Полёт вертолёта на высоте от 30 до 50 км. Потребная тяга винта

У Вас хорошо получается, расчётные выкладки очень убедительные, с ними трудно поспорить.
Кроме одного утверждения, не сходящегося с практикой:
Естественно, земные ЛА не смогут летать на Марсе, потому что на это не рассчитаны.

12 июня 1972 года лётчик Жан Буле достиг высоты 12442 м на максимально облегченном легком многоцелевом вертолете «Лама». Подкласс легких вертолетов: Е-1 с – взлетной массой от 1000 до 1750 кг; масса, кг в рекордном полете взлётная 1450 кг.
Винтокрылый аппарат являлся развитием вертолета «Алуэтт II» и предназначался для эксплуатации на больших высотах. Вертолет «Лама» имел более мощный ГТД «Артуст ШВ» (640 кВт) и усовершенствованный несущий винт с улучшенными несущими свойствами.
Рекордная высота полета 12442 м в последующие годы не была превзойдена и остается до сих пор абсолютным мировым рекордом высоты для вертолета.
Из ваших эквивалентных расчётов следует, что винт при подводимой мощности 640 кВт должен создать тягу в 2406 кг. У электродвигателя, понятно, мощность не зависит от высоты полёта.
Но уж можно быть уверенным, что  настройка высотно-скоростного корректора насоса-регулятора ГТД Ламы  на рекордный полет обеспечивала эффективную мощность до расчетной высоты рекорда примерно постоянной.
Кроме того, подъёмная сила на рекордной высоте обеспечивалась поступательным движением вертолёта, статическая подъёмная сила вряд ли обеспечила бы взлёт по-вертолётному на высоте 12.5 км. Да и соотношение массы на киловат мощности у Ламы получше, чем у марсианского дрона. А дрон на Марсе должен влетать и садиться только по вертолётному!
Т.е., выходит, Лама с располагаемой мощностью спокойно могла бы лететь и на высоте 20 км (хотя, кто его знает, из соображений объективности следует сказать, что при установке этого рекорда, из-за низкой температуры ([ch8722]63 °C), на высоте, двигатель Ламы  заглох и больше не завелся. Не ясно только на каком этапе полёта заглох двигатель - вроде бы на этапе начала спуска). Но не летела, значит уменьшение плотности атмосферы не линейным образом влияет на тяговые характеристики воздушного винта. Кроме того, не учитывается КПД винта, работающего со сверхзвуковой скоростью (скорость звука на Марсе 245 м/сек), а он наверняка в разы будет меньше от КПД винта, работающего в нормальных условиях.
Так, что, думаю, параметры несущего винта марсианского дрона должны быть минимум раза в 3 повыше, чем Вы представили. И технически это, наверное, будет реализовано при тех размерениях ВВ, весовых и мощностных (100 вт по вашему) характеристиках дрона, но не думаю, что сейчас.

Рекордсмен высоты полета SA.315B "Лама"
52343.jpg
DamHelicopters_C-GAWW_CZNL_2-13-2008_AerospatialeSA315B_2392_1974.jpg
Таблица - давление кПа, плотность кг/м3 , температура °C - земной атмосферы (воздуха) в зависимости от высоты над уровнем моря по версии ICAO. От -250 м до 30 000 м: http://www.dpva.info/Guide/GuideMedias/GuideAir/ICAOairupto30000m/
Высота над уровнем моря, м: 28 000, Давление, кПа - 1.6, Плотность, кг/м3 - 0.025, Температура, °C - -48
 
@ XM Eger
Все просто - у "Ламы" нагрузка на ометаемую площадь в 30 раз больше чем у марсианского апарата (15.2 против 0.48 кг/м2, в земных килограммах). Это как если бы пытаться снять на Земле те 376 г. тяги с винта диаметром 2.3 см вместо 13 см. Наверное возможно, но понадобится явно не 100 ватт.

Кроме того, не учитывается КПД винта, работающего со сверхзвуковой скоростью
А сверхзвук-то с какой стати и зачем?
 
XM Eger писал(а) Сегодня :: 00:47:08:
Кроме того, не учитывается КПД винта, работающего со сверхзвуковой скоростью
А сверхзвук-то с какой стати и зачем?

Ну, как же, вот же создатели марсианского дрона пишут:
Марс будут изучать с вертолета: http://www.newsfiber.com/p/s/h?v=EORFgJYsjzsI%3D+zVhOxx1%2FaRE%3D
Перед учеными стояла задача разработать такую машину, которая способна работать в более разряженной атмосфере, в условиях более слабой гравитации, чем на Земле.
Такой аппарат должен быть очень легким, а скорость вращения его лопастей должна быть намного выше, чем в земных условиях.

То есть, однозначно следует понимать, что винты дрона будут работать на сверхзвуковых режимах, тем более что скорость звука на Марсе гораздо меньше земной и составляет всего 245 м/сек.
Но что такое сверхзвуковая окружная скорость для воздушного винта?
Это же классика:

Превышение окружной скорости сверх рекомендуемой вызывает волновое сопротивление из-за сжимаемости воздуха, резко снижающее КПД винта и существенно уменьшающее запас прочности вследствие возрастающих центробежных сил.

Коэффициент полезного действия воздушного винта
При больших дозвуковых скоростях полёта, когда на лопасти образуются области со сверхзвуковым течением, замыкаемые скачками уплотнений, существенным становится волновое сопротивление (волновые потери).
Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П. Свищев. 1994.

"Число Мю": http://warcyb.org.ru/news/samyj_bystryj_vertolet/2010-08-14-101
Но есть у числа "мю" и оборотная сторона - если на "отступающей" лопасти при Мю=1 скорость относительно воздуха падает до нуля, то у "набегающей" лопасти она оказывается в этот момент равна УДВОЕННОЙ скорости движения вертолета. То есть в момент, когда набегающая лопасть переходит звуковой барьер - вертолет летит всего лишь вдвое медленнее скорости звука.
Поэтому, как только вертолет достигает 1/2 скорости звука, лопасти его несущего винта то переходит звуковой барьер (когда движутся вперед), то вываливаются назад в дозвуковой режим обтекания. Это вызывает огромные по амплитуде толчки и вибрации несущего винта.
Да что там - еще недавно считалось, что при скорости лопасти выше скорости звука винт вообще неработоспособен.
Именно поэтому авиация в свое время пошла по реактивному пути - винты уткнулись в звуковой барьер.
Сейчас, конечно, благодаря успехам компьютерного моделирования удалось создать винты, имеющие хорошую тягу и КПД на сверхзвуковых скоростях лопастей - однако геометрия таких винтов специфична, и пока на их основе не удалось реализовать несущие винты для вертолетов.

Но ради объективности, есть и такое:

Способ реализации режима сверхзвукового обтекания на лопасти воздушного несущего винта и авиационно-космическая система с основанным на этом способе соосным несущим винтом изменяемого диаметра со сверхзвуковым обтеканием лопастей: http://bankpatentov.ru/node/34872
Известны экспериментальные работы ЦАГИ «Исследование характеристик винтовых профилей при около- и сверхзвуковых скоростях». Труды ЦАГИ, 1947, Келдыш М.В., Майкапар Г.И.
Основные выводы исследований
:
1. Значения коэффициента подъемной силы могут в 4 раза превосходить соответствующие значения для невращающегося крыла вследствие действия центробежных сил.
2. Максимальное качество симметричного профиля при М=1.0...1.1 достигает величины Кmax=8.
Сверхзвуковой несущий винт исследовался также фирмой Уэстеленд (Великобритания) в 1974 году (экспресс-информация ВИНИТИ «Авиастроение» №13, 1978). Окружная скорость концевой части лопасти в испытаниях составила r=1,8...2 М.
Основные выводы
:
1. Взлетная масса вертолета со сверхзвуковым винтом будет в 3 раза больше, чем с дозвуковым (при равных диаметрах обоих винтов).
2. Несущая способность винта сохраняется до высот полета самолетов с турбореактивными двигателями.
3. Необходимо увеличение мощности, передаваемой трансмиссией, однако крутящий момент в сравнении с эквивалентным дозвуковым винтом возрастает ненамного ввиду большой скорости вращения, меньшего диаметра и меньшей относительной массы.
В качестве прототипа конструкции АКС взят летательный аппарат вертикального взлета и посадки, патент США №2437789, кл. 244-7, 1942.
Особенностью конструкции этого аппарата является система соосных несущих винтов изменяемого диаметра и фюзеляж, состоящий из двух частей, подвижно связанных друг с другом.
В патентах «Несущий винт Привалова» № 94003494 и «Система управления Привалова циклическим шагом НВ комбинированного ЛА» №94003494 представлены варианты упрощения конструкции НВ с целью наибольшего приближения конструкторских решений к практической реализации НВ изменяемого диаметра.
Основанием существования НВ изменяемого диаметра являются закономерности работы лопасти традиционного НВ вертолета:

Я смотрю, все сошлись во мнении, что этого не может быть, потому что не может быть никогда 🙂
Но если подумать:
Здесь ничего принципиально невозможного.

Насчёт принципиальной возможности этого было высказывание в самом первом посту:
Вроде бы да, логичное решение проблемы повышения КПД марсохода.
А с третьей стороны - вроде бы реальность полета вертолёта в атмосфере и с характеристиками марсианских условий просчитывали гораздо раньше, чем НАСА: «Техника-молодежи» 1963 №11, обл., с.31. КОСМИЧЕСКИЙ ДИПЛОМ СТУДЕНТА: http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/tm/1963/11/vert-nad-mars.html

Если сходить по ссылкам, то можно узнать, что студент А. Баньковский - это Лев Владимирович Баньковский, студент  факультета "Двигатели летательных аппаратов" Московского Авиационного института им. С. Орджоникидзе (МАИ, 1957 год), в студенческом конструкторском бюро СКБ-2 «Вертолёт» сотрудничал с Николаем Ильичом Камовым, дипломный проект Лев Баньковский посвятил разработке силовой установки экспедиционного марсианского вертолёта, получил положительный отзыв Сергея Павловича Королёва.

Если вникнуть, то работа на уровне дипломного проекта, тем более, получившего положительный отзыв самого Королёва, не может быть ограничена тезисными выкладками в журнале "Техника молодёжи", а иметь под собой строгие математические расчёты и обоснования создания необходимой несущей способности ВВ для полёта вертолёта в разряженной атмосфере Марса.
 
скорость вращения его лопастей должна быть намного выше, чем в земных условиях
Я не знаю откуда взялась эта фраза, сами разработчики говорят о цифре 2400 об/мин, что соответствует окружной скорости 125 м/с. Макет уже летает в вакуумной камере: https://www.youtube.com/watch?v=dnDu2_aWISg#t=112
 
Я не знаю откуда взялась эта фраза, сами разработчики говорят о цифре 2400 об/мин, что соответствует окружной скорости 125 м/с. Макет уже летает в вакуумной камере: https://www.youtube.com/watch?v=dnDu2_aWISg#t=112

Эта фраза взята вот отсюда:
Марсианский вертолет: http://gizmod.ru/2015/01/28/marsianskij-vertolet/
Перед учеными стоит задача разработать такую машину, которая способна работать в более разряженной атмосфере. Такой аппарат должен быть очень легким, а скорость вращения его лопастей должна быть намного выше, чем в земных условиях.
В данный момент проект находится на начальной стадии.
При этом ссылка в сообщении идёт на тот же видеоролик, что представили и Вы.
Отсюда можно предположить, что строка в видеоролике "... они должны крутиться около 2400 об / мин, чтобы обеспечить подъем..." либо связана с какой-то другой моделью, либо вышеприведённая фраза о намного превышающих оборотах звучит в устной речи в каком-то другом контексте, дословного перевода того, что сказано в ролике, я не нашёл.
Но в любом случае - эти две выкладки - явное противоречие, которое необходимо прояснить для дальнейшего понимания.
Но мне кажется, подставь эти данные, включая диаметр, обороты и плотность атмосферы в любую программу по расчёту воздушных винтов, вряд ли получится тяга в 400 грамм. Но это минимально необходимая тяга, а для уверенного маневрирования она должна быть побольше, наверное раза в 1,5 - 2.
 
Я имею в виду была эта фраза сказана самими разработчиками, или это журналистская отсебятина. Я склоняюсь ко второму варианту.

Я же вот как это для себя объяснил:
При этом ссылка в сообщении идёт на тот же видеоролик, что представили и Вы.
Отсюда можно предположить, что строка в видеоролике "... они должны крутиться около 2400 об / мин, чтобы обеспечить подъем..." либо связана с какой-то другой моделью, либо вышеприведённая фраза о намного превышающих оборотах звучит в устной речи в каком-то другом контексте, дословного перевода того, что сказано в ролике, я не нашёл. 

Нужно знающему английский прослушать весь видеоролик и если фразы о скорости вращения намного превышающей земную в ролике нет, то уж только тогда можно делать вывод, что это журналистская отсебятина.
Да и не факт, что других интервью разработчиков, кроме этого видеоролика нет.
 
Нужно знающему английский прослушать весь видеоролик и если фразы о скорости вращения намного превышающей земную в ролике нет, то уж только тогда можно делать вывод, что это журналистская отсебятина. 
В ролике на 0:50 звучит фраза, что "раз плотность атмосферы стала меньше, нужно либо быстрее крутить винты, либо увеличивать лопасти, либо уменьшать вес. И далее мы спросим у эксперта, как решить эту проблему". В общем, типичный случай корявого перевода.
 
А с каких пор потребная тяга винта стала зависеть от высоты полёта?

С уважением.
 
В ролике на 0:50 звучит фраза, что "раз плотность атмосферы стала меньше, нужно либо быстрее крутить винты, либо увеличивать лопасти, либо уменьшать вес. И далее мы спросим у эксперта, как решить эту проблему". В общем, типичный случай корявого перевода. 
Не похоже на корявый перевод, похоже на то, что вы обозначили словом "отсебятина".
Обратите внимание - вы перевели фразу с союзом либо (либо бОльшие обороты, либо бОльший размах лопастей, либо меньший вес), употребляемый при соотнесении однородных членов предложения, указывая на необходимость выбора между ними.
В информационном же сообщении - фраза указывает на комплексное решение (и лёгким, и бОльшие обороты).

Перед учеными стоит задача разработать такую машину, которая способна работать в более разряженной атмосфере. Такой аппарат должен быть очень легким, а скорость вращения его лопастей должна быть намного выше, чем в земных условиях.

Но, как бы там нибыло, уже видно, что чаша склоняется больше в принципиальную возможность такого аппарата.
 
А с каких пор потребная тяга винта стала зависеть от высоты полёта?

С уважением. 

Спасибо, Вы единственный это отметили. Наверное, другие поняли, почему так с лёту.
Это пример фразы, специально сложенной парадоксально для привлечения к дискуссии 🙂
Ну, как, например: «В СССР секса нет!». 
 
😉 Если исходить из названия темы " ......", то наверное дальше не напечатолось: "... на ЛА m=…:
-  для висения,
- горизонтального полета,
- установившегося виража с кренами 10, 15, 30, 45, 50, 55, 70,
- набора и снижения,
- нисходящей и восходящей спиралей,
- а так же переходных режимов?
😎

С уважением.
 
Не похоже на корявый перевод, похоже на то, что вы обозначили словом "отсебятина".
Да не, перевели почти правильно, просто по ходу упустили несколько мелких деталей, которые в корне меняют смысл фразы 🙂
Вот что сказали в ролике:
The way any of these helicopters work is the rotorblades spin up and they produce lift because the density of the atmosphere, so once you lose that density, you've got to spin even faster, or get bigger rotorblades, or get lighter. How we're going to solve that problem if we go to Mars? Let's go talk to the expert and see if we could figure this out.
 
Это всё домыслы, читайте тему, очень интересно получилось. имхо
 
Не похоже на корявый перевод, похоже на то, что вы обозначили словом "отсебятина".
Да не, перевели почти правильно, просто по ходу упустили несколько мелких деталей, которые в корне меняют смысл фразы 🙂
Вот что сказали в ролике:
The way any of these helicopters work is the rotorblades spin up and they produce lift because the density of the atmosphere, so once you lose that density, you've got to spin even faster, or get bigger rotorblades, or get lighter. How we're going to solve that problem if we go to Mars? Let's go talk to the expert and see if we could figure this out.

Да, точно, там применен союз "или", тоже самое, что и "либо" что по сравнению с переводом имеет совсем другой смысл.
Да,  uxus, пост 33 не к Вам относится, это к sokil7. Я и не заметил, как ваш пост вклинился 🙂

Так значит, сверхзвуковое обтекание к этому проекту не относится?
Никогда бы не подумал, что с помощью традиционных средств можно забраться на вертолёте на высоту 50 км 🙂
Однако ж, такой вертолёт с малой удельной нагрузкой на единицу отметаемой площади снесёт от намеченного маршрута любой, самый слабый ветерок.
А на Марсе ветерок в 100 км/час - обычное дело.
Принцип, это принцип, а вот как со всепогодностью такого пепелаца?
 
Да понял я ваш пост от 33, но это не домыслы (от меня), а необходимая и суровая реальность позволяющая осуществлять ПИЛОТИРУЕМЫЙ  (человечком) ПОЛЕТ 😀.

С уважением.
 
Проект «Марс». Реактивный вертолёт для работы на Марсе. Две общих тетради студента МАИ Льва Баньковского с рисунками, схемами, конспектами: http://issuu.com/bonikowski/docs/proekt_mars_1   и   http://issuu.com/bonikowski/docs/proekt_mars_2
 
[guote]А с третьей стороны - вроде бы реальность полета вертолёта в атмосфере и с характеристиками марсианских условий просчитывали гораздо раньше, чем НАСА: «Техника-молодежи» 1963 №11, обл., с.31. КОСМИЧЕСКИЙ ДИПЛОМ СТУДЕНТА: http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/tm/1963/11/vert-nad-mars.html
[/guote]
[guote]Если сходить по ссылкам, то можно узнать, что студент А. Баньковский - это Лев Владимирович Баньковский, студент  факультета "Двигатели летательных аппаратов" Московского Авиационного института им. С. Орджоникидзе (МАИ, 1957 год), в студенческом конструкторском бюро СКБ-2 «Вертолёт» сотрудничал с Николаем Ильичом Камовым, дипломный проект Лев Баньковский посвятил разработке силовой установки экспедиционного марсианского вертолёта, получил положительный отзыв Сергея Павловича Королёва.[/guote]

Проект «Марс». Реактивный вертолёт для работы на Марсе. Две общих тетради студента МАИ Льва Баньковского с рисунками, схемами, конспектами: http://issuu.com/bonikowski/docs/proekt_mars_1   и   http://issuu.com/bonikowski/docs/proekt_mars_2
 
А с третьей стороны - вроде бы реальность полета вертолёта в атмосфере и с характеристиками марсианских условий просчитывали гораздо раньше, чем НАСА: «Техника-молодежи» 1963 №11, обл., с. 31. КОСМИЧЕСКИЙ ДИПЛОМ СТУДЕНТА: http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/tm/1963/11/vert-nad-mars.html
Если сходить по ссылкам, то можно узнать, что студент А. Баньковский - это Лев Владимирович Баньковский, студент факультета "Двигатели летательных аппаратов" Московского Авиационного института им. С. Орджоникидзе (МАИ, 1957 год), в студенческом конструкторском бюро СКБ-2 «Вертолёт» сотрудничал с Николаем Ильичом Камовым, дипломный проект Лев Баньковский посвятил разработке силовой установки экспедиционного марсианского вертолёта, получил положительный отзыв Сергея Павловича Королёва.
Если вникнуть, то работа на уровне дипломного проекта, тем более, получившего положительный отзыв самого Королёва, не может быть ограничена тезисными выкладками в журнале "Техника молодёжи", а иметь под собой строгие математические расчёты и обоснования создания необходимой несущей способности ВВ для полёта вертолёта в разряженной атмосфере Марса. 

Проект «Марс». Реактивный вертолёт для работы на Марсе.
Две общих тетради студента МАИ Льва Баньковского с рисунками, схемами, конспектами:
http://issuu.com/bonikowski/docs/proekt_mars_1 и
http://issuu.com/bonikowski/docs/proekt_mars_2

Спасибо, antonina, где Вы только это нашли?
Уму непостижимо, что показанные конспекты - это работа студента-старшекурсника выполненная вручную, безо всяких "солидвёрксов", с великолепными иллюстрациями ещё вначале 60-х годов прошлого века.
Великолепная иллюстрация нашего приоритета в этом направлении и в тоже время - не умеем развить того, что давным-давно наработано...
 
Почитал конспект: http://issuu.com/bonikowski/docs/proekt_mars_1
С 63 страницы конспекта Баньковского начинается его проект "Марс".
Описание атмосферы Марса основывается на работе: "Марс. Вертикальное строение атмосферы" (У. Келлог, К. Саган)
(Эта книга есть в I-Net "Атмосфера Марса и Венеры. Пр. с англ. 1962. Мягкая обложка, 268 стр.": http://urss.ru/cgi-bin/db.pl?lang=Ru&blang=ru&page=Book&id=111670
Что любопытно, ссылки на этих авторов 60-х годов прошлого столетия есть и в современных работах: "Новые методы спектроскопических исследований планетных атмосфер с космических аппаратов. Тема диссертации и автореферата по ВАК 01.03.04, доктор физико-математических наук Кораблев, Олег Игоревич: http://www.dissercat.com/content/novye-metody-spektroskopicheskikh-issledovanii-planetnykh-atmosfer-s-kosmicheskikh-apparatov )
Так вот, согласно приведенной на 65 стр. таблице "Параметры атмосферы Марса", давление составляет 60 мм рт. ст., а плотность 0,0284, что в пересчёте соответствует земной атмосфере примерно 12 тыс. метров с копейками. А скорость звука вообще - 201 м/сек.
Теперь становится понятным, почему вертолёт Баньковского "полетел" в атмосфере Марса - ведь уже тогда, на практике, в 1958 году на «Алуэтт II» был установлен рекорд высоты в 10984 м, а в 1972 году вертолет «Лама» достиг уже 12440 м и, возможно, было бы ещё выше, если бы не отказал двигатель.
На 85 стр. даны ТТХ пилотируемого летательного аппарата для Марса.

Но вернёмся к НАСАвскому проекту марсианского дрона.
По данным НАСА на 2004 год, давление атмосферы на среднем радиусе составляет 6,36 мб. Плотность у поверхности ~0,020 кг/м3. Эти параметры соответствуют земной высоте что-то около 50 км.
Так что, если НАСАвцы брали параметры атмосферы Марса 55 летней давности или даже области Эллада, то дрон, возможно и полетит.
А вот с современными даными по атмосфере, тягу у винта должна быть по крайней мере раза в 2 больше для уверенного, маневренного полёта.
И тут уже возникают вопросы относительно вышесказанного оптимизма.
 
Назад
Вверх