¿Puede este diseño proporcionar más fuerza de sustentación que empuje del motor?

Porque no hay almuerzo gratis. Una sola ala detrás de una hélice o un ventilador puede ver una cierta cantidad de aumento de rendimiento al estar en la estela de la hélice, pero, cuando comienzas a apilar varias alas juntas... se vuelve un poco más complicado.

Un solo ala puede obtener una ventaja del remolino inducido por la hélice, además del aumento de velocidad que ha comentado. En una tesis escrita por LLM Veldhuis sobre las interacciones de la hélice del ala, señala que, cuando tienes una hélice operando frente a un ala y girando de tal manera que la pala interior siempre se mueve hacia arriba, cambia el ángulo de ataque local en el ala detrás. la hélice Esto modifica la distribución de sustentación (teóricamente mostrada en la figura a continuación) y, en última instancia, disminuye la resistencia inducida del ala para un coeficiente de sustentación operativo dado. Un conjunto de experimentos de Witkowski et. Alabama. ( Interacción hélice/ala ) en la década de 1980 registró un ala con un ahorro de hasta un 40 % en la resistencia inducida en función del ajuste de la velocidad de rotación de la hélice del tractor.

Esto es lo que, al menos, he visto citado en el efecto más prominente de tener una hélice de tractor frente a un ala. Sin embargo, si tiene un ala lo suficientemente pequeña, digamos en la escala de un UAV, es muy probable que pueda tener una parte significativa de su ala en el lavado de hélice, lo que puede mantener el flujo unido al ala en ángulos de ataque más altos, permitiendo usted, potencialmente, mantiene una o dos superficies de control libres y capaces de maniobrar la aeronave cuando normalmente no lo harían.

Sin embargo, eso no es sustentación y no responde del todo a la pregunta sobre la configuración multiplano. El problema de apilar las alas tan cerca unas de otras se remonta a las investigaciones de la década de 1920 y creo que puede explicarse más fácilmente con el efecto venturi. Cuando el aire es acelerado por la curvatura de un ala, la presión estática disminuye y se puede generar una fuerza de succión que, en la superficie superior de un ala, se traduce en sustentación. Sin embargo, apila dos alas (u otros objetos) más juntos (como en la imagen de abajo), y obtienes algo... no tan bueno. La imagen a continuación es de un diseño conceptual de helicóptero presentado por la Universidad de Maryland para el Concurso de Diseño de Graduados de la Sociedad Estadounidense de Helicópteros de 2016 y es algo un poco extraño llamado quadrotor-biplane-tailsitter (lo llamamos Halcyon). Sin embargo, el resultado de la imagen (que está coloreada por la presión local; cuanto más negativo es el Cp, menor es la presión) es que, debido a las alas y el fuselaje (la parte del medio), estás jugando un juego de Rendimientos decrecientes.

Si bien el ala inferior ve pasar aire a una velocidad muy alta, lo que lleva a una sustentación muy alta, esa misma zona de baja presión también genera una fuerte carga aerodinámica en el fuselaje, mitigando efectivamente gran parte de su sustentación (el equipo de diseño estimó que mató a casi todos de ella, en realidad) desde el ala inferior. El ala superior, dado que hay un poco de espacio extra, no se ve afectada por el mismo fenómeno, por lo que, al final, el avión tenía suficiente sustentación, en teoría, para volar... pero no es una configuración eficiente en absoluto. Lo mismo sería cierto para una pila de alas. En un artículo de 1923 de Max Munk titulado Teoría general del biplano, estima que, para minimizar los efectos de interferencia entre las alas, deben estar separadas por al menos 3 longitudes de cuerda. Eso movería fácilmente sus alas tan lejos que ni siquiera dos alas podrían permanecer fácilmente en la estela de la hélice... al menos para aviones de tamaño completo.

Primero, me parece extraño que su ventilador enumere su empuje en la unidad de masa. El empuje debe ser una fuerza, no una masa. Ahora supongamos que esto significa que el empuje es equivalente a la fuerza del peso de esta masa en el campo gravitatorio de la tierra (g = 9,80665 m/s²) y obtenemos el empuje real de 11,768 N.

El empuje es el flujo másico multiplicado por la diferencia de velocidad entre el flujo de entrada y el de salida. En el caso estático y utilizando la hipótesis de Froude , esto significa:

Desafortunadamente, la contracción del chorro significa que solo una pequeña parte del ala detrás del ventilador experimentará esta velocidad aerodinámica. En general, la sustentación la crea un ala desviando el aire hacia abajo. Normalmente, una gran masa de aire es desviada por una pequeña cantidad, porque esto da como resultado la mejor eficiencia . Si insiste en usar un ala más pequeña y un ángulo de desviación más alto, la eficiencia se verá afectada . La cantidad de alas no afectará el resultado: una sola ala creará tanta sustentación como cualquier pila de múltiples alas, solo que con menos fricción.

¿Porqué es eso? La sustentación es causada por la desviación del aire, y esta desviación se realiza mediante un campo de presión que necesita succión en la superficie superior del ala y sobrepresión en la superficie inferior. En una pila de alas, la succión del ala inferior también actuará en la parte inferior del ala superior, por lo que, en efecto, solo la succión en el ala superior y la presión debajo del ala inferior agregarán una cantidad neta de sustentación. Es mejor reducir esa pila a una sola ala donde cada superficie puede contribuir a la sustentación.

Si desea que el ventilador genere tanta sustentación como empuje, el ala deberá desviar la corriente de salida completamente hacia abajo, en 90°. Esto está muy por encima de cualquier valor realista para un ala (o una pila de ellas). Será mejor colocar el ala a cierta distancia del escape del ventilador. Luego, la corriente de escape aspirará aire de los lados, por lo que la masa de aire que se lanza hacia el ala aumentará mientras que su velocidad disminuirá. Ahora se puede crear la misma elevación con menos desviación del flujo, pero aún así la posible elevación será menor que el empuje del ventilador.

A continuación, la forma de su perfil aerodinámico apesta para esta aplicación. Desea la máxima desviación y tener un ángulo fijo en el que el aire golpea el ala. Por lo tanto, puede permitirse un radio de borde de ataque pequeño y necesita mucha más inclinación. ¡ Como el perfil aerodinámico de un flap Fowler ! Para aumentar el ángulo de deflexión, ayudará agregar una segunda aleta con un espacio entre los dos. Y un tercero Frederick Handley Page llevó esto al extremo en 1921 cuando modificó un perfil aerodinámico RAF 19 con 7 ranuras para una elevación máxima, de modo que resultó una configuración escalonada de 8 perfiles aerodinámicos. Tenga en cuenta que los perfiles aerodinámicos no están en la misma ubicación a lo largo de la corriente, sino que cada uno se encuentra debajo de la estela del perfil aerodinámico anterior.

_{Perfil aerodinámico de elemento Handley-Page 8, tomado de este artículo de AMO Smith, McDonnell-Douglas)}

Ahora hay que decir que desviar el flujo incurrirá en arrastre. Si el flujo se gira 90°, incluso en condiciones ideales, la resistencia será al menos tan grande como el empuje. Si dibuja un cuadro alrededor de la combinación de ventilador y ala e integra sobre los bordes, encontrará que no queda ningún componente horizontal en la corriente de aire que sale, por lo que este artilugio no crea un empuje neto.

¿No sería mejor girar el ventilador a 90° para usar su empuje para levantarlo?

Si usa el empuje del ventilador para mover la combinación de ventilador y ala a través del aire, entonces el ala puede funcionar con todo el aire que le llega. Hágalo grande y muévase lo suficientemente rápido y la sustentación será mayor que el empuje . Para mejorar la eficiencia, reemplace el ventilador por una hélice decente y compare el resultado con el statu quo.

Para maximizar el potencial de sustentación de la corriente de aire acelerada de un ventilador (o hélice), los diseños de alas sopladas mostraron capacidades superiores a baja velocidad siempre que los motores estuvieran funcionando. Un ejemplo es el ala Custer Channel que se usa en el CCW-5 que se muestra a continuación ( fuente ).

Otro ejemplo es el avión de transporte táctico experimental Boeing YC-14 que se muestra a continuación durante la construcción con las aletas voladas completamente extendidas ( fuente ).

No. El empuje que proporciona el motor es el empuje que proporciona el motor, sin importar cómo desee inclinar el flujo de escape:

• Incline todo el motor y el empuje será vertical. Haga que las aspas del ventilador sean mucho más largas y tendrá un helicóptero.
• Con el motor en posición horizontal, monte una placa plana a menos de 45 grados y el empuje horizontal se desviará hacia abajo, menos las pérdidas no despreciables debidas al arrastre de la placa plana.
• Monte un perfil de ala y el empuje se inclinará ligeramente hacia abajo, con algunas pérdidas, mucho menores que las anteriores debido al pico de succión de presión en la punta del perfil, proporcionando una resistencia mucho menor que una placa plana.
• Monte dos perfiles de ala en la corriente de escape y habrá creado un biplano. Hace lo mismo que el ala simple anterior, pero con más pérdidas debido a una mayor resistencia.
• Monte muchos perfiles de ala y tendrá más pérdidas por arrastre. Esta configuración fue probada y falló.

La sustentación generada por el perfil aerodinámico es detrás de su CG, por lo que su masa en el frente empuja la nariz hacia abajo y la cola es levantada por el ala, lo que significa que su avión se inclinará hacia adelante (hacia abajo). También lo de la interferencia del ala que todos los demás ya mencionaron. Además, el aire turbulento no es muy útil para la sustentación y malo para el control.