Verbrauchen Helikopter im Schwebeflug mehr Treibstoff?

Ja, es ist richtig, dass Hubschrauber beim Schweben mehr Kraftstoff verbrauchen: Der Motor muss mehr Leistung aufbringen, um den Luftwiderstand zu überwinden. Hier ist ein Diagramm der Motorleistung, die für verschiedene Fluggeschwindigkeiten erforderlich ist, von J. Gordon Leishman, Principles Of Helicopter Aerodynamics:

Die Linie für die Gesamtleistung sinkt mit zunehmender Fluggeschwindigkeit zwischen 0 und 70 Knoten, dies wird durch die Linie für die induzierte Leistung verursacht: Leistung, die erforderlich ist, um den induzierten Widerstand des Hubschrauberblatts zu überwinden. Die erforderliche Gesamtmotorleistung ist die Summe aus:

• Induzierte Leistung. Die Leistung, die erforderlich ist, um den induzierten Widerstand der Auftriebserzeugung zu überwinden, der weiter unten näher beschrieben wird. Die Antriebsleistung bezieht sich auf die jetzt hilfreiche Abgasgeschwindigkeit des Motors und auf den Anstieg der induzierten Leistung bei höheren Geschwindigkeiten aufgrund des Kompressibilitätswiderstands.
• Profilleistung, erforderlich für den Blattprofilwiderstand.
• Parasitäre Leistung für den Luftwiderstand, der durch die Flugzeugzelle, die Rotornabe usw. verursacht wird. Null im Schwebeflug, sehr dominant bei Höchstgeschwindigkeit. Hubschrauber haben Formen, die viel weniger aerodynamisch sind als Flächenflugzeuge, und diese Widerstandsquelle wird bei höheren Geschwindigkeiten sehr bedeutsam.
• Leistung des Heckrotors. Bis zu 20% der Hauptrotorleistung sowohl im Schwebeflug als auch bei Höchstgeschwindigkeit, in der Mitte sehr gering durch das hilfreiche Seitenleitwerk. Bei Höchstgeschwindigkeit ist das Drehmoment des Hauptrotors hoch und der Heckrotor muss mehr Arbeit leisten, es sei denn, das Seitenleitwerk lässt sich verstellen.

Beim Schweben dominiert die induzierte Kraft. Der induzierte Widerstand wird durch die Rückwärtsneigung des Auftriebsvektors verursacht: Je höher der Winkel zwischen Blatt und freiem Strom ist, desto mehr wird der Vektor nach hinten geneigt, was sowohl zu einem Verlust an Auftrieb als auch zu einer Erhöhung des Luftwiderstands führt. Die Gleichung für den Auftrieb L lautet:

und bei einer bestimmten Höhe sind die beiden Variablen hier$C_L$(Auftriebsbeiwert) und$V$(Fluggeschwindigkeit am Blatt).$C_L$ist eine ungefähr lineare Funktion des Anstellwinkels am Blatt, sodass der Auftrieb linear mit dem Zurückkippen des Blatts und quadratisch mit zunehmender Fluggeschwindigkeit über dem Blatt zunimmt.

Die obige Grafik von Leishman zeigt die Geschwindigkeitsverteilung über die Blätter beim Schweben und bei Fluggeschwindigkeit. Ziemlich komplizierte Situation - beim Schweben ist die Fluggeschwindigkeit, die das Blatt erreicht, nur die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, bei Vorwärtsgeschwindigkeit hat das vorwärts fliegende Blatt Rotationsgeschwindigkeit plus Fluggeschwindigkeit.

Der Helikopter rollt nicht um und sowohl das vordere Blatt als auch das sich zurückziehende Blatt liefern den gleichen Auftrieb, wobei das nach hinten gerichtete Blatt stärker nach hinten geneigt ist als im Schwebeflug. Aber das nach vorne gerichtete Blatt ist viel weniger nach hinten geneigt: Die Fluggeschwindigkeit hat einen quadratischen Einfluss.

Beachten Sie, dass der Kreis in der Darstellung bei Vorwärtsfluggeschwindigkeit keine blockierte Strömung ist, sondern eine Rückwärtsströmung: Die Luft strömt an der Rückseite des Blatts ein. Der Luftwiderstand ist jetzt also negativ, der Luftstrom hilft, das Blatt anzutreiben! Im Bereich der Gegenströmung tritt jedoch ein Auftriebsverlust auf.

Die induzierte Leistung verringert sich zunächst mit der Fluggeschwindigkeit gemäß der einfachen 1-D-Impulsüberlegung (mehr Luftmasse durch die Scheibe) und nimmt später zu, wenn die Scheibe zunehmend nach vorne geneigt wird und mehr Arbeit leisten muss, um Verluste durch Rotorprofilwiderstand und parasitäre Flugzeugzellen zu überwinden Widerstand und Kompressibilitätswiderstand.

Es gibt auch einen Interferenzeffekt des Abwinds über dem Rumpf: Im Schwebeflug strömt die Luft gerade nach unten, während im Vorwärtsflug die Rotorwäsche mehr mit dem Rumpf ausgerichtet ist und mehr eine Stromlinienform erfasst. Bei Höchstgeschwindigkeit ist natürlich der parasitäre Luftwiderstand dominant, während das Entladen des Rotors durch die Verwendung fester Flügeloberflächen die induzierte Leistung bei hohen Geschwindigkeiten reduziert - aber vom Schweben bis zu moderaten Vorwärtsgeschwindigkeiten ist es nur die Verringerung der durch den Auftrieb induzierten Leistung, die den Translationsauftrieb erzeugt.

Ja, es ist richtig, wenn der Hubschrauber nicht zu schnell fliegt. Ein Helikopter erzeugt den nötigen Auftrieb am effizientesten bei moderater Vorwärtsgeschwindigkeit.

Bei einem Schwebeflug muss der gesamte zur Auftriebserzeugung verfügbare Luftstrom durch die Rotation des Hauptrotors erzeugt werden. Das bedeutet, dass eine kleine Luftmenge stark beschleunigt werden muss. Wenn der Hubschrauber Vorwärtsgeschwindigkeit hinzufügt, kann er einen höheren Massenstrom durch den Rotor erreichen, und jetzt ist weniger Luftbeschleunigung erforderlich, um den gleichen Auftrieb zu erreichen. Dies verbessert die Effizienz der Auftriebserzeugung. Wenn der Helikopter schneller als seine Geschwindigkeit für die maximale Steiggeschwindigkeit fährt, wird der Luftwiderstand zu hoch und verringert die Effizienz erneut.

Bei hoher Geschwindigkeit können die Spitzen der vorrückenden Blätter Überschallgeschwindigkeiten erreichen, was zu einem merklichen Anstieg des Luftwiderstands führt, und der innere Teil des sich zurückziehenden Blatts sieht eine sehr geringe Fluggeschwindigkeit, und um immer noch Auftrieb zu erzeugen, neigt sich das gesamte Blatt zu einer Höhe Anstellwinkel, wodurch der innere Teil abgewürgt wird, was wiederum zu einer spürbaren Erhöhung des Luftwiderstands führt. Es gibt einen optimalen Punkt zwischen Schweben und schneller Geschwindigkeit, an dem die erforderliche Leistung ein Minimum erreicht.

Ja, ich bin kein Physikstudent, aber ich arbeite an Black Hawks. Wenn Sie sich einen Hubschrauber nur als eine Hauptrotorscheibe vorstellen, die Auftrieb erzeugt, dann ist die Antwort von Peter Kampf zum Massenfluss durch die Rotorscheibe der größte Faktor. (Denken Sie daran, dass die Scheibe nach vorne geneigt wird, wenn sich der Helikopter vorwärts bewegt). Ihre Frage lautete jedoch eigentlich, warum sie weniger Treibstoff verbrauchen: Nun, Tausende kleiner Designmerkmale an der Flugzeugzelle helfen, im Vorwärtsflug wertvolle Pfund Treibstoff zu sparen. (Vielleicht möchten Sie eine Google-Bildersuche durchführen, um sich das anzusehen, während Sie dies lesen.)

Der Black Hawk hat eine gewölbte vertikale Finne, die den Heckrotor über 60 Knoten entlastet, und dieses Drehmoment wird in den Hauptrotor umgeleitet. Es hat einen variablen Stabilisator, der den Winkel mit der Fluggeschwindigkeit von vorne ändert (= sich ändernder Abwindwinkel des Hauptrotors), um Auftrieb zu erzeugen und den Hauptrotor weiter zu entlasten. Der Heckrotor ist in einem Winkel geneigt und dreht sich rückwärts in die Hauptrotorwäsche, um den Hauptrotor erneut zu entlasten und mehr Leistung für die Vorwärtsgeschwindigkeit freizusetzen. Es verfügt über Bordcomputer und eine Mischeinheit, die die Flugzeugzelle im Flug abflacht, sodass bei hohen Vorwärtsfluggeschwindigkeiten kein flaches Kabinendach im Luftstrom präsentiert wird. Je flacher Sie die Scheibe in den relativen Luftstrom halten können, desto kleiner sind die Anstellwinkel der Blätter und desto weniger parasitärer Widerstand von der Rotorscheibe.

Die Hauptrotorblattspitzen werden nach hinten geschwenkt, um das Einsetzen des transsonischen Spitzenwiderstands zu verzögern, wenn das vorrückende Blatt im Vorwärtsflug höhere relative Fluggeschwindigkeiten sieht. Andere Hubschrauber haben Flugzeugzellenverkleidungen, die im Vorwärtsflug einen Auftrieb vom Kabinenkörper erzeugen. Alle diese aerodynamischen Einsparungen sind im Vorwärtsflug vorhanden, aber nicht im Schwebeflug. Und schließlich profitieren die Lufteinlässe Ihres Turbinentriebwerks von einem gewissen Staulufteffekt im Vorwärtsflug, was bedeutet, dass bei gleichem Drehmoment weniger Kraftstoff verbraucht wird. Jeder Hubschrauber auf der Welt verwendet einige oder alle dieser Funktionen, um im Flug Treibstoff zu sparen, und wenn Sie Hubschraubergenerationen (Bell 47, Bell UH-1, Bell 412, Black Hawk) vergleichen, können Sie sehen, dass sich diese Funktionen allmählich entwickeln.

Es gibt andere Überlegungen, wenn ein Hubschrauber knapp über dem Boden schwebt, aber ich habe versucht, nur einige der Möglichkeiten aufzulisten, wie Hubschrauber während des Fluges Treibstoff sparen können. Hoffe etwas davon hilft.

Das Konzept ist als „translationaler Auftrieb“ bekannt. Beim Vorwärtsflug verhält sich die Rotorscheibe eines Helikopters ähnlich wie die Tragfläche eines Flugzeugs – sie hat ein signifikantes Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand. Der erforderliche Schub zum Aufrechterhalten eines Horizontalflugs wird um dieses Verhältnis reduziert, und daher werden auch die erforderliche Triebwerksleistung und der Treibstofffluss reduziert. Im Schwebeflug muss das Motor-Rotor-System einen Schub liefern, der vollständig dem Gewicht des Hubschraubers entspricht.

Beim Schweben hat die Luft mehr Zeit, sich von weiter oben in eine induzierte Strömung zu versetzen, die sich in einer höheren Abwärtsströmungsgeschwindigkeit niederschlägt, wenn die induzierte Strömung die Ebene des Rotors erreicht. Beim Translationsflug bewegt sich der Rotor kontinuierlich in saubere Luft, sodass die Abwärtsströmungsgeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt, zu dem die Luft die Rotorebene erreicht, geringer ist als beim Schweben. Leistung ist gleich Kraft mal Geschwindigkeit, berücksichtige in diesem Fall die Leistungsabgabe an die Luft. In beiden Fällen ist die Kraft gleich (gleich dem Gewicht des Hubschraubers), aber beim Schweben ist die Abwindgeschwindigkeit durch die Rotorebene größer als beim Translationsflug, sodass die erforderliche Leistung beim Schweben größer ist als im Translationsflug, bis der Translationswiderstand zu einem Problem wird.

Ein weiteres Problem sind Spitzenwirbel. In einem Schwebeflug können diese ziemlich groß werden, wiederum aufgrund der ganzen Zeit, die die Wirbel aufbauen und die Rotorspitzen sich in die Wirbel bewegen, die von der/den anderen Rotorspitze(n) erzeugt werden. Beim Translationsflug werden die Wirbel durch den relativen Horizontalwind "abgewaschen", wodurch die Größe der Spitzenwirbel verringert wird.

Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist, ob der Hubschrauber zusätzliche Flügel hat. Ein ziemlich berühmtes Beispiel ist die Kampfhubschrauberfamilie Mi-24 , bei der Waffenmasten als Flügel fungieren.

"Bei hoher Geschwindigkeit bieten die Flügel einen beträchtlichen Auftrieb (bis zu einem Viertel des Gesamtauftriebs)."

In großen Höhen mit voller Last besteht das empfohlene Abhebeverfahren darin, horizontale Geschwindigkeit zu erreichen, damit die Flügel etwas Auftrieb aufnehmen.

Wenn die Schwerkraft die einzige Kraft wäre, die auf ein Flugzeug wirkt, dann würde das Flugzeug zu jedem Zeitpunkt eine gewisse Abwärtsbewegung erhalten. Um also die Höhe zu halten, muss das Flugzeug diesen Impuls auf eine andere Masse (z. B. Luft) übertragen. Das heißt, es wird etwas Luft geben, die mit einer Geschwindigkeit von Null beginnt (im einfachsten Fall) und mit einer gewissen Abwärtsgeschwindigkeit endet. Da Impuls Masse mal Geschwindigkeit ist, ist die Geschwindigkeit, auf die die Luft beschleunigt werden muss, umgekehrt proportional zur Masse der beschleunigten Luft: Geschwindigkeit = Impuls/Masse. Die Energie dieser Luft ist jedoch mv ² /2. Wenn wir die Geschwindigkeit in diese Gleichung einsetzen, erhalten wir Energie = Masse*( Impuls ² /(2*Masse ² ). Eine Potenz der Masse hebt sich auf, was Energie = Impuls ^{2 ergibt}/(2*Masse). Somit halbiert eine Verdoppelung der nach unten beschleunigten Luftmenge die benötigte Energie. Wenn ein Flugzeug mit hoher Geschwindigkeit fliegt, kommt eine große Luftmenge mit seinen Flügeln in Kontakt, was bedeutet, dass es nicht viel Energie aufwenden muss, um Auftrieb zu erzeugen (natürlich erfährt es umso mehr Luftwiderstand, je schneller es fliegt, einen Kompromiss zwischen Auftrieb und Luftwiderstand geben). Ähnliches erlebt ein Helikopter: Wenn er horizontal fliegt, bewegt er sich ganz natürlich in neue Luft. Wenn es schwebt, gibt es weniger Luft, die nach unten beschleunigt werden kann, und welche Luft vorhanden ist, muss durch die eigene Kraft des Rotors zum Rotor gezogen werden.