Комментарии 30
Прошу пояснить несколько моментов:
1. Расчеты представлены для условно "бесконечной" трубы, не учтены краевые эффекты на входе и выходе (наверное, в результате эффективность будет еще ниже)
2. Винт не идеально прилегает к стенкам трубы, наверное и тут краевые эффекты.
3. Не понял насчет вывода про эффективность винта. выходит, самый эффективный винт тот, который не крутится?
выходит, самый эффективный винт тот, который не крутится?
И бесконечно большой при этом. Если он конечных размеров, то крутиться ему придется с ненулевой скоростью.
Да, расчеты представлены для условной бесконечно длинной трубы. Никакие снижающие удельную тягу эффекты - не учтены специально, как раз для того, чтобы увидеть тот самый идеальный теоретический максимум, предел возможной эффективности, накладываемый фундаментальными законами физики: законом сохранения энергии и импульса.
Реальные винты никогда не будут прилегать идеально к стенкам трубы, у многим винтов трубы вовсе нет (как у парамоторов, квадрокоптеров и самолетов) - поэтому их удельная тяга заметно ниже, чем теоретически максимальная. Как раз, чтобы понять, насколько они далеки от этого идеала - и написана эта статья.
Самая эффективная идеальная пропульсивная система - эта, та, которая каким-то волшебным путем преобразует энергию от источника питания в поступательное согласованное движение молекул воздуха в одном направлении вдоль оси трубы. Такого волшебного способа у нас нет, нам приходится в трубу что-то засовывать и крутить там, что неизбежно снижает эффективность относительно варианта идеального.
Понять, насколько вращающаяся система приближается к идеальной волшебной - помогает вычисление коэффициента согласно формулам в материалах этой статьи.
Точно нет? Вроде были ионолеты, ток не идет, ионы движутся и увлекают воздух. Тяга конечно мизерная, но и потери только в преобразователе. Помню видео летевшей модели, но конечно это мог быть просто планер.
Да, когда-то читал о таком движителе. Они перспективны для передвижения в космическом пространстве из-за высокого удельного импульса.
Тем не менее, я нарочно не стал упоминать ионный двигатель, так как КПД преобразования у него явно не 100%. С точки зрения источника питания нам важна не только эффективность винта, но и эффективность преобразования электрической энергии в кинетическую на всех этапах.
Однако, говоря про "волшебную" схему у меня вертелось в голове нечто вроде идеи ускорения частиц среды чистой силой, навроде электростатического поля.
Проблема только в том, что молекулы окружающей нас материи электрически нейтральны. А ионизация - это очень энергозатратный процесс.
Да, когда-то читал о таком движителе. Они перспективны для передвижения в космическом пространстве из-за высокого удельного импульса.
В воздухе они чувствуют себя ещё лучше, так как запас рабочего тела неограничен, и его можно расходовать неэкономно, т. е. придавать ему маленькое приращение скорости.
Проблема только в том, что молекулы окружающей нас материи электрически нейтральны. А ионизация - это очень энергозатратный процесс.
Это проблема легко решается увеличением энергии направляемой на ускорение молекул воздуха. Например, тратим на ионизацию 100 Вольт, а на ускорение ионов 900 Вольт, получится условно 90% КПД.
Посчитайте, какую скорость приобретут ионы после ускорения полем такой напряжённости.
И подставьте данное значение в формулу для удельной тяги Q = 2/V.
Получится мизерное значение, которое никак не адаптировать для летающих в атмосфере Земли аппаратов, которым требуются многие сотни и тысячи Ньютон тяги.
Скорость ионов будет довольно небольшая из-за соударения ионов с молекулами воздуха. Грубо говоря, 900 В ускоряющего потенциала разделится на миллионы соударений или молекул. См. "ионный ветер" или "эффект Бифельда — Брауна".
Получится мизерное значение, которое никак не адаптировать для летающих в атмосфере Земли аппаратов, которым требуются многие сотни и тысячи Ньютон тяги.
Уже сделали экспериментальную модель, которая летает: https://en.wikipedia.org/wiki/MIT_EAD_Airframe_Version_2
Т.е авиационные винты выгоднее делать побольше? Условный кукурузник Ан2 с винтом от вертолёта должен получиться поэкономичне, осталось решить проблему с расстоянием до полосы. А модные нынче квадрокоптеры выгоднее делать по вертолётной схеме, заодно и цена единичного мотора подешевле суммы четырёх меньших. Почему тогда так не делают? Надёжность тоже должна бы увеличиться, с отказом одного из четырех квадрик потеряет устойчивость, тогда при условной надёжности0.9, надёжность всего квадрика будет 0.64, а классического 0.9, это не про резервирование. И авторотация для классического проще. Имхо, проблема игрушек - "вертолёт падает только один раз (и приходит в окончательную негодность)"
Для вертолётной схемы нужен автомат перекоса, а он добавляет кратную стоимость.
Насколько помню, для винтов самый выгодный вариант - одна лопасть.
Потому что винт должен создавать не просто тягу куда получится, а в нужном направлении. Если несущий винт один - для управляемого полёта ему нужны лопасти с переменным углом атаки и автомат перекоса для управления этим углом. Если несущих винтов два - можно обойтись подвижным креплением этих винтов. Четыре же винта можно закрепить неподвижно и управлять наклоном исключительно через разность тяги.
Потому и цена четырёх винтов оказывается меньше чем одного большого.
Что, если сделать электровинтовой автомат перекоса. Изготавливаем летадло по классической одновинтовой схеме, для этого берём один большой винт с с мотором от большого коптера, ставим в центре тяжести, без всякой механики, прям как есть. А по краям выносные маленькие винты, от маленького коптера - они будут давать перекашивающий момент, а заодно и подъемную тягу - мелочь, а приятно .Можно даже три вместо четырех. Для компенсации реактивного момента (вместо хвостового винта) - поставить их под небольшим углом. А если не экономить и таки четыре, то при отказе любого маленького можно лететь дальше, при отказе единственного большого - сесть на авторотации. А при установке + ещё одного, создающего реактивный момент - даже с удобством подобрать место посадки, рулевые-то исправны и создают тягу, хоть и слабую (типа как хвостовой винт этот момент компенсирует, но он уже скомпенсирован косой установкой рулевых, причина компенсации исчезла - несущий винт выкл, значит, чтобы не делать механизм поворота рулевых прямо, проще создать пропавший момент искусственно. В норме этот винт выключен, подобно ветрогенератору на настоящих самолётах. Если его не предусмотреть, то для авторотационной посадки придется выбирать между возможностью бокового смещения или закруткой, или садиться прямо вниз. Ну, допустим, игрушка пусть уж шмякнется, новую купим, но по квадрокоптерной схеме некоторые пытаются делать пассажирские, пилотируемые.)
Примерно так шла эволюция автомобильного радиатора: пропеллер намертво привязан к коленвалу - между пропеллером и коленвалом муфта сцепления - электровентилятор "вкл-выкл" - плавная регулировка.
Работа воздушных винтов на большой скорости - это уже другая история. Там большой винт может начать проигрывать маленькому из-за эффекта вырождения (уменьшение относительной поступи винта).
Внес дополнительную главу в статью, поясняющий ситуацию с винтами на самолетах.
Самолеты движутся со значительной скоростью, там выбор диаметра винта осуществляется несколько по другим законам, чем для статики и случаев неподвижного висения.
Т.е авиационные винты выгоднее делать побольше?
Как в примере с лодкой и камнями из статьи: затрачиваемая энергия на разгон воздуха mv^2, а импульс - mv, соответственно чем меньше скорость (с пропорциональным увеличением размеров для увеличения массового расхода) тем эффективнее.
Было где-то видео про конкурс где надо было летательный аппарат с вертикальным взлётом собрать, но питаемый от мышечной тяги человека и чтобы этого человека собственно смог поднять. Победитель, чуть ли не единственный, выглядел как велосипед с приводом на кучу огромных многометровых винтов ещё и в несколько этажей, общим размером как спортзал. По другому, меньшими размерами винтов, превратить человеческий кВт мощности в сотню кг тяги не выйдет.
Вот та новость: https://habr.com/ru/articles/186424/
В несколько этажей винты никто не размещал, это просто глупо (они ж мешать друг другу будут!), но вот общие габариты конструкции и правда огромные.
Почему комнатные вентиляторы не пытаются улететь?
Хорошая статья, хочу сделать некоторые важные, на мое мнение, дополнения:
Учет скорости набегающего потока крайне важен. Потому как значительно влияет на расчетные величины мощности и силы тяги.
Формула силы тяги винта: F_drag = 2 * P / (Vin + Vout).
Или F_drag = 2 * P / (2Vin + dV).
Видно, что с ростом скорости набегающего потока сила тяги ослабевает. Причем чем меньшая добавочная скорость, и чем больше диаметр винта, тем сильнее эффект падения силы тяги!Что бы рассчитать Vout - скорость исходящего потока, можно воспользоваться следующей формулой:
dm * Vin^2 / 2 + P * dt * КПД = dm * Vout^2/2 , где dm = W у автора
подставив формулу для массы, можно получить следующее соотношение:
Vout = Корень( 2 * P * КПД / (ro * S * Vout) + Vin^2),
где ro - плотность воздуха, S - площадь потока.
К сожалению, простого решения у этой формулы нет, и решается она или с помощью Подстановки Виета, или численно на ПК.
Можно также легко расчитать в ручную, для начала Vout берется на глаз и далее сделав 2-3 подстановки по кругу, формула быстро сходится к такому значению Vout, что бы разность кинетической энергии входящего и исходящего потока, равнялась затрачиваемой мощности за еденицу времени.
Используя формулы выше можно построить графики зивисимости, силы тяги и механической мощности от скрости и площади набегающего потока воздуха.
Или другими словами построить зависимость тяги от скорости движения.
Если кого-то интересует могу сбросить простой python код который строит данные графики.
Действительно, фундаментальные законы физики ставят жесткие рамки. А КПД текущих винтов и проппелеров для малой авиации находится на уровне 80%. КПД BLDC моторов порядка 80-95%, КПД электроники 90-98%. И хотя КПД ДВС в малой авиации крайне низкая, удельный запас энергии в безине/керосине в 40 раз выше. А потому для перехода на электротягу нужно прорывная технология в области аккумуляторов и запаса энергии.
Благодарю за ответ и развернутый комментарий с графиками!
Да, что касается набегающего потока - я внёс правки и дополнения - добавил шестую главу с указанием этих закономерностей.
Кстати, Propeller Selector позволяет увидеть эффект вырождения винта, если начать добавлять значение скорости набегающего потока в первой строке "Air Speed" :)
А потому для перехода на электротягу нужно прорывная технология в области аккумуляторов и запаса энергии.
На малые расстояния, т. е. порядка 500 км, уже можно летать на существующих аккумуляторах.
Да!
...но перевозить при этом преимущественно собственно аккумуляторы. В авиации масса -- главный ресурс, за который нужно бороться, который нужно, пардон, максимально минимизировать.
В большинстве маленьких самолётов вся механика наружу, все эти тросы или тяги, и никаких кожухов или декоративных панелей, в ущерб дизайну и комфорту, всё ради той самой минимизации.
доказательства, что таковой предел существует.
Возможно я что-то не так понял, но чисто интуитивно, разве отсутствие такого предела не означало бы нарушение закона сохранения энергии?
Для ЛА решение тоже есть, но заняться некогда и винты просто по новому применяются. Для работы время нашел сделать https://3dtoday.ru/blogs/accurate-random/multigibridnyi-nagnetatel-vozdusnogo-potoka , для воздушной подушки - нет. Для ЛА решение не переделка винта, а вообще весь ЛА, должны увеличиться время полета и грузоподъёмность, маневренность упадет. Но просто немного иначе применяются винты (импеллер), но не переделываются.
К вопросу о теоретическом пределе эффективности воздушных винтов и импеллеров