为什么直升机要做成大旋翼低转速而不是小旋翼高转速?

天地雄鹰337


淘金客觉得有答主答得相当专业了,想补充些更直观的数据和例子:较低的速度下,大旋翼低转速的效率比较高。举个例子不一定准:100公斤重的直升机,用小旋翼30千瓦的功率悬停,但换成大旋翼就可能只需要10-15千瓦就够了。

旋翼大小的比较

这里较低的速度,指的既是旋翼的转速,也是指飞机的速度。飞机的速度低,进入旋翼的空气速度比较低,可以用较小的螺距来推动空气加速,气流不易分离且效率很高。这里有一个很容易懂的单位,常常被称为“力效”或者“拉效”,单位是“克(升力)/每瓦(功率)”,就是向一套旋翼系统输入一定动力后能产生多大的升力!下面举一点大家常见的例子:

一、某疆的“精灵”无人机如上图,航拍用的小家伙,每个旋翼直径9英吋(229毫米),75%油门时转速9000,力效约为5克/瓦,就是说1瓦功率可以获得5克的升力,由此可倒推出,这款1300克的飞机,在悬停的时候,功率大约是260瓦。因此这款飞机的续航时间约20分钟。

二、比较常见的15公斤级6旋翼长航时无人机如上图这种,每个旋翼直径29吋(737毫米),75%油门时转速2500,力效约为12-13克/瓦,比前一个"精灵"大了一倍有余,1瓦功率能产生12克以上的升力,续航时间也因此达到“精灵”的2倍有余,一般都有1小时。淘金客做过一些优化,最好的成绩是纯锂电池无负载(13公斤多一点)达到100分钟,2公斤负载90分钟即1个半小时。

极端一些的人力直升机

下面的例子极端一些:直升机螺距可变,情况会更复杂一些,但仍然遵循这个规律——可以看看下图这个人力直升机,超长的旋翼极低的转速,这个力效达到惊人的超过100克/瓦!优秀运动员在激烈运动时可爆发出1千瓦以上的功率,只这么高的力效才可能产生100公斤以上的升力!如果这架飞机维持悬空60秒,就能获得25万美元的奖金。当然,这个钱实在不算多——这架用最好的超轻材料制作的直升机,肯定不止这么点钱!

最后结论

既然旋翼越大力效越高,为什么直升机不把旋翼再做大一些?太大的旋翼带来的问题一大堆:

1、阻力太大飞不快

2、停放、降落很不方便

3、低转速下响应速度非常慢,很小的风就会歪歪倒倒,无法稳定飞行,所以那架人力直升机只能在体育馆里试飞

等等等等

所以,直升机的旋翼大小、片数、转速的选择,是个折衷各方面因素的结果。


史海淘金客


这个问题涉及到旋翼空气动力学涉及方面的问题了,老鹰航空来从下面三个方面进行回答吧:

1、介绍一下旋翼拉力工程计算公式;

在航空工程领域,尤其是螺旋桨以及旋翼领域,在进行概念性设计或者快速工程化设计的时候,可以将旋翼或者螺旋桨的拉力按下面这个公式来进行:

T=CTρN²D^4,

其中,T是拉力,单位是牛顿;CT是旋翼或者螺旋桨的拉力系数,由桨叶的几何外形、扭转角分布、前进比等参数综合控制;ρ是当地空气密度;N是桨叶转速;D是桨叶直径。

从这个公式就很明晰了,在旋翼拉力的诸多影响因素中,桨叶直径的影响程度要高于转速,因为桨叶直径对拉力的影响是四次方关系,而转速只是二次方关系。

2、桨叶转速限制;


旋翼和螺旋桨这种气动装置在实际工作状态中有一个非常特殊的限制条件,那就是为了确保实际工作效率维持在可用范围,桨叶尖端的线速度不能超越音速,也即是不同直径的桨叶转速有一定的上限。航模或者小四旋翼的转速一般在8000rpm甚至10000rpm以上,通航固定翼小飞机螺旋桨转速一般在5000rpm左右;

而载人的直升机转速可能不超过2000rpm,更大型的直升机,比如米26这样的,旋翼直径往往在30米以上,转速一般要控制在1000rpm以下。

因此,从上面两个方面来综合考虑,载人的直升机为了确保升力符合要求,一般采用大直径小转速的策略。


——问题就回答到这里了——

对航空感兴趣的朋友不妨来关注老鹰航空吧。

(图片来自互联网公开图片,如侵则删。)


老鹰航空


还不是因为叶尖线速度不能超音速这个限制呗!小桨叶在普通飞机上已经到极限了,还要加大推力,用到直升机上只好加大直径,速度慢下来,保证叶尖不超速


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