauben Sie mir, es funktioniert ganz gut. Es ähnelt der Idee, Ihr Auto an einem steilen Gefälle herunterzuschalten, anstatt mit den Bremsen zu fahren. (und es klingt aus Ihrer Frage so, als hätten Sie diesen Effekt aus erster Hand erlebt ...)