¿Podría un helicóptero levantar teóricamente una carga útil de peso finito si las aspas pudieran girar lo suficientemente rápido?

Trataré de dar una explicación un poco más técnica de por qué esto no funcionará:

La elevación de un ala de helicóptero (pala del rotor) está determinada por esta ecuación

L = CL ½ ρV (al cuadrado) S

CL = Coeficiente de elevación (cambia con el ángulo de ataque de la pala del rotor)
ρ = densidad (fijada para un entorno dado)
V = Velocidad (esto puede cambiar)
S = Área de superficie del ala (fijada para una pala de rotor)

Por lo tanto, lo único que realmente tiene el control es la velocidad de la pala del rotor y el CL de la pala del rotor. Pero la forma en que se vuela un helicóptero no es ajustando directamente la velocidad de las palas (o las RPM del rotor), sino el paso de las palas. Ajustar el paso de las palas colectivamente (y así cambiar el CL ) aumentará la elevación del disco del rotor y, por lo tanto, hará que el helicóptero suba, si está en el vuelo estacionario. La velocidad luego mantiene las RPM del rotor en el rango diseñado. Entonces, ahora que hemos determinado que es el CL el que necesita cambiar, ¿cuáles son los problemas entonces?

Arrastrar
El problema es arrastrar. La ecuación para arrastre es similar a la de Lift:

D = CD ½ ρV (al cuadrado) S

Como puede ver, todo es igual excepto el CD . El CD cambia a un ritmo mayor para un ángulo de ataque dado que el CL. Por lo tanto, se necesita más potencia, relativamente, para mantener las rpm del rotor estables que antes. Y es aquí donde nos encontraríamos con la limitación del helicóptero; las partes realmente transfieren la potencia de los motores al cubo / álabes del rotor. Después de los motores hay una caja de engranajes, que reduce las rpm del motor de aproximadamente 33,000 rpm (motores de turbina) a aproximadamente 260 rpm, que es el rango +/- donde los helicópteros normalmente mantienen las rpm del rotor. Esa caja de engranajes y el eje desde la caja de engranajes hasta el cubo del rotor tienen que lidiar con enormes poderes y se dañarán fácilmente si lo sobreesfuerza / aprieta demasiado. PERO, si vamos a diseñar piezas de algún tipo de material único que pueda manejar todas esas cargas y motores con la potencia suficiente, entonces un helicóptero podría levantar lo que le arrojaste. Pero como usted mismo dijo, eso es teórico y no práctico.

¡Espero que esto responda a su pregunta!

Chris

Los otros respondedores aludieron a esto, pero el DIÁMETRO del rotor y las RPM son los factores limitantes que determinan la potencia de elevación. Más palas también aumentarán la elevación, pero el factor limitante que controla todos los diseños de rotor es la velocidad de la punta de la pala.

La punta de la cuchilla que avanza (en realidad, el exterior de 1/4 a 1/3) NO DEBE exceder la velocidad del sonido = 1,100 pies por segundo (de hecho, alrededor del 90% de la velocidad del sonido = 1,000 fps) de lo contrario las ondas de choque formadas se romperán la cuchilla. En el lado de la retirada, la velocidad de la punta (nuevamente 1/4 a 1/3 exterior) no debe caer por debajo de la velocidad de pérdida de las cuchillas, o aproximadamente 200 fps.

Al avanzar, la velocidad del aire se agrega a la velocidad de avance de la punta y se resta de la velocidad de la punta de retroceso. Con un RPM típico del rotor de aproximadamente 300 rpm, eso limita la velocidad máxima hacia adelante a aproximadamente 270 MPH. Sin embargo, a medida que un helicóptero avanza desde el vuelo estacionario a velocidades más altas, el rotor descarga constantemente la elevación sobre la cuchilla que avanza para mantenerse en equilibrio con la pérdida de elevación en el lado de retroceso, por lo tanto, una pérdida neta de elevación total a medida que aumenta la velocidad de avance. Las cuchillas cambian de tono para lograr esto a una velocidad de 5 veces por segundo.

Un helicóptero puede levantar mucho más peso en vuelo estacionario que a cualquier otra velocidad de avance. En un vuelo estacionario, un RPM más alto elevaría más peso, pero no podría volar mucho más rápido en cualquier lugar con él.

El problema principal a velocidades de cuchilla supersónicas cercanas es que las cuchillas cambian constantemente de supersónicas en el lado donde la cuchilla se mueve en la dirección de vuelo a subsónicas donde la cuchilla se mueve en la dirección opuesta. Se producen vibraciones intensas y destructivas y el helicóptero se vuelve incontrolable.
EDITAR:
Las embarcaciones de rotores múltiples como el chinook evitan este problema, no veo por qué no se deben construir cuatro o más embarcaciones de rotor para levantar cargas pesadas reales, también se han probado rotores súper grandes.

Creo que la cantidad de elevación será limitada una vez que el flujo de aire alcance la velocidad del sonido. En ese momento, tendrá ondas de choque y eso perturbará el flujo de aire para limitar la cantidad de elevación.

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