¿Una hélice de molino de viento crea más resistencia que una hélice detenida en un escenario de motor apagado?

No seguiría los consejos del foro. Si bien el razonamiento de que un accesorio de molino de viento crea más resistencia es sólido, no he visto evidencia empírica que diga cuánto se traduce realmente en pies por minuto. Los únicos estudios que he visto no han sido concluyentes sobre el tema y dicen que hay una serie de factores que realmente no se pueden controlar en esa situación. El accesorio no es tan grande en comparación con el avión en sí, por lo que si uno que gira tiene un 30% más de resistencia (solo una suposición, como dije, no he visto números reales) no lo hará caer en picado. el cielo.

Lo que recomendaría es seguir el procedimiento de falla de motor en el POH de su avión en particular. El consejo de reducir la velocidad del avión para intentar que la hélice se detenga tiene varios defectos:

• Distracción de tareas críticas: Disminuir la velocidad del avión hasta que la hélice se detenga es desviar su atención de encontrar un campo para aterrizar, asegurarse de que sus pasajeros estén informados y abrochados, hacer una llamada de emergencia e intentar reiniciar el motor. ¡Estarás lo suficientemente ocupado!
• Peligro de velocidad aerodinámica baja: Reducir la velocidad lo suficiente como para detener la hélice puede requerir una velocidad aerodinámica muy baja, y podría tener una excursión de entrada en pérdida/giro, que es mucho más peligrosa que un aterrizaje con planeo
• Curva de arrastre: volar muy lento para que la hélice se detenga lo pondrá por debajo de la mejor velocidad de planeo, que es donde obtiene su mejor relación de planeo. Por debajo de la mejor velocidad de planeo, comienza a desarrollar una alta velocidad de descenso, por lo que cuando detiene la hélice, ha perdido cientos de pies adicionales. Podría perder más altitud de la que potencialmente ahorraría y perder un tiempo valioso haciéndolo
• Es muy probable que no pueda cambiar el comportamiento de la hélice de todos modos: si su cigüeñal se ha roto, la hélice girará sin importar lo que haga, si ha lanzado una barra, se detendrá y no podrá hacerlo. molino de viento si volaste a mach 1

Hacer un poco de matemáticas pone esto en perspectiva. Digamos que la tasa de descenso con el motor fuera de un avión con una hélice giratoria es de 1000, y con una hélice estática es de 900 pies por minuto. En un planeo de 3000 pies que le da 20 segundos adicionales, pero probablemente le lleve mucho más de 20 segundos reducir la velocidad lo suficiente como para detener la hélice y luego recuperar una velocidad aerodinámica estable.

Volar muy lento para detener la hélice es una distracción potencialmente peligrosa, solo establezca la mejor velocidad de planeo y si la hélice se detiene, es una bonificación.

La respuesta: depende. En general, una hélice detenida se detendrá y, por lo tanto, creará poca resistencia. Una hélice de molino de viento, por el contrario, generalmente no se detendrá, extraerá energía de la corriente de aire y la usará para hacer girar el motor (que generalmente requiere una cantidad moderada de energía), lo que aumentará la tasa de caída.

Sin embargo, ¿debería detener la hélice? Esa es una pregunta mucho más difícil. Las preguntas relevantes son: ¿qué tan lento debe ir para detener la hélice? ¿Puedes detener la hélice? Si requiere caer por debajo de la velocidad de caída mínima durante un período prolongado, probablemente sea una mala idea, ya que la caída aumenta rápidamente con la disminución de la velocidad (usted está en "la parte trasera de la curva de potencia" cada vez que vuela por debajo de la velocidad de caída mínima ).

En algunas aeronaves antiguas, es o se dice que es un requisito en algunos clubes que los pilotos puedan detener el motor y apuntalar y reiniciar el motor en vuelo antes de que se les otorguen privilegios de piloto para, digamos, el club Tiger Moth (estos son generalmente iniciado a mano). Se afirma ampliamente que detener la hélice prolonga notablemente el planeo. El Tiger Moth también tiene una gran hélice de madera de giro lento y una velocidad de pérdida bastante baja.

¿En cuanto a si intentaría esto en una emergencia? Casi seguro que no; si es el POH, entonces seguro... pero nunca lo he visto en el POH de ningún avión monomotor que haya volado. Y si estoy volando con el motor apagado, probablemente tenga cosas peores de las que preocuparme (a menos que esté volando mis planeadores más habituales).

Una hélice de molino de viento crea mucha más resistencia, al menos en un orden de magnitud. El ejemplo obvio es un autogiro o helicóptero en autorrotación, que cae como una piedra si el rotor se detiene.

El arrastre es una función del área de la pala para un rotor detenido y una función del área del disco para uno de molino de viento. La diferencia es más pronunciada para rotores grandes con pocas palas y casi inexistente para turboventiladores. Esta respuesta da algunos números:

Si calculamos el componente de sustentación por área de un rotor de rotación automática vertical, es comparable a un coeficiente de 1,1 a 1,2 referido al área del rotor. Según esta fuente , una placa plana tiene un coeficiente de arrastre de 1,28 y un paracaídas uno de 1,4. Entonces, en descenso vertical, el rotor autorrotatorio es casi tan bueno como un paracaídas de la misma área.

Si está lo suficientemente alto cuando el motor se detiene, es una buena idea reducir la velocidad un poco para que la hélice deje de girar. Una vez que se ha detenido, puede acelerar de nuevo a la normalidad. Por lo general, la hélice no comenzará a girar nuevamente, ya que su resistencia y, por lo tanto, la potencia disponible ahora es mucho menor.

La resistencia es significativamente mayor para una hélice de molino de viento.

Tanto la resistencia aerodinámica como la energía perdida en el motor contribuyen. Estimo que se hundirá al menos 200 FPM más rápido si deja que el molino de viento de apoyo.

Para la resistencia aerodinámica, es imposible convertir esto en una estimación de pies por minuto porque varía mucho con el diseño de la hélice y la resistencia general del avión. Pero puede ver aquí: Aerodinámica para aviadores navales, 1965 (página 149 en los números de página, o 167 en el PDF) que la resistencia puede aumentar significativamente.

Un puntal típico de paso fijo tiene un paso de alrededor de 15 grados (más detalles en la parte inferior). Una hélice de velocidad constante que ha perdido presión de aceite y no se está poniendo en bandera automáticamente, es probablemente más como 5 grados. (Los apoyos de plumas se usan en aviones multimotor para reducir la resistencia si falla un motor. Los accesorios que no son de plumas se usan en aviones de un solo motor, por lo que si el control de cabeceo falla pero el motor aún funciona, no pierde toda su potencia) . En general, la resistencia parásita real de la hélice (aerodinámica simple) aumenta hasta en un factor de 3. No órdenes de magnitud, pero es significativo. Dado que no tengo forma de estimar cuánto de la resistencia total se debe a la hélice, todo lo que puedo decir es que esto probablemente se note. Sin embargo, si tiene una hélice de crucero o una hélice ajustable configurada en un tono alto, es posible que funcione casi uniformemente, ya que por encima de los 22 grados, la hélice de molino de viento en realidad tiene menos resistencia.

Pero luego está el factor adicional de la resistencia creada por el motor, que probablemente sea mucho más significativo. Es posible llegar a una cifra aproximada razonable. Se requiere estimación y física de secundaria.

Un avión sin potencia pierde energía potencial, en forma de altitud, al arrastrar. Dado que la velocidad del avión no cambia, su energía cinética tampoco y solo se debe considerar la energía potencial. Calculamos la rapidez con la que el motor en rotación drena la energía del avión.

El trabajo es la cantidad de energía que se transfiere de un lugar a otro, y la potencia es la cantidad de trabajo a lo largo del tiempo. La fórmula para el trabajo (en un sistema de rotación, como un motor) es torque * theta, donde theta es la distancia angular total girada. La potencia (vatios) se expresa en julios por segundo, aunque aquí calcularé la potencia en julios/minuto porque nuestras otras unidades de tiempo también están en minutos. El joule, por supuesto, es la unidad tanto de trabajo como de energía.

Suponga que un avión que pesa 1000 kg vuela a 1500 metros AGL. Su energía potencial es:

1000 kg * 1500 meters * 9.8 (gravity) = 14,700,000 J (14.7 mJ)

Suponiendo un molino de viento de hélice a 200 RPM, la velocidad angular es:

2pi radians / revolution * 200 revolutions / minute = ~1260 radians / minute

Estimo que el par, dado en newton-metros, está entre 50 y 500 Nm, tendiendo hacia el lado alto. 50 es de mi experiencia personal girando una hélice a baja velocidad con la mano, se trata de esa cantidad de fuerza; pero en el aire creo que esto es extremadamente optimista. 500 es una estimación más alta, justificada de la siguiente manera.

Los aviones de un solo motor, como el Cessna 172, suelen tener un motor de 180 CV. La hélice normalmente tiene suficiente capacidad de captura de aire para transferir esos 180 HP al aire en la línea roja del motor de ~ 2700 RPM.

Convertir HP a julios / minuto (1 vatio = 1 julio/segundo):

180 HP * (746 watts / HP) * (60 seconds / minute) = 8057 kJ / minute

Suponiendo que la eficiencia de la hélice es relativamente constante con RPM, puede convertir la capacidad de entrega de potencia de la hélice linealmente con RPM:

8057 kJ / minute * (200 RPM / 2700 RPM) = 596 kJ / minute

Entonces, la hélice debería poder transferir alrededor de 600 kJ / minuto de regreso al motor. Esto está en el estadio de béisbol de mi estimación de 500. Sin embargo, como no toda la potencia normal del motor va a la hélice (debido a pérdidas mecánicas y accesorios accionados por el motor), la estimación de 500 parece estar bastante cerca, y me quedo con por el bien de las matemáticas más simples. Esta estimación es bastante sencilla: se ignoran muchas fuentes de error, como las variaciones en la eficiencia de la hélice con RPM y la conducción en reversa. Pero si la hélice es menos eficiente, disipa más potencia, por lo que incluso mi estimación alta podría ser demasiado baja.

Volvamos al fallo del motor. Por lo tanto, la potencia disipada por el motor es:

1260 * (50 to 500 or you pick) = 63 kJ to 630 kJ per minute

Un Cessna 152 tiene una tasa de caída de 725 fpm cuando vuela con el mejor planeo con la hélice detenida (las mejores velocidades de planeo normalmente se especifican con la hélice detenida); El Cessna 172 está más cerca de la masa que estoy usando y tiene un planeo similar, así que usaré ese mismo número. Este es un cálculo estimado, de todos modos. A una velocidad de descenso de 725 pies por minuto (221 metros por minuto), normalmente se necesitan 6,78 minutos para purgar los 1500 metros de altitud con los que comenzó. Dividiendo la energía potencial por el tiempo:

14,700,000 / 6.78 = 2.168 MJ/min energy loss

En la estimación baja (probablemente razonable solo para un motor que sufrió una pérdida total de compresión pero ningún otro daño), perder 63 kJ/min adicionales solo aumenta su tasa de caída en

(2.168 + .063) / 2.168 = 1.029

alrededor del 3%, o de 725 fpm a 746 fpm. Es posible que ni siquiera note esto en los instrumentos, aunque si se engancha en una línea eléctrica en el último segundo como resultado, ciertamente lo notará. Sin embargo, en la estimación alta, perder 630 kJ/min adicionales aumentaría su tasa de caída en:

(2.168 + .630) / 2.168 = 1.29

29%, o de 725 fpm a 935 fpm. Eso es muy significativo. Y esto ni siquiera incluye la resistencia aerodinámica adicional de la hélice giratoria. Solo se debe a la energía perdida en el motor.

Entonces, en conclusión: si falla la energía, detenga la hélice .

Hay, sin embargo, un punto final. Si perdió energía debido a una falla mecánica, es muy posible que la hélice se detenga sola debido al daño que causó la pérdida de energía. Sin embargo, quedarse sin combustible es la causa más común de pérdida de potencia en vuelo. Si te quedas sin combustible, la hélice probablemente seguirá girando a menos que la detengas tú mismo.

• El ángulo de cabeceo en grados es diferente de la forma en que normalmente se describe el cabeceo, que se mide en pulgadas, donde algo así como 76"x60" sería típico. Puede calcular el ángulo de cabeceo basándose en las medidas de la hélice en pulgadas utilizando la fórmula para el ángulo de hélice . Si lo hace, recuerde que el paso de la hélice se especifica al 75 % del diámetro de la pala, en lugar del 100 % como en los libros de texto de matemáticas).

Este documento proporcionado por Erbureth proporciona evidencia empírica para responder la pregunta. La respuesta corta es que, a veces, una hélice detenida proporcionó menos resistencia y, a veces, una hélice en movimiento proporcionó menos resistencia. En realidad, esto tiene mucho sentido para mí, ya que el arrastre debe estar relacionado con la ubicación de la línea de presión de estancamiento en la hélice.

Algunas observaciones de otras respuestas:

• Una de las cosas que siempre escucho cuando me hacen esta pregunta es que una hélice giratoria se convierte en un disco y tiene más área. Esto es claramente incorrecto ya que el área de la pala de una hélice es siempre la misma, ya sea que esté girando o no.
• Cuando se empluma una hélice, la hélice deja de girar y la resistencia es considerablemente menor. Esto crea la percepción de que la hélice parada tiene mucho menos arrastre, pero en realidad se debe al hecho de que la hélice emplumada tiene mucho menos arrastre de forma. El hecho de que el puntal esté detenido no es la razón principal.

El argumento de que la hélice del molino de viento está desacelerando el avión al extraer energía para hacer girar un motor muerto ignora el hecho de que una hélice congelada intenta girar todo el avión. Las entradas de control para mantener el nivel del avión probablemente estén muy cerca, y el perfil aerodinámico giratorio en realidad puede ser un poco menos arrastrado, entonces, ¿qué está pasando aquí?

Es bien sabido que los puntales son perfiles aerodinámicos, y la turbulencia creada por una pala afecta a la otra. En el caso del molino de viento, la turbulencia creada por la hélice tiene un efecto mayor en esa otra superficie aerodinámica, el ala.

Este es probablemente el factor principal en la pérdida de la distancia de planeo. Es importante darse cuenta de que el aire por el que se desliza el avión no tiene energía cinética para extraer, todo está en la energía cinética y potencial del avión. Pero el apoyo de molino de viento reduce la eficiencia del ala en el uso de la energía del avión al crear más turbulencia.

He probado esto varias veces en un C152. Comenzando a 10,000 pies y cortando el suministro de combustible al motor, levantando el morro para mantener la altitud el mayor tiempo posible (reduciendo así mi velocidad de avance) hasta detener la hélice. Luego, planeó con la hélice detenida durante una distancia considerable, pasando por varios aeropuertos en el proceso. Una hélice de molino de viento me dejó corto por una distancia significativa.

Sé que era raro en mi juventud, ¡pero estaba volando!

Un puntal de molino de viento está permitiendo que la estela lo empuje. Uno detenido está luchando contra la estela, empujándola/desviándola en espiral. La reacción de eso es lo que intenta hacer girar el avión, como dice Robert DiGiovanni. Y está haciendo trabajo, porque está aplicando una fuerza al aire, que se mueve como resultado de ello.

Así que esperaría menos arrastre del molino de viento. Es como andar en bicicleta en lugar de tener una rueda bloqueada.

Asumo el mismo AoA en ambos casos, es decir, que detenido no implica emplumado. Algunas personas parecen haber asumido lo contrario, por lo que tengo curiosidad: ¿cómo emplumarías un accesorio de paso fijo, que es lo que se indica en OP?

Una hélice detenida se detiene y crea una pequeña cantidad de par para "girar" la aeronave. Su arrastre es pequeño ya que el área de la superficie de la hoja es pequeña. Una hélice de molino de viento no se detendrá, por lo que la energía extraída podría ser mucho mayor. Depende de si la hélice gira libremente o realmente gira el motor.