Zwischen einem Helikopter und einem Flugzeug, das für einen bestimmten TOW mehr Leistung zum Fliegen benötigt?

Welches benötigt bei gleicher Masse (z. B. 400 kg) mehr Leistung (in PS) zwischen Hubschrauber und Flugzeug? Angenommen, beide sind maximal ausgelegt (das erforderliche Material wird während des Entwurfs berücksichtigt), um die erforderliche Leistung zu minimieren.

Bearbeiten : Die Frage sollte so lauten: Welches benötigt mehr Kraft, um einen Hubschrauber anzuheben (um ihn schweben zu lassen) und um ein Starrflügelflugzeug zum Fliegen zu bringen? Nicht um sie mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen zu lassen.

Tatsächlich fliegt es mit dem gleichen Gewicht und der gleichen Geschwindigkeit. Siehe Antwort unten.
Entweder man vergleicht Heben und Bewegen, oder man vergleicht die Flugzeugnase nach oben und Schweben. Der Helikopter benötigt WENIGER Kraft zum Schweben. Warum? (Vergleichen Sie die Propellerabmessungen und Drehzahl mit dem Hubschrauberrotor).

Antworten (6)

Flugzeuge fliegen, indem sie mit ihren Flügeln Auftrieb erzeugen. Dies verursacht einen gewissen Luftwiderstand, aber gute Flügel haben ein Auftriebs-/Luftwiderstandsverhältnis im Bereich von 15 bis 20. Das heißt, der auftriebsabhängige Widerstand beträgt nur 5 % des Auftriebs. Helikopter hingegen erzeugen Auftrieb direkt aus Vertrauen; es ist kein Multiplikator beteiligt.

Ein 4000 kg schweres Flugzeug hat zB ein Gewicht von 40.000 Newton, so dass der auftretende Luftwiderstand 2000-3000 Newton beträgt. Ein 4000 kg schwerer Helikopter muss 40.000 Newton Auftrieb erzeugen, nur um zu schweben.

Natürlich haben sowohl Flugzeuge als auch Helikopter einen zusätzlichen Luftwiderstand durch die Vorwärtsfluggeschwindigkeit, und für Flugzeuge ist dies offensichtlich unvermeidlich, um Strömungsabrisse zu verhindern.

Liebe @mstalters, ist es möglich, dass Sie eine Berechnung durchführen, damit sie klarer wird? Ein Hubschrauber hebt die Last vertikal an, während ein Flugzeug die Last durch Schleppen anhebt.
Bitte beachten Sie die Kommentare unten. Danke für die Diskussion.
@AirCraftLover: Hinzugefügt.
Vergessen Sie nicht, dass Sie bei ausreichend großem Rotor mit beliebig wenig Leistung beliebig viel Schub haben können (im Stillstand wie beim Schweben des Hubschraubers; in Bewegung benötigen Sie mindestens Schub mal Geschwindigkeit, die Leistung, die an das Fahrzeug geht)!

Betrachten wir dies sehr vereinfacht.

Ein Flugzeug mit Masse M A C bleibt in der Luft, indem es Luft nach unten drückt, oder speziell, indem es einen Massenstrom gibt M ˙ A [kg/s] Luft mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach unten v A [MS]. Dies gibt einen Schwung "Fluss" M ˙ v [kg m/s²] das ist die Auftriebskraft F l ich F T [N]

F G = F l ich F T
M A C G = M ˙ A ⋅ v A

Die dafür benötigte Leistung entsteht dadurch, dass dem Luftstrom eine kinetische Energieströmung zugeführt werden muss

P l ich F T = M ˙ A v A 2

Dies ist lediglich die Leistung, die für die Auftriebserzeugung erforderlich ist (Leistung, die insbesondere zur Überwindung des induzierten Widerstands erforderlich ist). Das sieht man am Machen M ˙ A beliebig groß u v A beliebig klein (während ihr Produkt konstant gehalten wird), kann der Leistungsbedarf beliebig klein gemacht werden. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Flügel oder Rotoren länger gemacht werden, damit sie ein größeres Luftvolumen (und damit Luftmasse) beeinflussen, oder indem sie schneller fliegen (damit sie sich durch mehr Luft bewegen, was wiederum den Massenstrom erhöht).

Dies setzt jedoch einen perfekten Wirkungsgrad voraus. In Wirklichkeit erfahren Flügel einen Luftwiderstand, auch wenn kein Auftrieb erzeugt wird, und das gleiche gilt für den Rumpf. Sie werden oft feststellen, dass bei einer bestimmten Geschwindigkeit ein Minimum an Gesamtleistung erforderlich ist, so dass der induzierte Widerstand ziemlich gering, aber der Reibungswiderstand nicht ganz so groß ist. Dies gilt sowohl für Starr- als auch für Drehflügler. Diese Faktoren sind das Ergebnis der praktischen Konstruktion des Flugzeugs, nicht theoretischer Überlegungen.

Es gibt also keine theoretische Antwort auf diese Frage. Es gibt nur eine praktische Antwort, nämlich dass das Schweben in einem Hubschrauber sehr ineffizient ist und viel Kraft erfordert (weil es nur eine kleine Luftmasse beeinflussen kann, da es sich nicht bewegen darf), also angesichts der Einschränkungen in Ihrer Frage (ein schwebender Helikopter im Vergleich zu einem Starrflügel bei 100 Knoten), der Starrflügel ist in der Praxis wahrscheinlich effizienter.

Wir einigen uns auf F=ma und Vektoren. Interessant ist, dass es bei gleich entgegengesetzten Kräften keine Bewegung gibt. Die Rakete auf dem Prüfstand produziert Power, der Prüfstand ist (hoffentlich) stark genug, um sie zu halten. Leistungsgleichung = ForcexSpeed ​​kann mit der Einschränkung "ohne Gegenkraft" korrekt sein. In Wirklichkeit können Reibung, Luftwiderstand oder jede Gegenkraft die Geschwindigkeit in einen stationären Zustand bringen.
Und übrigens, die Lösung besteht darin, die Hughes 269 mit der Cessna 150 wie @John K zu vergleichen, und Sie werden den Unterschied sehen. Eine Cessna 150 fliegt mit etwa 1/4 ihres Gewichts an Schub, der Helikopter benötigt 100 % seines Gewichts an Schub, aber der (höher ausgerichtete) Rotor ist EFFIZIENTER als der Propeller, ok?
@RobertDiGiovanni Im stationären Zustand funktioniert der Motor immer noch, aber der Luftwiderstand leistet die gleiche Arbeit, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen. Wie auch immer, wenn wir uns darauf einigen können, dass Leistung nicht dasselbe ist wie Schub (was wir anscheinend trotz der Diskrepanz in den Einheiten nicht können), können wir sehen, dass die Hughes mit einem 134-kW-Motor für ein beladenes Gewicht von 703 kg kommt, während die Cessna mit kommt ein 75-kW-Motor mit einem geladenen Gewicht von 726 kg (Zahlen aus Wikipedia)
Hier irgendwo hinkommen. Der Heli erzeugt also den 4-fachen Schub mit der 2-fachen Leistung. Lassen Sie uns nun eine sehr große Stütze in ein Flugzeug (V-22 Osprey) einbauen?
@RobertDiGiovanni In der Tat ist ein Hubschrauber dank der großen Blätter effizienter bei der Umwandlung von Kraft in Schub. Ein Flugzeug kann mit einem weniger effizienten Propeller (weniger groß, daher kleineres Fahrwerk erforderlich) davonkommen, weil es die hocheffizienten Flügel hat. Sie werden sehen, dass frühe Flugzeuge fast komisch große Propeller hatten, da die Motoren so klein waren; Bis zum heutigen Tag sehen Sie, dass Turboprops eher hochflügelig sind (z. B. ATR-72, Dash-8), um größere Propeller aufzunehmen.
Aus Ihrer Erklärung sagten Sie, dass v die Geschwindigkeit des Luftstroms nach unten ist. Das wissen wir nicht. So scheint es, IMHO, nicht die Antwort. Das ist wahr, dass die zum Anheben erforderliche Kraft größer sein muss, um den Helikopter anheben zu lassen, und als um die konstante Kraft so groß wie das Gewicht (m*g) während des Schwebens zu halten. Aber die Antwort auf diese Frage ist nicht einfach.
Wie gesagt, wir betrachten das Design als maximal (oder optimiert in der Terminologie von @john-k). Wir müssen also die Länge des Rotorblatts AoA und die Länge berücksichtigen. Die Länge selbst darf nicht zu lang und nicht zu kurz sein. Wenn es zu kurz ist, ist eine hohe Geschwindigkeit erforderlich, die am Ende einen Luftwiderstand erzeugt, ohne mehr Kraft zu geben, wenn die Spitzengeschwindigkeit die Unterschallgeschwindigkeit überschreitet. Aber wenn es zu lang ist, wird es Tangentialkraft erzeugen. Also, was ist die maximale Größe?
Rotor und Propeller drehen sich direkt mit der Motorleistung (wir gehen davon aus, dass die Kurbelwelle direkt oder nur über ein Kegelradgetriebe verbunden ist). Aber um die Rotor- oder Propellerdrehung um 10 % zu erhöhen, erhöht sich die erforderliche Leistung um 33,1 %, plus die von der Luft absorbierte verlorene Leistung (der Wirkungsgrad). Dadurch müssen wir die Rotation des Rotors/Propellers nicht so schnell aufrechterhalten. Ändern Sie die Größe des Propellers / Rotors, bis wir die optimale Größe erhalten, was wahrscheinlich die beste Lösung ist.
@AirCraftLover Wir wissen es nicht v , aber der Punkt ist, dass wir es theoretisch beliebig klein machen können, indem wir die Rotor- oder Flügelgröße erhöhen. Sie fragen nach einem Maximum oder Optimum, aber wie gesagt, ob wir uns steigern können M ˙ ohne Begrenzung geht der Leistungsbedarf gegen Null. Wenn wir nur den Leistungsbedarf betrachten, können wir kein Optimum finden. Echte Flugzeuge sind ein Gleichgewicht zwischen den Kosten für das Hinzufügen von Leistung (größerer Motor) und den Kosten für die Reduzierung des Leistungsbedarfs (längere Flügel).
@AirCraftLover Kleiner Nitpick: "Erzeugen Sie einen Luftwiderstand, ohne mehr Kraft aufzubringen, wenn die Spitzengeschwindigkeit die Unterschallgeschwindigkeit überschreitet." Der induzierte Luftwiderstand ist ausschließlich die Kraft, die mit dem Herunterdrücken der Luft verbunden ist. Der Luftwiderstand aufgrund von Flügeln, die in Überschallrichtung gehen, fällt unter den parasitären Luftwiderstand

Wenn Sie meinen, dass sich ein 400-kg-Hubschrauber und ein 400-kg-Starrflügelflugzeug mit 100 kt bewegen, wird es im Allgemeinen der Hubschrauber sein, der mehr Leistung benötigt, da das ganze eierschlagende Chaos viel weniger effizient darin ist, Energie in Vorwärtsgeschwindigkeit umzuwandeln.

Natürlich können Sie das Flugzeug so schleppend machen, dass es mehr Leistung als der Hubschrauber benötigt, um 100 kt zu erreichen, wenn Sie möchten, und davon gibt es viele, aber ich nehme an, wir sprechen hier über optimierte Flugzeuge.

Ich meine, welches benötigt mehr Kraft, um einen Hubschrauber anzuheben und ein Flächenflugzeug zum Fliegen zu bringen? Ich stimme Ihnen zu, wenn die Absicht darin besteht, ihn mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen zu lassen, benötigt der Hubschrauber natürlich mehr Leistung.
Nun, eine Hughes 269 wiegt 1550 lbs und hat 180 PS und ist damit nicht gerade eine vertikale Rakete, und eine Cessna 150 wiegt 1500 lbs und fliegt gut mit 100 PS, also los geht's.

Hubschrauberrotoren müssen genügend Schub liefern, um das Gewicht des Hubschraubers auszugleichen: T H = W .

Starrflügelflugzeuge müssen genügend Schub liefern, um den Luftwiderstand zu überwinden, während der Flügelauftrieb das Gewicht kompensiert. Wie @MSalters richtig feststellt, bietet der Flügel viel mehr Auftrieb als Luftwiderstand, außerdem gibt es einen Rumpf und ein Heck.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Torenbeek-Synthese des Subsonic-Flugzeugdesigns gibt einige L / W-Verhältnisse vollständiger Flugzeuge an. Ein mittelgroßer Turboprop wie der F-27 hat während des Starts ein L / D von 13,8, da das Seitenverhältnis A = 12 ist. Also dieser Starrflügel Flugzeug müsste 1/14 des Schubes eines Hubschraubers mit dem gleichen Startgewicht liefern: T F = W / 14

Die einfache Impulstheorie ergibt folgenden Zusammenhang zwischen Schub T und Leistung P:

T = C T ⋅ ρ A ( Ω R ) 2
P = C P ⋅ ρ A ( Ω R ) 3
Und damit bei konstanter Scheibenfläche und Spitzengeschwindigkeit:
C P = C T 3 / 2 2 => P F = ( P H / 14 ) 3 / 2 = 0,1

Spitzengeschwindigkeiten ( Ω R ) von Propellern und Helikopterrotoren sind vergleichbar, die Scheibenfläche eines Starrflüglers ist kleiner. Die benötigte Leistung bei konstantem Gewicht ist also für einen Starrflügler mindestens eine Größenordnung geringer als für einen Helikopter.

Größenordnung? Das entspricht überhaupt nicht der Realität. ZB Pilatus PC-12 hat 890 kW installierte Leistung für 4 740 kg MTOW und Eurocopter EC155 vergleichbarer Größe hebt bei seinem MTOW 4920 kg mit nur 1394 kW installierter Leistung ab. Das ist nicht einmal doppelt so viel, lange Strecke von einer Größenordnung!
Der Vergleich des Schubs eines Flugzeugs mit „Schub“, was bedeutet, dass der Auftrieb eines Hubschraubers ist völlig irrelevant. Der größere Rotor kann genauso wie die Flugzeugflügel viel mehr Auftrieb für Leistung erzeugen.
@JanHudec Wie wird der Auftrieb im Referenzrahmen des Hubschrauberrumpfes definiert?
Der Auftrieb ist als senkrecht zum relativen Wind definiert (mit Ausnahme des Hubschraubers im Schwebeflug, der keinen relativen Wind hat; er sollte als die Kraft definiert werden, die dem Gewicht für die Kontinuität entgegenwirkt).
… und beachten Sie, dass der Sinn dieser Auftriebsdefinition darin besteht, dass der Auftrieb keine Arbeit am Flugzeug verrichtet . Sie benötigen also nur die induzierte Leistung und die induzierte Leistung kann durch Verbesserung des Wirkungsgrads reduziert werden. Im Gegensatz zum Schub, der am Flugzeug wirkt und die minimal erforderliche Triebwerksleistung festlegt. So kann ein Rotor bei gleicher Motorleistung wesentlich mehr Auftrieb erzeugen als ein Propeller im Vorwärtsflug Schub erzeugen kann.
Wenn der Hubschrauber abhebt, hat er eine vertikale Geschwindigkeit, der Rotor liefert mehr Auftrieb als Gewicht, es wird Arbeit am Flugzeug verrichtet. Es macht keinen Sinn, eine vertikale Kraft je nach Richtung des Geschwindigkeitsvektors zuerst als Schub und dann als Auftrieb zu definieren.
@JanHudec Außerdem beträgt die Reisegeschwindigkeit des PC-12 528 km / h, die Never Exceed Speed ​​​​des EC155 beträgt 324 km / h. Wie Sie wissen, ist die Luftwiderstandskraft quadratisch proportional zur Fluggeschwindigkeit. Wenn Sie die installierte Leistung von Starrflüglern und Hubschraubern vergleichen, tun Sie dies bitte für äquivalente Geschwindigkeiten.
Der Parasitenwiderstand ist quadratisch proportional zur angezeigten Fluggeschwindigkeit. PC-12 kommt nicht einmal in die Nähe der angegebenen 528 km/h . Es kann etwas höher werden als die Vne des Hubschraubers, aber der Hubschrauber ist sowieso nicht widerstandsbegrenzt. Der Helikopter wird durch den sich zurückziehenden Blattabriss begrenzt. Nicht, dass PC-12 auch leistungsbegrenzt wäre. Leider veröffentlichen sie keine detaillierten Leistungsangaben, um die Beschleunigungen vergleichen zu können.
Wenn der Hubschrauber vertikal abhebt, verrichtet die vertikale Kraft tatsächlich Arbeit am Flugzeug (und kann daher als Schub betrachtet werden), aber beachten Sie, dass die Geschwindigkeit sehr gering ist, ebenso wie die Leistung.

Die "Flügel" des Hubschraubers (seine Hauptrotorblätter) bewegen sich an ihren Spitzen mit etwa 400 MPH durch die Luft, selbst wenn der Helikopter selbst im Bodeneffekt sitzt und überhaupt nicht durch die Luft fliegt. Dies erfordert Arbeit, und um vorwärts zu fliegen, muss der Motor gleichzeitig den Hauptrotorwiderstand und den Rumpfwiderstand überwinden. Also: mehr Luftwiderstand für den Heli, weniger für die Cessna 150.

Mit einer Einschränkung: Der Helikopter benötigt beim Vorwärtsfliegen weniger Kraft als beim Schweben.

Als allgemeine Faustregel gilt, dass bei Fahrzeugen, die schwerer als ein Flugzeug sind, die größere, langsamere Auftriebsfläche mit weniger Störungen EFFIZIENTER bei der Umwandlung der verfügbaren Leistung in Auftriebs- und/oder Antriebskraft ist.

Das Helikopterblatt hat im Vergleich zu einem Propeller eine größere Effizienz bei der Erzeugung von Schub (siehe V-22 Osprey), aber der Flügel ist bei der Erzeugung von Auftrieb weitaus effizienter, daher benötigt die Cessna 150 weniger LEISTUNG, um die gleiche Menge an KRAFT (Auftrieb und Auftrieb) zu erzeugen Schub).

Sie werden feststellen, dass dies für Eindecker vs. Doppeldecker (weniger Interferenzen), Propeller vs. Lüfter (viel weniger Interferenzen), Segelflugzeug mit hoher Ausrichtung vs. Geschwindigkeitsflugzeug mit niedriger Ausrichtung (effizienterer Flügel), 2-Blatt-Hubschrauber vs. 8-Blatt-Hubschrauber (weniger Interferenz) und Vogel funktioniert vs Flugzeug (langsamer "Propeller")

Schubkraft = Leistung x Effizienz

Sie werden feststellen, dass Vögel eher wie Hubschrauber antreiben und heben. Dennoch sind sie effizienter als die Cessna, weil ihre PROPELLER proportional größer und langsamer sind. Aber wir sehen keine 400-kg-Vögel oder 800.000-lb-Cessnas, weil der NET-Schub das ist, was das Flugzeug tatsächlich bewegt.

Ein weniger EFFIZIENTER Jet hat viel mehr Leistung, es steht also viel mehr Schub zur Verfügung, allerdings mit mehr Treibstoffverbrauch pro erzeugtem Pfund Schub.

Schließlich ist die Kraft, die erforderlich ist, um "das Flugzeug zum Schweben zu bringen" und "das Flugzeug zum Fliegen zu bringen", wirklich vergleichbar! Man muss einfach erkennen, dass es in beiden Fällen FORCE vs DRAG ist. Für den direkten Vergleich müssen beide also auf Fluggeschwindigkeit sein.

POST EDIT - ANTWORT AUF KOMMENTARE

Zum Nutzen von @ MSalters und @ AirCraft Lover ist eine Prüfung der Einheiten angebracht

F = ma kg m/Sekunden im Quadrat

Nun ist die Gleichung für Leistung = F x Geschwindigkeit = kg m/Sekunde zum Quadrat xm/Sekunde

Dies ist eine unglückliche Verfälschung von James Watts ursprünglicher Gewichthebearbeit mit Pferden (Ursprung von „Pferdestärken“) und sollte lauten:

Leistung = Masse x Schwerkraft + Masse x Beschleunigung zum Erreichen der Geschwindigkeit und Leistung = Masse x Schwerkraft bei konstanter Geschwindigkeit F = ma = angehobenes Gewicht. Kraftvektoren sind ADDITIV. Luftwiderstand und Riemenscheibenreibung sind vernachlässigbar. (Watt wusste nur den ersten Meter zu nehmen)

Beachten Sie, dass Entfernung NICHTS mit KRAFT zu tun hat! (Ich bin sicher, dass Footballspieler, die an der Line of Scrimmage (Thrust vs. Drag Superbowl) kämpfen, dies zu schätzen wissen).

Lassen Sie uns zur SCHUB-Kurve einer Estes C6-0-Modellrakete und Bratsche vorspulen! Das macht das Pferd von James Watt!

Wir können uns also Schub, Auftrieb, Luftwiderstand und Schwerkraft als ZUSÄTZLICHE Kräfte vorstellen (viel einfacher) und noch besser, sie in vertikale und horizontale Komponenten zerlegen!

Das ist etwas handwinkende Physik. Kraft x Geschwindigkeit = Leistung.
@MSalters Power widersetzt sich Drag. Die erzeugte Effizienz ist wirklich das Verhältnis von Schub zu Widerstand (oder Auftrieb zu Widerstand). Könnte neu anordnen zu Schub- oder Hubkraft / Leistung = Effizienz. Keine Handbewegung hier. Es ist die Definition von Leistung, die Geschwindigkeit (als d / t) umfasst, die möglicherweise überprüft werden muss. Es braucht Kraft (als Kraft/Zeit), um ein Objekt (gegen die Schwerkraft/Zeit) zu halten, selbst wenn es keine Bewegung gibt. Ich habe über James Watt und Pferdestärken geschrieben und bin zu dem Schluss gekommen, dass P = Gewicht xd / t Gewicht xv / t sein sollte, um das Gewicht auf konstante Geschwindigkeit zu beschleunigen, und einfach P = Gewicht bei konstanter Geschwindigkeit für das Pferd. Ich frage mich, was das Pferd denkt.
Ich war dort freundlich. Die Gleichung stimmt nicht einmal in ihren Dimensionen überein. Kraft wird in Newton angegeben, Leistung in Joule pro Sekunde und Effizienz ist ein dimensionsloser Bruchteil. Und nein, es braucht keine Kraft, um Objekte gegen die Schwerkraft zu halten. Unpowered Tische tun es die ganze Zeit.
Lieber @Robert-DiGivani, ist es möglich, dass Sie eine echte Berechnung anstellen? Sagen Sie, was die minimalen Blätter und die Leistung wären, die erforderlich wären, um einen Hubschrauber vertikal anzuheben, und das gilt auch für ein Flugzeug. Von dort aus wäre klar, welches mehr Leistung erfordert.
Sehr geehrter @Robert-DiGivani, aus Ihrer Gleichung ist die Krafteinheit Newton (N) und die Leistungseinheit Newtonmeter/Sekunde (Nm/s). Fast geschafft, muss aber noch korrigiert werden.
Hier KÜSSE ich. Kräfte einfach ausgleichen. Bei einem Kolbenmotor ist der DURCHSCHNITTLICHE Schub der Kolben = Luftwiderstand der Stütze oder des Rotors. Die "Auftriebskraft" ist ein Produkt jedes Tragflügels, sei es Propeller, Rotor, Flügel oder Nudel. Die Effizienz ist das LIFT/DRAG-Verhältnis. Nur Kräfte, KEINE Distanz! Hinweis mit Schub/Sekunde = Widerstand/zweites Mal hebt sich auf. Es wird dann eine Untersuchung von Tragflächen. Und es ist empirisch für schwerer als Flugzeuge. Von Beruf Chemiker, kein Physiker, aber ich arbeite daran.
Noch einfacher ist der Schub pro Pfund Kraftstoff, der über eine beliebige Zeiteinheit verbrannt wird. Denken Sie daran, dass ein HUBSCHRAUBER Schub nach oben erzeugt, indem er seine Flügel dreht. Ein FLUGZEUG verwendet Schub für die Vorwärtsbewegung und erzeugt einen Luftstrom über dem Flügel. In ALLEN Fällen muss der Widerstand überwunden werden, um die notwendige Kraft zu erzeugen. Sie werden feststellen, dass die Cessna 1/4 ihres Gewichts an Schub benötigt, um zu fliegen, der Helikopter braucht 100 Prozent, ABER der Rotor ist EFFIZIENTER als der Propeller! Die MATH überlasse ich dir.
Zwischen einem Helikopter und einem Flugzeug, das für einen bestimmten TOW mehr Leistung zum Fliegen benötigt?
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