Warum der Mangel an schnelleren kolbengetriebenen Flugzeugen?

Es gibt nicht sehr viele schnelle Kolbenflugzeuge in Produktion. Mit „schnell“ meine ich, wenn Sie Anfang bis Mitte des 20. Jahrhunderts zurückblicken, bevor sich Turbinen durchsetzten, gab es viele Kolbenflugzeuge in der Produktion, die die praktische Geschwindigkeitsgrenze von Propellerflugzeugen überschritten und beim Militär über 360 Knoten geflogen sind Flugzeuge, manchmal so schnell wie 330 Knoten in Verkehrsflugzeugen. Und das mit einem im Vergleich zu heute schrecklichen Verständnis von Aerodynamik und Kolbenmotoren.

Heute sind die schnellsten Geschwindigkeiten sowohl für Ein- als auch für Zweierboote nicht viel höher als 200 Knoten. ~240 Knoten im Fall der allerschnellsten verfügbaren Flugzeuge wie der Cessna 400 und der schnellsten Mooney.

Es gibt Hinweise darauf, dass mit modernen Materialien und Technik mit bereits verfügbaren Kolbenmotoren viel höhere Geschwindigkeiten erreicht werden können. Das Cobalt CO50 Valkyrie-Design behauptet, eine geräumige 4-Personen-Kabine mit einem einzigen 350-PS-Motor auf bis zu 260 Knoten zu bringen. Die kürzlich zertifizierte Diamond DA-62 kann mit nur zwei 180-PS-Motoren eine geräumige Kabine für 7 Passagiere mit ~200 Knoten bewegen.

Warum gibt es keine schnelleren Kolbenflugzeuge? Wäre der Markt nicht an kolbengetriebenen Flugzeugen interessiert, die 300 Knoten schaffen könnten? Sollten Sie nicht in der Lage sein, fast diese Geschwindigkeiten für ein sehr kleines Flugzeug zu erreichen, das von einem einzigen gewöhnlichen 350-PS-Motor angetrieben wird? Sollten Sie diese Geschwindigkeiten nicht in einem geräumigeren Flugzeug mit zwei gewöhnlichen 350-PS-Motoren erreichen können?

Mein Verständnis des Marktes ist, dass der Hauptgrund, warum sich Menschen für Kolben entscheiden, die Kosten sind. Und sind die Kosten für den Betrieb von Kolbenmotoren, sogar von zwei Kolbenmotoren gegenüber einem einzelnen Turboprop, nicht viel viel niedriger? Wie viel kostet ein 350-PS-Kolbenmotor mit Turbolader nagelneu, 50.000 bis 60.000 Dollar? Selbst der Kauf eines Paares kostet also 100.000 bis 120.000 Dollar. Und wie viel kostet dann ein einzelnes vergleichbares Turbinentriebwerk? ~800.000 Dollar mit proportional höheren Umbaukosten pro Flugstunde? Plus 20%+ höherer SFC als ein Kolben?

Grundsätzlich sehe ich die Piper M600 bei 2,8 Mio. USD oder die TBM930 bei 3,9 Mio. USD notiert, und ich verstehe nicht, warum es schwierig wäre, mit einem billigen Paar fast die gleiche Leistung für einen Bruchteil des Preises zu erzielen Kolbenmotoren. Zum Beispiel hat die Piper M350 die gleiche Kabine für 6 Passagiere wie die M600 und beinhaltet auch eine Druckbeaufschlagung und macht mit einem einzigen 350-PS-Motor über 210 Knoten auf einer sehr alten Flugzeugzelle mit einem Listenpreis von unter 1,2 Mio. USD. Wenn Sie im Grunde dasselbe Flugzeug gebaut haben, aber für zwei Motoren neu optimiert und moderne Materialien und Aerodynamik verwendet haben, sollten Sie dann nicht in der Lage sein, fast 300 Knoten zu erreichen, indem Sie einen weiteren Kolbenmotor hinzufügen? Und sollten Sie das resultierende Flugzeug nicht für weit unter 2 Mio. USD und mit einem deutlich günstigeren SFC und damit einer Reichweite und Nutzlast als die M600 verkaufen können?

Schauen Sie sich den Besitz der Flugzeuge an. Die Besitzer dieser Flugzeuge sind größtenteils GA-Piloten, die nur zum Spaß fliegen wollen, also brauchen sie kein so schnelles Flugzeug (es gibt jedoch ein paar Ausnahmen).
Unterhalb von 10.000 Fuß gibt es eine von der FAA auferlegte Geschwindigkeitsbegrenzung von 250 Knoten.
@RonBeyer, das ist interessant, obwohl nicht viele in Betrieb befindliche Flugzeuge mit Kolbenantrieb in der Lage sind, effizient nahe und über 20.000 Fuß zu fliegen? Mein Verständnis war, dass dies der Fall ist, selbst wenn viele Kolbenflugzeuge nicht einmal turbogeladen sind, geschweige denn unter Druck stehen. Außerdem wollte ich das Wort "Mangel" verwenden, obwohl Sie vielleicht Recht haben, "Tod" wird mehr Aufmerksamkeit erregen :)
@ Charles847 "... sollten Sie nicht in der Lage sein, fast 300 Knoten zu erreichen, indem Sie einen weiteren Kolbenmotor hinzufügen? ..." Leider funktionieren Requisiten nicht ganz so. Ein Propeller kann nur so schnell fliegen, also wird das Hinzufügen eines weiteren nicht unbedingt dazu führen, dass ein Flugzeug schneller wird.

Antworten (3)

Der Leistungsbedarf eines Flugzeugs wächst mit der Würfelgeschwindigkeit. Wenn Sie mit einem Flugzeug, das eine gesetzlich vorgeschriebene Mindestgeschwindigkeit einhalten muss, schnell fliegen , ist Ihr Luftwiderstandsbeiwert nahezu konstant, sodass schnelleres Fliegen zwei Dinge mit einem Propellerflugzeug bewirkt:

  1. Der Widerstand steigt mit dem dynamischen Druck, der proportional zur Geschwindigkeit im Quadrat ist
  2. Der Schub sinkt mit dem Kehrwert der Geschwindigkeit.

Leistung ist Schub mal Geschwindigkeit. Wenn die 350 PS Sie also auf 210 Knoten bringen, kann eine Verdoppelung der installierten Leistung Sie nur auf 264 Knoten bringen. Eine Turbine kann den erhöhten dynamischen Druck durch Staurückgewinnung noch bedingt nutzen , daher ist hier der Schubabfall über der Drehzahl nicht ganz so schlimm wie bei Kolbenmotoren.

In einer Gleichung ausgedrückt, die Leistung P Nachfrage nach einer bestimmten Geschwindigkeit v ist:

P = D ⋅ v η P r Ö p = ρ ⋅ v 2 ⋅ S r e f ⋅ c D ⋅ v 2 ⋅ η P r Ö p → v = 2 ⋅ P ⋅ η P r Ö p ρ ⋅ S r e f ⋅ c D 3

Wenn Sie mit besserer Effizienz schnell fliegen möchten, müssen Sie die Mindestgeschwindigkeit erhöhen - beachten Sie, dass die Landegeschwindigkeit vieler schneller Kolbenflugzeuge bei etwa 100 Meilen pro Stunde lag. Jetzt braucht man eine lange Landebahn und für den Betrieb bei schlechtem Wetter oder bei Nacht Infrastruktur für instrumentierte Anflüge, und man landet auf Flughäfen, wo Turbinentreibstoff leicht und billig zu bekommen ist, Kolbentreibstoff aber schwer zu finden und teuer sein wird.

Wie bei allen teuren Maschinen müssen Sie sie häufig verwenden, um die Kosten zu rechtfertigen. Jetzt spielen Ihre Kraftstoffkosten eine Rolle und machen einen Kolbenmotor eher unattraktiv.

Schnelle Kolbenflugzeuge wurden nur gebaut, als Turbinen noch nicht verfügbar waren. Sobald Turbinen aufkamen, waren alle schnellen Kolbenkonstruktionen veraltet. Und die Aerodynamik war Anfang der 1940er Jahre schon sehr weit fortgeschritten; damalige ingenieure bauten flugzeuge, die mit den ingenieuren von heute nicht mehr zu konstruieren wären. Damals brachten sie komplett manuell gesteuerte Flugzeuge in die Luft, während heute jeder darauf verzichten wollte, es ohne hydraulische Booster bei nur halber Fluggeschwindigkeit zu tun. Sie könnten Kühlkanäle entwerfen, die den Schub tatsächlich erhöhen , eine Kunst, die heute (fast) verloren gegangen ist.

Danke für die Einbeziehung der grundlegenden Mathematik! Würden Sie das etwas näher erläutern? Ich denke, dass Geschwindigkeit ^ 2 = X Leistungseinheiten. In Ihrem Beispiel würden Sie also (210 kts) ^ 2 = 44.100 Leistungseinheiten machen, sodass ein Flugzeug mit doppelter Leistung 88.200 Leistungseinheiten haben würde, und dann die Quadratwurzel ziehen, um die Geschwindigkeit des Doppelleistungsflugzeugs zu erhalten. Aber das passt nicht ganz zusammen oder erklärt Ihren Punkt Nr. 2.
@Charles847 Beginnen Sie mit power = thrust * speed. Beim horizontalen Fliegen mit konstanter Geschwindigkeit, thrust = drag, was bedeutet, dass power = drag * speed. Schließlich , drag = (constant) * speed^2was uns gibt power = (constant) * speed^3. Wenn wir also die Leistung verdoppeln, erhöhen wir die Geschwindigkeit nur um die Kubikwurzel von zwei (ungefähr 1.26), und 1.26 * 210 = 264.6.
Interessanter Punkt über die maximal erforderliche Stallgeschwindigkeit und ihre Auswirkung auf das Tragflächendesign. Aber darauf hinzuweisen, dass die Luftfahrttechnik "früher besser war", weil sie Dinge taten, als sie keine Alternativen hatten, die die heutigen Ingenieure als ... nicht ratsam ... betrachten würden, ist dumm .
@Daniel Es tut mir leid für Sie, wenn Sie die Eleganz einer genialen und einfachen mechanischen Lösung nicht schätzen können und denken, dass eine zusätzliche Ebene der Systemkomplexität, die eine Vielzahl neuer Fehlermodi und Wartungsprobleme mit sich bringt, ganz zu schweigen von zusätzlichem Gewicht, besser ist. Aber Sie sind in guter Gesellschaft.
@Daniel Ich weiß nicht, was ich von seiner Aussage halten soll. Die Technologie hat sich in den letzten 70 bis 80 Jahren rasant weiterentwickelt. Ingenieure müssen heute viel mehr wissen als die Jungs damals. Und einige der Dinge, die sie taten, waren selbst nach damaligen Maßstäben die Mühe nicht wert. Geld war während des Krieges und später in den USA kein Thema. Und sie haben viel vermasselt. Außerdem verstehe ich nicht, warum man Gewicht spart, wenn man die Dinge mechanisch hält, aber Schönheit liegt angeblich im Auge des Betrachters.
@jjack Danke für den Vertrauensbeweis. Es scheint mir offensichtlich, dass der Stand der Technik jetzt viel besser ist, weil wir Flugzeuge herstellen, die in jeder einzelnen Kategorie von Flugzeugen – von Segelflugzeugen bis hin zu Hyperschallflugzeugen – viel besser und nicht schlechter als zuvor funktionieren. Die Menschen davor waren genauso schlau wie wir, aber sie wussten nicht so viel und ihre Werkzeuge waren nicht so gut.
Außerdem können Turbinenmotoren zur Not praktisch alles verbrennen, was fließt und verbrennt, ohne feste Partikel im Abgasstrom zu erzeugen (obwohl Sie keine so gute Leistung erzielen wie mit den Kraftstoffen, für die der Motor optimiert ist). ; Kolbenmotoren sind viel, viel wählerischer in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch und neigen dazu, ihren Unmut zu zeigen, indem sie lästige Dinge wie Festfressen oder Explodieren tun.
Warum kann ein Kolbenmotor mit einem entsprechend ausgelegten Einlass die Staukompression nicht nutzen?
@ Sean Sie können, aber aufgrund ihres stationären Lufteinlasses sind sie weniger effizient. Roy LoPresti stimmte Mooneys so ab, dass ein Propellerblatt über den Ansaugkrümmer strich, sobald sich ein Zylinderventil öffnete. Das allein fügte der Höchstgeschwindigkeit ein paar Knoten hinzu.

Ein Kolben bedeutet einen Propeller, und ein Propeller ist in geringerer Höhe effizienter und in größerer Höhe viel weniger effizient (das ist einer der Gründe, warum es Propeller mit variabler Steigung gibt). Aber das Gegenteil gilt für Jets, weshalb man Jets nicht wirklich in 5000 Fuß Höhe herumfliegen sieht.

Ein Kolbenmotor ist ziemlich komplex und hat einige bewegliche Teile, die sich ziemlich heftig bewegen. Ein Kolben ändert bei jedem Hub die Richtung, und die Verbrennung, die jeden Hub antreibt, hat eine andere Kraft und einen anderen Zweck als die eines Strahltriebwerks. Diese Dynamik ändert sich ein wenig mit dem Motortyp (ein Rotationsmotor unterscheidet sich von einem Reihenmotor), aber es ist immer noch eine Verbrennung erforderlich, um einen Kolben zu zwingen, einen Propeller zum Antrieb des Flugzeugs zu drücken. Die Mechanik ist viel komplexer als ein Düsentriebwerk (das im Wesentlichen nur Luft einbringt, komprimiert, für Bernoulli anzündet und mit diesem Auspuff [normalerweise] die Kompressoren dreht). (Ich habe einige raffinierte Engine-Animationen auf http://www.animatedengines.com gefunden )

Außerdem bewegen Propeller und Düsen ein Flugzeug unterschiedlich. Ein Propeller unterscheidet sich nicht von jedem anderen Flügel. Seine primäre Bewegungsart besteht darin, den Druck auf einer Seite zu verringern und eine Bewegung in Richtung dieses niedrigeren Drucks zu bewirken. Eine Stütze fühlt sich an wie ein großer Ventilator, aber der größte Teil ihrer Bewegung besteht darin , das Flugzeug zu ziehen . Ein Jet funktioniert jedoch, indem er das Flugzeug schiebt . Aufgrund dieses Unterschieds kann ein Propeller seine obere Leistungsgrenze bei einer geringeren Geschwindigkeit erreichen als ein Jet. Auch hier gilt das Gegenteil und ein Jet kann seine untere Leistungsgrenze bei einer geringeren Geschwindigkeit erreichen als ein Propeller. Dadurch kann ein Turbinentriebwerk schneller fliegen.

Schließlich wird ein Kolbenmotor wahrscheinlich mehr wiegen als ein vergleichbarer Turbinenmotor. Und in einem Flugzeug macht das Gewicht bei so ziemlich allem einen Unterschied.

Zwei ältere Beiträge, aber die Aufschlüsselung der Unterschiede ist gut: planeandpilotmag.com/article/turbines-vs-pistons/#.V6JwlUYrKCg shorelineaviation.net/news---events/bid/50442/…
a rotary engine is different than an inline engineMeintest du radial statt rotierend? Da Sie es mit Inline kontrastieren
Die Propellereffizienz wird nicht mit der Höhe leiden, solange der Propeller groß genug ist. Die am höchsten fliegenden Unterschallflugzeuge waren alle mit Propellerantrieb.
@TomMcW Entschuldigung, meinte radial. Obwohl beide immer noch mit Kolben funktionieren, um einen Propeller zum Drehen zu bringen, anstatt Schub zu erzeugen, indem Luft durch den Motor bewegt wird.
@PeterKämpf Effizienz und Können sind jedoch unterschiedlich. Nur aufgrund der Beschaffenheit der Luft muss sich ein Propellerblatt in der Höhe schneller drehen, um den gleichen Schub in größeren Höhen zu erzeugen. Genauso wie ein Flügel in der Höhe weniger effizient ist. 80.201 ist beeindruckend. Größere Stützen hätten es dem Flugzeug möglicherweise ermöglicht, sich schneller zu bewegen, so dass es den Auftrieb erzeugen konnte, um es auf 80.202 zu bringen. Aber Sie würden auch größere Motoren brauchen, um diese größeren Propeller schneller zu drehen. Es ist ein riesiger Balanceakt.

Wenn Sie ein schnelles Propellerflugzeug wollen, ist es viel einfacher, einen Turboprop-Motor zu verwenden als einen großen Kolbenmotor.

  • Der Turboprop ist leichter und kompakter
  • es erzeugt weniger Vibrationen
  • es erzeugt weniger Lärm
  • es ist zuverlässiger (die Anzahl der beweglichen Teile sinkt von Tausend auf Zehn = weniger Fehler)
  • Es ist einfacher, einen Hochleistungs-Turboprop zu bauen. Kolbenmotoren aus dem späten 2. Weltkrieg arbeiteten an der Grenze dessen, was damals möglich war. Sie brauchten speziellen Kraftstoff mit hoher Oktanzahl, um eine Detonation zu verhindern (und selbst dann waren Fehlzündungen bei zB dem Griffon etwas üblich).
Warum der Mangel an schnelleren kolbengetriebenen Flugzeugen?
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