Ist "überschüssiger Schub" in einem stationären Vektordiagramm möglich?

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.

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.

• 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$\vec{F}=m\vec{a}$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$T_e = W \sin \beta$mit$W$heben und$\beta$der Steigwinkel. Wenn sehr wenig überschüssiger Schub verfügbar ist, sollten wir besser halten$\beta$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.

Mit IPE erstellte Bilder.

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.