Os aviões poderiam usar uma catapulta a vapor ou elétrica para decolar?

Vamos ver quais são as economias:

Um avião de passageiros de porte médio carrega talvez 20% de sua massa em combustível. Este combustível tem uma densidade de energia de 43 MJ por kg. Dessa energia química, no máximo, 40% é convertida em trabalho utilizável. Droga, vamos fazer 25%, então somos muito conservadores. Assim, a energia para toda a viagem é $$ E _ {\ text {trip}} = 0.2 \ cdot 0.25 \ cdot 43.000.000 \, \ frac {\ mathrm {J}} {\ mathrm {kg}} \ cdot \ text { massa} = 2,150,000 \, \ frac {\ mathrm {J}} {\ mathrm {kg}} \ cdot \ text {massa} $$

Agora assuma que este avião salva a energia para acelerar de 0 a 150 nós usando uma catapulta. Essa energia é $$ E _ {\ text {accel}} = \ frac {v _ {\ text {takeoff}} ^ 2 - v_0 ^ 2} {2} \ cdot \ text {massa} = 2,977.35 \, \ frac {\ mathrm {m} ^ 2} {\ mathrm {s} ^ 2} \ cdot \ text {massa} $$

Como escolhi unidades métricas, a conversão é fácil: $ 1 \, \ mathrm {J} = 1 \, \ mathrm {Ws} = 1 \, \ frac {\ mathrm {kg} \ cdot \ mathrm {m} ^ 2} {\ mathrm {s} ^ 2} $. Eu uso $ \ text {mass} $ para a massa de descolagem, assim você não acha que é o medidor da unidade. Agora vamos colocar isso em proporção: $$ \ frac {E _ {\ text {accel}}} {E _ {\ text {viagem}}} = 0.001385 $$

A utilização da catapulta economiza 0,1385% da energia necessária para realizar uma viagem de avião típica, assumindo as mesmas eficiências durante a aceleração do que durante o voo. Se levarmos em conta que os motores a jato são mais eficientes durante o cruzeiro, vamos dobrar a necessidade de combustível para acelerar e torná-lo 0,277%. Com certeza, é mais para voos de curto alcance, mas ainda insignificante para o que é necessário para mover a aeronave 10 km para o céu e depois para algumas centenas de milhas pelo ar a Mach 0,8. Em termos de massa de combustível, estes 0,277% são retirados de 20% da massa de descolagem. Portanto, o combustível necessário para acelerar para v $ _0 $ é 0,000554 vezes a massa de descolagem.

Para tornar um lançamento de catapulta viável, você precisa adicionar um pouco de força ao trem de pouso e à fuselagem dianteira. A fração típica do trem de pouso da massa de decolagem é de cerca de 3%, e o trem de pouso do nariz é 10% - 15% disso, então $ m _ {\ text {nosegear}} = 0.00375 \ cdot \ text {mass} $. Em relação à massa do trem de pouso, a economia de combustível com o uso de um lançamento de catapulta é $ \ frac {0,000554} {0,00375} = 0,0148 $ ou 15% da massa do nariz. Assim, os reforços precisam adicionar menos de 15% à massa do trem de pouso.

Se assumirmos uma aceleração de ½ g = 4.903 m / s², a corrida de decolagem para acelerar para 150 kts é de 607 m. Espero que mesmo essa aceleração moderada (que requer uma força de tração de metade do levantamento na decolagem) se traduza em aumentos de massa muito maiores do que aqueles 15% da massa do trem de pouso.

Seria possível, do ponto de vista da engenharia, projetar algum tipo de mecanismo de lançamento de decolagem assistida pelo solo para aviões comerciais, mesmo que qualquer um dos benefícios que você descrever fosse superado por novas desvantagens, conforme descrito em outras respostas. .

Há um novo ponto que acho que vale a pena fazer. A rolagem mais curta que significaria não é em si uma vantagem, mas uma desvantagem .

O tempo gasto na coleta de velocidade na pista com os motores em potência máxima é valioso. É uma chance de garantir que eles e o resto dos sistemas da aeronave estejam operando corretamente. Se houver uma falha, como perda de energia ou uma queda súbita na pressão hidráulica, o rolo de decolagem é um bom local para que isso aconteça, porque dá à tripulação a oportunidade de abortar com segurança.

Essa oportunidade seria perdida em uma decolagem assistida.

Vocês todos estão perdendo a resposta mais óbvia: você poderia, mas além de alguns jovens viciados em adrenalina, ninguém mais gostaria de montá-lo.

O único propósito real para uma catapulta de decolagem assistida é fornecer uma aeronave com uma rápida aceleração para Vr e além de um campo de pouso curto. Como praticamente todos os aeroportos utilizados para operações comerciais importantes têm pistas de pelo menos 1 milha ou mais, não há uma crise de infraestrutura que dite a necessidade disso.

Se você tivesse um aeródromo que fosse tão pequeno que exigisse um lançamento de CATO para levar os jatos para o ar, você também enfrentaria a tarefa de pousá-los em um pequeno espaço também. Isso exigiria que o campo fosse equipado com equipamentos de parada também.

Como apontado acima, nenhum avião foi projetado para lançar e recuperar usando esses sistemas, portanto, mesmo com o investimento em uma infraestrutura CATOBAR para um aeródromo, nenhuma companhia aérea com fins lucrativos poderia usá-lo. E praticamente não oferece economia de combustível para as companhias aéreas.

E não esqueçamos fatores humanos aqui: se tomarmos as operações CATOBAR de porta-aviões militares como um padrão de desempenho, um tiro de gato impõe uma carga de aceleração de 2-2,5 G na aeronave durante o curso de lançamento e de 2-2,5 G desaceleração durante um pouso parado. Enquanto eu tenho certeza que um viciado em adrenalina de vinte e poucos anos vai ter uma emoção se for, será uma experiência desagradável para a maioria das pessoas e muito perigosa para os idosos, as mulheres grávidas, doentes, etc.

Não podemos fazer isso, pois há 0 aeronaves comerciais projetadas com catapultas em mente.

Sua suposição de que isso levaria à economia de custos está errada, em muitos níveis. O principal deles seria:

O rolo de decolagem (a parte em que as catapultas podem atuar) dura apenas alguns segundos.

Além disso:

1. Você precisa de força total para escalar, então você não pode descer no chão
2. Você não pode acelerar muito mais rápido devido ao estresse da estrutura e dos passageiros

A catapulta ajudará você a acelerar de 0 para V1, mas eles não podem fazer nada para ajudá-lo a subir para o nível de cruzeiro.

Adicionar um novo sistema seria muito caro, impraticável e pouparia apenas alguns segundos de aceleração.

Se realmente houvesse um benefício econômico líquido ou de segurança, eles já estariam em uso. As catapultas existem há tempo suficiente para ser uma tecnologia comprovada quando usadas.

Considere que algumas companhias aéreas alteraram seus esquemas de pintura porque reduziriam o peso da aeronave para economizar uma quantidade significativa de combustível ou adicionar capacidade extra de carga útil. Se eles observaram e implementaram coisas desse tipo, tenho certeza de que as catapultas não seriam esquecidas por tanto tempo.

Tenha em mente que, ao contrário das aeronaves militares, as aeronaves civis são projetadas para proporcionar conforto e economia.

Conseguir qualquer tipo de avião típico adaptado para uso em catapultas significaria reforçar a estrutura e a estrutura da aeronave (aumentando assim o peso); suportes reforçados ou reforçados de outra forma, montagens de motor, possíveis modificações nas rodas e trem de pouso - tudo isso aumenta o peso, o que significa custo, pois mais combustível seria necessário (ou menos passageiros poderiam ser transportados), consumindo qualquer economia.

Não se esqueça de ter as pistas modificadas (custos adicionais) e os inevitáveis atrasos de fechamento de pistas, e os atrasos adicionais, já que o mecanismo de catapulta deve ser "reinicializado" após cada decolagem.

O núcleo disso se resume a isso para mim.

Leva x energia para ir de 0 a velocidade de subida. Se essa energia vem do "chão" através de uma catapulta ou dos motores, não há economia real. Você ainda tem que gastar a energia. A única economia pode estar no custo do combustível para gerar essa energia. No entanto, mesmo que as economias nos custos de combustível sejam extremas, a energia total gasta para chegar a uma altitude de cruzeiro é menor em comparação com a energia gasta na manutenção de uma aeronave lá em cima. O custo de manter a catapulta provavelmente compensaria o custo do combustível "extra" necessário para que os motores produzissem a energia de escalada.

Lembre-se de que as catapultas em porta-aviões não são usadas porque a economia de custos é utilizada porque não há outra maneira de fazer com que uma aeronave atinja a velocidade na pista. À medida que o VTOL se torna mais popular, as catapultas são usadas cada vez menos.

Muitas marinhas foram totalmente para os sistemas STOBAR ou STOVL. As tendências atuais parecem ser "encontre algo além de uma catapulta para colocar essa coisa no ar", mesmo quando isso custa à flexibilidade.

Então, corra seus pontos:

• Menos pista: Não, ainda temos que pousar, e mesmo se isso fosse verdade, pouquíssimos locais são tão apertados que as pistas não podem ser estendidas. Pode ser caro fazê-lo, mas diabos, o Japão (eu acho) construirá uma ilha totalmente nova para manter seu aeroporto.

• Economia de combustível: talvez. Se você usa uma catapulta a vapor e faz o vapor com carvão, e a diferença de custo por unidade de trabalho entre carvão e combustível de aviação era suficiente, então sim, poderia haver uma economia de combustível. No entanto, seria quase certamente compensado pelos custos de manutenção.

• Mais rápido: não! Leva tempo para carregar essa catapulta. Não é instantâneo. Você não pode simplesmente lançar uma segunda aeronave assim que a primeira saia da pista. A catapulta deve ser ajustada, carregada e depois disparada. Em operações militares, você só pode lançar um número X de embarcações. Portanto, é possível que uma catapulta militar possa ser carregada durante todo o lançamento. Um aeroporto, no entanto, é contínuo. Portanto, haverá tempo quando a cobrança for necessária. Existem maneiras de contornar isso, como "carregamento lateral" de duas fontes, de modo que, como uma está esgotada, a outra está sendo carregada. Mas isso aumentaria ainda mais o custo e a complexidade.

Vantagens:

• Pode acelerar mais lentamente, mas por um período mais longo, permitindo uma passeio mais suave para a aeronave e os passageiros.
• Dependendo se é uma rampa plana ou curva, pode lançar até algumas centenas de pés no céu com um AOA decente.
• As velocidades de lançamento podem estar próximas à velocidade máxima da aeronave, em vez de exceder o necessário para lançá-la no ar, economizando combustível, pois é mais fácil manter uma velocidade do que acelerar até uma.
• Desembarques só podem ser em uma direção, mas com gravidade para ajudar a quebrar, permite uma desaceleração maior e, esperamos, diminui o tempo da pista para o terminal.
• Menos propensos a cortar a cauda ao aterrissar, pois o ângulo da rampa tornará a cauda proporcionalmente maior.

Desvantagens:

• Sua aeronave pode cair / ser soprada para o lado da rampa durante o pouso / decolagem.
• Aeronaves não catapultas convertidas podem não ser capazes de decolar de seu aeródromo quando aterrissarem (depende da rampa e do tipo de aeronave, bem como dos ventos prevalecentes).
• Mencionado anteriormente, mas os pousos praticamente terminam como um assunto mono-direcional, então se o vento estiver contra você, você terá que redirecionar.

Mitigação:

• Construa a rampa perto da pista existente, mas não em cima dela. Como o final da rampa é bastante alto, outras estruturas, como hangares, podem ser incorporadas sob ela. Isso economizaria espaço e permitiria decolagens e pousos regulares / não assistidos na pista regular, mas poderia ter sérias repercussões caso uma aeronave caísse de um lado para o outro.
• Dado o comprimento que temos para a rampa, poderíamos usar algum tipo de trator ou pushback de alta velocidade em vez de uma catapulta dedicada que reduziria os tempos de recarga / calibração - o mesmo veículo reboca a aeronave até a pista. (ok, algumas handwaves estão acontecendo aqui, mas várias "catapultas" itinerantes são uma ideia que só precisa de uma solução).

De acordo com este site , um B747 usa 5.700 lbs para a decolagem, de 422.000 lbs max. combustível. Isso é 1,35% de combustível para um avião de longo alcance, percentual para um avião de menor alcance seria maior. A catapulta ou linha de reboque elétrico teria agora de fornecer a energia de decolagem - se alimentada por eletricidade, a eficiência é muito maior. Um fator de mais de 2 é obtido por não acelerar o ar, mas a própria aeronave, e o poder de ciclo combinado é muito mais eficiente do que uma única turbina a gás. Da wikipedia :

By combining these multiple streams of work upon a single mechanical shaft turning an electric generator, the overall net efficiency of the system may be increased by 50–60%. That is, from an overall efficiency of say 34% (in a single cycle) to possibly an overall efficiency of 62.22% (in a mechanical combination of two cycles) in net Carnot thermodynamic efficiency. This can be done because heat engines are only able to use a portion of the energy their fuel generates (usually less than 50%). In an ordinary (non combined cycle) heat engine the remaining heat (e.g., hot exhaust fumes) from combustion is generally wasted.

Além disso, Airbus está fazendo um caso para isso. O empuxo máximo só é usado na decolagem, uma decolagem assistida significaria motores mais leves com menor queima de combustível associado. Do artigo:

Listen to the changing sound of engines during flight and it’s obvious: an aircraft draws on its power reserves more during takeoff than at any other time. The power needed to take off is determined based on a number of factors - including runway length, wind speed, temperature, and the weight of the aircraft itself.

However, this takeoff power only is required for a very brief portion of the total flight. Once cruising in the sky overhead, an aircraft doesn’t need as much to maintain altitude. So why not source the energy required at takeoff from an innovation installed on the ground? Can the burden (and weight) be removed from the aircraft itself?

An assisted takeoff – using some form of propelled acceleration – would mean aircraft could be lighter, with smaller engines consuming less fuel.

Portanto, haveria economia de combustível, além do combustível economizado para a decolagem.