Возможна ли «избыточная тяга» на векторной диаграмме стационарного состояния?

Во-первых, мы должны четко понимать, что такое «избыточная тяга». Я приведу два возможных определения, хотя может быть и больше.

1. Избыточная тяга является составляющей равнодействующей силы в направлении траектории полета. Используя это определение, избыточная тяга и установившийся полет прямо противоречат друг другу (поскольку любая результирующая сила приводит к ускорению). Так что в этом случае нет, избыточная тяга невозможна в установившемся полете.
2. Избыточная тяга равна тяге минус сопротивление. Он разделяет большую неуклюжую штуку под названием «тяга» на два числа: одно используется для противодействия сопротивлению (которое всегда есть), а другое можно использовать для полезных вещей.

Поскольку мы уже ответили на первый вариант, теперь я создам диаграммы свободного тела для второго варианта.

Слева у нас горизонтальный полет. Мы различаем четыре основные силы полета: подъемная сила (синий цвет), вес (зеленый цвет), сопротивление (красный цвет), тяга (оранжевый цвет). Сразу видно, что все силы компенсируют друг друга, и мы счастливо идем дальше.

В середине у нас есть установившийся набор высоты. Все векторы, кроме вектора веса, «наклонены» назад и изменяют величину. Подъемная сила немного уменьшилась, и, как следствие, незначительно уменьшилось лобовое сопротивление (хотя на самом деле это не имеет значения). Самое большое изменение можно увидеть в тяге, которая увеличилась почти вдвое!

На правом изображении я доказал, что, несмотря на все эти изменения, результирующая сила по-прежнему равна нулю. Я заменил вектор подъемной силы и сопротивления фиолетовым, вычитая сопротивление из тяги. Но подождите секунду! Этот фиолетовый вектор и есть то, что я назвал «избыточной тягой»: тяга минус сопротивление! Таким образом, этот фиолетовый вектор дает нам хорошее представление о том, сколько «дополнительной» тяги мы используем, чтобы убедиться, что результирующая сила, действующая на самолет, по-прежнему равна нулю.

Иногда слышимый термин «максимально доступная избыточная тяга» указывает на то, насколько далеко мы можем «наклонить» синий вектор подъемной силы. На диаграмме справа должно быть очевидно, что это «растягивает» фиолетовый вектор «избыточной тяги». Таким образом, самый крутой подъем достигается, когда избыточная тяга равна максимально доступной избыточной тяге.

• Результирующая сила: также называется чистой силой. Сумма всех сил, действующих на самолет.
• Установившийся полет: все ускорения (в земной системе отсчета) равны нулю. То есть горизонтальный полет, устойчивый набор высоты, устойчивый спуск. Из-за$\vec{F}=m\vec{a}$, нулевое ускорение означает нулевую результирующую силу.

Приложение I: Из комментариев: «Детёныш волынщика не может взять часть своей тяги и использовать её для подъёмной силы». Мы видим на изображении выше, что, к сожалению, это именно то, что должен делать Детеныш Пайпер, чтобы вообще карабкаться. Избыточная тяга$T_e$требование$T_e = W \sin \beta$с$W$поднять и$\beta$угол подъема. Если доступна очень небольшая избыточная тяга, нам лучше оставить$\beta$маленький - именно то, что вы ожидаете от маленького детеныша!

Приложение II: внизу то же изображение, но с избыточной тягой в соответствии с определением 1. Векторы больше не являются «замкнутым треугольником», и результирующая сила не равна нулю. Сейчас самолет разгоняется.

Изображения, созданные с помощью IPE.

При установившемся наборе высоты Тяга не является частью замкнутого треугольника векторов силы; скорее, (Thrust-Drag) есть.

См. правую векторную диаграмму в этом связанном ответе: нужна ли избыточная подъемная сила или избыточная мощность для набора высоты? . Диаграмма показывает, что если наше определение «избыточной тяги» (тяга минус сопротивление), то избыточная тяга явно существует в установившемся наборе высоты.

Настоящий вопрос, по-видимому, подразумевает, что если мы летим горизонтально, а затем увеличиваем Тягу, мы должны увеличить угол атаки, если хотим набирать высоту, а не ускоряться горизонтально. На самом деле это не так, по крайней мере, в долгосрочной перспективе. Если мы сохраним угол атаки постоянным и увеличим Тягу, у нас будет короткое начальное ускорение, но мы закончим установившийся набор высоты с немного меньшей воздушной скоростью, чем мы начали, по крайней мере, в случае, когда в любой момент присутствует небольшая или отсутствующая тяга вниз по отношению к фактическому направлению траектории полета.

Причина этого в том, что для любого заданного угла атаки коэффициенты подъемной силы и сопротивления постоянны, поэтому воздушная скорость масштабируется в соответствии с квадратным корнем из вектора подъемной силы, что также означает, что воздушная скорость масштабируется в соответствии с квадратным корнем из вектора сопротивления. вектор. И мы знаем, что подъемная сила при установившемся наборе высоты немного меньше, чем при полете на уровне крыльев, согласно соотношению подъемная сила = вес * косинус (угол набора высоты), по крайней мере в том случае, когда отсутствует тяга вниз или вверх по отношению к направление траектории полета.

Обратите внимание на взаимосвязь между тягой и воздушной скоростью в любой из двух правых таблиц в этом связанном ответе: нужна ли избыточная подъемная сила или избыточная мощность для набора высоты? .

В правых таблицах предполагается, что тяга вверх или вниз относительно направления траектории полета отсутствует. Каждая таблица предполагает постоянный угол атаки от одной строки к другой.

(Но значения воздушной скорости не предназначены для масштабирования в одних и тех же единицах между двумя таблицами, поскольку коэффициент подъемной силы не указан и предположительно намного меньше в верхней таблице, чем в нижней таблице.)

Вы также можете найти полезные векторные диаграммы, расчеты и пояснения в этом другом связанном ответе. Поднимает ли одинаковый вес при подъеме?

Когда во время любой стационарной фазы полета используется неполная тяга, можно считать, что имеется избыточная тяга.

Применение некоторой или всей этой избыточной тяги приведет к нарушению установившегося режима — ускорению в горизонтальном полете, переходу к набору высоты, увеличению скорости набора высоты, уменьшению скорости снижения или их комбинации, в зависимости от того, чего пилот хочет от самолета. сделайте, например, на высоте 10 000 футов над уровнем моря или на эшелоне полета 100 разгоняйтесь с 250 узлов и набирайте высоту, один раз на скорости набора высоты, скажем, 290 узлов, сохраняйте скорость и продолжайте набор высоты с полученной скороподъемностью на основе фиксированной настройки «тяги при наборе высоты» на протяжении всей этой последовательности.

Просто чтобы уточнить, может быть устойчивое состояние даже во время набора высоты и снижения, если при постоянной скорости, постоянной скорости набора высоты и постоянной тяге, хотя, по правде говоря, на это уравнение также влияют изменения свойств, описываемых стандартной атмосферой.

Другой способ взглянуть на это состоит в том, что теплотворная способность топлива, сожженного за счет увеличения тяги, вкладывает в эту систему энергию, которая используется для увеличения либо кинетической энергии (скорости), либо потенциальной энергии (высоты), либо делится на то и другое.

При ограничении потолка самолета или близком к нему в игру вступают другие факторы, так как может просто не быть большой избыточной тяги, так что это уже другая история.