Как меняется КПД поршневого самолета с высотой?

Вы правы, летать выше будет эффективнее. Однако обратная зависимость между тягой и скоростью в винтовых самолетах означает, что доступный диапазон скоростей намного меньше, и, следовательно, возможные высоты более ограничены. Проще говоря, возможный выигрыш меньше.

Если вы посмотрите на термодинамический цикл турбокомпаундного двигателя, он выглядит почти как реактивный. Тем не менее, высокая степень двухконтурности приводит к более низкой оптимальной скорости полета, а более низкая удельная мощность, обычная для поршневых самолетов, ограничивает максимальную высоту и делает их более восприимчивыми к неблагоприятным ветрам. Кроме того, турбонаддув , который намного более эффективен, чем наддув , был разработан для практического решения всего за несколько лет до того, как были введены газовые турбины, поэтому поршневые двигатели до Второй мировой войны полагались на менее эффективный нагнетатель для повышения мощности, уменьшая преимущество. от полета выше еще раз.

То, что исторические полеты выполнялись на более низких высотах, вероятно, больше связано с низким потолком изначально тяжелого самолета и отсутствием наддува , чем с сознательным выбором экипажа. Может быть, отсутствие обогрева кабины или противообледенительного оборудования или даже открытой кабины делало более низкие и теплые высоты также предпочтительными. Другой причиной может быть потребность в наземной навигации при отсутствии сегодняшней инфраструктуры радиомаяков и спутников GPS. То, что полет выше означает большую дальность полета, было известно еще во время Первой мировой войны.

Комментарии Рона Бейера хорошие. Кроме того:

Для этих целей используются два типа поршневых двигателей: без наддува и с турбонаддувом. В двигателях без наддува используется окружающий воздух: давление воздуха в атмосфере - это то, что чувствует двигатель (без учета неэффективности потока во впускной системе и воздействия набегающего воздуха). В двигателях с турбонаддувом используется воздушный насос для поддержания или увеличения давления воздуха в двигателе. Максимальная выходная мощность двигателя без наддува уменьшается по мере увеличения высоты: увеличение высоты приводит к снижению давления, а при почти постоянной доле кислорода в атмосфере (21%) количество кислорода в воздухе падает. Если двигатель работает с максимальной доступной мощностью и эффективностью, если вы уменьшите количество кислорода, вы уменьшите расход топлива, а уменьшение обоих этих факторов уменьшит доступную мощность, при прочих равных условиях.

Двигатель с турбонаддувом может поддерживать полное давление в коллекторе на уровне моря (давление воздуха на впуске) на высоте над уровнем моря. Как высоко они это делают, зависит от конкретной установки двигателя: некоторые только до 10 000 футов, другие до более чем 20 000 футов. Поддерживайте давление воздуха и расход топлива, и вы поддерживаете выходную мощность.

Для этих целей газотурбинный двигатель является безнаддувным. Высота увеличивается, максимально возможная мощность уменьшается. Многие газотурбинные двигатели термодинамически способны генерировать мощность, превышающую их номинальную (так называемую «постоянную мощность»), будучи ограниченными каким-либо другим образом. Эти двигатели могут поддерживать номинальную мощность на высотах выше уровня моря. По сути, это похоже на работу поршневого двигателя на частичной мощности на уровне моря — скажем, 20 дюймов давления в коллекторе вместо нормального максимума на уровне моря 30 дюймов — но с возможностью поддерживать эту мощность, возможно, до 10 000 футов.

Если вы можете поддерживать желаемую крейсерскую мощность, истинная воздушная скорость увеличивается с высотой. Он повышается примерно на 2% за 1000 футов. Большинство современных поршневых двигателей работают на 60–75% от максимальной мощности в крейсерском режиме, и оказывается, что максимальная мощность двигателя обычно составляет от 7000 до 12 000 футов, в зависимости от установки. Самолеты с двигателями с турбонаддувом летают в разных условиях.

Возьмите мой Mooney 252 в качестве конкретного примера. Двигатель с турбонаддувом (точнее, с турбонаддувом: турбокомпрессор может поддерживать давление в коллекторе выше уровня моря, а двигатель рассчитан на максимальное давление в коллекторе 36 дюймов), и я могу поддерживать полную мощность примерно до 20 000 футов. , и установка крейсерской мощности на высокой скорости 75% до 25 000 футов. Чем выше я поднимаюсь, тем выше моя истинная скорость полета.

Есть и другие соображения, помимо кислорода, даже помимо заметки Рона о низком уровне гипоксии, включая ветер, погоду, практичность, а также обучение пилотов и комфорт.

Ветер часто усиливается с высотой. Когда я лечу на восток (или иначе по ветру), это хорошо; при движении на запад (или против ветра) это может быть плохо, и на больших высотах может быть МЕНЬШЕ путевая скорость, потому что иногда скорость ветра увеличивается с высотой быстрее, чем моя истинная скорость полета.

Что касается погоды, то иногда лучше лететь под погодой, чем сквозь нее, особенно когда вкраплены разрозненные или изолированные грозы. Есть обледенение планера, чтобы рассмотреть. Турбулентность может присутствовать на больших высотах, а не на более низких.

С практической точки зрения, восхождение на высоту, даже выше 5000 футов, может не принести никакой пользы. Или эта выгода минимальна. Набирая высоту, вы летите медленно, медленнее, чем в крейсерском режиме. Вы не получите это обратно при спуске. Вы также сжигаете больше топлива на милю, которое, опять же, не возвращается при спуске. Для короткого полета, возможно, потребуется больше времени, чтобы подняться до 7500 футов или до 10 000 футов, чем вы бы сэкономили от увеличения истинной (и путевой) воздушной скорости.

Острая гипоксия не будет проблемой для большинства людей на высоте 10 000 футов, но, как упомянул Рон, полет в течение 2-3 часов на высоте 10 000 футов без дополнительного кислорода может привести к низкоуровневой, субклинической гипоксии, вызывающей у некоторых людей , головные боли, снижение остроты зрения (особенно ночью) и снижение когнитивных функций.

Еще одна причина летать низко: осмотрите достопримечательности!

Вы определяете эффективность как расход топлива на милю или, другими словами, конкретный диапазон (доступный диапазон).

Для поршневых самолетов, летящих в пределах своего расчетного диапазона (не пытающихся превзойти реактивные), доступная дальность не меняется с высотой.

[] Максимальный доступный запас хода (мили на галлон или фунт топлива) не зависит от высоты над уровнем моря.

Это теоретический вывод, фактический составляет ±1%, что достаточно близко к теоретическому. Обратите внимание на приведенный ниже график из POH (редкий график):

Обратите внимание, что R0 и R1 имеют одинаковую дальность, расстояние между ними 20 000 футов, за счет использования разных TAS и мощности. Однако, если вы поддерживаете TAS или мощность, дальность увеличивается с высотой, потому что высокая мощность, высота и TAS благоприятствуют смещению кривой L/D, см. ниже:

Снова R0 и R1 одинаковы. Но для фиксированной скорости/мощности результирующее R ближе к L/D max, чем на меньшей высоте. Обратите внимание, что любой R, отличный от R0 или R1, представляет собой меньший диапазон, а не максимально доступный.

Если вы смотрели Дюнкерк, то видели две сцены, когда они могли бы сэкономить топливо, если бы оставались ниже. Тогда я вернулся из кинотеатра и заглянул в POH аналогичного самолета (Bell P-39 Airacobra), и, к моему удивлению, независимо от высоты была зафиксирована максимально доступная дальность. И мой вывод заключался в том, что разница в топливе, используемом во время набора высоты.

Что еще раз подтвердилось, когда я наткнулся на этот график Lockheed Constellation Starliner (источник: Flight ):

В битве DC-7 против L-1649A за полеты в Атлантику Constellation Starliner мог достичь большей дальности при полете на высоте 10 000 футов по сравнению с 15 000 и 21 800 при той же полезной нагрузке. Отметим, что у Starliner были турбокомпаундные двигатели. Как и у B-29 , еще одним фактором будет охлаждение двигателя в разреженном воздухе, что требует больших углов наклона закрылков капота, что вызывает большее сопротивление.

Короткий ответ

Максимальная дальность не меняется с высотой (без учета набора высоты и ветра). Если вы поддерживаете либо TAS, либо мощность, дальность, которую вы получаете, не является максимальной, но тем лучше, чем выше вы находитесь (опять же, без учета набора высоты и ветра).

Источник информации, первые два изображения и цитата: Byington, MR (1993). Круизные характеристики поршневого самолета. Журнал авиационного / аэрокосмического образования и исследований, 4 (1). Получено с https://commons.erau.edu/jaaer/vol4/iss1/6 .