Увеличивается ли полезная нагрузка с увеличением мощности?

Во-первых, вы задаете одно в заголовке, а другое в тексте вашего вопроса. Полезная нагрузка — это сумма топлива и полезной нагрузки, тогда как общий вес — это сила, создаваемая массой всего самолета в гравитационном поле Земли.

Во-первых: общий вес

Если вы измените мощность двигателя во время проектирования самолета, общий вес увеличится. В этот момент у вас будут определенные относительные параметры, такие как нагрузка на крыло (кг/м²) и мощность нагрузки (кВт/кг), и соответственно размер самолета.

При замене двигателя существующего самолета на более мощный потребуется доработка планера и систем, если самолет изначально не проектировался под более мощный двигатель. Теперь ваш общий вес уже определен и не может быть просто изменен. Давайте сначала посмотрим, что произойдет, если установить более мощный и тяжелый двигатель:

• Большая масса двигателя повлияет на расположение центра тяжести и уменьшит возможную полезную нагрузку. Обратите внимание, что увеличение массы будет включать в себя более прочную опору двигателя и брандмауэр, а также, возможно, балансировочный груз в хвостовой части, чтобы вернуть центр тяжести в разрешенный диапазон.
• Если вы хотите сохранить ту же силовую нагрузку, вам потребуется увеличить общий вес, что, в свою очередь, увеличит нагрузку на конструкцию. Теперь вам нужна более тяжелая конструкция.

А пока давайте предположим, что вы придерживаетесь прежнего общего веса и соответственно уменьшаете полезную нагрузку, потому что не хотите клепать дублеры по всей конструкции. Хорошо, но мы еще не закончили.

• Возможно, вы захотите установить пропеллер большего размера, что может потребовать изменения шасси, чтобы сохранить минимальный дорожный просвет.
• Ваша минимальная скорость полета увеличится. Если самолет сертифицирован в соответствии с частью 23 FAR, минимальная скорость должна оставаться ниже 61 узла (см. §23.49(d) ). Возможно, вам нужно будет установить более эффективные закрылки, чтобы поддерживать постоянную минимальную скорость.
• Ваша максимальная скорость полета увеличится. Технически, вы можете сохранить предельные скорости менее мощных самолетов, но скорость пикирования рассчитывается в одном случае при мощности двигателя 75% ( см. §23.335(b)4i ), поэтому вам, скорее всего, потребуется настроить предельные скорости.
• Как только вы повышаете предельные скорости, увеличиваются нагрузки на конструкцию. Теперь нужно снова начать клепать двойники повсюду.

Видите ли, вы не можете сбежать по закону. Установка более мощного двигателя потребует внесения изменений в конструкцию, а если вам потребуется усилить крылья, шасси и фюзеляж, вы также можете выбрать более высокий общий вес. Но теперь вам нужно изменить размеры конструкции и повторно сертифицировать модифицированный самолет.

А мы еще даже не начали смотреть на системы:

• Большой двигатель будет иметь больший расход топлива. Подходят ли топливные насосы, или вам нужно будет переключить их на более мощные насосы?
• Более высокие расчетные скорости могут увеличить усилие управления, поэтому теперь вам необходимо изменить систему управления, чтобы избежать превышения максимальных усилий рычага управления ( §23.143 , §23.175 ) .
• Будет ли новый двигатель возбуждать где-то в самолете новые гармоники? Может быть, теперь часть завибрирует и рассыплется на куски, которые раньше оставались едиными и спокойными?

Список можно продолжать, но этого будет достаточно.

Теперь к вашему конкретному случаю: если вы хотите сохранить постоянную силовую нагрузку (что даст вам те же характеристики, что и раньше), полная масса самолета увеличивается на 54%, как и площадь крыла.

Если вы хотите большей производительности, вам нужно будет усилить конструкцию (или начать все заново с новой конструкции того же размера), и теперь вам решать, какой общий вес выбрать. Более тяжелый двигатель и конструкция съедят вашу полезную нагрузку и топливо, но если вы примете это ограничение, вы сможете летать с тем же полным весом, что и раньше.

Второе: полезная нагрузка

Как видно из первой части ответа, полезная нагрузка снижается за счет установки более тяжелого и мощного двигателя. Только когда вы переработаете конструкцию, чтобы справиться с более высокими нагрузками, вы сможете увеличить нагрузку на крыло и компенсировать потерю полезной нагрузки. Сможете ли вы увеличить его больше, чем вы потеряли до сих пор, зависит от максимальной нагрузки на крыло.

Предположим для остальной части ответа, что внешняя форма (площадь крыла, аэродинамический профиль и т. д.) останется идентичной исходному самолету, за исключением, возможно, большего капота, пропеллера и радиатора.

Увеличение массы силовой установки плюс ее несущая конструкция прямо пропорциональны увеличению производительности. Чтобы усилить структуру, вы можете использовать то же процентное правило, чтобы оставаться в безопасности, но реальное увеличение будет меньше. Есть книги, в которых перечислены параметрические формулы для масс самолетов , и они покажут вам влияние основных параметров. Они показывают, что масса крыла увеличивается пропорционально квадратному корню из скорости пикирования. Поскольку скорость пропорциональна третьему корню из мощности двигателя, вы увидите, что увеличение мощности на 54% означает увеличение скорости на 15,5% и увеличение массы конструкции на 7,5%.

Теперь предположим, что двигательная установка составляет 15% массы самолета, а масса конструкции еще 40%. Ваша пустая масса увеличится на 8% (двигатель) и 3% (конструкция), и если раньше ваша полезная нагрузка составляла 30% от полной массы, то теперь она уменьшится до 19% от той же массы. Теперь нам нужно увеличить общую массу и добиться половины того, что вы получили бы, если бы сохраняли постоянную силовую нагрузку. Это означает, что ваша общая масса увеличивается до 127% от исходной общей массы.

Прежде чем радоваться тому, что теперь ваша полезная нагрузка увеличилась до 46%, нам нужно учесть дополнительное усиление конструкции, которое производит это общее увеличение массы. Параметрические формулы дают прирост массы конструкции, пропорциональный m$_{gross}^{0.3}$для фюзеляжа и м$_{gross}^{0.7}$для крыла, и более высокая нагрузка на крыло снова приведет к увеличению скорости пикирования, поэтому вся ваша конструкция теперь может весить на 15% больше, чем раньше, что в сумме составляет 47% или 48% от начальной полной массы. Да, ваша конструктивная массовая доля увеличится, когда вы увеличите нагрузку на крыло! Но все же значительное увеличение полезной массы должно остаться - теперь у вас будет 39% или 40% исходной полной массы, доступной для топлива и полезной нагрузки, что соответствует относительному увеличению на 30% по сравнению с исходной полезной нагрузкой.

Теперь я никогда не пытался поддерживать постоянную минимальную скорость, но это еще больше усложнило бы этот ответ. Если бы исходный самолет не имел закрылков или был бы очень простым, это было бы вполне осуществимо, но привело бы к почти новой конструкции крыла.

Это вопрос сертификации. Это зависит от того, что ограничивает конкретный максимальный общий вес для этого самолета. Если конструкция ограничена максимальным весом, который может выдержать шасси, то установка более тяжелого двигателя с высокой мощностью не изменит максимальную общую массу, но снизит максимальную полезную нагрузку.

Cessna 140 может быть оснащена по правилам STC двигателями Lycoming 0290D2, 0290D или 0235, и для правильной центровки требуется дополнительный вес в кормовой части. Полезная нагрузка снижается. Общий вес остается прежним. В зависимости от многих факторов и, возможно, эксплуатационной безопасности можно получить разрешение на увеличение общего веса, например, дополнительное топливо, если все другие факторы делают это безопасным и разумным. Большинство конструкций не учитывали больше, чем двигатель, используемый для конструкции, и вес должен иметь определенную «подушку безопасности», например, на 150 процентов выше нормальных рабочих пределов, разработанных в. или часть 121, гоночные самолеты и т. д. также влияют на допустимые ограничения. Самый основной вопрос безопасности и, таким образом, эффект регулирования, касающийся безопасности, регулирует увеличение общего веса.

Краткий ответ на ваш вопрос - да. Однако часто речь идет о других вещах, помимо простого увеличения лошадиных сил (но, как ни странно, это работало в прошлом). Например , модельный ряд Piper Cherokee, который идет от 140 л. ну, как стреловидное крыло, которое было введено позже).

Конечно, этому есть практический предел. Во-первых, есть ограничения по размеру двигателя и планеру. Например, вы, скорее всего, не сможете прикрутить двигатель Merlin к раме Piper Cub (но я уверен, что кто-то думал об этом). Существуют также ограничения CG, которые следует учитывать по мере роста вашего двигателя, но планер может не учитываться. Загрузка центра тяжести может стать проблемой с очень тяжелыми двигателями впереди.

В некоторых отношениях здесь будет играть роль нагрузка на крыло . Так как больший двигатель поможет вам преодолеть сопротивление и лететь быстрее, вы сможете создать большую подъемную силу и, следовательно, поднять больше.