Оптимизация самолета для лучшей крейсерской высоты и скорости

Очень немногие самолеты использовались по назначению.

От учебно-тренировочного BE2 (который использовался для разведывательных миссий в начале Первой мировой войны) до перехватчика F-104 (который позже использовался в качестве штурмовика) есть множество примеров. И для каждой миссии, которая все еще находится в пределах возможностей одной конструкции, вы можете придумать множество других, которые не подходят. Следовательно, определение параметров для наихудшей возможной миссии — бесполезное занятие.

Если самолет несет слишком много топлива, он будет менее экономичным. Если в нем слишком много встроенной прочности, его структура будет слишком тяжелой. Если двигатели мощнее, чем необходимо, экономия топлива будет ниже. В конце концов, каждый дизайн может заполнить только свою нишу. Но есть несколько принципов, которые делают некоторые дизайны более удобными:

• Поскольку правила требуют минимального количества бортпроводников в зависимости от количества пассажиров , небольшие пассажирские самолеты имеют 19 или 50 мест, но редко 23 или 55.
• Чтобы иметь возможность летать по всем внутренним маршрутам США, более успешные модели будут иметь достаточную дальность полета, чтобы долететь до Гавайев из аэропортов на западном побережье. Если максимальная дальность полета с полной полезной нагрузкой упадет ниже этого значения, конструкция станет менее универсальной для авианосцев США.
• Поскольку в стратосфере температура воздуха постоянна, наиболее экономичная высота полета находится в тропопаузе . Летите ниже, и вы не сможете в полной мере использовать холодный воздух над головой, летите выше, и размер крыла и тяга двигателя будут меньше оптимальных. Исключения распространяются на бизнес-джеты , которым нравится летать выше всего остального трафика.
• Для резервирования требуется как минимум два двигателя, а затраты на техническое обслуживание требуют, чтобы количество двигателей было как можно меньше. Поэтому, за исключением действительно больших авиалайнеров, все самые успешные из них имеют всего два двигателя .
• Чтобы обеспечить одно из самых быстрых соединений на конкретном маршруте, эталонная крейсерская скорость дальнемагистральных авиалайнеров традиционно устанавливается на уровне 0,85 Маха . Летите быстрее, и эффекты Маха снизят эффективность использования топлива (требуются более тонкие аэродинамические поверхности и/или большая стреловидность крыла), летите медленнее, и ваш проект упадет с первой страницы соединений.

Если вам интересно, насколько отклонение от оптимальной воздушной скорости уменьшит дальность, я нарисовал это для дозвуковой конструкции (трансзвуковые авиалайнеры столкнутся с крутым увеличением лобового сопротивления лишь с небольшим увеличением Маха, поэтому эта диаграмма не применима к реактивным самолетам). Я использовал квадратичную поляру, которая дает хорошее приближение к реальности.

Уменьшение дальности по скорости полета. Синяя линия: L/D на указанной скорости. Красная линия: диапазон относительно оптимального. Оптимальная скорость в этом случае составляет 84 м/с. Я также предположил постоянную эффективность двигателя в зависимости от скорости, поэтому диапазон зависит исключительно от L/D.

Вы проектируете новый самолет? Если я правильно понимаю вопрос, для двигателя без наддува двигатель наиболее эффективен, когда дроссельная заслонка полностью открыта на определенной высоте, где он выдает примерно 65%-75% мощности. Следовательно, планер в отношении конструкции крыла, угла падения и т. д. должен быть подобран так, чтобы обеспечить наилучшее аэродинамическое качество на этой высоте. Вам нужно будет проконсультироваться с производителем двигателя, чтобы установить, что это за высота. Ваш выбор пропеллера также должен учитываться.

Затем вы рассчитываете запасы топлива соответственно.

Запасы топлива рассчитываются в соответствии с требованиями законодательства страны, в которой самолет зарегистрирован, а также в которой он эксплуатируется. Это зависит от типа самолета и операции. Например, минимальные юридические резервы отличаются для пассажирского самолета на коммерческом рейсе и самолета с одним двигателем, выполняющего полет по ПВП в частной категории. Законы большинства стран схожи, но могут быть небольшие различия, и все они должны соответствовать стандартам ИКАО, если страна является государством-членом ИКАО.