Sì, è vero che gli elicotteri usano più carburante quando sono in volo stazionario: il motore deve applicare più potenza per superare la resistenza. Ecco un grafico della potenza del motore richiesta per diverse velocità, da J. Gordon Leishman, Principles Of Helicopter Aerodynamics:

La linea poiché la potenza totale scende tra 0 e 70 nodi con l'aumentare della velocità, ciò è causato dalla linea per potenza indotta: potenza richiesta per vincere la resistenza indotta della pala dell'elicottero. La potenza totale del motore richiesta è la somma di:

• Potenza indotta. La potenza richiesta per superare la resistenza indotta della creazione dell'ascensore, ulteriormente dettagliata di seguito. La potenza propulsiva si riferisce alla velocità di scarico del motore che ora è utile e all'aumento della potenza indotta a velocità più elevate a causa della resistenza alla compressibilità.
• Potenza del profilo, richiesta per la resistenza del profilo della pala.
• Potenza parassita, per la resistenza provocata dal telaio dell'aria, dal mozzo del rotore, ecc. Zero in hover, molto dominante alla massima velocità. Gli elicotteri hanno forme molto meno aerodinamiche degli aerei ad ala fissa e questa fonte di resistenza diventa molto significativa a velocità più elevate.
• Potenza del rotore di coda. Fino al 20% della potenza del rotore principale sia in hover che alla massima velocità, molto bassa al centro grazie all'utile coda verticale. Alla massima velocità la coppia del rotore principale è elevata e il rotore di coda deve lavorare di più, a meno che la coda verticale non possa essere regolata.

La potenza indotta è dominante nel passaggio del mouse. La resistenza indotta è causata dall'inclinazione all'indietro del vettore di portanza: maggiore è l'angolo tra la pala e il flusso libero, più il vettore viene inclinato all'indietro, il che provoca sia la perdita di portanza che un aumento della resistenza. L'equazione per la portanza L è:

$$ L = C_L \ cdot \ frac {1} {2} \ cdot \ rho \ cdot V ^ 2 \ cdot S $$

e ad una data altitudine, le due variabili qui sono $ C_L $ (coefficiente di portanza) e $ V $ (velocità alla pala). $ C_L $ è una funzione approssimativamente lineare dell'angolo di attacco della pala, quindi la portanza aumenta linearmente con l'inclinazione della pala all'indietro e quadraticamente con l'aumentare della velocità rispetto alla pala.

Il grafico sopra di Leishman mostra la distribuzione della velocità sulle pale in volo stazionario e alla velocità relativa. Una situazione piuttosto complicata: quando si libra, la velocità che raggiunge la pala è solo la velocità di rotazione del rotore, a velocità di avanzamento la pala che va in avanti ha velocità di rotazione più velocità relativa.

L'elicottero non si ribalta e sia la pala anteriore che la pala che si ritira forniscono la stessa quantità di sollevamento, con la pala che va all'indietro inclinata più indietro di quanto non fosse in hover. Ma la pala che va in avanti è inclinata molto meno indietro: la velocità relativa ha un'influenza quadratica.

Si noti che il cerchio nel grafico a velocità relativa in avanti non è flusso stallo, ma flusso inverso: l'aria fluisce in parte posteriore della lama. Quindi la resistenza ora è negativa, il flusso d'aria aiuta a spingere la pala! Tuttavia c'è una perdita di portanza nell'area del flusso inverso.

La potenza indotta si riduce con la velocità relativa all'inizio secondo la semplice considerazione dell'impulso 1-D (più massa d'aria attraverso il disco), e successivamente aumenta con la velocità del disco è sempre più inclinato in avanti e deve fare più lavoro per superare le perdite dovute alla resistenza del profilo del rotore, alla resistenza parassita della cellula e alla resistenza alla compressibilità.

C'è anche un effetto di interferenza del downwash sulla fusoliera: in volo stazionario l'aria scorre verso il basso, mentre in volo in avanti il ​​lavaggio del rotore è più allineato con la fusoliera, assumendo una forma più snella. La resistenza parassita è ovviamente dominante alla massima velocità, mentre scaricare il rotore utilizzando superfici fisse dell'ala riduce la potenza indotta alle alte velocità, ma da hover a moderate velocità di avanzamento è puramente la riduzione della potenza indotta dal sollevamento che crea portanza traslazionale.

Sì, è corretto, se l'elicottero non vola troppo velocemente. Un elicottero produrrà il sollevamento necessario in modo più efficiente a una velocità di avanzamento moderata.

In un volo stazionario tutto il flusso d'aria disponibile per la creazione del sollevamento deve essere generato dalla rotazione del rotore principale. Ciò significa che una piccola quantità d'aria deve essere accelerata di molto. Se l'elicottero aumenta la velocità di avanzamento, può ottenere un flusso di massa maggiore attraverso il rotore e ora è necessaria una minore accelerazione dell'aria per ottenere la stessa portanza. Ciò migliora l'efficienza della creazione dell'ascensore. Se l'elicottero va più veloce della sua velocità per la massima velocità di salita, la resistenza aerodinamica cresce troppo e riduce nuovamente l'efficienza.

Ad alta velocità, le punte delle pale che avanzano potrebbero raggiungere velocità transoniche, il che produce un notevole aumento della resistenza aerodinamica e la parte interna della pala in ritirata vedrà una velocità molto ridotta e per produrre ancora portanza, l'intera pala si inclinerà ad un angolo di attacco elevato, causando lo stallo della parte interna, che di nuovo produce un notevole aumento della resistenza. C'è un punto debole tra hover e velocità veloce in cui la potenza richiesta raggiunge il minimo.

Sì, non sono uno studente di fisica, ma lavoro sui Black Hawks. Se si concettualizza un elicottero come un semplice disco del rotore principale che produce portanza, la risposta di Peter Kampf sul flusso di massa attraverso il disco del rotore è il fattore più importante. (Ricorda che il disco è inclinato in avanti mentre l'elicottero si muove in avanti). Tuttavia, la tua domanda in realtà ha chiesto perché consumano meno carburante: beh, migliaia di piccole caratteristiche di progettazione sulla cellula aiutano a risparmiare preziose libbre di carburante durante il volo in avanti. (Potresti voler fare una ricerca di immagini su Google per guardare mentre leggi questo.)

Il Black Hawk ha una pinna verticale bombata che scarica il rotore di coda sopra i 60 nodi, e questa coppia viene reindirizzata nella principale rotore. Ha uno stabilizzatore variabile che cambia l'angolo con la velocità in avanti (= cambia l'angolo di lavaggio del rotore principale) per fornire sollevamento, scaricando ulteriormente il rotore principale. Il rotore di coda è inclinato di un angolo e gira all'indietro nel lavaggio del rotore principale, ancora una volta per scaricare il rotore principale, liberando più potenza per la velocità di avanzamento. Ha computer di volo e un'unità mixer che appiattisce la cellula in volo, in modo che non presenti un tetto piatto della cabina nel flusso d'aria ad alte velocità di andata. Più piatto è possibile mantenere il disco nel flusso d'aria relativo, più piccoli sono gli angoli di beccheggio delle pale e meno resistenza parassita dal disco del rotore.

Le punte delle pale del rotore principale vengono spostate all'indietro per ritardare l'inizio del trascinamento della punta transonica poiché la pala che avanza vede velocità relative più elevate in volo in avanti. Altri elicotteri hanno carenature della cellula che generano il sollevamento dal corpo della cabina durante il volo in avanti. Tutti questi risparmi aerodinamici sono presenti in volo in avanti, ma non in hover. Infine, le prese d'aria del tuo motore a turbina beneficeranno di un certo effetto aria-ram durante il volo in avanti, il che significa bruciare meno carburante per la stessa coppia. Ogni elicottero al mondo utilizza alcune o tutte queste funzionalità per risparmiare carburante in volo e, se si confrontano generazioni di elicotteri (Bell 47, Bell UH-1, Bell 412, Black Hawk), è possibile vedere queste caratteristiche svilupparsi gradualmente.

Ci sono altre considerazioni quando un elicottero è sospeso appena da terra, ma ho cercato di elencare solo alcuni dei modi in cui gli elicotteri sono progettati per risparmiare carburante in volo. Spero che un po 'di questo aiuti.

Il concetto è noto come "lift traslazionale". Quando si muove in volo in avanti, il disco del rotore di un elicottero si comporta in modo molto simile all'ala di un aereo: ha un significativo rapporto portanza / resistenza. La spinta richiesta per mantenere il volo livellato è ridotta da quel rapporto, e quindi anche la potenza del motore e il flusso di carburante necessari sono ridotti. In hover, il sistema motore + rotore deve fornire una spinta completamente uguale al peso dell'elicottero.

Quando in hover, l'aria ha più tempo per impostare un lavaggio indotto da più in alto che si traduce in una maggiore velocità di flusso verso il basso nel momento in cui il lavaggio indotto raggiunge il piano del rotore. Quando è in volo traslatorio, il rotore si muove continuamente in aria pulita, quindi la velocità del flusso verso il basso nel momento in cui l'aria raggiunge il piano del rotore è inferiore a quella di un volo stazionario. La potenza è uguale alla forza per la velocità, in questo caso considera la potenza erogata all'aria. In entrambi i casi, la forza è la stessa (uguale al peso dell'elicottero), ma in hover, la velocità di lavaggio verso il basso attraverso il piano del rotore è maggiore che durante il volo di traslazione, quindi la potenza richiesta in hover è maggiore rispetto al volo traslazionale, fino a quando il trascinamento traslazionale non diventa un problema.

Un altro problema sono i vortici di punta. In hover, questi possono diventare piuttosto grandi, ancora una volta a causa del tempo che i vortici si stabiliscono e le punte del rotore si muovono nei vortici indotti dalle altre punte del rotore. Nel volo traslazionale, i vortici vengono "lavati" via dal relativo vento orizzontale, riducendo la dimensione dei vortici di punta.

Un altro punto da considerare è se l'elicottero ha ali supplementari. Un esempio piuttosto famoso è la famiglia di elicotteri d'attacco Mi-24, in cui i piloni delle armi funzionano come ali.

"Ad alta velocità, le ali forniscono una portanza considerevole (fino a un quarto del totale lift). "

Ad altitudini elevate a pieno carico la procedura di decollo consigliata è quella di aumentare la velocità orizzontale in modo che le ali raccolgano un po 'di sollevamento.

Se la gravità fosse l'unica forza che agisce su un aereo, in ogni momento l'aereo guadagnerebbe una certa quantità di slancio verso il basso. Quindi, per mantenere l'altitudine, l'aereo deve trasferire quella quantità di moto a un'altra massa (ad esempio l'aria). Cioè, ci sarà dell'aria che inizia con velocità zero (nel caso più semplice) e finisce con una certa velocità verso il basso. Poiché la quantità di moto è la massa moltiplicata per la velocità, la velocità alla quale l'aria deve essere accelerata sarà inversamente proporzionale alla massa dell'aria accelerata: velocità = quantità di moto / massa. Tuttavia, l'energia di quell'aria è mv ² / 2. Quando sostituiamo la velocità in quell'equazione, otteniamo energia = massa * (quantità di moto ² / (2 * massa ² ). Una potenza di massa si annulla, dando energia = quantità di moto ² / (2 * massa). Pertanto, raddoppiando la quantità di aria accelerata verso il basso si dimezza l'energia richiesta. Quando un aeroplano viaggia ad alta velocità, una grande quantità di aria entra in contatto con le sue ali , il che significa che non deve spendere molta energia per generare portanza (ovviamente, più velocemente viaggia, maggiore è la resistenza che sperimenta, dando un compromesso tra portanza e resistenza). Un elicottero sperimenta qualcosa di simile: quando viaggia orizzontalmente , si muove naturalmente in aria nuova. Quando si libra, c'è meno aria da accelerare verso il basso e l'aria che c'è deve essere tirata verso il rotore dallo sforzo del rotore stesso.