Почему реактивные самолеты никогда не разрабатываются с меньшей крейсерской скоростью?

Действительно, есть преимущество в более медленном полете, но самолет должен быть сконструирован таким образом, чтобы получать выгоду от более медленных скоростей. Вы можете видеть, что стреловидность крыла была немного уменьшена в более современных авиалайнерах, но это также связано с лучшими аэродинамическими профилями с более высоким началом подъема сопротивления Маха.

Но некоторые вещи также будут стоить дороже, когда вы замедляетесь: вы должны платить экипажу за большее количество часов, и самолет не может использоваться так часто. Для перевозки того же количества пассажиров требуется больше самолетов, когда они летят с меньшей скоростью. Зависимость стоимости от скорости не является линейной, но она должна иметь минимум где-то ниже сегодняшних рабочих точек. Самолеты с более низкой расчетной крейсерской скоростью могут быть легче и меньше при той же полезной нагрузке, но на данный момент у авиакомпаний нет выбора между медленными или быстрыми самолетами; все производители стараются проектировать свои дальнемагистральные самолеты как минимум на 0,83 Маха .

Это во многом связано с маркетингом: самолет с более высокой скоростью будет показывать меньшее время в пути на то же расстояние, поэтому он будет отображаться первым в системах бронирования турагентов. Конечно, теперь вы будете утверждать, что большинство людей бронируют в Интернете и будут пытаться получить самую низкую стоимость, независимо от времени в пути. Истинный. Но это не тот клиент, который нужен авиакомпаниям. Их прибыль поступает от пассажиров Первого и Бизнес-класса, и они по-прежнему бронируют билеты преимущественно через турагентов. Поэтому Airbus и Boeing стараются продвигать свои самолеты как первые на экранах Amadeus и Sabre.

Если бы вы целенаправленно оптимизировали конфигурацию для наилучшей топливной экономичности, вы бы пришли к чему-то близкому к конструкции D8 Массачусетского технологического института или к исследованию SUGAR, проведенному компанией Boeing . Обратите внимание, что оба рассчитаны на то, чтобы летать немного медленнее, чем современные авиалайнеры со скоростью 0,72 Маха. Эти проекты предназначены для мира, в котором топливо стоит 200 долларов США за баррель или выше, в то время как текущие проекты основаны на ожидаемых ценах на момент начала их проектирования.

Когда цены на топливо были низкими, оптимальная скорость для наилучших транспортных характеристик действительно была выше 1 Маха. Vickers VC-10 1964 года имел максимальное крейсерское число Маха 0,886 и до сих пор является рекордсменом по самому быстрому коммерческому пересечению Атлантики. Когда Concorde был разработан, все пришли к выводу, что будущие воздушные путешествия будут сверхзвуковыми. Только скачок цен на нефть после нефтяного кризиса 1973 года положил конец этим планам. Сегодня большие бизнес-джеты могут летать со скоростью до 0,935 Маха, потому что их владельцы меньше озабочены экономией денег, летая медленнее. Технически еще есть место для крейсерской скорости выше 0,85 Маха; именно экономика сдерживает авиалайнеры.

Если бы авиастроительные компании могли свободно выбирать оптимальное число Маха, сегодня они выбрали бы скорость между 0,78 и 0,82 Маха при цене на топливо около 50 долларов США за баррель. Обратите внимание, что это расчетный диапазон числа Маха для региональных самолетов , совершающих короткие перелеты , при которых увеличение времени полета из-за пониженной скорости незначительно. Кроме того, особенно во времена высоких цен на топливо, авиакомпании используют свое оборудование на более низких скоростях в целях экономии топлива. Но если вы перейдете по этой ссылке , вы узнаете, что авиастроительные компании не имеют такой свободы.

По поводу перетаскивания:

Сопротивление не растет пропорционально квадрату скорости. При построении графика по скорости лобовое сопротивление самолета сначала уменьшится, достигнет минимума и только потом увеличится. Авиалайнеры летают близко к этому минимуму , и они летают высоко, чтобы сдвинуть этот минимум к максимально возможному полетному числу Маха. Они делают это, летая в менее плотном воздухе, что требует полета на высоте около 30 000–40 000 футов . Дополнительным преимуществом полета на такой высоте является более низкая температура воздуха, что делает двигатели более эффективными .

Краткий ответ: никому не нужен медленный самолет.

Длинный ответ: хотя мы можем говорить об эффективности двигателя весь день, мы должны помнить, что самолеты во многих отношениях предназначены больше для миссий, чем для науки. Если мы примем тот факт, что, вообще говоря, самолеты созданы для того, чтобы перемещать вещи (людей/грузы) далеко и быстро, у медленного, но эффективного самолета не так уж много вариантов использования. Хотя это позволит пассажиру сэкономить с точки зрения затрат, большинство людей готовы платить за скорость, которую предлагает менее эффективный самолет. Возможно, лучшим примером этого является неэффективный и дорогой Конкорд , за полет которого многие люди были готовы платить большие суммы денег, чтобы сэкономить несколько часов.

На дальних рейсах любая экономия топлива значительно повышает рентабельность полета.

Это довольно расплывчатое утверждение, и я не уверен, что «значительно» — подходящее слово. Хотя экономия топлива может повысить рентабельность с точки зрения топлива, вы делаете это за счет других расходов. Например, большинство частей самолета обслуживается на основе летных часов, поэтому для данного планера/количества полетов вы увеличите свои расходы на проверки, поскольку самолет предположительно проводит больше времени в воздухе для перемещения заданного груза. У вас также есть проблемы с оплатой экипажа, что может сократить расходы. Учитывая длительные полеты (где экипаж совершает 8-часовые смены), вам может потребоваться полный дополнительный экипаж, если время значительно увеличивается.

У меня нет точной статистики по этому поводу (но я поищу ее). Я предполагаю, что существует риск для безопасности, связанный с тем, что просто проводишь больше времени в воздухе. Если мы посмотрим на количество авиационных происшествий на час полета, то причина будет заключаться в том, что чем больше времени вы проведете в воздухе, тем выше вероятность аварии, но это несколько обоснованное предположение.

В дополнение к другим, более техническим ответам, есть еще одна причина, по которой самолеты не предназначены для того, чтобы проводить больше времени в воздухе, а не простаивать на любом конце маршрута - пилоты и летный экипаж имеют максимально разрешенное количество часов. быть «дежурным».

В соответствии с правилами FAA, регулирующими служебные ограничения, пилот может проводить на дежурстве не более 9–14 часов, в зависимости от определенных факторов, таких как наличие других пилотов, запланированных на тот же рейс. Кроме того, у пилота должно быть не менее 10 часов непрерывного отдыха между дежурствами.

Итак, чем медленнее летит самолет, тем дольше он находится в воздухе, а значит, для выполнения одного и того же полета требуется больше пилотов.

Например, если самолету требуется 9 часов для полета по маршруту, то по правилам FAA тот же экипаж может сделать 10-часовой перерыв на отдых на другом конце, а затем вернуть самолет.

Но если самолету требуется 10 часов для полета по маршруту, FAA требует еще одного экипажа для обеспечения безопасности, но оба экипажа должны сделать свой обязательный 10-часовой перерыв на отдых в конце полета, а затем оба экипажа могут лететь по тому же маршруту обратно.

Вы ничего не сохранили, но вы платите за дополнительных членов экипажа.

Авиакомпании и производители самолетов постоянно борются за получение максимальной отдачи от своих самолетов в любой момент времени, в то время как органы безопасности, такие как FAA, CAA, EASA и другие, постоянно следят за тем, чтобы маршруты, по которым летают авиакомпании, Безопасно.

http://work.chron.com/duty-limitations-faa-pilot-17646.html

Короткий ответ - при нынешних ценах на топливо это самая экономичная скорость с точки зрения затрат/доходов.

Двумя самыми большими затратами при эксплуатации авиалайнера являются топливо, которое будет уменьшено за счет более медленного и эффективного самолета, и использование планера. быть уменьшено, летая быстрее. Дополнительно летному экипажу оплачивается почасовая оплата. В настоящее время M0,85 или немного меньше является золотым пятном на этих кривых, поскольку переход на околозвуковой скорости приводит к более агрессивному увеличению расхода топлива со скоростью, но конструкции предназначены для более медленных и более эффективных самолетов (даже более мощные двухконтурные двигатели; менее стреловидный ламинарный поток с высоким удлинением). крылья) не имеют прежних концепций, потому что их общая прибыльность будет, несмотря на более низкие затраты на топливо, особенно если учесть, что билеты нужно было бы продавать дешевле, чтобы они могли конкурировать с более быстрыми рейсами на современных самолетах.

Прежде всего вы должны понять, что число Маха — это не скорость, а отношение, относящееся к скорости и температуре воздуха. Чем выше высота, тем менее плотный воздух. Суть понимания всей ситуации зависимости скорости от эффективности заключается в различии между различными типами воздушной скорости и в том, как они влияют на аэродинамику и скорость звука. Так что не чем быстрее вы движетесь, а чем выше вы движетесь, тем выше эффективность.

Различные типы воздушной скорости

Наземная скорость связана с истинной воздушной скоростью (TAS), которая показывает, насколько быстро вы движетесь в воздушном пространстве независимо от плотности. В то время как подъемная сила и сопротивление определяются указанной воздушной скоростью (IAS), которая в основном показывает, насколько быстро вы проходите через массу воздуха. Таким образом, при сохранении того же IAS, по мере подъема TAS выше, а значит, выше скорость относительно земли. Вы должны поддерживать IAS выше сваливания, поэтому, чтобы получить максимальную отдачу от TAS (и, следовательно, лучшую путевую скорость), вы должны летать при минимально возможной плотности воздуха.

Скорость звука

Самолет ограничен, как вы заметили, местной скоростью звука (LSOS), на которую влияет TAS и температура. Чем выше вы поднимаетесь, тем холоднее становится (до определенного момента) и, следовательно, тем ниже LSOS. Таким образом, при заданном МСЧ чем ниже температура воздуха, тем выше число Маха (ближе к скорости звука).

Нахождение сладкого места

Поскольку подъемная сила связана с IAS, TAS практически не имеет отношения к крыльям, пока вы остаетесь ниже точки, где возникают проблемы с LSOS. Вы должны поддерживать IAS, чтобы подъемная сила была равна силе тяжести, чтобы она не менялась на той же высоте. По мере увеличения высоты и снижения температуры TAS увеличивается, а LSOS снижается. Число Маха - это отношение между этими двумя величинами. Таким образом, есть точка, в которой они сходятся, и вы не можете подняться выше, потому что ваш TAS превысит предел скорости самолета. Это так называемый "уголок гроба". Если вы замедляетесь, вы глохнете, если вы ускоряетесь, вы превышаете предел Маха. Лучшее место для эффективности будет в этой области.

Часть 1 ответа: Максимальная эффективность (минимальная тяга/потребность в топливе) достигается при скорости максимального отношения подъемной силы к сопротивлению. Это определяется в основном крыльями, для реактивных двигателей также имеет значение КПД двигателя в зависимости от скорости.

Звуковое сопротивление - еще один фактор, большинству самолетов требуется очень большая мощность для ускорения до скорости 1 Маха. Самолеты, предназначенные для сверхзвукового полета, испытывают уменьшение сопротивления выше 1 Маха до тех пор, пока динамическое давление, пропорциональное квадрату скорости, не пересилит другие факторы.

Примечательным случаем стал Lockheed F-104 с реактивным двигателем J79 модели -19. С этим двигателем его топливная экономичность в зависимости от пройденного расстояния улучшилась выше 1 Маха, по крайней мере, до 2 Маха. В отчете одного пилота говорится, что расход топлива на заданное пройденное расстояние лучше всего составляет около 2 Маха. Этот пилот писал о возвращении из Техаса во Флориду. делая 2 Маха на высоте 73 000 футов, круиз занимает час.

Чтобы понять, почему самолет будет более эффективным, когда он летит быстрее, вы должны понять, что самолет дает воздуху, который он проходит, нисходящую скорость. Изменение количества движения этого воздуха поддерживает массу самолета. Каждый килограмм массы самолета создаст направленную вниз силу около 10 ньютонов. Это должно быть уравновешено изменением импульса на 10 кгс- ¹ каждую секунду.

Теперь, хотя изменение количества движения данной массы пропорционально изменению скорости, энергия, необходимая для создания этого изменения, пропорциональна квадрату скорости. (В единицах СИ энергия равна (мв ² )/2.) Таким образом, массу 1 кг можно поддерживать в течение 1 секунды, ускоряя 1 кг воздуха до 10 мс ^-1 или ускоряя 2 кг воздуха до 5 мс ^-1 . Оба будут поддерживать одинаковую массу, но для первого требуется 50 Дж энергии, а для второго - 25 Дж. Таким образом, за счет удвоения массы воздуха, поддерживающего самолет, необходимая для этого мощность уменьшилась вдвое.

Таким образом, чтобы получить максимально возможную эффективность, самолет должен вытеснять максимально возможную массу воздуха. Однако он может воздействовать только на воздух, через который он проходит, поэтому, чтобы перемещать большую массу воздуха, он должен либо увеличить размах своего крыла (именно поэтому у высокопроизводительных планеров очень длинные крылья), либо двигаться быстрее. Таким образом, если бы все остальные факторы остались прежними, то, если бы самолет удвоил свою скорость, ему потребовалось бы вдвое меньше энергии, чтобы поддерживать ее. Кроме того, он будет преодолевать вдвое большее расстояние, поэтому энергия и, следовательно, топливо, необходимое для прохождения единицы расстояния, будет уменьшено в 4 раза.