Warum verwenden Hubschrauber keine Reaktionsräder, um dem Hauptrotor entgegenzuwirken?

Sie sprechen von einem Gerät (bei Hubschraubern der Heckventilator, der horizontalen Schub ausübt), das dem Drehmoment entgegenwirkt, das durch die Umgebungsluft auf den Hauptrotor (und damit auf den Hubschrauber) ausgeübt wird, wenn der Hauptrotor durch die Luft gezogen wird.

Sie schlagen stattdessen vor, über ein Reaktionsrad ein entgegengesetztes Drehmoment zu übertragen. Das würde in der Tat für kurze Zeit ein entgegengesetztes Drehmoment vermitteln . Sie erhalten jedoch kein Drehmoment, indem Sie ein Reaktionsrad mit konstanter Winkelgeschwindigkeit drehen, sondern indem Sie diese Winkelgeschwindigkeit ändern und beschleunigen .

Jetzt ist das Drehmoment, das die Luft durch den Hauptrotor auf den Helikopter ausübt, stabil – oder zumindest hat es eine ungefähr konstante Richtung. Um diesem Drehmoment entgegenzuwirken, müsste das Reaktionsrad daher gleichmäßig und unbegrenzt beschleunigt werden. Aus technischer Sicht ist dies natürlich nicht möglich.

Man kann sich das auch als Drehimpulserhaltung vorstellen, ohne über die Entstehung der Drehmomente nachzudenken. Die Luft verleiht dem Helikopter einen stetigen Winkelimpuls. Daher muss der Drehimpuls des Hubschraubersystems stetig zunehmen (es sei denn, es gibt ein Gegenmoment vom Heckfan). Dieser Drehimpuls ist also entweder die Drehung des Hubschrauberkörpers (was wir zu vermeiden versuchen) oder der des Reaktionsrads, dessen Drehimpuls unter der Wirkung des Drehimpulses auf das System stetig zunehmen muss.

Das ist wirklich eine technische Frage, imo, aber ich mag angewandte Physik.

Es gibt eine Alternative zu Reaktionsrädern, nämlich Triebwerke am Heck, die es der Maschine ermöglichen, näher an Bäume und Stromleitungen heranzukommen und allgemein auf engstem Raum so sicher wie möglich zu arbeiten.

Außerdem verwenden viele Helikoptermodelle kanalisierte Heckrotoren, wie unten gezeigt.

Um dem Gewicht der Maschine und dem Drehmoment des Hauptrotors des Hubschraubers entgegenzuwirken, müsste das Reaktionsrad, wie Sie sicher wissen, entweder sehr schwer sein oder eine erhebliche Winkelgeschwindigkeit haben, um einen ausreichenden Winkel zu erreichen Schwung und spielen eine nützliche Rolle bei der Wiederherstellung der Stabilität.

Der Härtetest für das Hubschrauberdesign ist meiner Meinung nach, ob das Militär die Ideen einbezieht? Wenn dies nicht der Fall ist, gibt es wahrscheinlich einen Nachteil, der weitere Forschung verhindert.

BEARBEITEN Die anderen Antworten zur Beschleunigung des Reaktionsrads erklären ziemlich genau die obige Zeile, es ist nicht nur ein Nachteil , es ist unmöglich zu implementieren. Ich sollte mich mehr mit der Mechanik von Reaktionsrädern befassen, bevor ich antworte. So ist das Leben. ENDE BEARBEITEN

Physikalisch gesehen könnte man es schaffen, wenn man den im Schwungrad gespeicherten Drehimpuls ab und zu dazu nutzt, die Drehrichtung des Hauptrotors schnell umzukehren und dann in die andere Richtung Drehimpuls aufzubauen.

Nachteile: Oh Mann, wo soll man anfangen? Sie benötigen symmetrische und damit wahrscheinlich weniger effiziente Rotorblätter und eine komplexere Taumelscheibenanordnung. Sie benötigen eine Hauptwelle und Blattbefestigungen, die während des Umkehrmanövers wahnsinnige Drehmomente auf den Rotor übertragen können. Sie benötigen komplexe Anordnungen, damit der Motor über einen weiten Drehzahlbereich ein fein gesteuertes Drehmoment auf das Schwungrad ausüben kann. Und es wird eine sehr aufregende Fahrt, wenn der Auftrieb hin und wieder für eine halbe Sekunde verschwindet, während der Rotor reversiert.

Ich halte dies für eine sehr interessante Idee, aber klar, Sie müssten das Rad als Gyroskop verwenden . Einfach ein zum Rotor koaxiales Rad hochzudrehen, würde das Ziel nicht erreichen, wie Rod Vance ausgearbeitet hat .

Was Sie stattdessen tun müssten, ist das Rad vertikal zu montieren . Das Rad würde sich mit einer hohen konstanten Geschwindigkeit drehen. Nun erzeugt der Rotor ein Drehmoment in einer Richtung senkrecht zum Drehimpuls des Kreisels. Aufgrund der Drehimpulsaufsummierung ergäbe sich eine Bewegung nicht so sehr in Gier-, sondern in Nick-/Rollrichtung . Man könnte jetzt sagen, dass dies nur ein Problem durch ein anderes ersetzt, aber nicht ganz: Anders als beim Gieren können Sie Nicken und Rollen allein mit dem Hauptrotor entgegenwirken, indem Sie zyklisch verwenden .

Das allein würde jedoch nicht ausreichen: Um das Drehmoment wirklich zwischen den Richtungen zu „übertragen“, muss die Drehachse des Rads tatsächlich geändert werden. Mit anderen Worten, der Hubschrauber würde sich immer noch drehen, nur langsamer! Für einige Zwecke könnte dies tatsächlich in Ordnung sein, zumindest in einem Drohnenhubschrauber. Für die meisten Anwendungen benötigen Sie jedoch einen kardanischen Mechanismus, um die Radachse zu ändern, ohne den Hubschrauberkörper zu drehen. Das würde die Konstruktion um einiges komplizierter machen.

Sehr wahrscheinlich ist das Ganze nicht praktikabel, aber es wäre auf jeden Fall interessant, dieses Konzept mit einer Spielzeugdrohne auszuprobieren!

Es ist nicht möglich, ein Reaktionsrad oder irgendein anderes Mittel zu verwenden, um dem Drehmoment durch Energie zu widerstehen, die wie oben erwähnt in einem Kreisel gespeichert ist. Ein Mechanismus wie ein rotierendes Rad oder Schwungrad würde auf der Grundlage seiner Winkelträgheit J arbeiten, die direkt proportional zu seiner Masse ist, und die Menge an Drehmoment, die es speichern und liefern kann, reicht nicht aus, um dem Drehmoment des Hauptrotors auch nur um a entgegenzuwirken einige Sekunden für eine Masse von sagen wir 100 lbs Rad, das eine tote Last ist. Sie müssen es kontinuierlich beschleunigen, da sein verfügbares Drehmoment bereits verbraucht wurde, um dem Rotor entgegenzuwirken. Sehr bald erreicht man Winkelgeschwindigkeiten, die jenseits jeder vernünftigen Technik liegen.

Nehmen wir den Propeller einer Cessna 172 als Beispiel für ein Reaktionsrad. Es ist ungefähr 50 lbs und 72 Zoll Durchmesser (Radius ist exponentiell mit J verbunden). Beim Start oder bei einigen Manövern beschleunigt er in wenigen Sekunden von 500 U/min auf 2500 U/min, und Sie würden ein großes Drehmoment erwarten, mit dem Sie fertig werden müssen. Es stimmt, es gibt ein gewisses Drehmoment, aber selbst für mich als Pilot, der damit rechnen sollte, spüre ich nicht viel. Hören Sie einfach das Dröhnen des hochdrehenden Motors.

Der Hecklüfter hat ein leicht steuerbares Vertrauen bei geringen Energiekosten und kann an ein Automatikgetriebe angepasst werden, um nahtlos mit Nick- und Giersteuerungen zu arbeiten und eine gewisse selbstausgleichende Trägheit zu erzielen.