Почему B-29 потребляет больше топлива на скорости 17 км/ч, чем на скорости 9 км/ч?

Согласно Википедии , одним из факторов, из-за которого B-29 44-27297 ( Bockscar ) чуть было не закончилось топливо и не разбился в конце ударной миссии 9 августа 1945 г., был выбор чрезмерно большой крейсерской высоты 1 по маршруту. (мой акцент):

Бокскар вылетел с Северного поля Тиниана в 03:49. Профиль миссии предписывал B-29 лететь индивидуально к точке встречи, измененной из-за плохой погоды от Иводзимы до острова Якусима, и на крейсерской высоте 17 000 футов (5 200 м) вместо обычных 9 000 футов (2700 м), увеличивая потребление топлива.

Это не имеет смысла; как правило, расход топлива самолета уменьшаетсяс увеличением высоты (из-за более разреженного воздуха на больших высотах, из-за чего заданная указанная воздушная скорость соответствует гораздо более высокой истинной воздушной скорости, в результате чего самолет преодолевает большее расстояние за то же время при том же количестве сожженного топлива [результат в меньшем расходе топлива на расстояние и, как дополнительный бонус, в более быстром полете]), вплоть до высоты, где указанная скорость полета начинает ограничиваться либо снижением мощности двигателя (поскольку двигатели не могут получить столько воздух в более разреженном высотном воздухе, уменьшая их выходную мощность) или пределы числа Маха самолета (поскольку данная указанная воздушная скорость соответствует все большей и большей истинной воздушной скорости с увеличением высоты, тогда как ниже тропопаузы заданное число Маха соответствует все ниже и нижеистинная воздушная скорость с увеличением высоты из-за постепенного снижения температуры воздуха с увеличением высоты в тропосфере), вынуждая самолет лететь с более низкой указанной воздушной скоростью (в обоих случаях полет длится дольше, увеличивая время работы двигателей). топлива и заставляет самолет лететь с более высоким углом атаки).

Для большинства самолетов (даже тех, которые не предназначены для полетов на высокой скорости), указанная воздушная скорость (и, следовательно, расход топлива на расстояние) обычно начинает становиться ограниченной только около 25-30 км/ч (ниже этого предела скорости самолета будет меньше). требуют скорости полета, которые, за исключением специализированных скоростных истребителей и штурмовиков, значительно превышают V NE и вызывают разрушение самолета от неуправляемого флаттера), или даже выше для самолетов, оптимизированных для околозвукового полета, 2 поэтому самолет в расчете на - эффективность использования топлива на расстоянии должна продолжать улучшаться, по крайней мере, до этих высот, пока двигатели все еще могут производить достаточную мощность. Третий двигатель В-29 , Райт Р-3350., представляет собой поршневой двигатель с турбонаддувом, и, таким образом (поскольку выходная мощность поршневых двигателей с турбонаддувом, как и у газотурбинных двигателей, 4 остается довольно стабильной до очень больших высот, в отличие от мощности безнаддувных поршневых двигателей, которая очень быстро падает с увеличением высоты или у поршневых двигателей с механическим наддувом, которая также значительно падает на больших высотах, хотя и не так сильно, как у безнаддувных поршневых двигателей), не ожидается, что указанная воздушная скорость B-29 будет ограничена доступными мощность двигателя ниже высот, на которых она стала бы ограниченной по Махам.

Почему же тогда расход топлива Bockscar явно выше при 17 км/ч, чем при 9 км/ч, а не ниже?


1: Другими факторами были сломанный топливный насос, из-за которого все топливо в одном из топливных баков самолета стало непригодным для использования; решение взлететь с указанным топливным баком, полным бесполезного топлива, вместо того, чтобы сначала слить топливо из непригодного для использования бака, чтобы облегчить самолет; летчик три четверти часа кружил в точке встречи в ожидании так и не прибывшего самолета, когда ему специально было приказано ждать не более пятнадцати минут; основная цель была покрыта дымом и облаком, которых не было бы, если бы не получасовая задержка, в результате чего самолету пришлось кружить над основной целью, сжигая топливо, в течение пятидесяти минут, прежде чем переключиться на второстепенную цель; и двадцать минут потраченных впустую кружений над аварийной посадочной площадкой в ​​попытках (безуспешно,не потребовалось из-за критической нехватки топлива в самолете.

2 : Такие, как, например, все современные реактивные лайнеры.

3 : Bockscar был B-29-36 (" Silverplate"») самолет, значительно модифицированный по сравнению со стандартной конфигурацией B-29, чтобы он мог нести ядерное оружие; однако подавляющее большинство этих изменений были внутренними и не повлияли на аэродинамику самолета. Из исключений одно (использование винтов с реверсивным шагом на самолетах Silverplate) не повлияло бы на высотные характеристики самолета, за исключением случая, когда винт реверсировался в полете (надеюсь, это не обычный или даже обычный, случае), второе (удаление почти всех орудийных башен, имевшихся на серийном В-29) значительно уменьшило бы лобовое сопротивление самолета, сделав расход топлива менее критичным в любом случае, и, в то время как снижение веса (уменьшение количества поднять - и, таким образом,будет иметь тенденцию к смещению высоты минимального расхода топлива на расстояние вверх по сравнению со стандартной конфигурацией B-29, даже немодифицированный самолет без труда эксплуатировался на очень больших высотах, что указывает на то, что чрезмерный расход топлива на больших высотах, вероятно, был не большая проблема даже для не-Silverplate B-29.

4 : И ровно по той же причине - предкомпрессия всасываемого воздуха компенсирует меньшую плотность высотного воздуха.

«Выходная мощность поршневых двигателей с турбонаддувом ... остается довольно неизменной на очень больших высотах» только в том случае, если степень наддува можно изменить для поддержания постоянного давления в коллекторе. Я предполагаю, что им просто не хватило наддува, чтобы быть эффективными на такой высоте.
Какова была скорость и направление ветра на обеих высотах в тот день?

Ответы (1)

Из учебного пособия командира B-29, стр. 69:

Потеря дальности полета на больших высотах почти полностью вызвана богатыми смесями, необходимыми на больших мощностях, и большими отверстиями в капоте, необходимыми для охлаждения двигателей на больших высотах. В целом потери дальности до 15 000 футов не происходит, а потери дальности на больших высотах почти полностью происходят при полете с наибольшим весом. Вы можете в значительной степени избежать их, летая на малых высотах, пока не израсходуется топливо и не будет достигнут умеренный вес, а затем поднимитесь на большую высоту. [курсив добавлен]

Принудительная индукция с приводом от двигателя не бесплатна, она откуда-то берется: топливо. А для охлаждения на больших высотах нужны большие углы наклона закрылков капота: сопротивление.

введите описание изображения здесь
закрылки капота Б-29; YouTube

Примечание: Двигатели B-29 имеют воздушное охлаждение, и чем выше, тем разреженнее воздух. Каждый двигатель имеет двухскоростной нагнетатель с приводом от двигателя, а также два турбокомпрессора с приводом от выхлопа (аналогичную установку на B-17 можно увидеть здесь ). Интеркулер используется для охлаждения воздуха, усиленного выхлопными газами, который также будет ограничен в разреженном воздухе. Давление в крейсерском коллекторе составляло 28 дюймов ртутного столба по сравнению с 47½ дюйма ртутного столба на взлете.

Те же двигатели приводили в действие Starliner , который также имел большую дальность полета на высоте 10 000 футов по сравнению с 15 000 и 21 800. 1

Замечание по весу связано с ограниченной тягой по сравнению с реактивным самолетом. Используя уравнение подъемной силы, реактивные лайнеры могут летать быстрее (TAS), в то время как B-29 должен изменить скорость полета. С л как-то (угол атаки).


1 :по теме: Как меняется КПД поршневого самолета с высотой?

Что касается «Принудительной индукции не бесплатно ...», это зависит от того, является ли ваша система принудительной индукции нагнетателем с приводом от двигателя или турбонагнетателем, который улавливает отработанное тепло / энергию от выхлопных газов.
@jamesqf: Хорошо, я расширил эту часть.
Удивительно, что более разреженный воздух (хотя там наверху холоднее) хуже охлаждает, чем более прохладный воздух наверху. Неплохо.
@Fattie: Холодный воздух слишком хорош для охлаждения человека при температуре 37 ° C, но для двигателя, возможно, при температуре 200 ° C ВЕСЬ воздух очень холодный по сравнению с ним. Так что плотность важнее. См.: what-if.xkcd.com/155 .