¿Los helicópteros consumen más combustible cuando sobrevuelan?

Sí, es correcto que los helicópteros usen más combustible cuando están en vuelo estacionario: el motor necesita aplicar más potencia para superar la resistencia. Aquí hay un gráfico de la potencia del motor requerida para diferentes velocidades aerodinámicas, de J. Gordon Leishman, Principles Of Helicopter Aerodynamics:

La línea de potencia total desciende entre 0 y 70 nudos con el aumento de la velocidad aerodinámica, esto se debe a la línea de potencia inducida: potencia necesaria para superar la resistencia inducida de la pala del helicóptero. La potencia total requerida del motor es la suma de:

• Potencia inducida. La potencia requerida para superar el arrastre inducido de la creación de sustentación, detallada más adelante. La potencia de propulsión se relaciona con la velocidad de escape del motor que ahora es útil y con el aumento de la potencia inducida a velocidades más altas debido a la resistencia a la compresión.
• Potencia del perfil, necesaria para el arrastre del perfil de la pala.
• Potencia parásita, por la resistencia causada por la estructura de aire, el cubo del rotor, etc. Cero en el vuelo estacionario, muy dominante a la velocidad máxima. Los helicópteros tienen formas que son mucho menos aerodinámicas que los aviones de ala fija, y esta fuente de resistencia se vuelve muy significativa a velocidades más altas.
• Potencia del rotor de cola. Hasta un 20 % de la potencia del rotor principal tanto en vuelo estacionario como a máxima velocidad, muy bajo en el medio debido a la útil cola vertical. A la velocidad máxima, el par del rotor principal es alto y el rotor de cola debe hacer más trabajo, a menos que se pueda ajustar la cola vertical.

El poder inducido es dominante en el vuelo estacionario. La resistencia inducida es causada por la inclinación hacia atrás del vector de sustentación: cuanto mayor es el ángulo entre la pala y la corriente libre, más se inclina hacia atrás el vector, lo que provoca tanto la pérdida de sustentación como el aumento de la resistencia. La ecuación para el ascensor L es:

y a una altitud dada, las dos variables aquí son$C_L$(coeficiente de sustentación) y$V$(velocidad del aire en la pala).$C_L$es una función aproximadamente lineal del ángulo de ataque en la pala, por lo que la sustentación aumenta linealmente con la inclinación de la pala hacia atrás y cuadráticamente con el aumento de la velocidad aerodinámica sobre la pala.

El gráfico anterior de Leishman muestra la distribución de la velocidad sobre las palas al flotar y a la velocidad del aire. Una situación bastante complicada: al flotar, la velocidad del aire que alcanza la pala es solo la velocidad de rotación del rotor, a velocidad de avance, la pala que avanza tiene la velocidad de rotación más la velocidad del aire.

El helicóptero no se vuelca y tanto la pala delantera como la pala que retrocede proporcionan la misma cantidad de sustentación, con la pala que va hacia atrás inclinada hacia atrás más de lo que estaba en el vuelo estacionario. Pero la pala que va hacia adelante está mucho menos inclinada hacia atrás: la velocidad del aire tiene una influencia cuadrática.

Tenga en cuenta que el círculo en el gráfico a la velocidad del aire hacia adelante no es un flujo detenido, sino un flujo inverso: el aire entra por la parte posterior de la pala. Entonces, la resistencia ahora es negativa, ¡la corriente de aire ayuda a impulsar la hoja! Sin embargo, hay pérdida de sustentación en el área de flujo inverso.

La potencia inducida se reduce con la velocidad del aire al principio de acuerdo con la simple consideración del impulso 1-D (más masa de aire a través del disco), y luego aumenta a medida que el disco se inclina cada vez más hacia adelante y debe hacer más trabajo para superar las pérdidas por arrastre del perfil del rotor, parásitos del fuselaje. arrastre y arrastre de compresibilidad.

También hay un efecto de interferencia del flujo descendente sobre el fuselaje: en el vuelo estacionario, el aire fluye directamente hacia abajo, mientras que en el vuelo hacia adelante, el flujo del rotor está más alineado con el fuselaje, adquiriendo una forma más aerodinámica. La resistencia parasitaria es, por supuesto, dominante a la velocidad máxima, mientras que la descarga del rotor mediante el uso de superficies de alas fijas reduce la potencia inducida a altas velocidades, pero desde el vuelo estacionario hasta velocidades de avance moderadas, es puramente la reducción de la potencia inducida por la sustentación lo que crea la sustentación traslacional.

Sí, es correcto, si el helicóptero no vuela demasiado rápido. Un helicóptero producirá la sustentación necesaria de manera más eficiente a una velocidad de avance moderada.

En un vuelo estacionario, todo el flujo de aire disponible para la creación de sustentación debe ser generado por la rotación del rotor principal. Esto significa que una pequeña cantidad de aire debe acelerarse mucho. Si el helicóptero aumenta la velocidad de avance, puede lograr un mayor flujo másico a través del rotor, y ahora se necesita menos aceleración del aire para lograr la misma sustentación. Esto mejora la eficiencia de la creación de ascensores. Si el helicóptero va más rápido que su velocidad máxima de ascenso, la resistencia aerodinámica crece demasiado y reduce la eficiencia nuevamente.

A alta velocidad, las puntas de las palas que avanzan pueden alcanzar velocidades transsónicas, lo que produce un aumento notable de la resistencia aerodinámica, y la parte interior de la pala que retrocede verá muy poca velocidad aerodinámica y, para seguir produciendo sustentación, toda la pala se inclinará a un alto ángulo de ataque, lo que hace que la parte interna se detenga, lo que nuevamente produce un aumento notable de la resistencia. Hay un punto óptimo entre el vuelo estacionario y la velocidad rápida en el que la potencia requerida alcanza un mínimo.

Sí, no soy estudiante de física, pero trabajo en Black Hawks. Si conceptualiza un helicóptero simplemente como un disco del rotor principal que produce sustentación, entonces la respuesta de Peter Kampf sobre el flujo másico a través del disco del rotor es el factor más importante. (Recuerde que el disco se inclina hacia adelante a medida que el helicóptero avanza). Sin embargo, su pregunta en realidad era por qué queman menos combustible: bueno, miles de pequeñas características de diseño en la estructura del avión ayudan a ahorrar preciosas libras de combustible en el vuelo hacia adelante. (Es posible que desee hacer una búsqueda de imágenes de Google para ver mientras lee esto).

El Black Hawk tiene una aleta vertical combada que descarga el rotor de cola por encima de los 60 nudos, y este par se redirige al rotor principal. Tiene un estabilizador variable que cambia el ángulo con la velocidad del aire hacia adelante (= cambiando el ángulo de flujo descendente del rotor principal) para proporcionar sustentación, descargando aún más el rotor principal. El rotor de cola está inclinado en ángulo y gira hacia atrás en el lavado del rotor principal, nuevamente para descargar el rotor principal, liberando más potencia para la velocidad de avance. Tiene computadoras en vuelo y una unidad mezcladora que aplana la estructura del avión en vuelo, de modo que no presenta un techo de cabina plano en la corriente de aire a altas velocidades de avance. Cuanto más plano pueda mantener el disco en el flujo de aire relativo, menores serán los ángulos de cabeceo de las palas y menor será la resistencia parásita del disco del rotor.

Las puntas de las palas del rotor principal se barren hacia atrás para retrasar el inicio del arrastre de la punta transónica a medida que la pala que avanza ve velocidades aerodinámicas relativas más altas en vuelo hacia adelante. Otros helicópteros tienen carenados de fuselaje que generan un despegue del cuerpo de la cabina en vuelo hacia adelante. Todos estos ahorros aerodinámicos están presentes en el vuelo hacia adelante, pero no en el vuelo estacionario. Y, por último, las entradas de aire de su motor de turbina se beneficiarán del efecto ram-air en el vuelo hacia adelante, lo que significa quemar menos combustible con el mismo par. Todos los helicópteros del mundo utilizan algunas o todas estas características para ahorrar combustible en vuelo, y si compara generaciones de helicópteros (Bell 47, Bell UH-1, Bell 412, Black Hawk), puede ver que estas características se desarrollan gradualmente.

Hay otras consideraciones cuando un helicóptero está flotando sobre el suelo, pero he tratado de enumerar algunas de las formas en que los helicópteros están diseñados para ahorrar combustible en vuelo. Espero que algo de esto ayude.

El concepto se conoce como "ascensor traslacional". Cuando se mueve en vuelo hacia adelante, el disco del rotor de un helicóptero actúa de manera muy similar al ala de un avión: tiene una relación de elevación a arrastre significativa. El empuje requerido para mantener el nivel de vuelo se reduce en esa relación y, por lo tanto, también se reducen la potencia necesaria del motor y el flujo de combustible. En vuelo estacionario, el sistema motor+rotor tiene que proporcionar un empuje completamente igual al peso del helicóptero.

Cuando está suspendido, el aire tiene más tiempo para configurar un lavado inducido desde más arriba, lo que se traduce en una mayor velocidad de flujo descendente cuando el lavado inducido alcanza el plano del rotor. Cuando está en vuelo de traslación, el rotor se mueve continuamente hacia aire limpio, por lo que la velocidad de flujo descendente en el momento en que el aire alcanza el plano del rotor es menor que la de un vuelo estacionario. La potencia es igual a la fuerza por la velocidad, en este caso considere la salida de potencia al aire. En ambos casos, la fuerza es la misma (igual al peso del helicóptero), pero en un vuelo estacionario, la velocidad descendente a través del plano del rotor es mayor que durante el vuelo de traslación, por lo que la potencia requerida en un vuelo estacionario es mayor que en vuelo traslacional, hasta que la resistencia traslacional se convierte en un problema.

Otro problema son los vórtices de punta. En un vuelo estacionario, estos pueden volverse bastante grandes, nuevamente debido a todo el tiempo que tardan en establecerse los vórtices y las puntas del rotor se mueven hacia los vórtices inducidos por las otras puntas del rotor. En el vuelo de traslación, los vórtices son "lavados" por el viento horizontal relativo, lo que reduce el tamaño de los vórtices de punta.

Otro punto a considerar es si el helicóptero tiene alas suplementarias. Un ejemplo bastante famoso es la familia de helicópteros de ataque Mi-24 , donde los pilones de armas funcionan como alas.

"A alta velocidad, las alas proporcionan una sustentación considerable (hasta una cuarta parte de la sustentación total)".

A grandes altitudes con carga completa, el procedimiento de despegue recomendado es ganar velocidad horizontal para que las alas tomen algo de sustentación.

Si la gravedad fuera la única fuerza que actúa sobre un avión, entonces en cada momento el avión ganaría cierta cantidad de impulso hacia abajo. Entonces, para mantener la altitud, la aeronave debe transferir ese impulso a alguna otra masa (es decir, aire). Es decir, habrá algo de aire que comience con velocidad cero (en el caso más simple) y termine con cierta velocidad hacia abajo. Dado que la cantidad de movimiento es masa por velocidad, la velocidad a la que debe acelerarse el aire será inversamente proporcional a la masa de aire acelerada: velocidad = cantidad de movimiento/masa. Sin embargo, la energía de ese aire es mv ^2/2 . Cuando sustituimos la velocidad en esa ecuación, obtenemos energía = masa*( cantidad de movimiento ² /(2*masa ² ). Una potencia de la masa se cancela, dando energía = cantidad de movimiento ²/(2*masa). Por lo tanto, duplicar la cantidad de aire acelerado hacia abajo reduce a la mitad la energía requerida. Cuando un avión viaja a alta velocidad, una gran cantidad de aire entra en contacto con sus alas, lo que significa que no tiene que gastar mucha energía para generar sustentación (por supuesto, cuanto más rápido viaja, más arrastre experimenta, dando una compensación de sustentación-resistencia). Un helicóptero experimenta algo similar: cuando viaja horizontalmente, naturalmente se mueve en aire nuevo. Cuando flota, hay menos aire para acelerar hacia abajo, y el aire que queda tiene que ser atraído hacia el rotor por el propio esfuerzo del rotor.