Ist "überschüssiger Schub" in einem stationären Vektordiagramm möglich?

Da ich kürzlich sehr viel von dem Modell des geschlossenen Dreiecks aus Auftrieb, Gewicht und Schub (wobei das Gewicht die Hypotenuse bildet) für den Steigflug überzeugt war, habe ich die Logik auf Herz und Nieren geprüft (Validierung) und bin bei einem ziemlich grundlegenden Konzept hängengeblieben: übermäßiger Schub kann nur vorübergehend sein.

Höheres Gas erhöht die Geschwindigkeit. Wir können einen Steigflug mit höherer Geschwindigkeit einleiten, wobei der Schub gegen einen erhöhten Luftwiderstand wirkt, und den Steigflug gegen den geneigten Auftriebsvektor halten, indem wir den Auftriebskoeffizienten erhöhen, indem wir den AOA erhöhen .

Beachten Sie, dass bei einem GA-Flugzeug (25 % max. Schub zum Abheben) eine übermäßige Erhöhung des AOA zu einem Geschwindigkeitsverlust führt. Tatsächlich ist es so, wie man ein Flugzeug abwürgt.

Nicken kann niemals vor dem Abwürgen in Schweben übergehen.

Kann jemand bestätigen, dass es neben dem Gasgeben vor dem Startlauf überhaupt "überschüssigen Schub" gibt?

"Überschüssiger Schub" bedeutet "mehr Schub als für einen Horizontalflug erforderlich", nicht "mehr Schub als für einen unbeschleunigten Flug erforderlich". Ich denke, Sie stecken vielleicht nur bei dieser Definition fest?
@Sanchises das wäre überschüssiger Schub vorhanden . Ich will kein Unruhestifter sein, aber dieses Vektordiagramm "Lift-Drag-Weight" ist fraglich (für leichte GA-Flugzeuge).
Ich poste später eine Antwort. Das Freikörperdiagramm kann nicht in Frage gestellt werden, denn es würde das Ende der Newtonschen Physik bedeuten :)
Ja, überschüssiger Schub ist immer vorhanden, wenn das Flugzeug beschleunigt. Aber das ist kein streng stationärer Zustand. Es ist jedoch durchaus möglich, das Vektordreieck um einen Beschleunigungsterm zu erweitern, der den zusätzlichen Schub ausgleicht. Gleiches gilt für den Steigflug: Dies ist kein streng stationärer Zustand, sondern kann quasistationär modelliert werden, da sich die Parameter nur langsam ändern. Am Ende ist selbst ein unbeschleunigter Horizontalflug kein streng stationärer Zustand, da Treibstoff verbrannt wird, sodass die Flugzeugmasse mit der Zeit abnimmt.
@Peter Kampf zusätzlicher Schub führt zu zusätzlichem Luftwiderstand, entweder durch erhöhte Geschwindigkeit oder durch erhöhten AOA (oder durch erhöhten Sturz). Worauf ich bei diesem Verhältnis von Gewicht zu Schub hinauskomme, ist, dass (in einer aerogravimetrischen Umgebung) (in einer aerogravimetrischen Umgebung) mehr Schub äquilibriert mit mehr widerstand. Es ist die erhöhte Energie des Systems (Power), die es uns ermöglicht, schneller zu gehen oder zu klettern.
@Sanchises bitte, nein, nicht das Ende der Newtonschen Physik, es gilt möglicherweise nicht für ein kletterndes GA-Flugzeug. Dort kann die statische Stabilität auch beim Steigen oder Sinken wirksam bleiben, was größere Auftriebsvektoren zulässt, nicht kleinere. Ein Piper Cub kann nicht an seinem Schub teilnehmen und ihn zum Auftrieb verwenden. Es muss den mechanischen Vorteil des Flügels nutzen. Beachten Sie jedoch, dass das Auftriebs-Schub-Gewichts-Diagramm (in seiner einfachsten Form) für eine Rakete funktioniert, da die Rakete genügend Schub hat, um Gewicht und Luftwiderstand gleich zu sein .
@RobertDiGiovanni: Im ersten Moment ist die Geschwindigkeit noch langsam und der gesamte Widerstandsanstieg kommt vom stärkeren Windschatten. Bei einem Steigflug muss der Schub höher sein, da das Gewicht eine Rückwärtskomponente (relativ zur Schublinie) hat und ein Teil des Gewichts vom Triebwerksschub getragen wird. Derselbe Grund, warum der Auftrieb im Steigflug kleiner wird: Der Motor übernimmt etwas.
@Peter Kampf vielen Dank für Ihr Fachwissen und Ihre Kommentare. Sie sind immer eine Freude zu lesen und darüber nachzudenken. All dies ist plausibel, aber ich bin (vorerst) anderer Meinung, da der Auftrieb das Flugzeug "schwerelos" macht. Kein Vektor zum Verschieben nach vorn und hinten. Da der Flügel im Wesentlichen einen mechanischen Vorteil bietet (in den Vektordiagrammen nicht gezeigt), kann es besser sein, zusätzlichen Schub für zusätzlichen Luftwiderstand (von erhöhter AOA oder Geschwindigkeit) zu verwenden.
Es scheint, dass dies ein Duplikat von -- Aviation.stackexchange.com/questions/40921/… sein könnte -- zumindest kann es durch das Lesen der richtigen Antworten auf diese Frage beantwortet werden
Bezüglich "es gilt möglicherweise nicht für ein kletterndes GA-Flugzeug. Dort kann die statische Stabilität auch beim Steigen oder Sinken wirksam bleiben, was größere Auftriebsvektoren zulässt" - Sie irren sich in der Vorstellung, dass die statische Stabilität der geschlossenen irgendwie entgegengesetzt ist rechtwinkliges Dreieck aus (TD), W und L, wobei W die Hypotenuse ist und L und (TD) beide nicht vertikal sind. Beachten Sie den ausführlichen Hinweis auf einen konstanten Anstellwinkel in all meinen Antworten zum Kräftegleichgewicht beim Steigflug. Das ist es, was die statische Stabilität "versucht" - einen konstanten Anstellwinkel aufrechtzuerhalten.
Beachten Sie den Hinweis darauf, dass Sie den Steuerknüppel oder das Joch nach vorne bewegen müssen, wenn wir sehen möchten, dass eine Erhöhung des Schubs zu einer Erhöhung der Fluggeschwindigkeit und keiner Änderung der Nicklage führt, im dritten Absatz vom Ende dieser Antwort Aviation.stackexchange.com/ a/82047/34686 . Siehe auch dritter Absatz der vorliegenden Antwort Aviation.stackexchange.com/a/82237/34686 für was passiert, wenn wir den Schub erhöhen, ohne den Anstellwinkel zu ändern .
Ist es möglich, dass gute Antworten auf die folgende vorgeschlagene neue ASE-Frage dazu beitragen würden, Ihr Unbehagen zu zerstreuen: „Beschreiben Sie Schritt für Schritt genau, was mit der Größe und Richtung der Auftriebs-, Widerstands- und Schubvektoren und der Fluggeschwindigkeitsvektor und die Steigrate, wenn wir horizontal fliegen und dann den Schub erhöhen, ohne das Höhenruder zu bewegen. Angenommen, eine starke statische Stabilität hält den Anstellwinkel konstant. Angenommen, kein Schub nach unten oder nach oben, relativ zur Richtung der Flugbahn."
Ich bin mir nicht sicher, ob dies ein Duplikat einer bereits gestellten Frage wäre oder nicht. Viele meiner Antworten berühren dies, sind sich aber nicht sicher, ob sie alle im Detail ausgeführt werden, einschließlich der Kräfte während des Übergangs zum Steigen und der Kräfte beim darauffolgenden Steigen im stationären Zustand .
@quiet flyer Ich habe wiederholt gesagt, dass das geschlossene Vektordiagramm funktioniert. Die Feinheiten sind, wie "überschüssiger Schub" aufgeteilt wird. Bei niedrigeren Steigwinkeln können wir möglicherweise wirklich nette Dinge tun, wie z. B. etwas schneller mit niedrigerem AOA zu steigen.
Nun, für diejenigen, denen ein wenig Spaß und Kontroversen nichts ausmachen, lassen Sie uns die Tonhöhe noch weiter abflachen und einen übermäßigen Auftrieb anstelle eines übermäßigen Schubs verwenden, um nach oben zu beschleunigen . Was könnte das mit unserem Trimm machen? Könnten wir vielleicht etwas weniger (schleppenden) Höhenruderabtrieb brauchen? Fängt das an, ein bisschen wie Vbg auszusehen? Zwei zu berücksichtigende Beobachtungen: Eine statisch neutrale Ebene wird steigen, sich aber in einer Böe nicht stark aufrichten. Ein Ruder wird in die entgegengesetzte Richtung ausgelenkt, um die Leine in einem Seitenschlupf zu halten.
Wir können also sehen, dass das "geschlossene Dreieck" ein guter Ausgangspunkt für die mechanistische Modellierung ist, aber es wird getestet. (Optional böses Gelächter)
@RobertDiGiovanni - siehe meine Kommentare unter der Antwort von Sanchises, sie können etwas klären, das Ihnen fehlt.
@quiet flyer schon mal was von "cruise rise" gehört?

Antworten (3)

Zunächst müssen wir uns darüber im Klaren sein, was genau „überschüssiger Schub“ ist. Ich werde zwei mögliche Definitionen auflisten, obwohl viele weitere möglich sein könnten.

  1. Überschüssiger Schub ist die Komponente der resultierenden Kraft in Richtung der Flugbahn. Unter Verwendung dieser Definition stehen überschüssiger Schub und stationärer Flug direkt im Widerspruch (weil jede Nettokraft zu einer Beschleunigung führt). In diesem Fall ist also kein übermäßiger Schub im stationären Flug möglich.
  2. Überschüssiger Schub ist Schub minus Widerstand. Es teilt das große klumpige Ding namens "Schub" in zwei Zahlen auf: eine, die verwendet wird, um dem Widerstand entgegenzuwirken (die immer da ist), und eine andere, die für nützliche Dinge verwendet werden kann.

Da wir die erste Möglichkeit bereits beantwortet haben, erstelle ich nun die Freikörperbilder für die zweite Möglichkeit.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Links haben wir Horizontalflug. Wir erkennen die vier Grundkräfte des Fliegens: Auftrieb (blau), Gewicht (grün), Widerstand (rot), Schub (orange). Es ist sofort klar, dass sich alle Kräfte gegenseitig aufheben, und wir werden fröhlich dahinrollen.

In der Mitte haben wir einen stetigen Anstieg. Alle Vektoren, mit Ausnahme des Gewichtsvektors, werden nach hinten „gekippt“ und ändern ihre Größe. Der Auftrieb hat leicht abgenommen, und als Folge davon hat sich auch der Luftwiderstand geringfügig verringert (obwohl das eigentlich keine Rolle spielt). Die größte Veränderung ist im Schub zu sehen, der sich fast verdoppelt hat!

Auf dem rechten Bild habe ich bewiesen, dass trotz all dieser Änderungen die Nettokraft immer noch Null ist. Ich habe den Auftriebs- und Widerstandsvektor in Lila ersetzt, indem ich den Widerstand vom Schub abgezogen habe. Aber Moment mal! Dieser violette Vektor ist genau das, was ich „überschüssigen Schub“ genannt habe: Schub minus Luftwiderstand! Dieser violette Vektor gibt uns also einen schönen Hinweis darauf, wie viel „zusätzlicher“ Schub wir verwenden, um sicherzustellen, dass die resultierende Kraft auf das Flugzeug immer noch Null ist.

Der manchmal zu hörende Begriff "maximal verfügbarer überschüssiger Schub" ist dann ein Hinweis darauf, wie weit wir den blauen Auftriebsvektor "zurückkippen" können. Auf dem Diagramm rechts sollte es offensichtlich sein, dass dies den violetten Vektor „überschüssiger Schub“ „dehnt“. Der steilste Steigflug wird somit erreicht, wenn der überschüssige Schub gleich dem maximal verfügbaren überschüssigen Schub ist.

Glossar
  • Resultierende Kraft: auch Nettokraft genannt. Die Summe aller Kräfte, die auf das Flugzeug einwirken.
  • Stationärer Flug: Alle Beschleunigungen (im Bezugssystem der Erde) sind Null. Dh Horizontalflug, stetiger Steigflug, stetiger Sinkflug. Wegen F = M A bedeutet null Beschleunigung null resultierende Kraft.

Nachtrag I: Aus den Kommentaren: "Ein Piper Cub kann nicht an seinem Schub teilnehmen und ihn zum Auftrieb anwenden." Wir sehen auf dem Bild oben leider, dass eine Piper Cub genau das tun muss, um überhaupt zu klettern. Der überschüssige Schub T e Erfordernis T e = W Sünde β mit W heben und β der Steigwinkel. Wenn sehr wenig überschüssiger Schub verfügbar ist, sollten wir besser halten β klein - genau das, was Sie von einem kleinen Jungen erwarten würden!

Anhang II: Unten das gleiche Bild, aber mit überschüssigem Schub gemäß Definition 1. Die Vektoren sind kein „geschlossenes Dreieck“ mehr, und die Nettokraft ist nicht Null. Das Flugzeug beschleunigt jetzt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Mit IPE erstellte Bilder.

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Bei einem stationären Aufstieg ist Schub kein Bein des geschlossenen Dreiecks von Kraftvektoren; eher (Schub-Drag) ist.

Siehe das rechte Vektordiagramm in dieser verwandten Antwort. Wird für einen Aufstieg ein übermäßiger Auftrieb oder eine übermäßige Leistung benötigt? . Das Diagramm zeigt, dass, wenn unsere Definition von "überschüssigem Schub" (Schub minus Luftwiderstand) ist, dann eindeutig überschüssiger Schub in einem stationären Steigflug vorhanden ist.

Die vorliegende Frage scheint zu implizieren, dass wir, wenn wir horizontal fliegen und dann den Schub erhöhen, den Anstellwinkel erhöhen müssen, wenn wir steigen wollen, anstatt horizontal zu beschleunigen. Dies ist zumindest auf lange Sicht nicht der Fall. Wenn wir den Anstellwinkel konstant halten und den Schub erhöhen, haben wir eine kurze anfängliche Beschleunigung, aber wir landen in einem stetigen Steigflug mit einer etwas geringeren Fluggeschwindigkeit als wir begonnen haben, zumindest in dem Fall, wo in Bezug auf die tatsächliche Richtung der Flugbahn ist zu jedem Zeitpunkt wenig oder kein Abwärtsschub vorhanden.

Der Grund dafür ist, dass die Auftriebs- und Luftwiderstandsbeiwerte für jeden gegebenen Anstellwinkel konstant sind, sodass die Fluggeschwindigkeit gemäß der Quadratwurzel des Auftriebsvektors skaliert wird, was auch bedeutet, dass die Fluggeschwindigkeit gemäß der Quadratwurzel des Luftwiderstands skaliert Vektor. Und wir wissen, dass der Auftrieb im stationären Steigflug etwas geringer ist als im Flügelhöhenflug, gemäß der Beziehung Auftrieb = Gewicht * Cosinus (Steigwinkel), zumindest in dem Fall, in dem kein Abwärts- oder Auftrieb vorhanden ist Richtung der Flugbahn.

Beachten Sie die Beziehung zwischen Schub und Fluggeschwindigkeit in einer der beiden rechten Tabellen in dieser verwandten Antwort. Wird für einen Steigflug übermäßiger Auftrieb oder übermäßige Leistung benötigt? .

Die rechten Tabellen gehen davon aus, dass bezogen auf die Richtung der Flugbahn kein Auf- oder Abtrieb vorhanden ist. Jede Tabelle geht von einem konstanten Anstellwinkel von einer Reihe zur nächsten aus.

(Die Fluggeschwindigkeitswerte sollen jedoch nicht in den gleichen Einheiten zwischen den beiden Tabellen skaliert werden, da der Auftriebsbeiwert nicht angegeben ist und vermutlich in der oberen Tabelle viel geringer ist als in der unteren Tabelle.)

Möglicherweise finden Sie die Vektordiagramme, Berechnungen und Erklärungen in dieser anderen verwandten Antwort ebenfalls hilfreich - Ist das Gewicht beim Aufstieg gleich?

Wenn während einer stationären Flugphase weniger als der volle Schub verwendet wird, kann davon ausgegangen werden, dass überschüssiger Schub verfügbar ist.

Das Aufbringen eines Teils oder des gesamten übermäßigen Schubs führt zu einer Störung des stationären Zustands - entweder Beschleunigung im Horizontalflug, Übergang in einen Steigflug, erhöhte Steiggeschwindigkeit, verringerte Sinkgeschwindigkeit oder eine Kombination davon, je nachdem, was der Pilot für das Flugzeug wünscht z. B. bei 10.000 ft AMSL oder FL100 aus 250 Knoten beschleunigen und steigen, einmal bei Steiggeschwindigkeit, sagen wir 290 Knoten, die Geschwindigkeit beibehalten und mit der resultierenden Steigrate weiter steigen, basierend auf einer festen „Steigschub“-Einstellung während dieser Sequenz.

Nur zur Verdeutlichung, es kann sogar während des Steigens und Sinkens einen stabilen Zustand geben, wenn bei konstanter Geschwindigkeit und konstanter Steigrate und konstantem Schub, obwohl diese Gleichung in Wahrheit auch von den Änderungen der Eigenschaften beeinflusst wird, die durch die Standardatmosphäre beschrieben werden.

Eine andere Sichtweise ist, dass der Heizwert des durch Erhöhung des Schubs verbrannten Treibstoffs Energie in dieses System einbringt, die entweder für eine Erhöhung der kinetischen Energie (Geschwindigkeit) oder der potenziellen Energie (Höhe) verwendet wird oder von beiden geteilt wird.

An oder nahe der Begrenzung der Flugzeugobergrenze kommen andere Faktoren ins Spiel, da auch viel überschüssiger Schub möglicherweise einfach nicht verfügbar ist, also ist das eine andere Geschichte.

Betreff: Wenn während einer stationären Flugphase weniger als der volle Schub verwendet wird, kann davon ausgegangen werden, dass überschüssiger Schub verfügbar ist ursprüngliche frage?
Brennwert des verbrannten Treibstoffs ... bringt Energie ins System, die entweder zur Steigerung von (Geschwindigkeit) oder (Höhe) verwendet wird, zeigen aber weiterhin den Schubvektor in ihren Diagrammen. Es ist die Wirkung des Schubs (Einströmen von Energie) und wie der erhöhte Luftwiderstand genutzt wird, erhöhte Geschwindigkeit oder Höhe ( erhöhter AOA ). Klingt nicht so, als würdest du weniger Auftrieb bekommen, wenn du eines von beiden machst.
@ skipper44 Ich mochte Ihre praktische Antwort und die Tatsache, dass Sie Änderungen in den Eigenschaften der Atmosphäre erwähnt haben. Ich "fliege meine Fluggeschwindigkeit, nicht mein Gas", weil die aerodynamischen Eigenschaften des Flugzeugs von der Geschwindigkeit abhängig sind. Es beunruhigt mich nur ein wenig, dass die Leute über Schub sprechen, wenn ein übermäßiger Schubeingang möglicherweise nicht schnell genug ist, um V zu erhöhen, wenn das Flugzeug niedrig und langsam ins Stocken gerät. Überschüssiger Schub wird durch F=ma in Geschwindigkeit umgewandelt.
@RobertDiGiovanni, Schub kommt vom Motor, der wiederum mit Kraftstoff betrieben wird. Um den Schub zu erhöhen, müssen Sie den Kraftstofffluss erhöhen. Das Erreichen und Aufrechterhalten einer höheren Geschwindigkeit oder Höhe hängt vollständig vom "Heizwert des durch Schuberhöhung verbrannten Treibstoffs ..." ab.
Das stimmt, ich könnte auch Flugbenzin auf den Boden schütten und anzünden, aber das bringt das Flugzeug nicht zum Fliegen (allerdings viel Heizwert). Aber jetzt reden wir über Motoreffizienz. Schub kann das Flugzeug nur beschleunigen . Wenn man also zu langsam ist und nicht schnell genug beschleunigen kann, sind sie es S C R e w e D .
Genau mein Punkt, es sei denn, der Motor verbrennt diesen zusätzlichen Kraftstoff, Sie wären gezwungen, die vorhandene Energie des Systems zu teilen, dh Geschwindigkeit einzutauschen (zu senken), um Höhe zu gewinnen, oder Höhe einzutauschen (zu verlieren), um Geschwindigkeit zu gewinnen. Wir sprechen über den Energieanteil, und das Gesetz der Energieeinsparung, Effizienz ist ein wichtiger Bestandteil dieser Gleichung, aber für diese Diskussion nicht direkt relevant.