Quanta empuxo é necessário para uma aeronave ter decolagem vertical?

Surpreendentemente, nenhum empuxo é necessário para realizar essa manobra. Até os planadores podem fazer isso. O que acontece é que a energia cinética é convertida em energia potencial, a taxa de aumento de energia potencial é proporcional à velocidade de vôo e massa da aeronave. Se você começar rápido o suficiente, esse vôo vertical pode ser mantido por vários segundos, até que a aeronave fique sem velocidade e pare no ar, seguido por uma queda descontrolada. Pilotos experientes orientam a aeronave na direção certa, iniciando uma rotação ao redor do eixo vertical na parte superior da subida, de modo que a queda seguinte permite que ela aumente a velocidade novamente com a atitude correta do nariz para baixo. Agora a energia potencial é convertida de volta em energia cinética até que a velocidade seja suficiente para uma retirada. Em acrobacias, essa manobra é chamada de um giro ou uma tenda de cabeça de martelo.

Algumas condições se aplicam, no entanto. O avião deve ser capaz de voar rápido o suficiente para ter a energia potencial necessária para sustentar a manobra durante a fase de subida. Isso é ajudado se seus motores adicionam energia, então a energia cinética sangra mais lentamente. Além disso, no topo da manobra, ele está voando a zero g, e isso requer pelo menos que todos os itens a bordo estejam bem presos. Por último, o pitch-up precisa de um fator de carga maior do que 1g, e quanto maior o fator de carga máxima, mais apertado este pitch-up pode ser executado.

Agora, a questão foi alterada: o trajeto de vôo vertical é executado logo após a decolagem. Isso limita a velocidade de entrada para a manobra e os planadores não poderão fazer isso. Se tirarmos o 737 da questão e voar sem carga e com pouco combustível, a massa de voo de $ 737-700 é de 40 toneladas e o empuxo instalado é de cerca de 200 kN (nível do mar estático). Vamos supor que o piloto acelera após a decolagem para uma velocidade horizontal de $ v $ = 100 m / s (194 KTAS) enquanto retrai as abas, a energia cinética ($ 0.5 \ cdot m \ cdot v ^ 2 $) é equivalente a uma energia potencial ($ m \ cdot g \ cdot h $) de um ganho de altitude h de $$ h = \ frac {v ^ 2} {2 \ cdot g} = 510 m $$ Os motores entregam menos impulso com velocidade crescente; talvez 40% do peso, portanto, o avião ainda acelerará nos primeiros 18 ° - 20 ° da mudança de trajetória de vôo de 90 °. Isso irá atrasar o ponto quando a velocidade tiver sido eliminada e adicionar talvez 150 m a h. A 100 m / s, um pull-up com um raio de 500 m adicionará um fator de carga de 2 g. O piloto precisa puxar menos primeiro e mais difícil no final da manobra para ficar dentro do fator de carga máxima de 2,5 . Quando a velocidade despenca, as asas também se elevam e, na segunda metade do levantamento, a asa não criará sustentação suficiente para mudar a trajetória de vôo o suficiente para alcançar a atitude vertical desejada. Além disso, a aeronave será muito baixa para uma recuperação segura.

Isso torna bastante duvidoso que um avião possa ser puxado para uma subida vertical após a decolagem. Se a manobra for iniciada em uma velocidade maior e com um pouco mais de distância do solo, não vejo razão para que não seja possível com segurança.

Para uma embarcação que pesa x kg você precisa de g*x Newtons do mínimo de empuxo para vôo vertical sustentado (ref .: física do ensino médio). Em outras palavras, para cada tonelada de peso você precisa de cerca de 9,81 kN de empuxo. O A380 tem um peso operacional vazio de 276 t, de modo que precisaria de 2707 kN de empuxo para sustentar uma subida vertical. Seus 4 motores, cada um produzindo 320kN, não chegam nem na metade.

No entanto, a aceleração vertical e a continuação em enquanto a velocidade de derramamento é possível sem empuxo.

Para responder à pergunta no título, dê uma olhada no jato de ataque AV-8B Harrier II . Tem um peso de decolagem vertical máximo de 20755 lb e seu motor produz 23500 lbf de empuxo. Isso corresponde a uma relação de empuxo-peso de cerca de 1,13: 1, uma vez que o empuxo deve exceder a força da gravidade para acelerar o plano para cima. Em contraste, o 787-9 do exemplo acima tem 142.000 lbf de empuxo e pesa entre 304.000 libras e 557.000 libras. Se o avião pesava 400.000 libras nessa decolagem, a relação impulso / peso era de aproximadamente 0,36: 1. Embora a conversão de energia cinética em energia potencial permita que um avião suba mais rápido, a quantidade de energia cinética disponível para um avião de passageiros na decolagem é mais limitada.