Часть первая
Разберём такие понятия, как максимальная дальность и максимальная продолжительность полёта: как их достичь, и какие эксплуатационные факторы оказывают на них своё влияние.
Максимальная продолжительность полёта.
Максимальная продолжительность полёта достигается при минимальном часовом расходе топлива. Другими словами: чем меньше топлива воздушное судно будет расходовать за единицу времени, тем дольше оно сможет оставаться в воздухе и продолжать полёт. В свою очередь, количество расходуемого топлива напрямую зависит от режима работы двигателей. В горизонтальном полёте потребляется меньше всего топлива, если двигатели создают минимально необходимую тягу, которой достаточно для продолжения такого полёта.
Полётам на таком режиме работы двигателей соответствует скорость Vmp (minimum power) для винтовых самолётов и Vmd (minimum drag) для самолётов с реактивными двигателями.
Максимальная дальность полёта.
Максимальная дальность полёта является более важным параметром с эксплуатационной точки зрения и достигается при минимальном километровом расходе топлива. То есть, чтобы достичь максимальной дальности полёта, недостаточно минимизировать количество сжигаемого топлива в единицу времени. Гораздо важнее максимизировать скорость, что позволит самолёту пролетать большую дистанцию за единицу времени. Таким образом, для достижения максимальной дальности полёта необходимо найти баланс: истинная воздушная скорость (TAS) должна быть высокой, а часовой расход топлива низким.
В горизонтальном полете максимальной дальности будет соответствовать такой режим работы двигателей, который позволит лететь со скоростью Vmrc (maximum range cruise), которую можно назвать тем самым балансом. Эта скорость обеспечивает прохождение наибольшей дистанции при заданном количестве сжигаемого топлива или сжигание минимального количества топлива для прохождения заданной дистанции, что является ключевым для выполнения коммерческих перевозок.
Читайте материал про Cost Index (CI) или как авиакомпании балансируют между временем и деньгами...
Часть вторая
Рассмотрим влияние эксплуатационных факторов на продолжительность полёта.
Расход топлива на единицу тяги называют удельным расходом топлива. Уменьшив удельный расход топлива, можно увеличить продолжительность полета. Другими словами, цель заключается в снижении количества топлива, используемого для создания достаточной тяги двигателями. В случае с реактивными двигателями это будет происходить, когда температура окружающей среды очень низкая, а обороты двигателя высоки. Нетрудно догадаться, что эти параметры соответствуют полёту на больших высотах.
Расчет топлива на полет (подробный материал)
Кроме уменьшения удельного расхода топлива, необходимо так же уменьшить общее значение потребной тяги. Решение этой задачи достаточно простое: в прямолинейном горизонтальном полёте тяга, создаваемая двигателями, уравновешивает силу лобового сопротивления, действующую на самолёт. Следовательно, чем меньше лобовое сопротивление, тем меньше тяги требуется для поддержания полёта.
Минимальное лобовое сопротивление так же будет наблюдаться на максимально возможной высоте полёта ввиду разреженности воздуха в верхних слоях атмосферы и уменьшения его плотности. Для минимизации лобового сопротивления полёт должен выполняться на скорости Vmd (minimum drag).
Ситуация будет несколько другой для самолётов с турбовинтовыми и поршневыми двигателями. Минимальный расход топлива для винтовых самолётов будет достигаться на Vmp (minimum power) – скорости, на которой потребная мощность минимальна. Эта скорость меньше чем Vmd и, как следствие, требует полёта на больших углах атаки для создания необходимой подъемной силы. Абсолютные высоты, на которых будет достигаться максимальная продолжительность полёта, так же будут отличаться в зависимости от типа двигателя.
Подводя итог, перечислим основные условия достижения максимальной продолжительности полёта для самолётов с разными типами двигателей:
Реактивный (jet engine): на уровне или выше тропопаузы на скорости Vmd; Турбовинтовой (turboprop): на высоте около 10.000 ft на скорости Vmp; Поршневой (piston): на уровне моря на скорости Vmp.
Часть третья
Поговорим о дальности полёта и рассмотрим скорости, которые обеспечивают максимальную дальность полёта для ВС с разными типами двигателей.
Дальность полёта глобально зависит от двух вещей: истинной воздушной скорости (TAS) и расхода топлива. Введём понятие удельной дальности – specific range (SR). Удельная дальность полёта определяется как отношение истинной воздушной скорости к расходу топлива. В свою очередь расход топлива можно найти, умножив удельный расход топлива (SFC), на силу лобового сопротивления (для самолётов с реактивными двигателями) или на потребную мощность (для винтовых самолётов).
Таким образом получим две несложные формулы для нахождения удельной дальности полёта, применимые к самолетам с разными типами двигателей:
1) Jet specific range (SR) = TAS ÷ (SFC × Drag); 2) Propeller specific range (SR) = TAS ÷ (SFC × Power required).
В формулах приведенных выше: SFC – specific fuel consumption – удельный расход топлива. Чем ниже это значение, тем выше топливная эффективность двигателя. Даже бегло проанализировав данные формулы, становится очевидно, что для увеличения дальности полёта необходимо стремиться к одновременному увеличению истинной воздушной скорости с одной стороны и уменьшению расхода топлива с другой.
Решение этой задачи не такое простое, как в случае с максимальной продолжительностью полета. Здесь рассмотрим скорости, которые будут оптимальными для полёта на самолетах с разными типами двигателей с точки зрения максимизации удельной дальности.
Начнем с самолётов с реактивными двигателями. Посмотрев на первую из приведенных выше формул, можно увидеть, что одним из методов борьбы с расходом топлива является уменьшение лобового сопротивления (drag). Ранее было указано, что минимальное лобовое сопротивление обеспечивается на скорости Vmd (minimum drag). Однако, для самолетов с реактивными двигателями эта скорость может быть существенно увеличена с небольшим увеличением лобового сопротивления. В результате, наибольшее значение удельной дальности будет наблюдаться при значениях скорости около 1.32Vmd. Именно такое значение скорости будет соответствовать режиму работы двигателей, обеспечивающему максимальную дальность полёта.
Похожая ситуация будет и в случае с винтовыми самолётами. Обратив внимание на вторую формулу, становится очевидно, что по аналогии с лобовым сопротивлением необходимо уменьшать потребную мощность. Минимальная потребная мощность и, как следствие, расход топлива будет наблюдаться на скорости Vmp (minimum power). Но вместе с небольшим увеличением потребной мощности можно значительно увеличить скорость до Vmd. Именно эта скорость и позволяет винтовым самолётам осуществить полёт на максимальную дальность. В отечественной литературе эту скорость называют наивыгоднейшей.
Часть четвертая
Рассмотрим влияние высоты на дальность полёта для самолётов с реактивными двигателями.
Вспомним формулу удельной дальности полёта: Jet specific range (SR) = TAS ÷ (SFC × Drag).
Увеличение высоты оказывает положительное влияние на дальность: TAS будет увеличиваться по сравнению с приборной скоростью на 2% на каждую 1000 ft и удельный расход топлива будет снижаться по мере увеличения высоты.
Отдельно рассмотрим влияние высоты на лобовое сопротивление. По мере увеличения высоты, так как истинная воздушная скорость так же увеличивается, а местная скорость звука снижается, то число Маха будет расти. Это означает, что самолёт будет приближаться к ограничению – Mmo (maximum Mach operating number). Это ограничение связано с тем, что при полёте на трансзвуковых скоростях лобовое сопротивление увеличивается значительно. Этот негативный эффект в какой-то момент перевесит положительное влияние увеличения высоты полёта.
Таким образом, можно сделать вывод, что набор высоты будет положительно сказываться только до определенного значения, после чего по мере дальнейшего увеличения высоты максимальная дальность полёта начнет уменьшаться.
Оптимальной высотой полёта будет называться такая высота, которая обеспечивает наибольшую удельную дальность полёта при данной массе и заданной скорости. Полёт выше или ниже такой высоты будет снижать максимальную дальность. Важно понимать, что значение оптимальной высоты будет изменяться в течение полёта. Это будет происходить как следствие выработки топлива и снижения массы самолёта. В результате уменьшения массы скорость 1.32Vmd так же примет меньшее значение и лобовое сопротивление снизится. Для выдерживания этой оптимальной скорости самолёту будет необходимо замедлиться и текущее число Маха уменьшится. Как следствие, текущая высота полёта уже не будет ограничена значением Mmo. Таким образом, постепенное снижение массы самолёта в полёте позволяет занимать большую высоту. Чем меньше масса, тем больше оптимальная высота полёта.
Для максимизации удельной дальности полёта требуется чтобы самолёт находился на оптимальной высоте в каждый момент времени. Соответственно, одновременно с постепенной выработкой топлива необходимо набирать высоту для того, чтобы всегда оставаться на высоте оптимальной для текущей массы.
Часть пятая
Рассмотрим влияние высоты на дальность полёта для самолётов с турбовинтовыми и поршневыми двигателями.
Как было указано ранее, для винтовых самолётов формула, определяющая удельную дальность полёта, выглядит следующим образом: Propeller specific range (SR) = TAS ÷ (SFC × Power required)
Турбовинтовые двигатели сконструированы с использованием тех же принципов что и реактивные, однако самолёты с турбовинтовыми двигателями очень редко эксплуатируются на высотах больше 30.000 ft, поэтому они не подвержены негативному влиянию резко возрастающего сопротивления на скоростях близких к скорости звука, в отличие от самолётов с реактивными двигателями.
В остальном, влияние высоты полёта на дальность будет схожим для реактивных и турбовинтовых двигателей: с увеличением высоты рост истинной воздушной скорости (TAS) и небольшое снижение удельного расхода топлива (SFC) увеличивает дальность полёта. Всё это практически нивелируется из-за увеличения потребной мощности на высоте в случае с турбовинтовыми двигателями.
Как результат – удельная дальность полёта увеличивается с высотой примерно до 10.000 ft. Начиная с этой отметки, положительный эффект увеличения высоты практически незаметен. Выбор оптимальной высоты полёта будет больше зависеть от ветровой обстановки, времени и количества топлива, затрачиваемого на набор высоты.
У самолётов с поршневыми двигателями более-менее фиксированный удельный расход топлива, хотя он и считается наименьшим при высоком давлении во впускном коллекторе (manifold pressure), низких оборотах двигателя и корректно отрегулированной топливо-воздушной смеси. Поэтому в приведенной выше формуле остаются только две переменных: истинная воздушная скорость (TAS) и потребная мощность (power required).
Эксплуатация самолёта на больших высотах приводит к увеличению потребной мощности, необходимой для поддержания скорости, обеспечивающей максимальную дальность полёта. Безусловно это оказывает негативный эффект, однако TAS с увеличением высоты так же вырастет. Это полностью компенсирует увеличение потребной мощности, и удельная дальность полёта будет медленно расти с высотой до тех пор, пока самолёт не достигнет высоты, на которой режим работы двигателя должен быть максимальным, чтобы поддерживать заданную скорость.
Такая высота называется full throttle height. При дальнейшем наборе необходимая скорость не сможет поддерживаться, потребная мощность превысит располагаемую, вследствие чего самолёт замедлится, и TAS будет снижаться, даже несмотря на уменьшение плотности воздуха. В итоге максимальная удельная дальность полёта будет достигаться на высоте full throttle height (в примерном диапазоне 6.000 - 8.000 ft).
Наши основные медиаресурсы:
Telegram (главная платформа)
Boosty (эксклюзив)