Warum fliegen Turbofan-Jets bei kaltem Wetter schneller?

Sie tun es nicht . Sie fliegen langsamer .

Die meisten aerodynamischen Effekte hängen vom dynamischen Druck ab . Genauer gesagt ist der Auftrieb proportional zum dynamischen Druck und der Luftwiderstand hat eine parasitäre Komponente, die proportional zum dynamischen Druck ist, und eine induzierte Komponente, die umgekehrt proportional ist. Daher gibt es einen optimalen dynamischen Druck, bei dem das Flugzeug am effizientesten fliegt, und einen minimalen dynamischen Druck, der benötigt wird, um den Flug aufrechtzuerhalten.

Jetzt ist der dynamische Druck (die Hälfte von) Luftdichte mal Geschwindigkeit im Quadrat ($q = ½\varrho v^2$) und aufgrund ihrer Aussagekraft entspricht die im Cockpit angezeigte „indicated airspeed“ tatsächlich dem dynamischen Druck ausgedrückt als Äquivalentfluggeschwindigkeit . Darauf beziehen sich alle gewünschten Geschwindigkeiten für verschiedene Flugphasen.

Da kalte Luft dichter ist, tritt der gleiche dynamische Druck bei niedrigerer Geschwindigkeit auf, und da der Pilot die gleiche angezeigte Fluggeschwindigkeit beibehält, fliegt er tatsächlich langsamer .

Noch etwas: Die Höchstgeschwindigkeit ist eine der wenigen Ausnahmen, die nicht vom Staudruck abhängig ist. Es gibt drei Effekte, die die Höchstgeschwindigkeit begrenzen können:

• Das aeroelastische Flattern hängt von der wahren Fluggeschwindigkeit (Geschwindigkeit) ab, sodass die Temperatur eigentlich keinen Einfluss darauf hat. Da die tatsächliche Fluggeschwindigkeit jedoch normalerweise nicht im Cockpit angezeigt wird, verwenden die Piloten tabellierte angezeigte Fluggeschwindigkeitswerte, und da diese nur für die Höhe tabelliert sind, werden sie tatsächlich langsamer fliegen.

• Mach-Tuck , dh Auftriebsverlust, begleitet von unerwünschter Trimmungsänderung durch Überschreiten der kritischen Machzahl. Da die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur zunimmt, entspricht die kritische Machzahl bei kälterem Wetter einer niedrigeren wahren Fluggeschwindigkeit (Geschwindigkeit), sodass sie wieder langsamer fliegen.

• Motorleistung. Motoren können bei kälterem Wetter mehr Leistung erzeugen, da sie mit der Luft mit höherer Dichte einen höheren Massenstrom erzielen können. Die Triebwerksleistung ist jedoch ein begrenzender Faktor hauptsächlich für kleinere Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt, die Triebwerke mit geringer Leistung haben, oder für Jäger am anderen Ende des Leistungsspektrums, die dafür ausgelegt sind, Überschall zu fliegen und Flattern zu widerstehen. Aber Flugzeuge der Transportkategorie stoßen im Allgemeinen zuerst an die beiden anderen Grenzen.

Ursprüngliche Antwort für die Version vor dem Grund, warum sie in größerer Höhe fliegen, wurde ausdrücklich von der Frage ausgeschlossen:

Es gibt zwei unterschiedliche Effekte:

1. Flugzeuge fliegen in großer Höhe aufgrund der geringeren Luftdichte schneller . Dies liegt daran, dass sowohl der Auftrieb als auch der Luftwiderstand proportional zur Luftdichte sind. In größerer Höhe muss das Flugzeug also schneller fliegen, um genügend Auftrieb zu erzeugen, und kann dies tun, weil der Luftwiderstand geringer ist.

   Genauer gesagt ist der Auftrieb proportional zum dynamischen Druck und der Luftwiderstand hat eine parasitäre Komponente, die proportional zum dynamischen Druck ist, und eine induzierte Komponente, die umgekehrt proportional ist.

   Daher gibt es einen optimalen Wert des dynamischen Drucks dort, wo der Luftwiderstand am geringsten ist. Die optimale Reisegeschwindigkeit liegt etwas oberhalb dieses Punktes. Da der dynamische Druck proportional zur Dichte und zum Quadrat der Geschwindigkeit ist, entspricht der gleiche dynamische Druck einer höheren wahren Fluggeschwindigkeit in größerer Höhe.

   Der dynamische Druck wird normalerweise als äquivalente Fluggeschwindigkeit ausgedrückt , das ist die Geschwindigkeit, der der aktuelle dynamische Druck auf Meereshöhe entsprechen würde. Die auf den Instrumenten angezeigte Fluggeschwindigkeit ist eine Annäherung an diesen Wert.

2. Wärmekraftmaschinen sind bei niedrigeren Temperaturen effizienter. Dies liegt daran, dass der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine (gilt gleichermaßen für Kolben- und Turbinenmotoren und sowohl für Verbrennungsmotoren als auch für Motoren mit äußerer Verbrennung (Dampf)) vom Temperaturverhältnis abhängt, aber die Verbrennung die Temperatur um die gleiche (ungefähr) Differenz erhöht . Wenn also die Starttemperatur niedriger ist, ist das Verhältnis höher und die Motoren erzeugen bei gleichem Kraftstoffdurchfluss etwas mehr Leistung.

   Darüber hinaus ist die maximale Temperatur oft durch die Widerstandsfähigkeit der Materialien begrenzt, sodass der Motor in größerer Höhe mit höherer Leistung betrieben werden kann (naja, nicht wirklich; die Leistung ist auch proportional zur Dichte, aber der Motor läuft wieder effizienter ).

Motoren sind durch maximale Temperaturen/Drücke begrenzt. Oberhalb einer bestimmten Grenze überschreiten Sie entweder kurzfristige oder langfristige Sicherheitsmargen. Wenn die einströmende Luft kälter ist, sollten Sie in der Lage sein, Ihren Kraftstofffluss leicht zu erhöhen, da die zusätzliche Kraftstoffmasse die Verbrennungstemperaturen immer noch in Grenzen hält, da sie mit kälterer Luft / kälterem Kraftstoff beginnen. Durch das Einströmen kälterer Luft erzeugt der gleiche Kraftstoffstrom aufgrund des höheren thermodynamischen Wirkungsgrads mehr Schub / Leistung. https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_efficiency Schauen Sie sich den Brayton-Zyklus für Turbinen an.

Kolbenmotoren werden normalerweise so installiert, dass die maximale Drosselung auch an heißen Tagen einen angemessenen Sicherheitsspielraum bietet, sodass Sie an einem kalten Tag zum Start kein wenig zusätzlichen Kraftstoff geben können, sondern nur den Vorteil der thermodynamischen Effizienz (und etwas magerer) erhalten Verbrennung, da dichtere Luft bei gleichem maximalen Kraftstoffdurchfluss einströmt). Aber Turbinen müssen von Fachleuten betrieben oder von FADEC (Full Authority Digital Engine Control) gesteuert werden. Das heißt, wenn kein FADEC vorhanden ist, muss der Pilot das Gas manuell auf eine Zieltemperaturgrenze begrenzen. Zum Beispiel bin ich einige Male auf Cessna 208 Caravans (nicht FADEC-Turboprop) auf dem rechten Sitz geflogen, nur als Passagier mit Privatpilotenberechtigung. Die Startdrossel musste bei einer bestimmten Höchsttemperatur von Hand begrenzt werden. Als das Flugzeug stieg, wurde regelmäßig Gas gegeben, um die Höhe auszugleichen (ehrlich gesagt, ich weiß es nicht Ich glaube nicht, dass es wirklich an der Höhe lag, sondern etwas mit OAT zu tun hat, sonst müsste das Gas stattdessen mit der Höhe reduziert werden). Diese Methode führt naturgemäß zu einem höheren Kraftstofffluss unter der gleichen Höhe, je kälter die OAT (Außenlufttemperatur) ist. Bei größeren Flugzeugen kümmert sich FADEC darum, Sie befehlen nur die erforderliche Rast für den Start (TOGA), MCT/Steigflug (max. Dauerschub). Der Punkt ist, dass FADEC für den Start mit TOGA an einem kälteren Tag als an einem heißeren Tag einen höheren Schub befehlen wird, um die Temperaturgrenzen einzuhalten, die auch für andere Flugregime gelten. Aber ... Die Reisegeschwindigkeit eines Jets in der gleichen Höhe hängt stark davon ab, ob das Triebwerk noch überschüssigen Schub hat oder nicht! Wenn Sie sich unterhalb der Höhe befinden, in der die Geschwindigkeit begrenzt ist, erreichen Sie an einem kälteren Tag wirklich eine schnellere Reise? oder ist es nur hoch genug, wenn der Motor mit MCT läuft und die kältere Luft auf natürliche Weise mehr Schub erzeugt? PS: Ich bin kein Experte auf dem Gebiet. Ich habe kein Turbinentraining erhalten. Aber ich bin Privatpilot bei IFR und habe Physik auf College-Niveau, was es mir ermöglicht, alle beteiligten Konzepte zu verstehen. Vielleicht sollte ich hier gar keine Antwort posten. Gib mir Bescheid.

Es ist einfache Physik. Das Gesetz der Impulserhaltung (das dritte Newtonsche Gesetz, glaube ich) besagt, dass es für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion gibt. Der Gesamtimpuls (Masse mal Geschwindigkeit) muss konstant bleiben. Wenn Sie also einen gusseisernen Amboss aus dem Heck des Schiffes werfen, bewegt sich das Schiff schneller vorwärts, als wenn Sie mit der gleichen Geschwindigkeit eine Feder aus dem Heck werfen.

Kalte Luft wiegt mehr als heiße Luft. Ein Strahltriebwerk, das in einer Höhe mit hoher Dichte (bei sehr warmer Luft) betrieben wird, saugt erheblich weniger Luft nach Masse an als ein Strahltriebwerk, das in einer Höhe mit geringerer Dichte (kälter) bei gleicher Druckhöhe betrieben wird. Eine höhere Masse an angesaugter Luft bedeutet, dass mehr Masse nach hinten herausgeschossen wird. Der Schub ist also höher.