Wątek: Kwestia prędkości lotu śmigłowca.

[TheWitch]

To może jeszcze zanim się znowu zacznie, pozwolę sobie zadać pytanie, które mnie nurtuje. Od razu powiem, że nie znam na nie odpowiedzi (dlatego właśnie je zadaję  ). Ponieważ jednak fachowców tu nie brak, sądzę, że odpowiedź padnie bardzo szybko i konkurs ruszy dalej po tym króciutkim przerywniku.
Pytanie:
Dlaczego śmigłowce, pomimo, że lżejsze i posiadające silniki mocniejsze od wielu samolotów śmigłowych, latają od nich znacznie wolniej, spalając przy tym znacznie więcej paliwa ?
Przecież zgodnie z prawami fizyki powinno być odwrotnie...

P.S.
W razie czego - przepraszam za zamieszanie 

Wydzieliłem Twoje pytanie z "Konkursu" żeby uniknąć zamieszania - jak temat się rozwinie do wrzucę do działu "Technika ..."


_______________________________________________________

Przeniesiona wypowiedź lookasa:

W dużym uproszczeniu silnik śmigłowca musi "wytworzyć" siłę niezbędną do uniesienia śmigłowca i do jego rozpędzenia,a silnik samolotu ma za zadanie jedynie rozpędzić samolot a przy odpowiedniej  prędkości siłę nośną wytworzą skrzydełka.

Po drugie przy duży prędkościach poziomych końcówka łopaty nacierającej zbliża się do prędkości dźwięku co nie jest zbyt pożądane.

[Razorblade1967]

Dlaczego śmigłowce, pomimo, że lżejsze i posiadające silniki mocniejsze od wielu samolotów śmigłowych, latają od nich znacznie wolniej, spalając przy tym znacznie więcej paliwa ?

Kilka uwag choć "fachowcem" nie jestem.

1. Parametry silnika śmigłowca muszą być nieco inne niż silnika samolotu. Jest to spowodowane faktem, że moc silnika potrzebna do startu znacznie sie różni od mocy (lub ciągu) niezbędnego w warunkach przelotowych. Ciag startowy (Moc) jest znacznie większy niż w przypadku lotu poziomego i musi być większy od ciężaru startowego aparatu latającego. Stąd m.in. silniki śmigłowców są bardzo paliwożerne.

2. Znaczna cześć tego ciągu idzie na utrzymanie śmigłowca w powietrzu podczas lutu. W samolocie siła nośna jest w znacznym stopniu wytwarzana przez skrzydła natomiast w śmigłowcu tę siłę sobie trzeba "ukręcić" napędzanym od silnika wirnikiem - co jednak powoduje spore opory.

3. Część mocy silnika idzie na równoważenie momentu oporowego, co jest realizowane poprzez napędzane śmigło ogonowe (w śmigłowcach w układzie "klasycznym" jednowirnikowym).

4.  Prędkość śmigłowca jest też ograniczona przez wytrzymałość wirnika, bo co prawda można użyć pomocniczego napędu (np. silników odrzutowych) wytwarzających dodatkowy ciąg poziomy (tzw. śmigłowiec sprzeżony np. Sikorsky S-72) to jednak wirnik nadaje ograniczenia i nie da lecieć więcej niż jakieś 550-600 km/h. Jednak ekonomia takiego lotu jest żadna.

[Ranwers]

Dlatego powstają takie hybrydy


http://www.fas.org/man/dod-101/sys/ac/v-22.htm

[Razorblade1967]

Najpierw były takie  :



Wspomniany przeze mnie poprzednio S-72

Vmax - 556 km/h
Mógł awaryjnie lecieć i  lądować po odstrzeleniu łopat ( w przypadku ich uszkodzeniu podczas prób) dzięki sile nośnej wytwarzanej przez te małe skrzydełka.

Natomiast prędkość lotu śmigłowca klasycznego jest ograniczona podobno do około 230 mph czyli jakieś 370 km/h.

[TheWitch]

No tak - opór łapat tego dużego wirnika, oraz moc potrzebna do tego małego - to do mnie przemawia.

Historia typu:
"W dużym uproszczeniu silnik śmigłowca musi "wytworzyć" siłę niezbędną do uniesienia śmigłowca i do jego rozpędzenia,a silnik samolotu ma za zadanie jedynie rozpędzić samolot a przy odpowiedniej  prędkości siłę nośną wytworzą skrzydełka." zupełnie do mnie nie trafia, bo "skrzydełka" same z siebie żadnej energii do tego układu wnieść nie mogą i to silnik musi na to pracować, tak czy inaczej.
To samo dotyczy wyniesienia jakiegoś ciężaru na wysokość - same skrzydła tego przecież nie zrobią, więc wątpię, czy silnik samolotu ma do wykonania mniejszą pracę, przecież energia musi być taka sama, a szkopuł tkwi chyba tylko w stratach tej energii. Być może wirnik jest mniej wydajny niż skrzydła, a do tego jeszcze to małe na ogonie ...

Teraz jestem już mądrzejsza.
Dzięki  

[Sundowner]

Cały problem jest w tym, że w samolocie oba skrzydła poruszają sie do przodu, w śmigłowcu jedno porusza sie do przodu, a drugie do tyłu, tak długo jak te poruszające sie do tyłu porusza sie szybciej niż cała maszyna - konkretnie nie ulega przeciągnięciu, to śmigłowiec może lecieć odpowiednio szybko. Gdy łopata(skrzydło) "cofające się" ulegnie przeciągnięciu, to tak jakbyśmy w samolocie odrąbali jedno skrzydło, wiec o locie jako takim nie ma mowy

Łopata "nacierająca" (poruszająca sie do przodu) natomiast też ma pewne ograniczenia, bo porusza się z prędkością większą niż cała maszyna, a szczególniej jej końcówka, i bardzo łatwo może dojść do prędkości transsonicznej, a nawet przekroczyć prędkość dźwięku, co w zasadzie spowoduje jej zniszczenie z powodu ogromnej różnicy naprężeń na całej długości łopaty.

Moc silników nie jest aż taka istotna dla szybkości lotu śmigłowców.

Rekordzistą ze śmigłowców nieposiadających dodatkowego napędu i powierzchni nośnych jest od 20 lat Westalnd Lynx, który osiągnął w trakcie lotu poziomego prędkość równą 400,55 km/h.

[Razorblade1967]

... bo "skrzydełka" same z siebie żadnej energii do tego układu wnieść nie mogą i to silnik musi na to pracować, tak czy inaczej.
To samo dotyczy wyniesienia jakiegoś ciężaru na wysokość - same skrzydła tego przecież nie zrobią, więc wątpię, czy silnik samolotu ma do wykonania mniejszą pracę, przecież energia musi być taka sama, a szkopuł tkwi chyba tylko w stratach tej energii. Być może wirnik jest mniej wydajny niż skrzydła, a do tego jeszcze to małe na ogonie ...

Znaczenia skrzydeł nie można zaniedbać bo wytwarzają siłę nośną, która w dużej mierze wpływa na zdolność utrzymania się aparatu w powietrzu. Może te dwa bardzo uproszczone schematy Cię przekonają. Z siły ciągu wirnika tylko część idzie na prędkość postępową maszyny, reszta pracuje nad utrzymaniem aparatu w powietrzu. Natomiast w samolocie prawie cała siła ciągu idzie na prędkość postępową. Zresztą proporcje ciężaru silnika śmigłowca do masy aparatu latającego też są gorsze niż w samolocie bo przecież silnik śmigłowca musi wytworzyć ciąg większy od ciężaru maszyny, aby wystartować. Ile samolotów ma ciąg większy niż ciężar maszyny? - tylko kilka wysokomanewrowych myśliwców!

Łopata "nacierająca" (poruszająca się do przodu) natomiast też ma pewne ograniczenia, bo porusza się z prędkością większą niż cała maszyna, a szczególniej jej końcówka, i bardzo łatwo może dojść do prędkości transsonicznej, a nawet przekroczyć prędkość dźwięku, co w zasadzie spowoduje jej zniszczenie z powodu ogromnej różnicy naprężeń na całej długości łopaty.

Tak to jest podstawowa przyczyna ograniczonej prędkości, dlatego czasem pojawiają się takie koncepcje "śmigłowca przyszłości" ...



... w którym wirnik o odpowiednim kształcie i profilu po osiągnięciu pewnej prędkości zatrzymuje się i pełni rolę skrzydeł w układzie X i maszyna leci dalej (i szybciej ) jak samolot. Z tym, że na razie to tylko koncepcje "na papierze", w tunelach aerodynamicznych itd. - choć koncepcja wydaje się atrakcyjna i o niebo sprawniejsza niż Osprey i podobne jemu aparaty.

PS. Dla zachowania "porządku na Forum"  - przeniosłem ten wątek tutaj.

[Miron]

Panowie, a nie można prościej?

Kochana Olguś, całe to zagadnienie można sprowadzić do kwestii koniecznej do wytworzenia SIŁY. Otóż w śmigłowcu trzeba wytworzyć siłę równą ciężarowi śmigłowca, czyli odpowiednik siły nośnej skrzydeł samolotu. Śmigła samolotowe zaś wytwarzają jedynie siłę pokonującą opór aerodynamiczny, która jest zwykle kilkanaście do kilkudziesięciu razy mniejsza (vide doskonałość płatowca).

W takim ujęciu śmigłowce wypadają o wiele ciekawiej, gdyż moc i zużycie paliwa na jednostkę wytworzonej siły są znacznie mniejsze...

[TheWitch]

Dzięki chłopaki za zaangażowanie !
Z wektorów, które Razorblade przytoczyłeś niewiele wynika, poza tym, że to samo, co w śmigłowcu daje wirnik, napędzany przez silnik, to w samolocie daje śmigło i  skrzydła, też w pewnym sensie napędzane przez silnik, siły jednak są podobne, zatem to kwestia oporu łopat wirnika, poruszających się ze znacznie większą prędkością jest tu zapewne kluczowa. A szkoda, bo myślałam o zakupie helikoptera ... 

Zdjęcia super !
Widać, że nie tylko ja miałam zabitego klina z tym śmigłowcowo-samolotowym problemem 

A w ogóle to wszystko przez to, że  w Sturmoviku jest taki samoloto-śmigłowiec, który lata jakby był moją wyczynową miotłą 
I takie coś to bym chciała mieć ... 
Szybkie jak najszybszy samolot, a jednocześnie można zaparkować za domem. Pewnie pali dużo przy starcie, ale za to w locie już powinien nieco mniej niż normalny samolot, bo opór niewielki przecież.

[Razorblade1967]

Z wektorów, które Razorblade przytoczyłeś niewiele wynika...

No cóż, a mnie się wydawało, że w tych wektorów wynika bardzo wiele. 

Skrzydło w czasie lotu wytwarza siłę nośną bez bezpośredniego udziału silnika - pośrednio wykorzystuje oczywiście nadaną prędkość, ale nie korzysta z mocy silnika. Natomiast wirnik, aby się kręcić "pożera" cześć mocy silnika śmigłowca i pozostawia tylko część tej mocy do wykorzystania na lot postępowy - to właśnie widać z tych wektorów.

... że to samo, co w śmigłowcu daje wirnik, napędzany przez silnik, to w samolocie daje śmigło i  skrzydła, też w pewnym sensie napędzane przez silnik, siły jednak są podobne, zatem to kwestia oporu łopat wirnika, poruszających się ze znacznie większą prędkością jest tu zapewne kluczowa.

Ograniczenie prędkości śmigłowca spowodowane kwestią wytrzymałości łopat wirnika, prędkością ich końcówek itd. to jedno i jak słusznie zauważył Sundowner ogranicza to prędkość maksymalną (dopuszczalną) śmigłowca klasycznego do około 400 km/h.

Tylko, że kwestia uzyskiwania siły nośnej to druga, ważna kwestia - bo jest własnie związana z tym o czym pisałaś na początku - czyli z konieczną mocą silnika śmigłowca.

Mocno uproszczony przykład: Dwie maszyny o podobnej masie startowej i podobnej mocy silników.

1. Śmigłowiec Mi-17 mający masę startową 13 ton i osiągajacy prędkość maksymalną 250 km/h (czyli daleko mu do prędkości granicznej dla śmigłowców) musi być napędzany dwoma silnikami TW3-117MT o mocy 1434 kw każdy.

2. Samolot Douglas A-26 Invader - o podobnej masie startowej (12,9t) i podobnej mocy silników (2 x P&W R2800 1491 kW) osiągał 570 km/h - właśnie dzięki układowi aerodynamicznemu.

Tak więc kwestia siły nośnej skrzydła i wpływu tej siły nie może być pominięta w przypadku porównania koniecznej mocy silnika do uzyskania prędkości samolotu i smigłowca.

Do rozpędzenia śmigłowca o nieco mniejszej masie startowej (max. 11,8t) do podobnej prędkości (556 km/h) w przypadku Sikorsky S-72 (śmigłowiec sprzężony) musiano użyć 2 silników o ciągu 4180kN każdy (i dwóch do napędu wirnika o mocy 1,045 kW każdy) przy pomocy jeszcze niewielkich skrzydeł - taki podobny ciąg miał np. 13 tonowy Su-7!

Bo oczywiźcie jest jeszcze kilka czynników jak np. generowane opory aerodynamiczne przez obracający się wirnik, znacznie wieksze niż takie same opory skrzydeł samolotu.

[QWAZAR]

Chyba wiem o co Oli chodzi...
Teoretycznie aby przenieść coś z punktu A do B na podobnej wysokości i z podobną prędkością potrzeba podobnej energii. W tym jednak przypadku, jeśli Ola chcę przewieźć swoją szanowną osobę helikopterem zamiast samolotem zapłaci znacznie więcej, w dodatku lecąc wolniej. Z punktu widzenia rachunku energetycznego rzeczywiście jest to dziwne i trudne do wytłumaczenia. Z tej perspektywy rzeczywiście śmigłowiec wygląda na strasznego marnotrawcę energii, a skrzydła samolotu jawią się jak jakieś "perpetum mobile" 

[Loku]

Na prędkość śmigłowca wpływ też ma konstrukcja samego wirnika,tzn.głowica+łopaty, wczesne rozwiązania były to mechanicznie skomplikowane konstrukcje oparte na łożyskach a same łopaty miały profile lotnicze z samolotów,późniejsze konstrukcje oparte na łożyskach elastomerowych  i nowe profile łopat miały znaczący wpływ na osiągi.Czasem też żeby "przyspieszyć" śmigłowiec próbowano też takich sztuczek


na końcu ogona dodatkowe śmigło pchające, konstrukcja ta się nie sprawdziła bo była skomplikowana w obsłudze i nie rokowała widoków na przyszłość choć do tego pomysłu powrócono

ale to raczej chyba tylko kolejny ciekawy pomysł.

[TheWitch]

Dzięki Wam wszystkim za dużą dozę informacji !
@Razorblade - nie zrozum mnie źle - twoje rysunki bardzo mi się podobały, tylko, że ... wyglądają niemal tak samo ... i nie widać z nich dlaczego śmigłowiec lata tak wolno.

A propos, z tego wszystkiego wygląda, że ten Lerche był znacznie lepszy od nowoczesnych śmigłowców ( w każdym razie szybszy). Czy on w ogóle latał ?

[Sundowner]

Już o tym była mowa i w zasadzie... nie miał prawa, byłby zbyt ciężki. Ale latały później podobne maszyny:

Convair XFY-1 Pogo


Lockheed XFV


Ale jeżeli już coś kupować to proponuję poczciwego Harriera, albo poczekać na F-35B... co nie zmienia faktu, że dobry turbinowy śmigłowiec byłby wielokrotnie tańszy w zakupie i eksploatacji

[Schmeisser]

Lerche na pewno by latał , i na pewno by zmienił losy wojny , przecież to oczywiste. Szef tak powiedział.

A na poważnie - abstrahując od tej konkretnej konstrukcji , pionowzloto-samoloty ze skrzydłem tunelowym są zdolne jak najbardziej do lotu, tyle że gnębi je ta sama przypadłość co Poga i inne Vertijety - wylądowanie nimi wymaga zegarmistrzowskiej precyzji i szczęścia Ulricha Rudla, jak pokazały liczne próby. Klasyczny helikopter jest o niebo bardziej praktyczny