Warum unterscheiden sich wahre und angezeigte Fluggeschwindigkeit?

Der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab, so dass, während ein einzelnes Molekül das Flugzeug mit 100 kt trifft, weniger davon vorhanden sind. Dies bedeutet, dass weniger Druck auf die zu treffende Oberfläche ausgeübt wird.

Der Unterschied in der angezeigten Geschwindigkeit ist einfach eine physische Einschränkung bei der Luftgeschwindigkeitsanzeige - Luftgeschwindigkeitsanzeigen sind auf dynamischen Druck/Stauluft angewiesen, um eine Anzeige zu geben. Aufgrund dieses Druckabfalls beginnt die Anzeige von der wahren physikalischen Geschwindigkeit abzuweichen, da der Luftdruck vom Referenzdruck des Manometers abweicht.

Es wäre möglich, einen Fluggeschwindigkeitsmesser zu erstellen, der sich darauf anpasst, genauso wie der Höhenmesser es tut. Allerdings ändern sich auch die Flugeigenschaften des Flugzeugs, wenn der Druck abnimmt, in ähnlicher Weise wie die Fluggeschwindigkeitsanzeige. Aus diesem Grund ist der IAS für Piloten die wichtige Geschwindigkeit außerhalb von Navigationszwecken.

Daher werden alle Entwurfsgeschwindigkeiten in angezeigter Fluggeschwindigkeit angegeben und können in jeder Höhe angegeben werden.

Denk darüber so. Ihr Fluggeschwindigkeitsmesser misst nicht direkt die zurückgelegte Entfernung von Objekten, Flugzeugen oder Luftmolekülen im Laufe der Zeit. Ihr Fluggeschwindigkeitsmesser ist ein druckempfindliches Gerät, das den Stauluftdruck (dynamischen Druck) im Vergleich zum statischen Druck misst. Es wandelt diese Messung in einen aussagekräftigen Wert der Fluggeschwindigkeit um.

Dieses Staudruckgerät ist abhängig von der Dichte, genauer gesagt von der Masse des von ihm gemessenen Fluids. Je weniger Masse zu messen ist, desto weniger Stauluftdruck wird gemessen. Der atmosphärische Druck der Erde nimmt aufgrund des Gewichts und der Dichte der Luft als Flüssigkeit logarithmisch mit der Höhe ab. Die Hälfte der atmosphärischen Masse der Erde liegt unter 18000 Fuß MSL. Von da an nimmt die Dichte rapide ab. Wenn das gleiche Pitotrohr mit der gleichen Geschwindigkeit in Wasser platziert würde, würde es aufgrund der größeren Wassermasse im gleichen Raumvolumen einen drastisch größeren IAS messen. Selbst wenn das Flugzeug auf der gleichen tatsächlichen Geschwindigkeit bleibt, würde sich der IAS mit der Masse (daher Dichte) der in das Staurohr eintretenden Luft ändern. Dies liegt daran, dass in einem bestimmten Luftvolumen weniger Luftmoleküle vorhanden sind, um die Masse zu erzeugen.

Eine Analogie aus der realen Welt ist der Unterschied zwischen dem Stehen in einem starken Wind und dem Stehen in einer sich bewegenden Wasserströmung. Der sich bewegende Wind müsste sich mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegen, um genügend Druck oder Kraft auszuüben, um Ihre Trägheit zu überwinden. Das sich bewegende Wasser der Strömung muss sich nicht annähernd so schnell bewegen, um dasselbe zu tun.

Dynamischer Druck ist

Wo$q$ist dynamischer Druck,$\varrho$ist Dichte und$v$ist die Geschwindigkeit (auch bekannt als wahre Fluggeschwindigkeit). Das Wichtige hier ist, dass es proportional zur Dichte ist, und da Dichte und Druck eng miteinander verbunden sind und der Druck mit der Höhe abnimmt, nimmt auch die Dichte ab

Beachten Sie für die Intuition von Partikeln, die auf die Oberfläche treffen, dass Druck Kraft mal Fläche und Kraft Masse mal Beschleunigung ist. Eine geringere Dichte (Dichte ist Masse pro Volumen) bedeutet also weniger Kraft und weniger Druck bei gleicher Geschwindigkeit.

TL-DR : Bei IAS geht es nicht um Geschwindigkeit, sondern um dynamischen Druck. Sie können es lesen als "So schnell müsste ich bei Standardbedingungen auf Meereshöhe fliegen, um den gleichen dynamischen Druck zu erreichen"

Wie Jan Hudec bereits betonte, wird die angezeigte Fluggeschwindigkeit aus dem dynamischen Druck berechnet. Dieser selbst errechnet sich aus Gesamt- (dh Stagnations-) und statischem Druck und der Differenz zwischen beiden.

Für (verlustfreien) inkompressiblen Fluss (dh alles, was langsamer als die halbe Schallgeschwindigkeit ist), erinnern Sie sich vielleicht an die Gleichung von Bernoulli:

$\frac{1}{2} \rho_\infty v_\infty^2 + P_\infty = P_T$

Was im Flug gemessen wird, ist$P_T$(Gesamtdruck, am Staupunkt) und$P_\infty$(Statischer Druck bei ungestörter Strömung, gemessen an den Seiten eines Staurohrs). Die Differenz zwischen beiden wird dynamischer Druck genannt ($q_\infty$) und ermöglicht es Ihnen, die Geschwindigkeit zu berechnen:

$v_\infty = \sqrt{ \frac{2q}{\rho_\infty}}$

...außer Sie müssen die Dichte kennen. Die Dichte folgt meist dem idealen Gasgesetz, das heißt, sie ändert sich mit Druck und Temperatur, aber auch mit der Feuchtigkeit.

In der realen Luftfahrt können solche Effekte für Zwecke der Navigation berücksichtigt werden. Sie können die tatsächliche Fluggeschwindigkeit plus Windgeschwindigkeit ziemlich gut berechnen - aber für den Zweck der Konstruktion eines Flugzeugs ist der dynamische Druck tatsächlich wichtiger als die wahre Fluggeschwindigkeit und auch einfacher zu berechnen. Beim Entwerfen eines Flugzeugs und beim Berechnen von Lasten sowie der Mindest- und Höchstgeschwindigkeit ist die angezeigte Fluggeschwindigkeit tatsächlich nützlicher als die wahre Fluggeschwindigkeit, da sie direkt mit dem Staudruck und allen aerodynamischen Lasten auf einer Flugzeugskala direkt damit skaliert. Deshalb werden beispielsweise Start-, Lande- und Überziehgeschwindigkeit als IAS angegeben. Das Wichtige ist nicht, wie schnell Sie sich bewegen, sondern ob Sie genug dynamischen Druck erzeugen, um in der Luft zu bleiben (oder abzuheben und so weiter ...). Wenn Sie in Lhasa abhebenSie brauchen die gleiche IAS wie in New York, aber Sie brauchen eine höhere TAS in Lhasa, um die dünnere Luft auszugleichen.

Für kompressible Strömungen (ganz grob: schneller als die halbe Schallgeschwindigkeit) ist die inkompressible Bernoulli-Gleichung nicht mehr so ​​​​genau. Die Prandtl-Glauert-Transformation kann es ein bisschen weiter bringen, aber es ist wirklich viel sinnvoller, nicht mehr über die Geschwindigkeit nachzudenken und stattdessen die Mach-Zahl und die isentropischen Zustandsänderungsgleichungen zu verwenden . Sie führen zu dieser praktischen Gleichung zur Berechnung der Geschwindigkeit:

$v_\infty = M * a = \sqrt{\frac{\gamma-1}{2} \left(\left(\frac{P_T}{P_\infty}\right)^{\frac{\gamma-1}{\gamma}} -1\right)} \sqrt{\gamma R_s T_\infty}$

($\gamma \approx 1.4$für Luft,$R_s$ist die spezifische Gaskonstante, und$T_\infty$ist statische Temperatur)

Es ist durchaus möglich, dies zu verwenden, um die wahre Fluggeschwindigkeit zu ermitteln (bei einigen Informationen zu Temperatur und Luftfeuchtigkeit und Kalibrierung der Sonde, da sie nicht ganz ungestörte Strömungen sieht) - aber mit Ausnahme der Navigation wird IAS immer noch beim Entwerfen verwendet und ein Flugzeug fliegen.

Grund: Es geht um dynamischen Druck . Jemand, der IAS verwendet, interessiert sich normalerweise tatsächlich für den dynamischen Druck, nicht dafür, wie schnell sich das Flugzeug bewegt. Die Verwendung einer Geschwindigkeit anstelle eines Drucks erfolgt aus Gewohnheit (weil IAS viele Jahrzehnte lang die einzige Zahl war, die Piloten zur Verfügung stand) und weil sie sich tatsächlich der wahren Fluggeschwindigkeit bei niedrigeren Mach-Zahlen und Höhen nähert (dh für Start und Landung). , daher haben die meisten Piloten bereits ein "Gefühl" für diese Zahlen. Das bedeutet, dass es sinnvoll ist, weiterhin IAS anstelle von direktem Druck zu verwenden.

Aus diesem Grund haben selbst transsonische Flugzeuge nicht nur die Start-, Lande- und Überziehgeschwindigkeit in IAS angegeben, sondern selbst die Höchstgeschwindigkeit ist nicht nur in Bezug auf die Machzahl, sondern auch auf die IAS begrenzt. Das bedeutet: Sie können mit Mach 0,85 in 11 km Höhe fliegen, aber wenn Sie einen Notabstieg machen müssen, können Sie nicht bis auf 2 km bei M = 0,85 bleiben, da das Flugzeug nicht für die Dynamik gebaut wurde Druck, den Sie in der viel dickeren Luft in niedrigeren Höhen bekommen würden, wenn Sie nicht langsamer würden.