Welche Beziehung besteht zwischen der Sinkgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit eines Flugzeugs?

Wenn der Pilot einen bestimmten Gleitpfadwinkel befiehlt, ändert jede Änderung der Fluggeschwindigkeit auch die vertikale Geschwindigkeit, da beide durch den Gleitpfadwinkel verbunden sind$\gamma$.

Beachten Sie, dass die vertikale Geschwindigkeit die Luftgeschwindigkeit ist$\cdot\sin\gamma$. Auf- oder Abstieg macht keinen Unterschied; nur das Zeichen von$\gamma$Veränderungen (positiv$\gamma$bedeutet, dass das Flugzeug steigt). Auch die Art des Antriebs beeinflusst diese Grundbeziehung nicht.

Da das Absteigen die potenzielle Energie verringert, wird eine andere Energie zunehmen. Wenn das Flugzeug beschleunigt, steigt seine kinetische Energie, bis die Erhöhung des Luftwiderstands den Energiegewinn ausgleicht. Das Reduzieren des Triebwerksschubs oder das Einsetzen von Spoilern begrenzt den Geschwindigkeitsanstieg, aber bei einem steilen Sinkflug erhöht sich die Fluggeschwindigkeit selbst bei Leerlauftriebwerken und vollem Ausschlag des Spoilers.

Gilt das auch für die Steigrate von Flugzeugen?

Nein. Bei einem Steigflug muss die potenzielle Energie erhöht werden, und die primäre Energiequelle sind die Motoren. Erst jetzt wirkt sich die Art des Antriebs auf das Ergebnis aus: Sowohl die Geschwindigkeiten für den steilsten als auch für den schnellsten Steigflug sind für Propellerflugzeuge relativ gering , sodass eine Erhöhung der vertikalen Geschwindigkeit normalerweise mit einer Verringerung der Fluggeschwindigkeit einhergeht, wodurch mehr überschüssige Energie freigesetzt wird zum Klettern.

Jets müssen auch für ihren steilsten Aufstieg langsam fliegen, aber für ihre schnellste Steiggeschwindigkeit müssen sie an Geschwindigkeit zunehmen . Dies ist umso ausgeprägter, je geringer das Nebenstromverhältnis der Triebwerke ist, Kampfjets brauchen also Geschwindigkeit, um schnell zu steigen. Flugzeuge mit Turbofan-Antrieb liegen zwischen Propellerflugzeugen und Kampfjets und bevorzugen eine moderate Geschwindigkeit für ihre beste Steigleistung.

Das alles gilt nur im stationären Flug. Bei einem Pull-up kann jedes Flugzeug schnell an Höhe gewinnen, indem es kinetische Energie gegen potenzielle Energie eintauscht . Dies ist jedoch ein Übergangseffekt – die hohe Steiggeschwindigkeit hält nur so lange an, wie das Flugzeug überschüssige Geschwindigkeit aufwenden kann.

Hier ist Peters Diagramm mit zwei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten, damit Sie den Unterschied in der vertikalen Geschwindigkeit sehen können:

Die anderen Antworten behandeln die Frage sehr grundlegend. Wenn sich ein Flugzeug in Richtung seiner Nase durch die Luft bewegt und diese Nase zufällig auf den Boden zeigt, dann sinkt es umso schneller, je schneller sich das Flugzeug durch die Luft in Richtung seiner Nase bewegt. Das ist einfache Trigonometrie; Die "wahre Fluggeschwindigkeit" des Flugzeugs ist die Hypotenuse eines Dreiecks, die anderen beiden Schenkel sind die reinen horizontalen und vertikalen Komponenten dieser Fluggeschwindigkeit, nämlich die "Bodengeschwindigkeit" und die "vertikale Geschwindigkeit" des Flugzeugs (auch bekannt als Steig- / Sinkgeschwindigkeit). Wenn Sie bei einem konstanten Steig- oder Sinkwinkel Ihre Fluggeschwindigkeit erhöhen, erhöhen Sie Ihre Geschwindigkeit über Grund und Ihre vertikale Geschwindigkeit.

Eine andere, realistischere Art, darüber nachzudenken, ist umgekehrt; Wenn alle anderen Dinge gleich sind, erhöht sich die Geschwindigkeit eines Flugzeugs, wenn die Sinkgeschwindigkeit zunimmt. Dies liegt an der Physik und der Umwandlung von Energie zwischen potentiellen und kinetischen Formen.

Ein einfaches Nicht-Flugzeug-Beispiel. Angenommen, Sie haben einen Sandsack, um den ein Seil gebunden ist und der durch eine Umlenkrolle über dem Kopf geführt wird. Durch Ziehen am Seil heben Sie den Sandsack gegen die Schwerkraft um einen bestimmten Betrag an. Sie verbrauchen Energie, um dies zu tun, und speichern einen Teil dieser Energie (idealerweise alles, aber in der realen Welt gibt es "Ineffizienzen") in dem Gewicht, das seiner Höhe über dem Boden innewohnt. Wenn Sie das Gewicht loslassen, beschleunigt die Schwerkraft es um einen zeitabhängigen (und damit höhenabhängigen) Betrag, sodass bis zum Auftreffen auf den Boden die gesamte potenzielle Energie, die Sie durch das Heben des Gewichts gespeichert haben, in kinetische Bewegungsenergie umgewandelt wurde .

Dieselbe grundlegende Beziehung besteht auch in Flugzeugen; ein Flugzeug speichert Energie, die von seinem Motor (oder in einem Segelflugzeug vom Motor eines Schleppflugzeugs) in seiner Höhe verbraucht wird. Das Flugzeug kann dann seine Höhe reduzieren, um die Vorwärtsfluggeschwindigkeit beizubehalten (oder in einem echten Tauchgang sogar zu erhöhen). Dies ist eines der grundlegendsten Prinzipien des Kunstflugs und wird allen Piloten beigebracht; Sie können "Höhe gegen Fluggeschwindigkeit eintauschen", wann immer Sie mehr (oder weniger) von einem benötigen und genug von dem anderen haben, um aufzugeben (oder zu gewinnen).

Die Mechanismen, durch die dies geschieht, können so komplex und esoterisch gestaltet werden, wie Sie möchten; Wir können die vier grundlegenden Flugkräfte abdecken und wie unterschiedliche Kräfte in Abhängigkeit von der Fluglage des Flugzeugs in verschiedene Richtungen wirken und somit unterschiedliche horizontale und vertikale Unterkomponenten zur Bewegung des Flugzeugs relativ zu seiner Nase oder dem Boden darunter beitragen. Um diese Frage zu beantworten, reicht es jedoch aus, einfach festzustellen, dass ein Flugzeug beim Sinkflug seine Höhe eintauscht, um Energie zu gewinnen, und die Menge dieser Energie, die nicht durch Luftwiderstand verloren geht, die Vorwärtsfluggeschwindigkeit des Flugzeugs erhöht.

Dies geht auf die ursprüngliche Antwort zurück. Wenn Sie aus der Höhe absteigen, erhöht sich Ihre Vorwärtsfluggeschwindigkeit (die Reisegeschwindigkeit in Richtung der Nase des Flugzeugs), da potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Da diese Vorwärtsfluggeschwindigkeit nach unten gerichtet ist, solange der Luftwiderstand die Beschleunigung nicht unter Kontrolle hält (z. B. bei einem höheren Anstellwinkel, der den Luftwiderstand erhöht, indem der "Querschnitt" der direkt dem Luftstrom ausgesetzten Flügel erhöht wird). erzeugt eine Rückkopplungsschleife; Sie sinken ab und gewinnen an Fluggeschwindigkeit, was dazu führt, dass Sie schneller absteigen und mehr Fluggeschwindigkeit gewinnen.

Um dem entgegenzuwirken, reduzieren absteigende Verkehrsflugzeuge häufig die Motorleistung (so dass die durch den Abstieg gewonnene Energie lediglich die Schubabnahme ausgleicht), erhöhen ihren Anstellwinkel (wenn das Flugzeug auf einem Weg "unter" seiner Nase fliegt, sind die Flügel mehr " seitlich" auf den Luftstrom, der sich an ihnen vorbeibewegt, was den Luftwiderstand erhöht) und Spoiler oder Luftbremsen einsetzen (die den Luftwiderstand selbst bei niedrigen Anstellwinkeln direkt erhöhen).

Im Gegensatz zu den Antworten, die zuerst hier waren, sage ich, dass die Kurzversion so lautet, dass "draußen in der realen Welt" nicht so funktioniert ... außer in einigen Situationen, die üblicherweise als Fluglotse angesehen werden.

Wenn einem Piloten ohne zusätzliche Anweisungen ein Sinkflug gegeben wird, werden wir normalerweise entweder mit einer konstanten Sinkrate oder einer konstanten Fluggeschwindigkeit absinken. Das AIM sagt, dass wir mit einer optimalen Rate (nicht der maximalen Rate) bis auf 1000 Fuß der zugewiesenen Höhe absinken sollten, und dann nicht mehr als 1500 fpm für die letzten 1000 Fuß. Abhängig von meiner Entfernung vom Ziel oder einer anderen erwarteten Überquerung Einschränkung wähle ich normalerweise eine Sinkgeschwindigkeit zwischen 1500 und 2500 fpm und nutze die Leistung, um meine angestrebte Sinkfluggeschwindigkeit beizubehalten. Bei Verwendung dieser Methode steigt die Sinkgeschwindigkeit nicht mit der Geschwindigkeit, jedoch ändert sich mein vertikaler Flugbahnwinkel, wenn sich die Geschwindigkeit ändert.

Das von Ihnen beschriebene Verhalten tritt höchstwahrscheinlich auf, wenn dem Piloten eine Überfahrtsbeschränkung erteilt wird oder wenn er plant, eine selbst erstellte Überfahrtsbeschränkung zu überqueren (üblicherweise werden 10.000 Fuß AGL in 30 nm Entfernung vom Flughafen verwendet). Dadurch wird der vertikale Flugbahnwinkel effektiv fixiert, und jetzt besteht die einzige Möglichkeit, Geschwindigkeitsänderungen auszugleichen, darin, die vertikale Geschwindigkeit anzupassen.

Beim Sinkflug aus großen Höhen (über 30.000 Fuß, je nach Flugzeug) erhöht sich die angezeigte Fluggeschwindigkeit mit einer konstanten Machzahl, bis die angestrebte Sinkfluggeschwindigkeit erreicht ist, und die vertikale Geschwindigkeit muss erhöht werden, um den höheren Boden auszugleichen Geschwindigkeit, um die Kreuzungsbeschränkung zu machen. Wenn andererseits eine Geschwindigkeitsreduzierung zugewiesen wird, kann die Sinkrate reduziert werden, um die gleiche Überquerungsbeschränkung vorzunehmen (oder das Flugzeug erreicht seine zugewiesene Höhe nur vorzeitig, was normalerweise kein Problem darstellt).

Diese Anpassung erfolgt entweder automatisch (durch das FMS / Autopilot im VNAV-Modus) oder wird vom Piloten überwacht und manuell angepasst, um die Überflugbeschränkungen einzuhalten.