Находимся ли мы на пике эффективности реактивных авиалайнеров на скорости 0,85 Маха?

Краткий ответ: рост цен на топливо привел бы к снижению самой экономичной скорости, но достижения в области аэродинамики компенсировали это, и максимальное крейсерское число Маха по-прежнему составляет 0,85 Маха. Но есть гораздо более простая причина, по которой число Маха 0,85 кажется таким неизменным.

Обратите внимание, что речь идет о максимальном крейсерском числе Маха; все авиалайнеры будут летать более экономично при несколько меньших числах Маха от 0,78 до 0,82.

Теперь нам нужно определить эффективность. Для авиалайнеров это грузоподъемность за время, которая может быть выражена произведением полезной нагрузки, дальности полета и скорости. Когда ни одна из трех составляющих не может быть изменена без удорожания продукта, вы достигли точки наибольшей эффективности.

Технология двигателя

Самые большие изменения за последние 50 лет произошли в технологии двигателей. Коэффициенты двухконтурности увеличились до значений, близких к 10, температура на входе в турбину теперь на 300 ° C выше, чем в ранний век реактивных двигателей , а электронное управление улучшило особенно непроектные характеристики двигателей. Это сделало увеличение скорости полета менее привлекательным, поэтому оптимальный крейсерский Мах был бы ниже, если бы на него не влияли никакие другие эффекты.

Еще одним эффектом является более низкий расход топлива. Ранние конструкции должны были использовать высокую хорду крыла, чтобы упаковать достаточно топлива для трансокеанских полетов. Гораздо более низкое потребление современных двигателей дало им запас хода, который больше, чем необходимо, чтобы напрямую добраться до любой точки на земле. Это позволило уменьшить площадь, толщину и массу крыла, а также снизить сопротивление трения, что снова способствовало экономии топлива. Меньшая толщина помогает сделать возможными более высокие крейсерские числа Маха.

Аэродинамика

Аэродинамика – второй фактор. В A310 были введены сверхкритические аэродинамические поверхности, и они увеличили рабочее число Маха, потому что теперь можно было допустить ограниченную область сверхзвукового потока на крыле без значительного увеличения сопротивления. Однако выгода от этого была использована для уменьшения стреловидности крыла, увеличения толщины аэродинамического профиля и присоединения к этим крыльям более крупных фюзеляжей. В конце концов, новые самолеты имели такие же крейсерские числа Маха, как и их предшественники. Что-то сделало 0,85 Маха слишком привлекательным, чтобы отказаться от него.

Вторым эффектом сверхкритических профилей является их более тупая носовая часть, что помогает достичь более высокого максимального коэффициента подъемной силы. Это также способствовало уменьшению хорды крыла, ведь теперь площадь крыла можно было сделать меньше при той же посадочной скорости.

Настоящая причина

Каждый новый авиалайнер должен конкурировать со старыми моделями. По расходу топлива проблем нет, но скорость тоже важна . Более высокое крейсерское число Маха позволяет сократить время соединения. Теперь вы должны знать, что электронные системы бронированиябудет перечислять соединения, отсортированные по времени полета, сначала самые короткие. Когда туристический агент хотел забронировать рейс, он или она редко смотрели дальше первого экрана и выбирали один из первых рейсов в списке. Если новый тип заставлял полет проскальзывать в списках, он не продавался. Это верно даже во времена онлайн-бронирования: авиакомпании не получают большой прибыли от охотников за скидками в экономическом классе, их целью являются деловые люди, летающие бизнес-классом или первым классом. А те до сих пор заказывают в основном через турфирмы, так что правила не изменились. Вот почему эта скорость 0,85 Маха кажется такой твердо установленной; полет на более высокой скорости приведет к непропорциональному увеличению расхода топлива, и даже новейшие реактивные самолеты в основном будут летать со скоростью от 0,82 до 0,84 Маха.

Обеспечение такой скорости все еще является проблемой для инженеров-конструкторов, особенно если учесть, что более крупным самолетам потребуются более толстые крылья для структурной эффективности, но они должны быть оснащены крыльями, более тонкими, чем оптимальные, чтобы позволить маркетингу заявить о крейсерской скорости 0,85 Маха.

В 0,85 Маха нет ничего присущего; проблема в 1 Маха. Причина, по которой авиалайнеры обычно имеют скорость где-то между 0,8 и 0,9 Маха, заключается в критическом числе Маха рассматриваемого планера. Когда относительная воздушная скорость всего самолета достигает критического числа Маха, будет некоторая часть планера, где воздушный поток фактически достигает 1 Маха. Это происходит из-за ускорения воздуха вокруг планера, когда планер движется по воздуху. Критическое число Маха будет разным для разных планеров, но обычно это ограничивающий фактор для крейсерской скорости авиалайнеров. Этот вопрос объясняет больше о критическом числе Маха.

Более или менее.

Проблема заключается в «критическом числе Маха» формы крыла в плане. Большинство крыльев имеют изогнутую верхнюю поверхность, которая заставляет воздух, движущийся над этой стороной крыла, двигаться быстрее, снижая его давление и создавая подъемную силу. При поступательной скорости всего аэродинамического профиля около 1 Маха, но меньше, воздушный поток над верхней частью аэродинамического профиля превышает 1 Маха, когда он проходит над передней кромкой крыла, а затем снова замедляется до дозвуковых скоростей вокруг гребня крыла. Этот «трансзвуковой» воздушный поток увеличивает сопротивление самолета на воздушных скоростях между критическим числом Маха и скоростью, при которой весь воздушный поток над каждой поверхностью самолета является сверхзвуковым (когда трансзвуковой воздушный поток больше не является проблемой, но другие сопротивления передней кромки и следа силы начинают преобладать над полным сопротивлением).

Коммерческие авиалайнеры иногда превышают критическое число Маха своих крыльев, создавая ударную волну, которая видна либо как миражное оптическое возмущение, либо, если условия подходящие, как паровой шлейф:

Реактивные истребители, разгоняясь выше 1 Маха, обычно создают «конусы пара», начинающиеся на трансзвуковой границе их воздушного потока, вызванные тем, что высокая разница в давлении воздуха на этой трансзвуковой границе ударной волны заставляет водяной пар конденсироваться:

Критическое число Маха определяется конструкцией формы в плане. Крылья с более толстым поперечным сечением создают большую подъемную силу при меньшей площади (и большее индуктивное сопротивление от этой подъемной силы) и, как правило, также имеют более высокий угол атаки (что означает, при прочих равных, более низкую скорость сваливания), но компромисс заключается в следующем. меньшее критическое число Маха. Обратное верно для более тонкого поперечного сечения; критическое число Маха увеличивается, а подъемная сила, лобовое сопротивление и критический угол атаки уменьшаются.