Könnten Verkehrsflugzeuge ein dampf- oder elektrisch betriebenes Katapult zum Abheben verwenden?

Mal sehen, was die Einsparungen sind:

Ein mittelgroßes Verkehrsflugzeug trägt vielleicht 20 % seiner Masse an Treibstoff. Dieser Kraftstoff hat eine Energiedichte von 43 MJ pro kg. Von dieser chemischen Energie werden höchstens 40 % in nutzbare Arbeit umgewandelt. Verdammt, machen wir das auf 25 %, also sind wir wirklich konservativ. So steht die Energie für die ganze Reise

Nehmen wir nun an, dass dieses Verkehrsflugzeug die Energie spart, um von 0 auf 150 Knoten zu beschleunigen, indem es ein Katapult verwendet. Diese Energie ist

Da ich metrische Einheiten ausgewählt habe, ist die Umrechnung einfach:$1 \, \mathrm{J} = 1 \, \mathrm{Ws} = 1 \, \frac{\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2}$. ich benutze$\text{mass}$für die Startmasse, also denken Sie nicht, dass es die Einheit Meter ist. Jetzt setzen wir das ins Verhältnis:

Die Verwendung des Katapults spart 0,1385 % der Energie, die zum Fliegen einer typischen Verkehrsflugzeugreise benötigt wird, wenn man von der gleichen Effizienz während der Beschleunigung wie während des Fluges ausgeht. Wenn wir berücksichtigen, dass Strahltriebwerke im Reiseflug am effizientesten sind, verdoppeln wir den Treibstoffbedarf für die Beschleunigung und machen ihn zu 0,277 %. Zugegeben, es ist eher für Kurzstreckenflüge, aber immer noch unbedeutend für das, was erforderlich ist, um das Flugzeug 10 km hoch in den Himmel und dann ein paar hundert Meilen mit Mach 0,8 durch die Luft zu bewegen. Bezogen auf die Treibstoffmasse werden diese 0,277 % von 20 % der Abflugmasse abgezogen. Der Kraftstoff, der benötigt wird, um auf v zu beschleunigen$_0$ist 0,000554 mal Abflugmasse.

Um einen Katapultstart durchführbar zu machen, müssen Sie das Bugfahrwerk und den vorderen Rumpf etwas verstärken. Der typische Anteil des Fahrwerks an der Startmasse beträgt etwa 3%, und das Bugfahrwerk macht 10% - 15% davon aus$m_{\text{nosegear}} = 0.00375 \cdot \text{mass}$. Relativ zur Masse des Bugfahrwerks ist die Kraftstoffeinsparung durch die Verwendung eines Katapultstarts$\frac{0.000554}{0.00375} = 0.0148$oder 15 % der Masse des Bugfahrwerks. Somit müssen die Verstärkungen weniger als 15 % zur Masse des Bugfahrwerks beitragen.

Geht man von einer Beschleunigung von ½ g = 4,903 m/s² aus, beträgt die Startstrecke zur Beschleunigung auf 150 kn 607 m. Ich gehe davon aus, dass selbst diese moderate Beschleunigung (die beim Start eine Zugkraft von der Hälfte des Auftriebs erfordert) zu viel höheren Massenzunahmen führen würde als diese 15% der Bugfahrwerksmasse.

Aus technischer Sicht wäre es möglich, eine Art bodengestützten Startmechanismus für Verkehrsflugzeuge zu entwerfen, obwohl jeder der von Ihnen beschriebenen Vorteile durch neue Nachteile stark aufgewogen würde, wie in anderen Antworten beschrieben.

Es gibt jedoch einen neuen Punkt, den ich für erwähnenswert halte. Die kürzere Startrolle, die dies bedeuten würde, ist an sich kein Vorteil, sondern ein Nachteil .

Die Zeit, die man damit verbringt, mit Vollgas auf der Start- und Landebahn Fahrt aufzunehmen, ist wertvoll. Es ist eine Gelegenheit sicherzustellen, dass sie und die übrigen Systeme des Flugzeugs ordnungsgemäß funktionieren. Wenn es zu einem Ausfall wie einem Stromausfall oder einem plötzlichen Abfall des Hydraulikdrucks kommt, ist die Startrolle ein guter Ort dafür, da dies der Besatzung die Möglichkeit gibt, ihn sicher abzubrechen.

Diese Gelegenheit würde bei einem unterstützten Start verloren gehen.

Euch allen fehlt die naheliegendste Antwort: Man könnte, aber außer ein paar jungen Adrenalinjunkies würde niemand sonst damit fahren wollen.

Der einzige wirkliche Zweck für einen katapultunterstützten Start besteht darin, ein Flugzeug mit einer schnellen Beschleunigung auf Vr und darüber hinaus von einem kurzen Flugplatz zu versorgen. Da praktisch alle Flughäfen, die für größere kommerzielle Operationen genutzt werden, über Start- und Landebahnen mit einer Länge von mindestens 1 Meile oder mehr verfügen, gibt es keine Infrastrukturkrise, die dies erforderlich machen würde.

Wenn Sie einen Flugplatz hatten, der so klein war, dass ein CATO-Start erforderlich war, um die Jets in die Luft zu bringen, stehen Sie auch vor der Aufgabe, sie auf engem Raum zu landen. Dies würde erfordern, dass das Feld auch mit Fangvorrichtungen ausgestattet ist.

Wie oben ausgeführt wurde, sind keine existierenden Verkehrsflugzeuge dafür ausgelegt, diese Systeme zu starten und zu bergen, so dass selbst mit der Investition in eine CATOBAR-Infrastruktur für einen Flugplatz kein gewinnorientiertes Luftfahrtunternehmen sie nutzen könnte. Und es bietet praktisch keine Treibstoffeinsparungen für die Fluggesellschaften.

Und vergessen wir hier nicht die menschlichen Faktoren: Wenn wir CATOBAR-Operationen von militärischen Flugzeugträgern als Maßstab für die Leistung nehmen, erlegt ein Cat-Schuss dem Flugzeug eine Beschleunigungslast von 2–2,5 G während des Starthubs und eine Verzögerung von 2–2,5 G während eines auf festgenommene Landung. Während ich sicher bin, dass ein Adrenalin-Junkie in den Zwanzigern davon begeistert sein wird, wird es für die meisten Menschen eine unangenehme Erfahrung und ziemlich gefährlich für ältere Menschen, Kranke, schwangere Frauen usw.

Denken Sie daran, dass Zivilflugzeuge im Gegensatz zu Militärflugzeugen auf Komfort und Wirtschaftlichkeit ausgelegt sind.

Jede Art von typischem Verkehrsflugzeug für den Einsatz als Katapult nachrüsten zu lassen, würde bedeuten, den Rahmen und die Struktur des Flugzeugs zu verstärken (und somit möglicherweise das Gewicht zu erhöhen); verstärkte oder anderweitig verstärkte Tragflächen und Motorhalterungen, mögliche Modifikationen an den Rädern und dem Fahrwerk – all dies erhöht das Gewicht, was Kosten bedeutet, da mehr Treibstoff erforderlich wäre (oder weniger Passagiere befördert werden könnten), wodurch mögliche Einsparungen zunichte gemacht würden.

Vergessen wir nicht, dass die Landebahnen modifiziert wurden (weitere Kosten) und die unvermeidlichen Verzögerungen durch Landebahnsperrungen und die zusätzlichen Verzögerungen, da der Katapultmechanismus nach jedem Start "zurückgesetzt" werden muss.

Ganz zu schweigen davon, dass Passagiere es nicht wirklich mögen, wenn sie bei leichten Turbulenzen herumgeschüttelt werden – stellen Sie sich nur vor, wie beliebt Sie sein werden, wenn Sie sie wie eine Steinschleuder abschießen.

Ja, es gäbe Kraftstoffeinsparungen aus mehreren Quellen:

• Effizienzgewinn durch die bodengestützte Trägerrakete.
• Gewichtseinsparung durch kleinere Motorgröße.

Effizienzgewinn. Laut dieser Seite verbraucht eine B747 5.700 lbs für den Start, von 422.000 lbs max. Kraftstoff. Das sind 1,35 % des Treibstoffs für ein Langstreckenflugzeug, der Prozentsatz für ein Kurzstreckenflugzeug wäre höher. Das Katapult oder die elektrische Schleppleine müssten nun die Startenergie liefern – elektrisch betrieben ist der Wirkungsgrad deutlich höher. Ein Faktor von über 2 wird dadurch erreicht , dass nicht die Luft, sondern das Flugzeug selbst beschleunigt wird, und Kombikraftwerke sind viel effizienter als eine einzelne Gasturbine. Aus Wikipedia :

Durch die Kombination dieser mehreren Arbeitsströme auf einer einzigen mechanischen Welle, die einen elektrischen Generator dreht, kann der Gesamtwirkungsgrad des Systems um 50–60 % gesteigert werden. Das heißt, von einem Gesamtwirkungsgrad von beispielsweise 34 % (in einem einzelnen Zyklus) bis zu einem möglichen Gesamtwirkungsgrad von 62,22 % (in einer mechanischen Kombination von zwei Zyklen) im thermodynamischen Netto-Carnot-Wirkungsgrad. Dies ist möglich, weil Wärmekraftmaschinen nur einen Teil der Energie nutzen können, die ihr Brennstoff erzeugt (normalerweise weniger als 50 %). In einer gewöhnlichen (nicht kombinierten) Wärmekraftmaschine wird die verbleibende Wärme (z. B. heiße Abgase) aus der Verbrennung im Allgemeinen verschwendet.

So wird in einem Flugzeug Luft durch einen thermodynamischen Prozess mit 35 % Wirkungsgrad beschleunigt. Beim Start durch ein Katapult wird das Flugzeug durch einen thermodynamischen Prozess mit über 60 % Wirkungsgrad beschleunigt. Der Gesamteffizienzgewinn ist der oben angegebene Faktor 2 mal 60/35 = 3,4 mal höher. Dies führt zu 5.700/3,4 = 1.700 lbs, die für den Start eines Katapultstarts erforderlich sind. Eine potenzielle Einsparung von 4.000 lbs bei jedem Start einer B747. Natürlich wird vieles davon dadurch zunichte gemacht, dass die Triebwerke mit Drehzahlen laufen, die einen Steigflug direkt nach dem Start ermöglichen, aber selbst eine Einsparung von 1.000 Pfund pro schwerem Flugzeug würde an einem geschäftigen Flughafen wie O 'eine unglaubliche jährliche Einsparung bedeuten. Hase.

Gewichtsersparnis . Airbus plädiert dafür (jetzt hinter einer Autorisierungswand). Der maximale Schub wird nur beim Start verwendet, ein unterstützter Start würde leichtere Triebwerke mit einem damit verbundenen geringeren Kraftstoffverbrauch bedeuten. Aus dem Artikel:

Hören Sie während des Fluges das sich verändernde Motorengeräusch und es ist offensichtlich: Ein Flugzeug schöpft beim Start mehr aus seinen Leistungsreserven als zu jeder anderen Zeit. Die zum Abheben benötigte Leistung wird anhand einer Reihe von Faktoren bestimmt – darunter die Länge der Landebahn, die Windgeschwindigkeit, die Temperatur und das Gewicht des Flugzeugs selbst.

Diese Startleistung wird jedoch nur für einen sehr kurzen Abschnitt des Gesamtfluges benötigt. Sobald ein Flugzeug über dem Himmel fliegt, braucht es nicht mehr so ​​viel, um die Höhe zu halten. Warum also nicht die beim Start benötigte Energie aus einer am Boden installierten Innovation beziehen? Kann die Last (und das Gewicht) vom Flugzeug selbst entfernt werden?

Ein unterstützter Start – unter Verwendung einer Form von Antriebsbeschleunigung – würde bedeuten, dass Flugzeuge leichter sein könnten und kleinere Triebwerke weniger Treibstoff verbrauchen.

Es würde also zusätzlich zu dem für den Start eingesparten Treibstoff Treibstoff eingespart.

Wir können es nicht schaffen, da es 0 Verkehrsflugzeuge gibt, die für Katapulte entwickelt wurden.

Ihre Annahme, dass dies zu Kosteneinsparungen führen würde, ist auf vielen Ebenen falsch. Das wichtigste wäre das:

Die Startrolle (der Teil, in dem Katapulte wirken können) dauert nur wenige Sekunden.

Darüber hinaus:

1. Sie brauchen volle Kraft für den Aufstieg, damit Sie nicht auf den Blick treten können
2. Sie können aufgrund der Belastung der Flugzeugzelle und der Passagiere nicht viel schneller beschleunigen

Das Katapult würde Ihnen helfen, von 0 auf V1 zu beschleunigen, aber es kann Ihnen nicht helfen, auf Reiseniveau zu klettern.

Das Hinzufügen eines neuen Systems wäre sehr kostspielig, unpraktisch und würde Ihnen nur ein paar Sekunden Beschleunigung ersparen.

Wenn es wirklich einen wirtschaftlichen oder sicherheitstechnischen Nettovorteil gäbe, wären sie bereits im Einsatz. Katapulte gibt es schon lange genug, um dort, wo sie eingesetzt werden, eine bewährte Technologie zu sein.

Bedenken Sie, dass einige Fluggesellschaften ihre Lackierungen geändert haben, weil dies dem Flugzeug genug Gewicht einsparen würde, um eine bedeutende Menge Treibstoff zu sparen oder zusätzliche Nutzlastkapazität hinzuzufügen. Wenn sie solche Dinge untersucht und implementiert hätten, wären Katapulte sicher nicht so lange übersehen worden.

Der Kern davon läuft für mich darauf hinaus.

Es braucht x Energie, um von 0 auf Steiggeschwindigkeit zu kommen. Wenn diese Energie über ein Katapult oder von den Motoren "vom Boden" kommt, gibt es keine wirklichen Einsparungen. Sie müssen immer noch die Energie aufwenden. Die einzigen Einsparungen können die Kraftstoffkosten zur Erzeugung dieser Energie sein. Aber selbst wenn die Einsparungen bei den Treibstoffkosten extrem sind, ist die Gesamtenergie, die aufgewendet wird, um eine Reiseflughöhe zu erreichen, gering im Vergleich zu der Energie, die aufgewendet wird, um ein Flugzeug dort oben zu halten. Die Kosten für die Wartung des Katapults würden wahrscheinlich die Kosten für den "zusätzlichen" Kraftstoff aufwiegen, der benötigt wird, damit die Motoren die Kletterenergie erzeugen.

Denken Sie daran, dass Katapulte auf Flugzeugträgern aus Kostengründen nicht verwendet werden, da es keine andere Möglichkeit gibt, ein Flugzeug auf einer so kurzen Landebahn auf Geschwindigkeit zu bringen. Da VTOL immer beliebter wird, werden die Katapulte immer weniger verwendet.

Viele Marinen sind vollständig auf STOBAR- oder STOVL-Systeme umgestiegen. Die aktuellen Trends scheinen zu sein, „finde mir etwas anderes als ein Katapult, um dieses Ding in die Luft zu bekommen“, auch wenn das auf Kosten der Flexibilität geht.

Also um deine Punkte runterzufahren:

• Weniger Landebahn: Nein, ich muss noch landen, und selbst wenn dies wahr wäre, sind nur sehr wenige Orte so eng, dass die Landebahnen nicht verlängert werden können. Es mag teuer sein, aber Japan baut (glaube ich) eine ganz neue Insel, um ihren Flughafen zu halten.

• Kraftstoffeinsparung: Vielleicht. Wenn Sie ein Dampfkatapult verwenden und den Dampf mit Kohle erzeugen und der Kostenunterschied pro Arbeitseinheit zwischen Kohle und Düsentreibstoff ausreicht, dann ja, es könnte Kraftstoffeinsparungen geben. Dies würde jedoch mit ziemlicher Sicherheit durch Wartungskosten ausgeglichen werden.

• Schneller umdrehen: Nein! Es braucht Zeit, um dieses Katapult aufzuladen. Es ist nicht sofort. Sie können nicht einfach ein zweites Flugzeug starten, sobald das erste die Landebahn freigibt. Das Katapult muss eingestellt, aufgeladen und dann abgefeuert werden. Bei militärischen Operationen können Sie nur eine Anzahl von X Fahrzeugen starten. Es ist also möglich, dass ein militärisches Katapult für den gesamten Start berechnet wird. Ein Flughafen hingegen ist durchgehend. Es wird also Zeit geben, wenn das Aufladen erforderlich ist. Es gibt Möglichkeiten, dies zu umgehen, wie z. B. "Seitenladen" aus zwei Quellen, sodass die andere aufgeladen wird, wenn eine erschöpft ist. Aber dies würde die Kosten und die Komplexität noch weiter erhöhen.

Bisher scheinen sich alle Antworten auf einen kurzen Start konzentriert zu haben, ein flaches Katapult, ähnlich wie Sie es auf dem Deck eines Flugzeugträgers sehen würden. Dies weist Mängel auf, die in vielen Antworten aufgeführt sind. Aber was wäre, wenn es eine Rampe wäre? Dies kann eine standardmäßige, leicht erhöhte flache Oberfläche oder eine gekrümmte Rampe sein, die den Winkel exponentiell ändert. Nehmen wir an, wir rüsten einen bestehenden Flughafen nach. Das gibt uns eine horizontale Meile von bis zu einer Meile, die wir für unseren Katapultlauf verwenden könnten.

Vorteile:

• Kann langsamer, aber über einen längeren Zeitraum beschleunigen, was sowohl für das Flugzeug als auch für die Passagiere eine ruhigere Fahrt ermöglicht.
• Je nachdem, ob es sich um eine flache oder gekrümmte Rampe handelt, können Sie mit einem anständigen AOA bis zu ein paar hundert Fuß in den Himmel starten.
• Die Startgeschwindigkeiten können in der Nähe der Höchstgeschwindigkeit des Flugzeugs liegen und nicht nur über dem, was erforderlich ist, um es in die Luft zu bringen, wodurch Treibstoff gespart wird, da es einfacher ist, eine Geschwindigkeit beizubehalten, als auf eine zu beschleunigen.
• Landungen können nur in eine Richtung erfolgen, aber mit der Schwerkraft zur Unterstützung des Bremsens wird eine größere Verzögerung ermöglicht und hoffentlich die Zeit von der Landebahn zum Terminal verkürzt.
• Es ist weniger wahrscheinlich, dass das Heck beim Landen abgeschnitten wird, da der Winkel der Rampe das Heck proportional höher macht.

Nachteile:

• Ihr Flugzeug könnte während des Landens/Startens herunterfallen/von der Seite der Rampe geschleudert werden.
• Nicht für Katapulte umgebaute Flugzeuge können nach der Landung möglicherweise nicht von Ihrem Flugplatz abheben (abhängig von Rampe und Flugzeugtyp sowie vorherrschenden Winden).
• Es wurde bereits erwähnt, aber Landungen enden so ziemlich als einseitige Angelegenheit. Wenn der Wind also gegen Sie ist, müssen Sie umleiten.

Abmilderung:

• Bauen Sie die Rampe in der Nähe der bestehenden Landebahn, aber nicht darüber. Da das Ende der Rampe ziemlich hoch ist, könnten andere Strukturen wie Hangars darunter eingebaut werden. Dies würde Platz sparen und reguläre/ununterstützte Flugzeugstarts und -landungen auf der regulären Landebahn ermöglichen, könnte jedoch ernsthafte Auswirkungen haben, wenn ein Flugzeug von der Seite fällt.
• Angesichts der Länge, die wir für die Rampe haben, könnten wir anstelle eines speziellen Katapults eine Art Hochgeschwindigkeitstraktor oder Pushback verwenden, was die Nachlade-/Kalibrierungszeiten verkürzen würde - dasselbe Fahrzeug schleppt das Flugzeug zur Landebahn und fährt dann sehr schnell damit (ok, hier wird mit der Hand geschwenkt, aber mehrere umherziehende "Katapulteinheiten" sind eine Idee, die nur eine Lösung benötigt).