¿Cuál es el empuje de dos hélices apiladas?

Hay un artículo muy interesante de Manikandan Ramasamy ( Hover Performance Measurements Toward Understanding Aerodynamic Interference in Coaxial, Tandem, and Tilt Rotors, Journal of the American Helicopter Society, Vol. 60, 2015) que habla sobre esta pregunta, que es de gran interés para UAS multirotor (que, para giroaviones, es un número sustancial de aeronaves): ¿cómo cambia el apilamiento de dos rotores su eficiencia y potencia de salida?

Su aparato de prueba se veía así: dos rotores ubicados exactamente uno encima del otro, y su aparato le permitió medir tanto el par como el empuje producidos por cada uno de forma independiente. También podía variar la distancia entre los dos rotores. Como referencia, los rotores tienen ~4.3 pies de diámetro. Además, solo para explicar los gráficos que arrojaré de su artículo, usó cuchillas con y sin torsión.

La razón por la que tiene sensores de torque va a entrar en juego con los resultados. Para un helicóptero de rotor coaxial (no necesariamente para un avión de hélice coaxial, no estoy seguro de cuál le interesa), es deseable tener una configuración de rotor coaxial en la que cada rotor produzca la misma cantidad de par. Los UAS de multicópteros luego perturban ese equilibrio de par para controlarse a sí mismos en guiñada. Para las pruebas que realizó Ramasamy, todas se realizaron cuando los rotores tenían un par equilibrado, por lo que cada rotor producía un par igual y opuesto al otro rotor.

Sus resultados son bastante sorprendentes, como se muestra a continuación. Esta es una gráfica de cómo cambió el "factor de interferencia" para cada rotor con respecto a qué tan cerca estaban los rotores entre sí. "z/D" se refiere a la separación vertical de los rotores, z, como una fracción del diámetro del rotor. El factor de interferencia es una medida de la potencia extra requerida para hacer girar los rotores superior e inferior, ($\kappa_u$y$\kappa_l$, respectivamente) en comparación con un rotor aislado. Un factor de interferencia de 1 significa que el rotor es equivalente a un rotor aislado. Mayor que 1 significa que es menos eficiente que un rotor aislado y viceversa.

Como puede ver, a medida que los rotores se separan más, el rotor superior actúa como si estuviera solo ($\kappa_u=1$). Sin embargo, el rotor inferior siempre es más ineficiente que un rotor aislado debido a la corriente descendente del rotor superior. Dicho esto, a medida que los dos rotores se acercan, los efectos se vuelven un poco más salvajes.

A medida que el rotor inferior se acerca al rotor superior, ayuda a sacar aire a través del rotor superior, por lo que podría pensar que el ángulo del aire que golpea las aspas se está haciendo más pronunciado (también llamado ángulo de entrada más alto). Esto también conduce a un ángulo de ataque más bajo en las palas, lo que genera los siguientes efectos para el rotor superior: disminución de la producción de empuje (que depende de un ángulo de ataque alto para producir más sustentación) y aumenta la entrada de par (que depende del ángulo de entrada). Como consecuencia,$\kappa_u$aumenta

Sin embargo, dado que el rotor superior produce menos empuje, la corriente descendente en el rotor inferior disminuye... y, como se puede imaginar, ve el efecto opuesto al que ve el rotor superior: mayor producción de empuje, menor entrada de par y$\kappa_l$en realidad disminuye . Debido a esto, ahora debe reducir la velocidad del rotor superior o acelerar el rotor inferior para lograr un equilibrio de par.

Por lo tanto, la primera respuesta a su pregunta es... depende, pero parece que realmente puede obtener un mayor impulso de la configuración coaxial (a diferencia de dos rotores aislados) si puede espaciar bien los rotores. Esto se debe, al menos en parte, a cierta "recuperación del remolino" realizada por el rotor inferior que gira en sentido contrario. En otras palabras, dado que un rotor no solo empuja el aire hacia abajo, sino que también lo obliga a girar (como un tornado), el rotor más bajo que gira en sentido contrario ve aire que se mueve más rápido y puede aprovechar esto para operar en un ángulo de ataque más bajo: produciendo la misma cantidad de empuje con menores penalizaciones de arrastre. Sin embargo, la eficacia de este, como se ha dicho, varía con la separación de los dos rotores.

Y, de nuevo, creo que el problema más importante (desde una perspectiva de rendimiento) en las configuraciones coaxiales no es la producción de empuje sino los requisitos de potencia. Uno de los dos rotores (si no ambos) siempre será menos eficiente que un rotor aislado que produce el mismo empuje. Esto se muestra más claramente a continuación en una comparación de la Figura de mérito (Fig. de mérito = (Requisito de potencia ideal)/(Requisito de potencia real), por lo tanto, una medida de la eficiencia del rotor) versus el coeficiente de empuje (análogo a la cantidad de empuje producido por el rotor) para los rotores con álabes no retorcidos.

En resumen, si bien puede obtener más empuje de un par de rotores coaxiales que giran en sentido contrario, no hay almuerzo gratis. Y el almuerzo puede ser bastante costoso, al menos desde el punto de vista del rendimiento (sin mencionar la estructura adicional, etc. requerida para distancias de separación axial más grandes).