Haben wir bei Mach 0,85 die Spitzengeschwindigkeitseffizienz für Düsenflugzeuge erreicht?

Kurze Antwort: Steigende Kraftstoffpreise hätten die wirtschaftlichste Geschwindigkeit gesenkt, aber Fortschritte in der Aerodynamik haben dies kompensiert, und die maximale Reise-Machzahl liegt immer noch bei Mach 0,85. Aber es gibt einen viel einfacheren Grund, warum diese Zahl von Mach 0,85 so unveränderlich erscheint.

Bitte beachten Sie, dass wir über die maximale Kreuzfahrt-Mach-Zahl sprechen; Alle Flugzeuge werden bei etwas niedrigeren Machzahlen zwischen 0,78 und 0,82 sparsamer fliegen.

Jetzt müssen wir Effizienz definieren. Bei Flugzeugen ist dies die Transportkapazität pro Zeit und kann durch das Produkt aus Nutzlast, Reichweite und Geschwindigkeit ausgedrückt werden. Wenn keiner der drei Bestandteile geändert werden kann, ohne dass die Herstellung des Produkts teurer wird, haben Sie den Punkt der besten Effizienz erreicht.

Motorentechnik

Die größte Veränderung in den letzten 50 Jahren betraf die Motorentechnik. Die Bypass-Verhältnisse sind auf Werte nahe 10 gestiegen, die Turbineneintrittstemperatur ist jetzt 300 °C höher als im frühen Jet-Zeitalter , und die elektronische Steuerung hat insbesondere die Off-Design-Leistung von Triebwerken verbessert. Dies hat es weniger attraktiv gemacht, die Fluggeschwindigkeit zu erhöhen, sodass die optimale Reisemach niedriger wäre, wenn sie nicht von anderen Effekten beeinflusst worden wäre.

Ein weiterer Effekt ist der geringere Kraftstoffverbrauch. Frühe Konstruktionen mussten eine hohe Flügelsehne verwenden, um genügend Treibstoffvolumen für Überseeflüge zu packen. Der deutlich geringere Verbrauch moderner Motoren hat ihnen Reichweiten beschert, die über dem liegen, was nötig ist, um jeden Punkt der Erde direkt zu erreichen. Dies ermöglichte es, die Flügelfläche, -dicke und -masse zu reduzieren und etwas Reibungswiderstand einzusparen, was wieder zur Kraftstoffeinsparung beitrug. Die geringere Dicke trägt dazu bei, höhere Machzahlen im Reiseflug zu ermöglichen.

Aerodynamik

Aerodynamik ist der zweite Faktor. Mit dem A310 wurden überkritische Tragflächen eingeführt, und sie verschoben die Machzahl im Betrieb nach oben, da jetzt ein begrenzter Bereich der Überschallströmung auf dem Flügel ohne einen signifikanten Anstieg des Luftwiderstands toleriert werden konnte. Der Vorteil daraus wurde jedoch genutzt, um die Flügelpfeilung zu verringern, die Tragflächendicke zu erhöhen und größere Rümpfe an diesen Flügeln anzubringen. Am Ende hatten die neueren Flugzeuge die gleichen Marschzahlen wie ihre Vorgänger. Irgendetwas machte Mach 0,85 zu attraktiv, um es aufzugeben.

Ein zweiter Effekt überkritischer Tragflächen ist ihre stumpfere Nase, die dazu beiträgt, einen höheren maximalen Auftriebsbeiwert zu erreichen. Dies trug auch zur Verringerung der Flügelsehne bei, da nun die Flügelfläche bei gleicher Landegeschwindigkeit kleiner gemacht werden konnte.

Der wahre Grund

Jedes neue Verkehrsflugzeug muss mit den älteren Modellen konkurrieren. Beim Kraftstoffverbrauch ist das kein Problem, aber Geschwindigkeit ist auch wichtig . Eine höhere Kreuzfahrt-Machzahl ermöglicht kürzere Verbindungszeiten. Jetzt müssen Sie wissen, dass die elektronischen Reservierungssystemewürde die Verbindungen sortiert nach Flugzeit auflisten, die kürzeste zuerst. Wenn ein Reisebüro einen Flug buchen wollte, schaute er oder sie selten über den ersten Bildschirm hinaus und wählte einen der ersten aufgelisteten Flüge aus. Wenn ein neuer Typ den Flug in den Listen nach unten rutschen ließ, war es ein Verkaufsschlager. Das gilt auch in Zeiten von Online-Buchungen: Die Fluggesellschaften verdienen nicht viel an den Schnäppchenjägern in der Economy, ihr Ziel sind die Geschäftsleute, die in der Business oder First Class fliegen. Und die bestellen immer noch hauptsächlich über Reisebüros, also haben sich die Regeln nicht geändert. Aus diesem Grund scheint die Geschwindigkeit von Mach 0,85 so fest eingestellt zu sein; schnelleres Fliegen würde den Treibstoffverbrauch unverhältnismäßig in die Höhe treiben, und selbst die neuesten Jets werden meistens mit Mach 0,82 bis Mach 0,84 geflogen.

Diese Geschwindigkeit zu ermöglichen, ist für die Konstrukteure immer noch ein Kampf, insbesondere wenn man bedenkt, dass größere Flugzeuge aus Gründen der strukturellen Effizienz dickere Flügel benötigen würden, aber mit Flügeln ausgestattet werden müssten, die dünner als optimal sind, damit das Marketing eine Reisegeschwindigkeit von Mach 0,85 behaupten kann.

Mach 0,85 ist nichts Eigenes; Mach 1 ist das Problem. Der Grund, warum Verkehrsflugzeuge normalerweise irgendwo zwischen Mach 0,8 und Mach 0,9 liegen, liegt in der kritischen Machzahl der betreffenden Flugzeugzelle. Wenn die relative Fluggeschwindigkeit des gesamten Flugzeugs die kritische Machzahl erreicht, gibt es einen Teil der Flugzeugzelle, wo der Luftstrom tatsächlich Mach 1 erreicht. Dies liegt daran, dass die Luft um die Flugzeugzelle herum beschleunigt, wenn sich die Flugzeugzelle durch die Luft bewegt. Die kritische Machzahl ist für verschiedene Flugzeugzellen unterschiedlich, aber sie ist normalerweise der begrenzende Faktor für die Reisegeschwindigkeit von Verkehrsflugzeugen. Diese Frage erklärt mehr über die kritische Machzahl.

Mehr oder weniger.

Das Problem ist die "kritische Machzahl" der Flügelplanform. Die meisten Flügel haben eine gekrümmte Oberseite, die die Luft, die sich über diese Seite des Flügels bewegt, dazu zwingt, sich schneller zu bewegen, ihren Druck zu verringern und Auftrieb zu erzeugen. Bei einer Vorwärtsfluggeschwindigkeit des gesamten Tragflügels nahe, aber weniger als Mach 1, überschreitet der Luftstrom über der Oberseite des Tragflügels Mach 1, wenn er über die Vorderkante des Flügels strömt, und verlangsamt sich dann wieder auf Unterschallgeschwindigkeiten um den Kamm des Flügels. Dieser "Transschall" -Luftstrom erhöht den Luftwiderstand des Flugzeugs bei Fluggeschwindigkeiten zwischen der kritischen Machzahl und der Geschwindigkeit, bei der der gesamte Luftstrom über jede Oberfläche des Flugzeugs Überschall ist (wenn der Transschallluftstrom kein Problem mehr darstellt, sondern andere Vorderkanten- und Nachlaufwiderstand Kräfte kommen, um den Gesamtwiderstand zu dominieren).

Kommerzielle Verkehrsflugzeuge überschreiten manchmal die kritische Machzahl ihrer Flügel und erzeugen eine Stoßwelle, die entweder als Fata Morgana-ähnliche optische Störung oder, wenn die Bedingungen genau richtig sind, als Dampfwolke sichtbar ist:

Kampfjets, die über Mach 1 hinaus beschleunigen, erzeugen üblicherweise "Dampfkegel", die an der Überschallgrenze ihres Luftstroms beginnen, was verursacht wird, wenn die hohe Varianz des Luftdrucks an dieser Überschallstoßwellengrenze Wasserdampf zum Kondensieren zwingt:

Die kritische Machzahl wird durch das Design der Planform bestimmt. Flügel mit dickeren Querschnitten erzeugen mehr Auftrieb für weniger Fläche (und mehr induzierten Widerstand von diesem Auftrieb) und haben im Allgemeinen auch einen höheren Anstellwinkel (was bedeutet, dass, wenn alle anderen Dinge gleich sind, eine geringere Stallgeschwindigkeit), aber der Kompromiss ist ein untere kritische Machzahl. Das Gegenteil gilt für einen dünneren Querschnitt; Die kritische Machzahl wird erhöht, während der Auftrieb, der Luftwiderstand und die kritische AoA verringert werden.