Гравитационные потери - один из видов потерь характеристической скорости (которая есть в некотором роде "идеальная" скорость РН) при старте ракеты с естественного небесного тела. В нашем случае - Земли. Рассмотрим это в несколько этапов. Первая часть - в некотором роде вводная, начальная база.
Начнем со статики.
Висит груз на тросе:
На груз действует сила тяжести, Ft=mg. В тросе реакция Rtr, по величине равная силе тяжести, противоположенная по направлению. Система в равновесии, работа не совершается, затрат энергии нет. Гравитационных потерь нет.
Воздушный шар с грузом в воздухе:
Шар гелиевый или водородный. Уравновешенный. На груз (и оболочку и стропы шара, а так же несущий газ) действует сила тяжести. Уравновешивает все это масса вытесненного шаром воздуха - всплывающая или сплавная сила, как писали в старых книгах. Система в равновесии, работа не совершается, затрат энергии нет. Гравитационных потерь нет.
Завис вертолет и держит груз:
На груз и конструкцию вертолета действует сила тяжести. Она компенсируется подъемной силой ротора вертолета, который вращается создавая подъемную силу. Система в равновесии - груз и вертолет неподвижны, не поднимаются и не опускаются.
Но двигатель вертолета работает, потребляя топливо и вырабатывая мощность (энергия в единицу времени) , которая уходит в ротор вертолета, а тот передает ее воздуху, отбрасывая его вниз. Струя воздуха уносит эту мощность, которая затем преобразуется в вихри различной, но постоянно уменьшающейся величины, но во все большем количестве. В конце концов все это преобразуется в тепловое движение молекул - то есть в нагрев воздуха.
Приземная визуализация отбрасываемого вертолетом потока воздуха:
Воздух - газ. То есть не жесткая субстанция. При силовом воздействии на него он отвечает реакцией, но сам при этом начинает перемещаться. в общем случае это описывается вторым законом Ньютона: "Ускорение, приобретаемое телом под действием силы, прямо пропорционально величине этой силы и обратно пропорционально массе тела".
Есть сила, есть перемещение - то есть совершается работа. Работа, отнесенная ко времени - мощность.
Для того, что бы вертолету, или конвертоплану, или СВВП неподвижно висеть над поверхностью Земли, или где то высоко в небе - ему нужно затрачивать некоторую мощность.
В данном случае - в статике или "псевдостатике" эти затраты мощности или энергии и есть гравитационные потери.
Насколько они велики и как их можно уменьшить?
Подъемная сила, компенсирующая силу тяжести, действующую на вертолет (или конвертоплан, или СВПП) в соответствии с вторым законом Ньютона: F=ma. Ускорение "а" производная от скорости, то есть приращение скорости. Если начальная скорость равна нулю, то полученная скорость и приращение скорости равны по величине.
Подъемная сила на роторе вертолета, винтах конвертоплана или подъемных двигателях СВВП пропорциональна массе отбрасываемого воздуха или газов, и скорости этого воздуха или газов, при постоянстве силы можно уменьшать одно, увеличивая другое или наоборот.
А вот уносимая энергия в отбрасываемом воздухе или газах - кинетическая, она есть произведение массы на квадрат скорости, деленная на два. То есть уносимая энергия зависит от скорости в квадрате. А потребная мощность силовой установки - в кубе от скорости.
Потому, если есть возможность использовать рабочее тело из окружающей среды (воздух в атмосфере) всегда выгодно стараться отбрасывать как можно большую массу с как можно меньшей скоростью - тогда потребная мощность минимальна.
Рассмотрим это в примерах.
Для начала - про самолеты. Самолет став в установившийся вираж, можно сказать, зависает на одном месте. Поэтому, с некоторой натяжкой можно поставить в один ряд с ЛА которые действительно могут зависать неподвижно.
Но при этом самолет так же отбрасывает воздух вниз. Есть хорошее видео, где визуализирован этот воздух:
Летательные аппараты с неподвижным крылом стремятся к увеличению АД качества. Это достигается увеличением удлинения - бОльший размах при меньшей хорде, и как следствие - некоторое увеличение скорости. И масса отбрасываемого воздуха пропорциональна "ометаемой площади" - размах крыла на на пройденный в единицу времени путь.
Рекордсмены среди этих аппаратов - мускулолеты:
Затем планеры или мотопланеры:
Особняком - рекордные аппараты, типа Вояждера Рутана:
Или различные фотоэлектрические аппараты:
Обычные пассажирские самолет, особенно дальнемагистральные, так же очень хорошо "вылизаны" по аэродинамике и имеют крыло большого удлинения, АД качество под 20 единиц.
Летательные аппараты, зависающие "по настоящему".
Здесь пальма первенства так же у мускулолетов:
Затем вертолеты. Очень интересно сравнить Ми-6
И Ми-26
Первый по эффективности использования мощности - мощность двигателя и расход топлива по отношению к полезной нагрузке) - значительно превосходит второй. Ми-26 сделан по принципу - против лома нет приема - то есть за счет значительно большей мощности.
При разработке Ми-6 таких двигателей не было и пришлось выжимать все из его аэродинамики - у него больший диаметр несущего винта, меньшая нагрузка на ометаемую площадь. То есть он отбрасывает бОльшую массу воздуха, но с меньшей скоростью.
Конвертопланы.
В режиме зависания значительно хуже вертолетов - но это и понятно, сравните площади, ометаемые винтами одних и других.
СВВП.
На висении - почти хуже всех, очень высокая скорость реактивной струи и очень маленькая масса при этом отбрасываемого рабочего тела.
Добавим сюда антирекордсмена - ракету, если ей вдруг приходится зависать. Как, например, почти каждая ракета в начале своего полета:
Особенно если стартовая тяговооруженность очень низкая - всего лишь чуть больше 1.
И при посадке у Илона Маска:
В следующей части перейдем от статики к динамике. Там все гораздо сложнее и интереснее.
