Entre un helicóptero y un avión, ¿cuál requiere más potencia para volar, para un TOW determinado?

Los aviones vuelan creando sustentación con sus alas. Esto causa algo de resistencia, pero las buenas alas tienen una relación sustentación/resistencia en el rango de 15-20. Eso significa que el arrastre dependiente de la sustentación es solo el 5% de la sustentación. Los helicópteros, por otro lado, generan sustentación directamente a partir de la confianza; no hay multiplicador involucrado.

Por ejemplo, un avión de 4000 kg tendrá un peso de 40 000 Newton, por lo que el arrastre incurrido será de 2000-3000 Newton. Un helicóptero de 4000 kg necesitará producir 40 000 Newton de sustentación solo para flotar.

Por supuesto, tanto los aviones como los helicópteros tienen resistencia adicional debido a la velocidad aerodinámica hacia delante, y para los aviones esto es obviamente inevitable para evitar entradas en pérdida.

Veamos esto de una manera extremadamente simplificada.

Un avión con masa$m_{ac}$permanece en el aire empujando el aire hacia abajo, o específicamente, dando un flujo másico$\dot{m}_A$[kg/s] de aire a cierta velocidad hacia abajo$v_A$[EM]. Esto da un 'flujo' de impulso$\dot{m}v$[kg m/s²] que es la fuerza de sustentación$F_{lift}$[NORTE]

La potencia requerida para esto proviene de tener que darle al flujo de aire un flujo de energía cinética.

Esta es puramente la potencia requerida para la generación de sustentación (potencia requerida para superar la resistencia inducida, específicamente). Uno puede ver que al hacer$\dot{m}_A$arbitrariamente grande y$v_A$arbitrariamente pequeño (manteniendo su producto constante), el requisito de energía puede hacerse arbitrariamente pequeño. Esto se puede hacer, por ejemplo, alargando las alas o los rotores para que influyan en un mayor volumen de aire (y, por lo tanto, en la masa de aire), o volando más rápido (para que se muevan a través de más aire, aumentando de nuevo el flujo másico).

Sin embargo, esto supone una eficiencia perfecta. En realidad, las alas experimentarán resistencia incluso si no se genera sustentación, y lo mismo ocurre con el fuselaje. A menudo encontrará un mínimo de potencia total requerida a cierta velocidad, de modo que la resistencia inducida es bastante pequeña pero la resistencia por fricción no es tan grande. Esto se aplica tanto a los aviones de ala fija como a los rotativos. Estos factores son el resultado del diseño práctico de la aeronave, no de consideraciones teóricas.

Por lo tanto, no hay una respuesta teórica a esta pregunta. Solo hay una respuesta práctica, que es que flotar en un helicóptero es muy ineficiente y requiere mucha potencia (porque solo puede afectar una pequeña masa de aire ya que no se le permite moverse), dadas las restricciones en su pregunta (un helicóptero flotante frente a un ala fija a 100 nudos), el ala fija es probablemente más eficiente en la práctica.

Si quiere decir que un helicóptero de 400 kg y un avión de ala fija de 400 kg se muevan a 100 nudos, generalmente será el helicóptero el que requiera más potencia, ya que todo el lío de batir huevos es mucho menos eficiente para convertir energía en velocidad de avance.

Por supuesto, puede hacer que el avión se arrastre lo suficiente como para que requiera más potencia que el helicóptero para llegar a 100 nudos si lo desea, y hay muchos de esos, pero supongo que estamos hablando de naves optimizadas aquí.

Los rotores de los helicópteros deben proporcionar suficiente empuje para compensar el peso del helicóptero:$T_H = W$.

Los aviones de ala fija deben proporcionar suficiente empuje para superar la resistencia, mientras que la sustentación del ala compensa el peso. Como afirma correctamente @MSalters, el ala proporciona mucha más sustentación que arrastre, además de que también hay un fuselaje y una cola.

Torenbeek Synthesis of Subsonic Airplane Design proporciona algunas relaciones L/W de aviones completos, un turbopropulsor de tamaño mediano como el F-27 aparece con una L/D de 13,8 durante el despegue, ya que la relación de aspecto A = 12. Entonces, este ala fija avión tendría que proporcionar 1/14 del empuje de un helicóptero del mismo peso T/O:$T_F = W/14$

La teoría del impulso simple da la siguiente relación entre el empuje T y la potencia P:

Velocidades de punta$(\Omega R)$de hélices y rotores de helicóptero son comparables, el área del disco de un ala fija es menor. Entonces, la potencia requerida en peso constante para un ala fija es al menos un orden de magnitud menor que para un helicóptero.

las "alas" del helicóptero (las palas del rotor principal) se mueven por el aire a unas 400 MPH en sus puntas, incluso cuando el helicóptero en sí se encuentra en efecto suelo y no viaja por el aire en absoluto. Esto requiere trabajo, y para volar hacia adelante, el motor tiene que superar la resistencia del rotor principal al mismo tiempo que tiene que superar la resistencia del fuselaje. Entonces: más arrastre para el helicóptero, menos para el Cessna 150.

La regla general con aeronaves más pesadas que el aire es que la superficie de sustentación más grande y lenta con menos interferencia es más EFICIENTE para convertir la potencia disponible en fuerza de sustentación y/o propulsión.

El aspa del helicóptero tiene una mayor eficiencia en la creación de empuje en comparación con una hélice (ver V-22 Osprey), pero el ala es mucho más eficiente en la creación de sustentación, por lo tanto, el Cessna 150 requiere menos POTENCIA para crear la misma cantidad de FUERZA total (levantamiento y empuje).

Notará que esto funciona para monoplano frente a biplano (menos interferencia), hélice frente a ventilador (mucha menos interferencia), planeador de alto aspecto frente a avión de baja velocidad de aspecto (ala más eficiente), helicóptero de 2 palas frente a helicóptero de 8 palas (menos interferencia), pájaro vs avión (más lento "hélice")

Fuerza de empuje = Potencia x Eficiencia

Notará que las aves se impulsan y levantan más como helicópteros. Sin embargo, son MÁS eficientes que el Cessna porque sus HÉLICES son proporcionalmente más grandes y más lentas. Pero no vemos pájaros de 400 kg o Cessnas de 800,000 lb porque el empuje NETO es lo que realmente mueve el avión.

Un jet menos EFICIENTE tiene mucha más potencia, por lo que hay mucho más empuje disponible, aunque con más consumo de combustible por libra de empuje producido.

Finalmente, ¡la fuerza requerida para "hacer que el avión flote" y "hacer que el avión vuele" es realmente comparable! Uno simplemente debe darse cuenta de que en ambos casos se trata de FORCE vs DRAG. Entonces, para una comparación directa, ambos deben estar a la velocidad de vuelo.

EDICIÓN POSTAL - RESPUESTA A LOS COMENTARIOS

En beneficio de @MSalters y @AirCraft Lover, se requiere un examen de las unidades.

F = ma kg m/segundos al cuadrado

Ahora la ecuación para Potencia = F x velocidad = kg m/segundos al cuadrado xm/segundo

Esta es una desafortunada corrupción del trabajo de levantamiento de pesas original de James Watts con caballos (origen de "caballos de fuerza") y debería decir:

Potencia = masa x gravedad + masa x aceleración para alcanzar la velocidad y Potencia = masa x gravedad a velocidad constante F = ma = peso que se levanta. Los vectores de fuerza son ADITIVOS. La fricción del aire y la polea son despreciables. (Watt supo tomar solo el primer metro)

¡Observe que la distancia no tiene NADA que ver con el PODER! (Estoy seguro de que los jugadores de fútbol que luchan en la línea de golpeo (Thrust vs Drag Superbowl) aprecian esto).

Avancemos rápidamente a la curva THRUST de un modelo de cohete y viola Estes C6-0. ¡Eso es lo que está haciendo el caballo de James Watt!

Entonces podemos pensar en términos de empuje, sustentación, arrastre y gravedad como fuerzas ADITIVAS (mucho más fácil), y mejor aún, ¡descomponerlas en componentes verticales y horizontales!