Würde ein Flugzeug mit gegenläufigen Propellern, die länger als die Flügelspannweite des Flugzeugs sind, fliegen können?

Ich nehme mir gerne die Zeit, um zu versuchen, mir vorzustellen, wie fiktive Flugzeuge tatsächlich in der Realität funktionieren könnten. Leider gibt es einige, die aus der Sicht eines Ingenieurstudenten höchst unpraktisch erscheinen.

Eine davon ist besonders Bella Ciela aus „ The Place Promised in Our Early Days “. Es verfügt über einen Satz klingenartiger Flügel, die nach vorne herausragen und sich in gegenläufigen Propellern entfalten, um den Flug nach seinem düsenunterstützten Start aufrechtzuerhalten. Die Blätter drehen sich auch viel langsamer als bei einem herkömmlichen Propeller.

In der Tat ein seltsames Flugzeug

Ich komme an dem Closed-Loop-Flügel vorbei. Das V-Leitwerk hat keine Probleme, soweit ich das sehen kann. Meine Hauptsorge gilt den großen rotierenden Rotorblättern, die weit über die Spannweite des Flugzeugs hinausragen. Das Design von Bella Ciela aus der Gleichung herausnehmen und sich allein auf Konzepte konzentrieren.

grobes Design

  • Wie machbar ist es, einen Propeller zu verwenden, der größer als die Spannweite ist? Gibt es ein physikalisches Gesetz, das diese Konfiguration verhindert?
  • Welche unmittelbaren Folgen wären in der Luftströmung hinter einem so großen Propeller zu sehen? Würden die Flügel hinter der Strömung noch stabilen Auftrieb erzeugen können?
  • Die Schaufeln bleiben beim Verstauen flach und fungieren als zusätzliche Hebefläche; aber ich nehme an, man könnte sie so positionieren, dass ihr Auftriebsverlust das Gleichgewicht des Flugzeugs nicht beeinflusst (wie in der Skizze, mit ihnen zentriert)?
  • Kann ein Propeller ohne Drall noch effizienten Schub liefern? Könnten Sie den Effekt der Drehung reproduzieren, indem Sie stattdessen die Länge der Sehne der Klinge von der Wurzel bis zur Spitze variieren?
  • Gibt es Standardgleichungen zur Berechnung von Schub und Widerstand eines Propellers ohne Drall? Oder von einem Propeller im Allgemeinen?

Ich kann bereits sehen, dass der Luftwiderstand ein großes Problem wäre, wenn man etwas so Großes drehen würde. Gibt es eine Grenze, wie lang Propellerblätter werden können?

Es tut mir leid, wenn ich [zu viele] Fragen stelle, die nicht den Kriterien dieses Forums entsprechen. Dies ist nur ein Konzept, das mich in den letzten Stunden zum Googeln gebracht hat. Es ist ordentlich, und ich hasse es, Dinge einfach als Kunst abzutun, ohne zumindest zu versuchen, sie zu rechtfertigen.

Wie würden Sie in diesem Ding landen und abheben? Ich denke, ich würde nicht in ein Flugzeug steigen wollen, das länger als die Flügelspannweite auf einem Wagen sitzt. Es würde sich anfühlen, als würde man in einen Flamingo einsteigen.
Ist das ein Airliner-Konzept? Eine Sache, die Sie bei einem so großen Propeller beachten müssten, ist ein höheres Vogelschlagrisiko. Sieht nach mehr Konkurrenz zu meinem Flugzeugdesign aus.
@Alexander Wenn ich es richtig lese, wäre die Idee, mit den Blättern in der "Flügel" -Konfiguration (oberes Bild) zu starten und zu landen, wobei sie in der Luft im "Propellor-Modus" eingesetzt werden. Offensichtlich müsste es eine zusätzliche Schubquelle für Start und Landung geben.
Es würde einige praktische technische Probleme mit einem Design wie diesem geben. Ich erinnere mich an ein Gespräch mit einem Ingenieur, der an der Bell XV-15 arbeitete, der erklärte, dass eines ihrer Hauptprobleme darin bestand, dass Stahl nicht stark genug war, um die Rotornaben herzustellen, und dass sie sich etwas einfallen lassen mussten, das funktionieren würde. Ich vermute, dass in einem Flugzeug wie dem von Ihnen beschriebenen die Naben aus Unobtanium bestehen müssten - ein idealer Stoff für solche Zwecke, dessen einziger Nachteil darin besteht, dass es ihn nicht gibt.
@ethan Bist du sicher, dass das Risiko von Vogelschlägen größer wäre? Sicher, die riesigen Propeller fegen ein sehr großes Gebiet, aber sie bewegen sich auch langsamer, was bedeutet, dass im Vergleich zu einem kleineren, schnelleren Propeller die Wahrscheinlichkeit viel größer ist, dass ein Vogel durch das überstrichene Gebiet fliegt, ohne getroffen zu werden. Ich glaube nicht, dass Sie den Kompromiss zwischen den beiden Faktoren erraten können, ohne sich hinzusetzen und zu rechnen.
Ich stimme dafür, diese Frage als nicht zum Thema gehörend zu schließen, da es sich um fiktive Flugzeuge aus Science Fiction handelt und keinen Bezug zur realen Luftfahrt hat.
@abelenky Auch wenn es um ein fiktives Flugzeug geht, denke ich, dass es gute spezifische Fragen stellt, und Peter gibt gute Antworten, die hier sicherlich zum Thema gehören.
@abelenky Das Hilfezentrum listet "Aerodynamik (bezogen auf Flugzeuge)" auf, daher scheint dies ein Thema zu sein (ich behaupte, dass ich nur ein HNQ-Browser bin und mit der Community hier nicht vertraut bin). Wenn es hier kein Thema ist, könnte es für Engineering.SE ( relevante Seite im Hilfezentrum ) ein Thema sein. In diesem Fall könnte es angebracht sein, die Mods hier mit den Mods dort sprechen zu lassen. Es könnte auch etwas sein, Meta zu erwähnen, um das Hilfezentrum hier zu optimieren, um die Aerodynamik irgendwie einzuschränken, um deutlich zu machen, dass fiktive Flugzeuge nicht zum Thema gehören.
Mein Problem mit diesem Design ist, wie Sie dem massiven Drehmoment des Propellers entgegenwirken? Bei einem normalen Starrflügelflugzeug ist es nur eine kleine Querrudertrimmung, da die Querruder viel weiter nach außen wirken würden als die Spannweite des Propellers, sodass weniger Kraft mehr Gegendrehmoment erzeugt. Hier würden die rollenden Steuerflächen ziemlich hart gedrückt werden, um das Deck des Flugzeugs während des Reiseflugs auf gleicher Höhe mit dem Boden zu halten.
"Massives Drehmoment" wird mit gegenläufigen Rotoren ausgeglichen. Skizze ist nicht schlecht. Erinnert mich an "Fock und Jigger" Segelrigg (Großsegel wird bei stärkerem Wind fallen gelassen). Meine Fiktion hatte den "mains'l" als Schwenkflügel mit Blackbird-Jet-Antrieb. Dies kann funktionieren, Sie müssen eine Anwendung finden, um es zu verwirklichen.

Antworten (4)

Kurze Antwort: Dieses Design wird wahrscheinlich funktionieren, aber es wird nicht sehr effizient sein . Es kann zum Fliegen optimiert werden, aber wenn Sie mit dem Optimieren beginnen, würden Sie so fortfahren, dass das Ergebnis anders aussehen würde.

Sehen wir uns nun Ihre Fragen der Reihe nach an:

Wie praktikabel ist es, einen Propeller zu verwenden, der größer als die Spannweite ist? Gibt es ein physikalisches Gesetz, das diese Konfiguration verhindert?

Es gibt kein Gesetz, das einen so großen Propeller verbietet. Um Schub zu erzeugen, müssen Sie eine Luftmasse rückwärts beschleunigen. Je größer der Propeller, desto kleiner muss die Beschleunigung bei gegebenem Schub sein, da ein höherer Massenstrom zur Verfügung steht. Dies macht große Propeller von Natur aus effizienter , aber größere Blätter sind schwerer und erzeugen auch mehr Reibungswiderstand, sodass der optimale Punkt bei Propellern liegt, die um einiges kleiner sind als die Flügel des Flugzeugs, an dem sie befestigt sind.

Welche unmittelbaren Folgen wären im Luftstrom hinter einem so großen Propeller zu sehen? Würden die Flügel hinter der Strömung noch stabilen Auftrieb erzeugen können?

Da die Beschleunigung, die der Propeller auf die Luftmasse ausübt, gering ist, würden die Flügel dahinter in nahezu ungestörter Luft fliegen . Der Auftrieb wird im Laufe der Zeit etwas wackeln, da die von den Propellerblättern abfließende Grenzschicht eine zyklische Änderung des dynamischen Drucks auf die hinteren Flügel erzeugt. Dies wird jedoch ihre allgemeine Fähigkeit, Auftrieb zu erzeugen, nicht beeinträchtigen.

Die Schaufeln bleiben beim Verstauen flach und fungieren als zusätzliche Hebefläche; aber ich nehme an, man könnte sie so positionieren, dass ihr Auftriebsverlust das Gleichgewicht des Flugzeugs nicht beeinflusst? (Wie die Skizze mit ihnen zentriert)

Bei langsamer Geschwindigkeit hilft es, mehr Flügelfläche für die Auftriebserzeugung zu haben. Beachten Sie, wie stark sich die Fowler-Klappen eines Verkehrsflugzeugs nach hinten bewegen, um nicht nur die Wölbung der Flügel, sondern auch ihre Fläche zu vergrößern. Die Verwendung von zwei Flügeln, die in Formation fliegen, würde es ermöglichen, dem Heckflügel einen viel höheren Anstellwinkel zu geben und die Lücke zwischen ihnen zu nutzen, um die Grenzschicht des Heckflügels aufzufrischen, wie es bei Schlitzklappen der Fall ist , sodass ihr Auftrieb in Kombination höher wäre als die eines Flügels des gleichen Bereichs. Die langen, schmalen Propellerblätter dieses fiktiven Flugzeugs sehen jedoch zu dürftig aus, um beim Hinzufügen von Auftrieb von großem Nutzen zu sein: Sie würden bei einem Bruchteil ihres potenziellen Auftriebs abbrechen, wenn sie mit vorhandenen Materialien gebaut würden.

Kann ein Propeller ohne Drall noch effizienten Schub liefern? Könnten Sie den Effekt der Drehung reproduzieren, indem Sie stattdessen die Länge der Sehne der Klinge von der Wurzel bis zur Spitze variieren?

Gut, dass Sie "effizient" hinzugefügt haben; dies ändert die Antwort von einem „Ja“ zu einem „Nein“. Nur mit Drall wäre der lokale Anstellwinkel nahe am Optimum, aber auch ohne Drall ist Schub möglich. Dann sollte das Ziel sein, das gesamte Propellerblatt optimal für die äußeren 30 % seiner Spannweite zu pitchen. Der daraus resultierende Schub erzeugt jedoch ein starkes Wurzelbiegemoment, und ich bezweifle erneut, dass das schlanke Propellerblatt nicht abbricht. Wenn Sie versuchen, Schub näher an der Mitte zu erzeugen, erzeugt der äußere Teil, der mit dem höchsten dynamischen Druck fliegt, einen erheblichen Widerstand, der viel Drehmoment erfordert, und der Propeller bricht wieder ab, aber in eine andere Richtung.

Gibt es Standardgleichungen zur Berechnung von Schub und Widerstand eines Propellers ohne Drall? Oder von einem Propeller im Allgemeinen?

Ja. Die ersten guten wurden 1919 von A. Betz und L. Prandtl veröffentlicht , und die neuesten wesentlichen Verbesserungen wurden von Larabee hinzugefügt . Die Inzidenz kann vorgegeben und somit über die gesamte Spanne konstant eingestellt werden. Wenn Sie eine Kopie von Mark Drelas XROTOR ausführen können , können Sie es selbst versuchen.

Als Nachtrag: Bei einem so langen Propeller bewegen sich die Spitzen viel schneller als die Wurzel. Requisiten möchten im Allgemeinen, dass ihre Spitzen Unterschall bleiben. Die Änderungen des Luftstroms und der strukturellen Spannungen, wenn sie sich Mach-Geschwindigkeiten nähern, sind ... problematisch. Bei einer so langen Requisite gehen entweder die Spitzen in den Überschall oder die Wurzeln sind sehr langsam. Dies bedeutet, dass Sie entlang eines beträchtlichen Abschnitts der Stütze viel Verdrehung haben müssen, um einen echten Schub zu erzeugen, was wiederum zu Luftwiderstandsproblemen führen kann.
Wie würden sich lange Propellerblätter mit den langen Blättern eines Hubschraubers vergleichen? Sie können sehr lang und dünn sein, brechen aber nicht ab. Sie sorgen sowohl für Auftrieb als auch für Vortrieb. Sie haben das gleiche Problem mit der Vermeidung von Überschallspitzen, aber für diese Probleme gibt es Lösungen. Ich nehme an, dass es einen großen Unterschied geben würde, vertikal statt horizontal zu sein.
@TomMcW: Guter Vergleich! Hubschrauberblätter haben eine sehr solide Wurzel und eine konstante Sehne über ihre Spannweite. Die Requisiten im Bild haben sehr dünne Wurzeln und mehr Sehnen in der Mitte der Spannweite, sodass sie höhere Wurzellasten erzeugen. Außerdem dehnt die Rotation die Hubschrauberblätter horizontal. Hier, wenn sie als Flügel verwendet werden, ist eine solche Hilfe nicht verfügbar, und Flattern und Biegen fordern ihren Tribut. Auch der Auftriebsbeiwert eines symmetrischen oder Reflexhubschrauberblattes erzeugt viel weniger Auftrieb pro Fläche als der geschlitzte Flügel, der hier mit den zwei Blättern möglich ist.
@TomMcW 1) Hubschrauberblätter sind stärkeren Belastungen ausgesetzt (denken Sie an die Luft, die auf die Stützenspitze drückt, wenn sie sich vor dem Hubschrauber dreht, wodurch eine axiale Belastung entsteht, die sie möglicherweise knicken könnte), 2) Hubschrauberblätter tun normalerweise nicht zu viel mit Drehung, weil sie einen zyklischen verwenden, um die AoA des Blattes zu ändern, um die Kontrolle über den Hubschrauber zu erlangen. Propeller mit variabler Steigung in Flugzeugen haben auch deutlich weniger Verdrehung als ein statischer Propeller, aber das hat mehr damit zu tun, dass ein statischer Propeller verschiedene Regionen hat, die für unterschiedliche Geschwindigkeiten optimiert sind, während vpp angepasst werden, um den besten Schub für die aktuelle Fluggeschwindigkeit zu erhalten.

Lassen Sie uns eine Minute über die Propellergröße sprechen und die Aerodynamik des restlichen Fahrzeugs ignorieren, da sie in einer anderen Antwort behandelt wurde.

Denken Sie daran, dass sich die Spitzen eines Propellers schneller drehen als die Wurzeln. Obwohl sich der gesamte Propeller mit der Drehzahl dreht, müssen die Spitzen einen größeren Abstand zu den Wurzeln zurücklegen und bewegen sich daher schneller. Dies kann eine Überschallspitzensituation erzeugen, die an und für sich ein Problem darstellen kann. In dieser Frage finden Sie einige Informationen dazu . Um die Spitzen in diesem Fahrzeug auf Unterschall zu halten, müssten Sie den Propeller langsam drehen, was möglicherweise nicht genug Schub erzeugt, um das Flugzeug zu fliegen.

Es läuft alles auf die Physik hinaus. Was wir hier sehen, sollte ein Hubschrauber sein. Ja, absolut, mit gegenläufigen Rotoren würde es fliegen.

Aber jetzt müssen wir uns die Anforderungen des Fliegens ansehen, wie viel Kraft benötigt wird, um die Schwerkraft zu überwinden, und wie viel Kraft benötigt wird, um den Luftwiderstand zu überwinden und gleichzeitig Geschwindigkeit zu erzeugen. Es wird deutlich, dass das Design rückwärts ist, mit winzigen Flügeln und einem übergroßen Propeller. Wenn es als Helikopter fliegen würde, würde es nur eine leichte Vorwärtsneigung erfordern, um sich vorwärts zu bewegen.

Diese Beziehung wurde beim Studium von Segelflugzeugen gefunden. Es gibt sehr wenig frontale Fläche im Vergleich zu der von unten betrachteten Fläche. Dies, zusammen mit der Stromlinienform, ermöglicht es dem Segelflugzeug, sich vorwärts durch die Luft zu bewegen, während es nur leicht abfällt (flugzeug gefallen). Einmal in Bewegung erzeugt der Flügel noch effizienter Auftrieb (Segelflug).

Jetzt haben die Vögel Recht. Sie schwingen ihre Flügel als große, effiziente Propeller.

Es gibt bereits solche Flugzeuge mit gegenläufigen Propellern, die über die Flügel hinausragen:

V22 Fischadler

V280 Tapferkeit

AW609

Ein nicht kippbarer Rotor, der es nie in die Produktion geschafft hat:

XF5U gekauft

Es war sehr vielversprechend, insbesondere wegen seiner STOL-Eigenschaften, hatte aber das Pech, im Design zu sein, als Düsentriebwerke herauskamen.

-1; Keines dieser Flugzeuge hat gegenläufige Propeller - sie haben jeweils nur einen Propeller pro Welle. "Gegenrotation, auch als koaxiale Gegenrotation bezeichnet, ist eine Technik, bei der sich Teile eines Mechanismus in entgegengesetzte Richtungen um eine gemeinsame Achse drehen, normalerweise um die Wirkung des Drehmoments zu minimieren."
Wirklich? Flugzeuge wie die P38 und F82 werden als gegenläufig bezeichnet, weil sich die Propeller in entgegengesetzter Richtung drehen, um das Drehmoment aufzuheben. Der Effekt ist derselbe, unabhängig davon, ob die Requisiten gestapelt sind oder nicht.
Nein, P38 dreht sich gegenläufig. Schlag es nach.
Würde ein Flugzeug mit gegenläufigen Propellern, die länger als die Flügelspannweite des Flugzeugs sind, fliegen können?
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