Какая связь между мощностью и топливной экономичностью?

К сожалению, причина и следствие в этом вопросе действительно перепутаны. Отличный ответ Питера Кампфа должен объяснить большую часть того, что вам нужно, но может случиться так, что вам будет трудно понять его ответ, потому что вы все еще работаете в соответствии с идеей, что ручка управляет только скоростью, а дроссель только управляет высотой.

Если это так, подумайте об этой аналогии: представьте, что у любого самолета есть три ведра энергии: химическая, потенциальная и кинетическая. (примечание для педантиков: да, химическая энергия — это потенциальная энергия. Уходите.)

• Химическая энергия хранится в виде топлива (мертвые динозавры). Он выпускается двигателем и может быть преобразован либо в высоту, либо в скорость полета, либо в то и другое.

• Потенциальная энергия — это высота под вами — энергия, запасенная в самолете в виде высоты. Его можно преобразовать в воздушную скорость, но нельзя обратно в мертвых динозавров.

• Кинетическая энергия – это скорость полета – импульс самолета. Его можно преобразовать в высоту, но не обратно в мертвых динозавров.

Пока двигатели работают, «ведро» с химической энергией всегда вливает энергию в два других ведра. Дроссель определяет , сколько энергии выливается в секунду. Ярмо (палка) определяет распределение этой энергии — изливает ли кинетическое ведро энергию в потенциальное ведро, или наоборот, или ни то, ни другое.

Это означает, что если вы хотите подняться, недостаточно сказать, что вам просто нужно оттянуть ручку управления или что вам просто нужно увеличить газ. Простое увеличение газа с носом, направленным к земле, не поможет вам всплыть. Простое оттягивание ручки назад, когда самолет уже находится на критическом угле атаки, не поможет вам всплыть. Чтобы подняться, вам нужно «наполнить ведро высоты», что (как говорит Питер) всегда представляет собой комбинацию шага и мощности.

Что касается вашего фактического вопроса о топливной экономичности, поскольку он основан на ложных предположениях, я скажу только, что это зависит от обстоятельств полета, но, безусловно, неправильно говорить, что повышенный расход топлива всегда является результатом большей настройки дроссельной заслонки. необходимо достичь большей высоты.

Это не делает это и ничего больше. Это всегда комбинация.

В наборе высоты вам нужно дать больше энергии самолету, потому что вы увеличиваете его потенциальную энергию. Это можно получить из энергии, которая была бы потрачена на преодоление сопротивления в горизонтальном полете за счет более медленного полета. Для поддержания теперь более низкой скорости полета требуется меньше энергии, поэтому часть остается для набора высоты.

Когда вы тянете ручку управления, вы балансируете дрон на более низкую скорость полета (по крайней мере, если вы летите с естественно стабильной конфигурацией), поэтому часть избыточной энергии нужно расходовать другими способами. Самолет набирает высоту.

Если вы увеличите газ, урезанная скорость останется прежней, но теперь можно будет потратить больше энергии. Она будет потрачена на набор высоты, потому что скорость уже задана вашим углом лифта.

В поршневом двигателе без наддува (без наддува) уменьшение плотности воздуха с увеличением высоты будет обеспечивать меньше воздуха при каждом заполнении поршней. Вам нужно наклонить двигатель, чтобы поддерживать постоянное соотношение топлива и воздуха, чтобы двигатель потреблял меньше топлива при той же частоте вращения, но также обеспечивал меньшую мощность и тягу. Поскольку воздух также тоньше для всех других частей самолета, ваша истинная воздушная скорость увеличится, ваше сопротивление уменьшится при той же истинной воздушной скорости, и вы сможете летать быстрее. Но поскольку ваш двигатель без наддува будет давать меньшую мощность, вам нужно увеличить газ, чтобы сохранить положение, скорость и скороподъемность. В какой-то момент вы достигнете максимальной мощности, и по мере дальнейшего набора высоты скорость набора высоты будет снижаться, пока вы не достигнете максимальной высоты полета, на которую способен ваш самолет.

Полет выше повысит эффективность двигателя из-за более низкой температуры воздуха, но этот эффект невелик для самолетов с поршневым двигателем. Однако, как только вы переключитесь на самолеты с наддувом, турбовинтовые и реактивные самолеты, их гораздо более высокая максимальная высота полета сделает полет на большей высоте заметно более эффективным .

Однако скорость полета имеет существенное значение, особенно для самолетов с поршневым двигателем. Их оптимальный коэффициент крейсерской подъемной силы равен$c_L = \sqrt{c_{D0}\cdot\pi\cdot\Lambda}$и достаточно высок. Низкий полет означает, что вы будете лететь намного быстрее, чем этого требует этот оптимум, и чем выше вы летите, тем ближе вы будете к этому оптимуму, просто потому, что ваш двигатель не позволяет более высокую скорость. Вот почему полет выше помогает летать более эффективно.

Добавлю кое-что об экономичности двигателя.

Авиационные двигатели либо более, либо, по крайней мере, не менее эффективны на более высоких режимах мощности.

1. В двигателях с искровым зажиганием (бензиновых) дроссельная заслонка увеличивает сопротивление впуску в закрытом состоянии, поэтому они наиболее эффективны при полностью открытой дроссельной заслонке и слегка обедненной смеси, так что все топливо сгорает. Современные двигатели с непосредственным впрыском часто поддерживают «сверхбедную смесь», когда дроссельная заслонка остается открытой, а мощность регулируется путем впрыска меньшего количества топлива, т. е. очень бедной смеси, но большинство авиационных двигателей имеют старые конструкции, которые плохо работают со слишком бедной смесью, поэтому они менее эффективны с меньшим дросселем.

2. Турбинные двигатели также более эффективны при более высокой мощности. Я не уверен в причине, но, вероятно, потому, что ступень высокого давления потребляет относительно меньше энергии для привода компрессора, оставляя больше энергии для ступени низкого давления, приводящей в движение винт (на холостом ходу мощность на винт минимальна, но сердечник все еще вращается). довольно быстро; часто около 60% оборотов в минуту по сравнению с полной мощностью).

3. Только дизели, мощность которых регулируется только количеством впрыскиваемого топлива (соответствует смеси в двигателях с искровым зажиганием), не менее эффективны на меньших режимах мощности, но и на крейсерской мощности они не будут менее экономичны.

А теперь объедините с тем фактом, что ваше сопротивление примерно одинаково при той же указанной скорости независимо от высоты, но на большей высоте такая же указанная скорость соответствует более высокой истинной (и, следовательно, путевой) скорости.