Quanta energia é "desperdiçada" na descida de um avião?

2

Na descida, uma aeronave deve perder energia potencial (para descer ao chão) e energia cinética (para pousar a uma velocidade segura).

Peso e arrasto podem cuidar disso. Um avião sem energia acabará desacelerando e afundando. No entanto, às vezes isso não acontece rápido o suficiente sem a entrada de controle adicional e o piloto deve agir para tornar o avião menos aerodinâmico eficiente e dispor de energia excedente que, de outra forma, seria retida por mais tempo.

Se um avião completou sua descida de cima para baixo sem usar as superfícies de controle para:

  • despejar o excesso de elevador
  • sangrar excesso de velocidade ao longo do caminho

até a aterrissagem, isso não significaria desperdício dessa energia em descida: tudo era usado produtivamente para levar a aeronave ao seu destino, e nada disso precisava ser jogado fora para que o avião fosse baixo o suficiente e lento o suficiente rápido o suficiente.

Em uma descida específica, seria possível calcular ou estimar quanto dessa energia, na prática, é realmente "desperdiçada", ou seja, precisa ser deliberadamente descartada?

por Daniele Procida 06.05.2019 / 23:48

5 respostas

Um valor numérico significativo será difícil de calcular, porque depende muito da aeronave com a qual você está trabalhando. Na prática, se eu puder desligar a energia no ponto calculado de Topo de Descida, descer, atender a quaisquer restrições de travessia do ATC, seguir a abordagem, configurar o mais tarde possível e aumentar a energia no ponto em que sou obrigado a estabilizado para a abordagem, segui uma abordagem eficiente e não desperdicei nenhuma energia com a qual comecei.

Se eu tiver que adicionar energia mais cedo, iniciei a operação muito cedo (ou desperdicei energia de alguma forma); se eu tiver que implantar o arrasto (que inclui a configuração antecipada), iniciei muito tarde e, portanto, tenho excesso de energia que preciso dissipar.

Suponho que "a quantidade de tempo em que os freios velozes estivessem ativos" seria uma maneira de calcular quanta energia tinha que ser desperdiçada; acrescente a quanto tempo as abas e as engrenagens se esgotaram antes de serem "necessárias" (dado o requisito de estabilização e configuração em um determinado ponto da abordagem).

Aqui está a complicação, no entanto. Se vejo cedo que tenho muita energia, posso empurrar o nariz para baixo e ganhar velocidade, o que aumenta o arrasto parasita da aeronave - dissipando assim a energia. Se você tiver tempo suficiente na velocidade mais alta (não apenas empurre o nariz para baixo, ganhe velocidade, puxe o nariz para cima, perca velocidade - isso não é muito bom), você poderá se livrar do excesso de energia sem precisar implantar speedbrakes ou configure cedo. E o inverso, se minha descida padrão é nos nós do 280 (acima de 10,000 ', obviamente), mas diminuo a velocidade para nós do 250 cedo o suficiente, posso "ganhar" alguma energia, pois estou perdendo menos com menos resistência ao parasita. Como você pode explicar tudo isso em uma "pontuação" está além de mim.

No caso ideal, eu posso descer para deslizar na altitude de intercepto da pista, nivelar lá, deixar a velocidade diminuir e, em seguida, no momento em que preciso que os flaps voem mais devagar, estendo o primeiro incremento de flaps, deixe a velocidade continuar caindo, comece a descer a ladeira (a velocidade diminui mais lentamente ou se a aeronave é leve o suficiente, de modo algum), a cerca de 500 'acima do portão de "aproximação estabilizada", abaixarei o trem de pouso e estenderei mais flaps, de modo que à medida que me aproximo Naquele portão, estou estendendo o último incremento de retalhos, minha velocidade atinge o VTarget e adiciono energia. Não há tempo extra com a potência acima da marcha lenta, uma abordagem que economiza combustível.

O ATC pode não me deixar fazer isso; eles podem me manter rápidos até perto da pista; nesse caso, estou estendendo as abas e as engrenagens para mais perto das velocidades máximas para dissipar mais energia mais rapidamente e ainda assim ser configurado e estabilizado no ponto apropriado. (O 737 dissipa a velocidade rapidamente, totalmente configurado em potência ociosa, até mesmo descendo a ladeira.) Então, eu "desperdicei" alguma energia nesse cenário? Sim. Mas manter o ATC feliz para que eles possam obter uma utilização eficiente da pista também é um objetivo digno.

07.05.2019 / 01:12

Tem sido estudado Eurocontrol para suas Operações de Descida Contínua (CDO).

O cálculo será dependente do tipo de aeronave; no entanto, usando os números do estudo, pode ser estimado conforme solicitado.

For those flights currently flying non-CDO profiles, the average time in level flight from the ToD was 217 seconds with per-flight savings estimated at 46kg [of] fuel.

Usando o combustível de aviação energia especifica, uma estimativa pode ser 9 MJ de energia por cada segundo de 1 de não estar no perfil do CDO.

07.05.2019 / 13:30

In a particular descent, would it be possible to calculate or estimate how much of that energy in practice does in fact get "wasted", i.e. needs to be deliberately thrown away?

A mesma pergunta, mas de uma perspectiva diferente, é "quanta margem de energia é normalmente retida durante uma abordagem?" Tendo voado de planador, esta é uma pergunta quase-querida para o meu coração.

Suponha que você esteja indo para o desembarque. A partir de um ponto no céu, a uma certa altura (energia potencial), é possível criar um gráfico de altitude versus distância para calcular a distância que um aeroporto pode estar e basicamente sair no final da pista de chegada sem usar freios e não em movimento. Se assumindo uma atmosfera padrão, você pode derivar uma equação de forma fechada. A energia potencial no início é a energia mínima necessária para chegar a esse ponto. (Há um pouco de cinética no começo também, mas fica ofuscado pelo potencial.)

http://www.dept.aoe.vt.edu/~lutze/AOE3104/glidingflight.pdf

Sua velocidade para voar seria a velocidade máxima L / D.

Para descobrir o excesso de energia, basta olhar para a altitude inicial e depois a altitude final para a distância real a voar. A energia nessa altitude final é o excesso de energia "desperdiçado" ou a ser considerado como margem.

Eu costumava fazer isso. Em um vôo OCF (fora de controle), iniciaríamos nossa última rotação invertida no 27,000 ft, ​​em nossa área de trabalho no sul do Texas. Meu objetivo era puxar o poder para a marcha lenta no início da rodada e, se possível, não tocá-lo novamente até o ponto de estacionar nos calços (muito dependente da pista). A área de trabalho ficava a cerca de 10 km de distância. Saímos do giro, orientávamos e voávamos no perfil máximo de alcance para o campo, obtíamos uma noção do padrão e, se aberto, basicamente mergulha a bomba em uma inicial apertada, entra no intervalo em 25 + kts, quebra nos números, faça a curva circular e, se na pista certa, a afluência no final estiver próxima ao estacionamento e, se estiverem quase cheias, os últimos pontos serão na afluência, com um pouquinho de descida até a pista. calços. Tudo em aceleradores inativos. Woot!

07.05.2019 / 15:13

Primeiro, pode-se considerar um planador na Vbg. Este é o uso mais eficiente de sua energia potencial. "Capacidade de resíduos" seria qualquer desvio de Vbg e poderia ser quantitativamente determinado a partir de dados de voo e gráficos de curvas de arrasto.

Para aeronaves a motor, a mesma determinação pode ser feita desde a partida das eficiências aerodinâmica e de pico do motor / suporte.

Além disso, a consideração da partida do voo direto devido a padrões de retenção ou outro controle de tráfego pode desempenhar um papel na eficiência de longo prazo para uma grande frota de aeronaves.

No entanto, outros fatores, como segurança ou conveniência, limitam as aplicações do conceito. Um voo de Nova York para Los Angeles não diminui a velocidade para economizar combustível. De Nova York a Atlanta, pode não ser uma má idéia.

07.05.2019 / 02:36

Certo.

Vamos considerar o caso simples em que se supõe que a massa permanece constante durante a descida.

A fórmula da energia cinética é KE = (1 / 2) * m * (v ^ 2), onde m é massa ev é velocidade.

Compare a energia cinética no início e no final da descida, usando a velocidade do ar True. Se a velocidade do ar verdadeira for constante, a energia cinética é constante.

Agora compare a energia potencial (gravitacional) no início e no final da descida. Energia potencial = mgh, onde h é elevação eg é a constante gravitacional e m é massa.

A energia perdida é a diminuição da energia potencial, menos qualquer ganho em energia cinética. Ou a diminuição da energia potencial, mais qualquer perda de energia cinética.

Se a velocidade do ar é constante durante toda a descida, estamos perdendo TODA a energia potencial que tínhamos no início da descida - NENHUMA parte está sendo convertida em energia cinética ou em qualquer forma de energia armazenada.

Pena que não estamos descendo usando um suporte como um moinho de vento para ligar uma bateria e criar um arrasto, em vez de abrir spoilers e coisas do tipo.


Tudo bem, expandindo esta resposta para considerar a comparação da energia perdida na descida real com o touchdown, com a energia perdida em alguma manobra "ideal" representativa.

Qual é a manobra "ideal"?

Opção ideal 1) - no mesmo momento em que a descida seria normalmente iniciada, em vez disso, puxamos suavemente o garfo para fazer a transição para o ângulo de ataque que fornece a proporção máxima de sustentação / arraste (a menos que isso arcosse a trajetória de vôo além da vertical até o segundo trimestre de um loop, então temos que usar uma taxa mais lenta de aumento do ângulo de ataque para puxar menos "G".) De qualquer forma, acabamos fazendo um (possivelmente íngreme) ) "zoom" sobe para ganhar altitude e perder velocidade no ar e, em seguida, deixamos a trajetória de vôo voltar a deslizar em estado estacionário no ângulo de ataque (e velocidade no ar) que fornece a proporção máxima de sustentação / arrasto. Ao sobrevoarmos o ponto em que tocaríamos com o método do mundo real, observamos nossa altitude e velocidade no ar; isso nos fornece uma base para comparar a energia real perdida no método do mundo real com a energia perdida pela manobra "ideal".

2) Opção ideal 2 - retrocedemos até o ponto em que podemos deslizar até o ponto de aterrissagem do avião em uma configuração limpa, na velocidade que dá o deslizamento mais plano, após iniciar uma transição altamente eficiente para as melhores velocidade de deslizamento como a descrita na opção ideal 1. No momento do touchdown, compare o combustível nos tanques no momento do touchdown com esta opção ideal com o combustível nos tanques com o método padrão de um período de cruzeiro mais longo seguido por uma descida mais íngreme e curta. Considere também a diferença de velocidade no momento do touchdown. Agora temos uma base para dizer quanta energia é "desperdiçada" com o método padrão (mas como avaliamos a energia armazenada no combustível? Consideramos TODA a energia armazenada nas ligações químicas ou apenas a energia que o motor realmente seria capaz de extrair?)

3) Opção ideal 3 - em vez de descer, mantemos a velocidade e a altitude do cruzeiro, para que não percam energia cinética nem energia potencial. Portanto, nenhuma energia é gasta com esta opção ideal. Bem, isso é um pouco bobo e mostra que realmente precisamos levar em consideração a energia química potencial que estamos retirando dos tanques de combustível, tanto com o método atual quanto com o método ideal.

Como agora estamos considerando a energia armazenada no combustível, agora devemos revisitar a opção ideal 1. Quanta energia devemos carregar? Apenas o suficiente para que os motores gerem impulso zero - mantenha os ventiladores sob potência para que não os usemos como moinhos de vento gigantescos? Talvez um pouco menos que isso? Certamente não queremos reduzir o fluxo de combustível para zero, não é? Então os fãs se esforçavam demais.

Por outro lado, se estivermos considerando, digamos, a energia que poderia ser liberada pelo combustível em uma reação de fusão nuclear, é melhor deixar tudo nos tanques para a opção de descida "ideal", pois é muito precioso para desperdiçar qualquer.

Enquanto estamos nisso, devemos realmente observar que, com o método real - e sem dúvida com os métodos ideais - toda a energia cinética que estamos carregando no touchdown é desperdiçada - pelo menos pelo método do mundo real. acho que realmente precisamos medir até o ponto em que o avião pára com energia zero. Considere também todo o combustível desperdiçado quando aplicamos empuxo reverso. Nada disso entra em jogo para os métodos "ideais"; podemos usar o método de vôo mais eficiente possível para manter o avião em movimento no ar até sobrevoar - o ponto de aterrissagem? O ponto na pista onde o avião iria parar no mundo real? O portão no terminal? Com os métodos ideais de não aterrissagem, como #1 e #3, quando estamos prestes a sobrevoar o portão no terminal, bem acima dele, conseguimos aliviar o jugo mais para trás e sangrar a velocidade do ar até parar velocidade, ajudando-nos a manter a altitude por um tempo sem queimar (muito) combustível, ou mesmo a ganhar alguma altitude? Claro, por que não.

Muitas maneiras diferentes de configurar esse problema.

07.05.2019 / 00:48