Beeinflusst die Frachtbilanz die Treibstoffeffizienz in der kommerziellen Luftfahrt?

Es ist wichtig, die Fracht so zu positionieren, dass der Schwerpunkt des Flugzeugs innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt, aber gibt es einen Vorteil, wenn der Schwerpunkt näher an einem idealen Punkt innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt?

Es gibt keinen idealen Punkt für alle großen Frachtflugzeuge, definiert durch einen Schwerpunkt (cg), ausgedrückt als Prozent der mittleren aerodynamischen Sehne (%mac). Es gibt viele Flugzeugmodell- und Betriebsvariationen. Die allgemeine Idee für große Flugzeuge wie die 747 besteht darin, den Schwerpunkt so weit wie möglich nach achtern zu legen und gleichzeitig unerwünschte Betriebseigenschaften in Grenzen zu halten. Je weiter hinten der Schwerpunkt ist, desto geringer ist die Kraftstoffverbrennung, denn wenn Sie den Schwerpunkt nach hinten bewegen (in Richtung der Mitte des Auftriebs des Flügels), nimmt das Abwärtsmoment des Flügelauftriebs ab und somit muss das Leitwerk weniger Abwärtskraft liefern, was bedeutet, dass der Gesamtwiderstand geringer ist und die Kraftstoffeffizienz steigt (die Aerodynamiker hier können das wahrscheinlich prägnanter sagen).

Die Betriebsbereiche des Flugzeugs definieren, wie weit Sie den Schwerpunkt nach achtern legen dürfen. Es gibt mehrere Einschränkungen in Bezug auf die Bestimmung der hintersten Grenze. Zwei offensichtliche sind die Kontrollierbarkeit in Motor-aus-Situationen und in Turbulenzen.

Man versucht jedoch nicht immer, den Schwerpunkt direkt vor die hintere Grenze zu legen. Es kann andere Überlegungen geben. Zum Beispiel beträgt bei 747-100/200/400-Flugzeugen bei typischen Gewichten die hintere CG-Grenze 33,0 % mac, aber ein üblicher Zielpunkt für die Null-Kraftstoffgewichts-CG ist 26,6 % mac. Ich kenne zwar nicht alle Gründe für die Verwendung von 26,6%, aber einer ist, dass dies die Position des Flügelgetriebes ist. Wenn Sie also aus irgendeinem Grund das Körpergetriebe nicht ausfahren konnten, sitzt das Flugzeug bei der Landung möglicherweise auf seinem Heck davon, wie viel Treibstoff Sie noch hatten und wie weit hinter 26,6 % Sie sich befinden.

Lademeister für ein bestimmtes Flugzeug sind eine gute Quelle dafür, was der übliche Zielpunkt für die Schwerpunktlage ist

Würde zusätzlicher Steuerflächenwiderstand durch Ladung verursacht, die direkt am Rande der Betriebsnormen geladen wird?

Ja, wenn Sie den Schwerpunkt an der vorderen Grenze hätten, müsste das Höhenleitwerk eine größere Abwärtskraft erzeugen als sonst, und das würde mehr Luftwiderstand bedeuten. Wenn Sie bei Großraumflugzeugen gegen das maximale seitliche Ungleichgewichtsmoment antreten, haben Sie außerdem einen Querruderwiderstand, den Sie sonst nicht hätten.

Wäre es rechenintensiv, eine optimale Belastung zu finden?

Nicht wirklich, insbesondere wenn alle Paletten/Container an einem einzigen Zielort abgeladen werden. Wenn es mehr als ein Entladeziel gibt, wird es komplizierter, da Sie möchten, dass die Paletten, die zuerst aussteigen, so positioniert werden, dass Sie sie zur Frachttür bewegen können, ohne Paletten bewegen zu müssen, die nicht aussteigen.

Es kann auch andere Einschränkungen geben. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie hätten eine 30.000-Pfund-Palette, die an Bord einer 747-100/200/400 gebracht werden sollte. Der einzige Bereich, der diese Art von Gewicht in einer einzelnen Palette der Größe M aufnehmen kann, ist über der Flügelbox. Das beschränkt Sie auf die Verwendung einer Seite von drei nebeneinander liegenden Positionspaaren. Nehmen wir an, Sie stellen diese Palette auf die linke Seite des hintersten Positionspaars nebeneinander. Das ist in Ordnung, aber Sie haben jetzt die rechte Seite auf maximal 6250 lb begrenzt.

Sie müssen auch sicherstellen, dass Sie die kumulativen Belastungsgrenzen von vorne bis zur Mitte und von hinten bis zur Mitte des Flugzeugs nicht verletzen, und einige andere Dinge.

Seit den 1980er Jahren können Computerprogramme für Weight & Balance für große Frachtflugzeuge all diese Dinge handhaben. Ich habe 1988 eine DOS-Anwendung geschrieben, die all diese Dinge tat und schließlich von drei Frachtführern verwendet wurde. 2016 wurde es endgültig abgeschafft.

Der verwendete Algorithmus war einfach. Sortieren Sie die Paletten nach Gewicht und ordnen Sie sie von der schwersten zur leichtesten zu. Legen Sie die schwerste in die Position, die dem Ziel-Schwerpunkt am nächsten liegt. Dann platzieren Sie die nächste Palette entweder vor oder hinter der vorherigen, je nachdem, welche einen Schwerpunkt erzeugt, der dem Ziel am nächsten liegt, und so weiter. Nach jeder Positionszuteilung wurde überprüft, ob eine Beschränkung verletzt worden war. Wenn dies der Fall ist, wird neu zugewiesen, bis keine Verletzungen mehr aufgetreten sind. Selbst auf langsamen Computern der DOS-Ära dauerte die Ausführung nie länger als ein paar Sekunden.

Wie viele Frachtpaletten/Container passen in ein großes Frachtflugzeug?

Hängt von der Größe der Container und der Größe des Flugzeugs ab. Es gibt viele Möglichkeiten. Gehen Sie zu dieser Seite mit ULD-Größen , um gängige Größen zu sehen. Für 747, die zivile Fracht befördern, ist der Größencode M wahrscheinlich der am häufigsten verwendete auf dem Hauptdeck, mit entweder 29 oder 30 Positionen. Für militärische Fracht war der Code B die Größe, die ich meistens auf dem Hauptdeck der 747 sah, normalerweise mit 33 an Bord.

Die unteren Laderäume der 747 waren insofern sehr unterschiedlich, als die ULDs dort unten verwendet wurden.

Wenn Sie 747-Frachtpositionskonfigurationen erkunden möchten, gehen Sie zu dieser 747-Seite zu Gewicht und Balance . Im Menü POSITIONSKONFIG können Sie verschiedene Konfigurationen zwischen 30, 29 und 33 Hauptdeckpositionen auswählen. Nachdem Sie eine Konfiguration ausgewählt haben, können Sie nach unten scrollen, um die Anordnung anzuzeigen (oder F6 drücken, entweder die Taste der linken Navigationstaste).

Die akzeptierte Antwort beschreibt dies hervorragend aus operativer Sicht, was vielleicht die Antwort ist, nach der Sie gesucht haben. Aber lassen Sie mich dies von einem vielleicht grundlegenderen flugmechanischen / aerodynamischen Punkt aus ansprechen: Ja, die Beladung beeinflusst sicherlich die Effizienz eines Flugzeugs .

Das Grundprinzip, nach dem dies geschieht, ist der Trimmwiderstand: der induzierte Widerstand, der als Folge der Kraft (typischerweise nach unten) verursacht wird, die vom horizontalen Heck erzeugt wird, um das Flugzeug auszugleichen.

Aerodynamische Effizienz, die durch das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand beschrieben werden kann

$$\frac{L}{D} \: ,$$ ist direkt proportional zur Kraftstoffeffizienz. Wenn der Gesamtwiderstand für einen festen Auftrieb (siehe festes Flugzeuggewicht) zunimmt, nimmt die Aerodynamik und damit die Kraftstoffeffizienz ab.

Die Hauptzwecke des horizontalen Leitwerks sind Längssteuerung, Dämpfung und Trimmung. Um das Flugzeug zu trimmen, muss das Höhenleitwerk eine Kraft aufbringen$F_{ht}$um sicherzustellen, dass das Gesamtmoment um den Schwerpunkt des Flugzeugs Null ist, dh dass es mit einem festen Anstellwinkel fliegt. Wie bei allen Auftriebsflächen ist der Preis für diese Auftriebskraft (sei es nach oben oder nach unten) der induzierte Widerstand:

$$D_i \: .$$ Die zum Ausbalancieren des Flugzeugs erforderliche horizontale Trimmkraft kann ziemlich beträchtlich sein, und der induzierte Widerstand der horizontalen Heckwaagen mit der Heckkraft im Quadrat: $$D_i\propto F_{ht}^2 \: ,$$ Eine Erhöhung der Kraft führt also zu einer überproportionalen Erhöhung des Luftwiderstands.

Um auf Ihre Frage zurückzukommen: Wenn die Fracht so angeordnet ist, dass der Schwerpunkt des Flugzeugs zu weit vor dem neutralen Punkt des gesamten Flugzeugs liegt (dh ein großer statischer Spielraum), ist die horizontale Leitwerkskraft erforderlich, um das auszugleichen Flugzeuge können erheblich sein und daher noch mehr der induzierte Widerstand des Hecks, der mit der Kraft im Quadrat skaliert.

Die Kausalitätskette ist so etwas wie

$$\text{Too fore cargo loading} \rightarrow \text{Large static margin} \rightarrow \text{Large trim force} \rightarrow \text{Larger trim drag} \rightarrow \text{Decreased} \: \frac{L}{D} \rightarrow \text{Increased fuel burn}$$

Laienhaft ausgedrückt...

Ein Flugzeug muss in einem bestimmten Winkel zu seiner Flugbahn stehen. Um dies zu erreichen, befindet sich der Schwerpunkt (CG) genau an der Stelle, an der er sich befinden muss, um diesen Winkel zu erreichen, und die Kraftstoffeffizienz ist optimal.

Tatsächlich muss der Schwerpunkt durch „Trimmen“ korrigiert werden, dh durch Einstellen der horizontalen Stabilisatoren, um den gewünschten Neigungswinkel zu erreichen. Dies erzeugt jedoch Luftwiderstand und erhöht den Kraftstoffverbrauch. Als die Kraftstoffeffizienz für die Kunden zur Priorität wurde, hatten die Designer eine großartige Idee! Indem Sie Kraftstoff in den horizontalen Stabilisatoren (HS) haben, können Sie den Schwerpunkt im Flug steuern, um die gewünschte Neigung zu erreichen. Dadurch wird zusätzlicher Widerstand eliminiert und der HS kann auf eine minimale Widerstandseinstellung eingestellt werden.

Der tatsächliche Schwerpunkt bleibt nicht während des gesamten Fluges konstant, da Kraftstoff verbrannt wird, verschiebt sich der Schwerpunkt, da die Kraftstofftanks keine konstante Größe haben und bei unterschiedlichen Kraftstoffständen einen anderen Wert (in Bezug auf den Schwerpunkt) haben. Durch einen Hecktank wird der Kraftstoff in den Tanks so verwaltet, dass er die beste Effizienz erreicht.

Das ist zwar ziemlich nettes Zeug, aber es ist nichts Neues. In den späten sechziger Jahren verwendete die Concorde die Kraftstoffverteilung, um das Spielfeld zu steuern, da sie keine horizontalen Stabilisatoren hatte.

Fluggesellschaften haben schon lange erkannt, dass das Trimmen tatsächlich die Effizienz beeinflusst. Eine bestimmte Fluggesellschaft aus dem Nahen Osten hatte einen „Ziel“-MACTOW für das Ladeblatt. Obwohl es nicht immer möglich war, es zu erreichen, war es etwas, das angestrebt werden sollte. In ähnlicher Weise hatte eine europäische Fluggesellschaft, für die ich arbeitete, einen „optimalen Wert“ in der Loadsheet-Software, sodass Sie ständig wussten, wo Sie den CG am besten platzieren konnten (das war in den 90er Jahren!). Für einen 10-11-stündigen Flug gäbe es ordentliche Einsparungen!