Warum werden Düsenflugzeuge nie mit einer langsameren Reisegeschwindigkeit konstruiert?

Langsamer zu fliegen hat in der Tat einen Vorteil, aber das Flugzeug muss so konstruiert sein, dass es von langsameren Geschwindigkeiten profitiert. Sie können sehen, dass die Flügelpfeilung bei den moderneren Flugzeugen leicht reduziert wurde, aber dies liegt auch an besseren Profilen mit einem höheren Beginn des Mach-Widerstandsanstiegs.

Aber manches kostet auch mehr, wenn man langsamer wird: Man muss die Crew für mehr Stunden bezahlen, und das Flugzeug kann nicht so oft ausgelastet werden. Um die gleiche Anzahl Passagiere zu befördern, braucht man mehr Flugzeuge, wenn sie mit geringerer Geschwindigkeit fliegen. Die Beziehung zwischen Kosten und Geschwindigkeit ist nicht linear, sollte aber irgendwo unterhalb der heutigen Betriebspunkte ein Minimum haben. Flugzeuge mit einer langsameren Reisegeschwindigkeit können bei gleicher Nutzlast leichter und kleiner sein, aber im Moment haben Fluggesellschaften keine Wahl zwischen langsamen oder schnellen Jets. Alle Hersteller versuchen, ihre Langstreckenflugzeuge für mindestens Mach 0,83 auszulegen .

Das hat viel mit Marketing zu tun: Das Flugzeug mit der höheren Geschwindigkeit weist bei gleicher Entfernung eine kürzere Reisezeit auf und taucht daher zuerst in den Buchungssystemen der Reisebüros auf. Jetzt werden Sie natürlich argumentieren, dass die meisten Leute im Internet buchen und versuchen werden, unabhängig von der Reisezeit den niedrigsten Preis zu bekommen. Wahr. Aber das ist nicht die Art von Kunden, die die Fluggesellschaften suchen. Ihr Profit kommt von Leuten in der First und Business Class, die immer noch überwiegend über Reisebüros buchen. Daher versuchen Airbus und Boeing, ihre Flugzeuge als diejenigen zu vermarkten, die zuerst auf den Bildschirmen von Amadeus und Sabre erscheinen.

Wenn Sie eine Konfiguration zielstrebig auf die beste Kraftstoffeffizienz optimieren würden, würden Sie dem Design des MIT D8 oder der SUGAR-Studie von Boeing nahekommen . Beachten Sie, dass beide so konstruiert sind, dass sie mit Mach 0,72 etwas langsamer fliegen als aktuelle Verkehrsflugzeuge. Diese Designs sind für eine Welt, in der Treibstoff 200 USD pro Barrel oder mehr kostet, während die aktuellen Designs auf den erwarteten Preisen zum Zeitpunkt ihres Designstarts basieren.

Als die Treibstoffpreise niedrig waren, lag die optimale Geschwindigkeit für die beste Transportleistung tatsächlich über Mach 1. Die Vickers VC-10 von 1964 hatte eine maximale Reise - Machzahl von 0,886 und hält immer noch den Rekord für die schnellste kommerzielle Atlantiküberquerung. Als Concorde entwickelt wurde, war man sich einig, dass der Flugverkehr der Zukunft Überschall sein würde. Nur der Anstieg der Ölpreise nach der Ölkrise von 1973 machte diese Pläne zunichte. Große Businessjets können heute mit bis zu Mach 0,935 fliegen, weil ihre Besitzer weniger darauf bedacht sind, durch langsameres Fliegen Geld zu sparen. Technisch gesehen gibt es noch Raum für Fahrten über Mach 0,85; Es ist die Wirtschaftlichkeit, die Flugzeuge zurückhält.

Wenn Flugzeughersteller die optimale Machzahl frei wählen könnten, würden sie heute eine Geschwindigkeit zwischen Mach 0,78 und 0,82 bei Treibstoffpreisen um die 50 USD pro Barrel wählen. Beachten Sie, dass dies der ausgelegte Machzahlbereich für Regionaljets ist , die kurze Sprünge fliegen, bei denen die Verlängerung der Reisezeit durch die reduzierte Geschwindigkeit unbedeutend ist. Auch lassen Fluggesellschaften gerade in Zeiten hoher Treibstoffpreise ihre Ausrüstung mit niedrigeren Geschwindigkeiten laufen, um Treibstoff zu sparen. Aber wenn Sie diesem Link folgen , werden Sie erfahren, dass Flugzeugfirmen diese Freiheit nicht haben.

Apropos Schleppen:

Der Luftwiderstand steigt nicht mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Über der Geschwindigkeit aufgetragen , sinkt der Luftwiderstand eines Flugzeugs zuerst, erreicht ein Minimum und steigt erst dann an. Verkehrsflugzeuge fliegen nahe an diesem Minimum und sie fliegen hoch, um dieses Minimum auf die höchstmögliche Flugmachzahl zu verschieben. Sie tun dies, indem sie in weniger dichter Luft fliegen, was einen Flug in einer Höhe von etwa 30.000 - 40.000 Fuß erfordert . Ein zusätzlicher Vorteil beim Fliegen in dieser Höhe ist die niedrigere Lufttemperatur, die die Triebwerke effizienter macht .

Kurze Antwort: Niemand will ein langsames Flugzeug.

Lange Antwort: Während wir den ganzen Tag über die Motoreffizienz sprechen können, müssen wir uns daran erinnern, dass Flugzeuge in vielerlei Hinsicht mehr für Missionen als für die Wissenschaft entwickelt wurden. Wenn wir davon ausgehen, dass Flugzeuge im Allgemeinen dafür gebaut sind, Dinge (Personen/Fracht) weit und schnell zu bewegen, gibt es nicht viele Anwendungsfälle für ein langsames, aber effizientes Flugzeug. Während dies für den Passagier Kosteneinsparungen bedeuten würde, sind die meisten Menschen bereit, für die Geschwindigkeit zu zahlen, die ein weniger effizientes Flugzeug bietet. Das vielleicht beste Beispiel dafür ist die ineffiziente und teure Concorde , für deren Flug viele Menschen bereit waren, große Geldsummen zu zahlen, nur um ein paar Stunden zu sparen.

Auf Langstreckenflügen erhöht jede Treibstoffeinsparung die Rentabilität des Fluges erheblich.

Dies ist eine etwas pauschale Aussage, und ich bin mir nicht sicher, ob "erheblich" ein angemessenes Wort ist. Während Kraftstoffeinsparungen die Rentabilität aus Kraftstoffsicht erhöhen können, geschieht dies auf Kosten anderer Kosten. Zum Beispiel werden die meisten Flugzeugteile basierend auf Flugstunden gewartet, sodass Sie für eine bestimmte Flugzeugzelle/Anzahl von Flügen Ihre Ausgaben für Inspektionen erhöhen werden, da das Flugzeug vermutlich mehr Zeit in der Luft verbringt, um eine bestimmte Last zu bewegen. Sie haben auch die Probleme, die Besatzung zu bezahlen, was die Kosten senken kann. Bei langen Flügen (bei denen die Besatzung im 8-Stunden-Rotationszyklus pendelt) benötigen Sie möglicherweise eine vollständige zusätzliche Besatzung, wenn die Zeit erheblich verlängert wird.

Ich habe keine harten Statistiken dazu (aber ich werde nach einigen suchen). Ich würde annehmen, dass es ein Sicherheitsrisiko gibt, einfach mehr Zeit in der Luft zu verbringen. Wenn wir uns die Unfälle pro Flugstunde ansehen, ist die Wahrscheinlichkeit eines Unfalls höher, je mehr Zeit in der Luft verbracht wird, aber das ist eine ziemlich fundierte Vermutung.

Zusätzlich zu den anderen, technischeren Antworten gibt es einen weiteren Grund, warum Flugzeuge nicht dafür ausgelegt sind, mehr in der Luft zu verbringen, als an beiden Enden der Route untätig zu sitzen – Piloten und Flugpersonal haben eine maximale Anzahl von Stunden, die ihnen erlaubt sind im Dienst sein".

Gemäß den FAA-Regeln zu Dienstbeschränkungen darf ein Pilot nicht mehr als zwischen 9 und 14 Stunden im Dienst verbringen, abhängig von bestimmten Faktoren, z. B. ob andere Piloten für denselben Flug geplant sind. Darüber hinaus muss ein Pilot zwischen seinen Dienstzeiten mindestens 10 Stunden ununterbrochene Ruhezeit haben.

Je langsamer das Flugzeug also fliegt, desto länger ist es in der Luft – was bedeutet, dass mehr Piloten für denselben Flug benötigt werden.

Wenn ein Flugzeug zum Beispiel 9 Stunden benötigt, um eine Strecke zu fliegen, kann dieselbe Besatzung gemäß den FAA-Regeln am anderen Ende eine 10-stündige Ruhepause einlegen und das Flugzeug dann zurückgeben.

Aber wenn das Flugzeug 10 Stunden braucht, um die Strecke zu fliegen, verlangt die FAA eine andere Besatzung, um die Sicherheit zu gewährleisten, aber beide Besatzungen müssen am Ende des Fluges ihre obligatorische 10-stündige Ruhepause einlegen, und dann können beide Besatzungen dieselbe Strecke zurückfliegen.

Sie haben nichts gespart, aber Sie zahlen für zusätzliche Besatzungsmitglieder.

Fluggesellschaften und Flugzeughersteller befinden sich in einem ständigen Hin und Her, um jederzeit das Beste aus ihren Flugzeugen herauszuholen, während Sicherheitsgremien wie FAA, CAA, EASA und andere ständig sicherstellen, dass die von den Fluggesellschaften geflogenen Strecken auch so sind sicher.

http://work.chron.com/duty-limitations-faa-pilot-17646.html

Kurze Antwort - bei den aktuellen Kraftstoffpreisen ist dies aus Kosten-/Ertragssicht die wirtschaftlichste Geschwindigkeit.

Die beiden größten Kosten für den Betrieb eines Verkehrsflugzeugs sind der Treibstoff, der durch ein langsameres und effizienteres Flugzeug gesenkt werden würde, und die Auslastung der Flugzeugzelle – die Kosten des Flugzeugs geteilt durch die Anzahl der Ticketverkäufe, die Sie während seiner Lebensdauer erzielen, was würde durch schnelleres Fliegen reduziert werden. Zusätzlich wird die Flugbesatzung stundenweise bezahlt. Derzeit ist M0,85 oder etwas weniger ein idealer Punkt in diesen Kurven, da der transsonische Übergang dazu führt, dass der Kraftstoffverbrauch mit der Geschwindigkeit aggressiver ansteigt, aber für langsamere und effizientere Flugzeuge ausgelegt ist (noch höhere Bypass-Triebwerke; weniger gepfeilte Laminarströmung mit hohem Seitenverhältnis). Wings) haben Konzepte nicht überholt, da ihre Gesamtrentabilität trotz geringerer Treibstoffkosten gegeben wäre, insbesondere wenn man bedenkt, dass die Tickets für weniger verkauft werden müssten, um mit schnelleren Flügen in aktuellen Flugzeugen konkurrieren zu können.

Zunächst müssen Sie sich darüber im Klaren sein, dass die Machzahl keine Geschwindigkeit ist, sondern ein Verhältnis von Geschwindigkeit und Lufttemperatur. Je höher die Höhe, desto weniger dicht ist die Luft. Der springende Punkt beim Verständnis der gesamten Situation zwischen Geschwindigkeit und Effizienz liegt im Unterschied zwischen den verschiedenen Fluggeschwindigkeitstypen und wie sie die Aerodynamik und die Schallgeschwindigkeit beeinflussen. Es ist also nicht je schneller man fährt, sondern je höher man fährt, desto effizienter wird es.

Verschiedene Arten von Fluggeschwindigkeit

Die Bodengeschwindigkeit hängt mit der wahren Fluggeschwindigkeit (TAS) zusammen, also wie schnell Sie sich unabhängig von der Dichte durch das Luftvolumen bewegen. Während Auftrieb und Luftwiderstand durch die angezeigte Luftgeschwindigkeit (IAS) bestimmt werden, die im Grunde genommen angibt, wie schnell Sie durch die Luftmasse fliegen. Während also der gleiche IAS beibehalten wird, ist der TAS beim Aufstieg höher, was zu einer schnelleren Geschwindigkeit über Grund führt. Sie müssen den IAS über dem Strömungsabriss halten, also sollten Sie, um den größtmöglichen TAS (also eine bessere Bodengeschwindigkeit) herauszuholen, in der geringstmöglichen Luftdichte fliegen.

Schallgeschwindigkeit

Das Flugzeug ist, wie Sie bemerken, durch die lokale Schallgeschwindigkeit (LSOS) begrenzt, die von der TAS und der Temperatur beeinflusst wird. Je höher Sie gehen, desto kälter wird es (bis zu einem bestimmten Punkt) und desto niedriger ist der LSOS. Je niedriger die Lufttemperatur bei einem bestimmten IAS ist, desto höher ist die Machzahl (näher an der Schallgeschwindigkeit).

Den Sweetspot finden

Da der Auftrieb mit IAS zusammenhängt, ist der TAS für die Flügel ziemlich irrelevant, solange Sie unter dem Punkt bleiben, an dem LSOS-Probleme auftreten. Sie müssen IAS so halten, dass der Auftrieb gleich der Schwerkraft ist, damit er sich bei gleicher Höhe nicht ändert. Wenn die Höhe zunimmt und die Temperatur abnimmt, steigt der TAS und der LSOS sinkt. Die Machzahl ist das Verhältnis zwischen diesen beiden. Es gibt also einen Punkt, an dem sie zusammenlaufen und Sie können nicht höher gehen, da Ihre TAS die Machgrenze des Flugzeugs überschreitet. Das ist die sogenannte "Sargecke". Wenn Sie langsamer werden, geraten Sie ins Stocken, wenn Sie beschleunigen, überschreiten Sie die Mach-Grenze. In diesem Bereich liegt der Sweetspot für Effizienz.

Teil 1 der Antwort: Maximale Effizienz (minimaler Schub- / Kraftstoffbedarf) tritt bei der Geschwindigkeit des maximalen Verhältnisses von Auftrieb zu Luftwiderstand auf. Sie wird hauptsächlich von den Flügeln bestimmt, denn auch der Wirkungsgrad von Strahltriebwerken als Funktion der Geschwindigkeit spielt eine Rolle.

Der Schallwiderstand ist ein weiterer Faktor, die meisten Flugzeuge benötigen sehr viel Kraft, um durch Mach 1 zu beschleunigen. Flugzeuge, die für Überschallflüge ausgelegt sind, erfahren, dass der Luftwiderstand über Mach 1 abnimmt, bis der dynamische Druck proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit andere Faktoren überwältigt.

Ein bemerkenswerter Fall war die Lockheed F-104 mit dem -19-Modell ihres J79-Düsentriebwerks. Mit diesem Motor verbesserte sich seine Kraftstoffeffizienz als Funktion der zurückgelegten Strecke über Mach 1, zumindest auf Mach 2 – Ein Pilotbericht besagte, dass der Kraftstoffverbrauch für eine bestimmte zurückgelegte Strecke bei etwa Mach 2 am besten war. Dieser Pilot schrieb über die Rückkehr von Texas nach Florida macht Mach 2 bei 73.000 Fuß, wobei die Kreuzfahrt eine Stunde dauert.

Um zu verstehen, warum ein Flugzeug effizienter ist, wenn es schneller fliegt, müssen Sie sich darüber im Klaren sein, dass das Flugzeug der Luft, die es durchströmt, eine Abwärtsgeschwindigkeit verleiht. Die Änderung des Impulses dieser Luft trägt die Masse des Flugzeugs. Jedes Kilogramm der Flugzeugmasse erzeugt eine Abwärtskraft von etwa 10 Newton. Dies muss durch eine Impulsänderung von 10 kgms ^–1 pro Sekunde ausgeglichen werden.

Nun, obwohl die Impulsänderung einer gegebenen Masse proportional zur Geschwindigkeitsänderung ist, ist die Energie, die erforderlich ist, um diese Änderung zu erzeugen, proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit. (In SI-Einheiten ist die Energie (mv ² )/2.) Die Masse von 1 kg könnte also 1 Sekunde lang getragen werden, indem 1 kg Luft auf 10 ms ^–1 beschleunigt wird oder indem 2 kg Luft auf 5 ms ^–1 beschleunigt werden . Beide tragen die gleiche Masse, aber der erste benötigt 50 J Energie und der zweite 25 J. Durch die Verdopplung der Luftmasse, die das Flugzeug trägt, wurde die dafür erforderliche Leistung halbiert.

Um also den bestmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen, sollte ein Flugzeug die größtmögliche Luftmasse verdrängen. Es kann jedoch nur die Luft beeinflussen, die es durchströmt. Um also eine größere Luftmasse zu bewegen, muss es entweder seine Flügelspannweite vergrößern (weshalb Hochleistungssegelflugzeuge sehr lange Flügel haben) oder schneller fliegen. Wenn also alle anderen Faktoren gleich bleiben würden, würde ein Flugzeug, das seine Geschwindigkeit verdoppeln würde, nur halb so viel Energie benötigen, um es aufrechtzuerhalten. Außerdem würde es die doppelte Entfernung zurücklegen, sodass die Energie und damit der Kraftstoff, die zum Zurücklegen einer Entfernungseinheit benötigt werden, um den Faktor 4 reduziert würden.