Могут ли авиалайнеры использовать для взлета паровую или электрическую катапульту?

Посмотрим, какая экономия:

Авиалайнер среднего размера несет примерно 20% своей массы топлива. Это топливо имеет плотность энергии 43 МДж на кг. Из этой химической энергии не более 40% преобразуется в полезную работу. Черт возьми, давайте сделаем это 25%, так что мы действительно консервативны. Таким образом, энергия на весь путь равна

Теперь предположим, что этот авиалайнер сохраняет энергию для разгона от 0 до 150 узлов с помощью катапульты. Эта энергия

Поскольку я выбрал метрические единицы, преобразование выполняется легко:$1 \, \mathrm{J} = 1 \, \mathrm{Ws} = 1 \, \frac{\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2}$. я использую$\text{mass}$для взлетной массы, так что вы не думаете, что это единица измерения. Теперь давайте сложим это в пропорции:

Использование катапульты экономит 0,1385% энергии, необходимой для полета на обычном авиалайнере, при условии того же КПД при ускорении, что и во время полета. Если учесть, что реактивные двигатели наиболее эффективны на крейсерском режиме, увеличим потребность в топливе для разгона вдвое и составим 0,277%. Правда, это больше для ближних полетов, но все же незначительно по сравнению с тем, что нужно, чтобы поднять самолет на 10 км в небо, а потом еще на пару сотен миль по воздуху на скорости 0,8 Маха. По массе топлива эти 0,277% взяты из 20% взлетной массы. Так что топлива, необходимого для разгона до v$_0$составляет 0,000554 взлетной массы.

Чтобы запуск катапульты стал возможным, вам нужно усилить носовую опору и носовую часть фюзеляжа. Типичная доля шасси от взлетной массы составляет около 3%, а передняя стойка - 10-15%, поэтому$m_{\text{nosegear}} = 0.00375 \cdot \text{mass}$. По отношению к массе передней опоры экономия топлива при катапультном старте составляет$\frac{0.000554}{0.00375} = 0.0148$или 15% от массы передней опоры. Таким образом, усилители должны добавлять менее 15% к массе передней опоры.

Если принять ускорение ½ g = 4,903 м/с², то разбег до разгона до 150 уз составит 607 м. Я ожидаю, что даже это умеренное ускорение (которое требует тягового усилия, равного половине подъемной силы при взлете) приведет к гораздо большему увеличению массы, чем те 15% массы передней опоры.

С инженерной точки зрения было бы возможно разработать какой-то наземный стартовый механизм для авиалайнеров, хотя любые из описанных вами преимуществ будут значительно перевешиваться новыми недостатками, как указано в других ответах.

Есть один новый момент, который, я думаю, стоит сделать. Более короткий разбег сам по себе является не преимуществом, а недостатком .

Ценно время, потраченное на набор скорости на взлетно-посадочной полосе с двигателями на полную мощность. Это шанс убедиться, что они и остальные системы самолета работают правильно. В случае отказа, такого как потеря мощности или внезапное падение гидравлического давления, взлетный разбег является подходящим местом для этого, потому что он дает экипажу возможность безопасно прервать его.

Эта возможность была бы потеряна при взлете с помощью.

Вы все упускаете самый очевидный ответ: вы могли бы, но, кроме нескольких молодых адреналиновых наркоманов, никто другой не захотел бы на нем кататься.

Единственная реальная цель взлета с помощью катапульты - обеспечить самолету быстрое ускорение до Vr и выше за пределами короткого аэродрома. Поскольку практически все аэропорты, используемые для крупных коммерческих операций, имеют взлетно-посадочные полосы длиной не менее 1 мили и более, не существует инфраструктурного кризиса, который диктовал бы необходимость в этом.

Если у вас был аэродром, который был настолько мал, что требовался запуск CATO, чтобы поднять реактивные самолеты в воздух, вы также сталкивались с задачей посадки их в небольшом пространстве. Это также потребует, чтобы поле было оснащено тормозным механизмом.

Как указывалось выше, ни один из существующих авиалайнеров не предназначен для запуска и восстановления с использованием этих систем, поэтому даже с инвестициями в инфраструктуру CATOBAR для аэродрома ни один коммерческий авиаперевозчик не сможет ее использовать. И это практически не дает авиакомпаниям экономии топлива.

И не будем забывать здесь о человеческом факторе: если взять за критерий производительности CATOBAR-операции с военных авианосцев, то при выстреле кэт-выстрел на самолет воздействует ускорение 2–2,5 G на стартовом такте и замедление 2–2,5 G на стартовом ходу. задержанная посадка. Хотя я уверен, что двадцатилетний адреналиновый наркоман испытает острые ощущения, это будет неприятным опытом для большинства людей и довольно опасным для пожилых людей, немощных, беременных женщин и т. д.

Имейте в виду, что в отличие от военных самолетов, гражданские самолеты созданы для комфорта и экономичности.

Модернизация любого типичного авиалайнера для использования катапульты будет означать усиление рамы и конструкции самолета (таким образом, возможное увеличение веса); усиленные или иным образом усиленные крылья и опоры двигателя, возможные модификации колес и шасси - все это увеличивает вес, а это означает стоимость, поскольку потребуется больше топлива (или можно будет перевозить меньше пассажиров), что съедает любую возможную экономию.

Давайте не будем забывать о модификации взлетно-посадочных полос (дополнительные расходы) и неизбежных задержках из-за закрытия взлетно-посадочных полос, а также о дополнительных задержках, поскольку механизм катапульты должен «переустанавливаться» после каждого взлета.

Не говоря уже о том, что пассажирам не очень нравится то, что их трясет во время легкой турбулентности — только представьте, насколько популярными вы станете, если будете стрелять в них, как из рогатки.

Да, будет экономия топлива из нескольких источников:

• Прирост эффективности от наземной пусковой установки.
• Экономия веса за счет меньшего объема двигателя.

Прирост эффективности. Согласно этому сайту , B747 использует для взлета 5700 фунтов из максимальных 422 000 фунтов. топливо. Это 1,35% топлива для дальнемагистрального авиалайнера, процент для ближнемагистрального авиалайнера будет выше. Катапульта или электрический буксировочный трос теперь должны были бы доставлять взлетную энергию - если они питаются от электричества, эффективность намного выше. Коэффициент более чем в 2 раза достигается не за счет ускорения воздуха, а за счет самого самолета, а мощность комбинированного цикла намного эффективнее, чем одна газовая турбина. Из википедии :

Комбинируя эти несколько потоков работы на одном механическом валу, вращающем электрический генератор, общий чистый КПД системы может быть увеличен на 50–60%. То есть от общего КПД, скажем, 34% (в одном цикле) до, возможно, общего КПД 62,22% (в механической комбинации двух циклов) в чистом термодинамическом КПД Карно. Это можно сделать, потому что тепловые двигатели могут использовать только часть энергии, вырабатываемой их топливом (обычно менее 50%). В обычном тепловом двигателе (без комбинированного цикла) оставшееся тепло (например, горячие выхлопные газы) от сгорания обычно тратится впустую.

Итак, в самолете воздух ускоряется термодинамическим процессом с эффективностью 35%. При запуске с помощью катапульты самолет разгоняется за счет термодинамического процесса с эффективностью более 60%. Общий прирост эффективности равен коэффициенту 2, указанному выше, умноженному на 60/35 = в 3,4 раза выше. Приводя к 5700 / 3,4 = 1700 фунтов, необходимых для взлета с катапульты. Потенциальная экономия 4000 фунтов при каждом взлете B747. Конечно, многое из этого нивелируется тем, что двигатели работают на оборотах, позволяющих набирать высоту сразу после взлета, но даже экономия в 1000 фунтов на тяжелый самолет обеспечит невероятную годовую экономию в загруженном аэропорту, таком как О' Заяц.

Экономия веса . Airbus обосновывает это (теперь за стеной авторизации). Максимальная тяга используется только при взлете, взлет с помощью будет означать более легкие двигатели с соответствующим меньшим расходом топлива. Из статьи:

Прислушайтесь к меняющемуся звуку двигателей во время полета, и вы поймете: во время взлета самолет расходует свои запасы мощности больше, чем в любое другое время. Мощность, необходимая для взлета, определяется на основе ряда факторов, включая длину взлетно-посадочной полосы, скорость ветра, температуру и вес самого самолета.

Однако эта взлетная мощность требуется только для очень короткой части полного полета. Когда самолет летит в небе над головой, ему уже не нужно так много для поддержания высоты. Так почему бы не получить энергию, необходимую для взлета, из инновации, установленной на земле? Можно ли снять нагрузку (и вес) с самого самолета?

Вспомогательный взлет — с использованием некоторой формы ускорения — означал бы, что самолет может быть легче, а двигатели меньшего размера потребляют меньше топлива.

Таким образом, будет экономия топлива, в дополнение к топливу, сэкономленному на взлете.

Мы не можем этого сделать, так как нет коммерческих самолетов, спроектированных с учетом катапульт.

Ваше предположение о том, что это приведет к экономии средств, ошибочно во многих отношениях. Главным будет вот что:

Разбег (та часть, где могут действовать катапульты) длится всего несколько секунд.

Более того:

1. Вам нужна полная мощность для набора высоты, поэтому вы не можете спустить газ
2. Вы не можете разогнаться намного быстрее из-за нагрузки на планер и пассажиров

Катапульта поможет вам разогнаться от 0 до V1, но они не могут ничего сделать, чтобы помочь вам подняться до крейсерского уровня.

Добавление новой системы было бы очень дорогостоящим, непрактичным и сэкономило бы вам всего пару секунд ускорения.

Если бы действительно существовала чистая экономическая выгода или выгода с точки зрения безопасности, они бы уже использовались. Катапульты существуют достаточно давно, чтобы быть проверенной технологией там, где они используются.

Учтите, что некоторые авиакомпании изменили свои схемы окраски, потому что это позволило бы уменьшить вес самолета, чтобы сэкономить значительное количество топлива или увеличить грузоподъемность. Если бы они изучили и реализовали подобные вещи, я уверен, что катапульты не остались бы без внимания так долго.

Суть этого сводится к этому для меня.

Требуется x энергии, чтобы перейти от 0 к скорости набора высоты. Если эта энергия поступает «с земли» через катапульту или от двигателей, реальной экономии нет. Вам все равно придется тратить энергию. Единственная экономия может заключаться в стоимости топлива для производства этой энергии. Однако, даже если экономия на расходах на топливо будет огромной, общая энергия, затрачиваемая на достижение крейсерской высоты, незначительна по сравнению с энергией, затраченной на удержание самолета на этой высоте. Стоимость обслуживания катапульты, вероятно, превысит стоимость «дополнительного» топлива, необходимого для того, чтобы двигатели производили энергию подъема.

Помните, что катапульты на авианосцах не используются из-за экономии средств, они используются потому, что нет другого способа разогнать самолет до скорости на взлетно-посадочной полосе. По мере того, как СВВП становится все более популярным, катапульты используются все меньше и меньше.

Многие военно-морские силы полностью перешли на системы STOBAR или STOVL. Нынешние тенденции, похоже, таковы: «Найдите мне что-нибудь, кроме катапульты, чтобы поднять эту штуку в воздух», даже если это будет стоить гибкости.

Итак, чтобы сократить ваши очки:

• Меньше взлетно-посадочной полосы: нет, все равно нужно приземлиться, и даже если бы это было правдой, очень немногие места настолько узкие, что взлетно-посадочные полосы нельзя расширить. Это может быть дорого, но, черт возьми, Япония (я думаю) построила целый новый остров для своего аэропорта.

• Экономия топлива: возможно. Если использовать паровую катапульту и делать пар из угля, и разницы в стоимости единицы работы между углем и авиакеросином было достаточно, то да, экономия топлива могла быть. Однако это почти наверняка будет компенсировано затратами на техническое обслуживание.

• Быстрее обернись : Нет! Требуется время, чтобы зарядить эту катапульту. Это не мгновенно. Вы не можете просто запустить второй самолет, как только первый очистит взлетно-посадочную полосу. Катапульту нужно отрегулировать, зарядить, а затем выстрелить. В военных операциях можно запускать только X кораблей. Так что вполне возможно, что военную катапульту можно было зарядить на весь запуск. Аэропорт, однако, является непрерывным. Так будет время, когда зарядка понадобится. Есть обходные пути, вроде "боковой загрузки" из двух источников, чтобы по мере истощения одного заряжался другой. Но это еще больше увеличило бы стоимость и сложность.

До сих пор все ответы, кажется, были сосредоточены на плоской катапульте с коротким пуском, очень похожей на палубу авианосца. У этого есть недостатки, перечисленные во многих ответах. Однако, что, если бы это был пандус? Это может быть стандартная слегка приподнятая плоская поверхность или изогнутая рампа, которая экспоненциально меняет угол. Допустим, мы модернизируем существующий аэропорт. Это дает нам до одной мили по горизонтали, которую мы могли бы использовать для запуска катапульты.

Преимущества:

• Может ускоряться медленнее, но в течение более длительного периода, обеспечивая более плавную езду как для самолета, так и для пассажиров.
• В зависимости от того, является ли это плоской или изогнутой рампой, он может подняться в небо на несколько сотен футов с приличным углом атаки.
• Стартовая скорость может быть близка к максимальной скорости самолета, а не чуть выше той, которая необходима для того, чтобы поднять его в воздух, что позволяет экономить топливо, поскольку легче поддерживать скорость, чем разгоняться до единицы.
• Приземляться можно только в одном направлении, но с гравитацией, которая способствует торможению, позволяет большее замедление и, как мы надеемся, сокращает время от взлетно-посадочной полосы до терминала.
• Меньше шансов подрезать хвост при приземлении, так как угол рампы сделает хвост пропорционально выше.

Недостатки:

• Ваш самолет может упасть/слететь с трапа во время посадки/взлета.
• Самолеты без катапульты могут не взлететь с вашего аэродрома после приземления (зависит от рампы и типа самолета, а также от преобладающих ветров).
• Упоминалось ранее, но приземления в значительной степени заканчиваются однонаправленным делом, поэтому, если ветер против вас, вам придется перенаправиться.

Смягчение:

• Постройте пандус рядом с существующей взлетно-посадочной полосой, но не над ней. Поскольку конец пандуса довольно высокий, под ним можно разместить другие конструкции, например, ангары. Это сэкономит место и позволит выполнять регулярные взлеты и посадки самолетов без посторонней помощи на обычную взлетно-посадочную полосу, но может иметь серьезные последствия, если самолет упадет за борт.
• Учитывая длину рампы, которую мы имеем для рампы, мы могли бы использовать какой-нибудь высокоскоростной тягач или буксировщик вместо специальной катапульты, что сократит время перезарядки/калибровки — одно и то же транспортное средство буксирует самолет к взлетно-посадочной полосе, а затем очень быстро едет с ним (хорошо, здесь происходит некоторое махание руками, но несколько бродячих «катапульт» - это идея, требующая только решения).