Verbrauchen Flugzeuge den größten Teil ihres Treibstoffs, um Reibung zu überwinden?

Nein, der Großteil des Kraftstoffs wird durch Ineffizienz des Motors verschwendet.

Verbrennungsmotoren wie Turbinenmotoren sind nicht gerade energieeffizient. Der größte Teil des Kraftstoffs wird durch den Betrieb des Motors verschwendet. Nur etwa 35 % bis 40 % der Energie aus dem Kraftstoff werden in Vortriebsenergie umgewandelt. Der Rest der Energie aus dem Kraftstoff (~ 65 %) geht durch direktes Aufheizen der Atmosphäre, überschüssige kinetische Energie im Abgasstrom, internen Widerstand und Reibung des Motors und Geräuschentwicklung verloren.

Die restlichen ~35% der Energie sind da, um die Arbeit zu überwinden, die durch Schleppen geleistet wird.

Dieser Widerstand kann in durch Auftrieb verursachten Widerstand und parasitären Widerstand aufgeteilt werden. Es kann auch in Druckwiderstand und Reibungswiderstand aufgeteilt werden. Nehmen Sie der Einfachheit halber an, dass der gesamte durch Auftrieb verursachte Widerstand der gesamte Druckwiderstand und der gesamte parasitäre Widerstand der Reibungswiderstand ist.

Flugzeuge fliegen normalerweise in der Nähe der Geschwindigkeit, bei der der Luftwiderstand am geringsten ist. In einer solchen Situation sind 50 % des Widerstands induzierter Widerstand und 50 % parasitärer Widerstand. In der Praxis liegt die Reisegeschwindigkeit etwas über der Mindestwiderstandsgeschwindigkeit, sodass der parasitäre Widerstand den induzierten Widerstand übersteigt. Wenn unsere frühere Annahme richtig ist, dann wären über 50 % des Luftwiderstands Reibungswiderstand.

Das würde die Gesamtschätzungen auf Folgendes bringen:

• 65% verschwendet
• 20 % Reibungswiderstand
• 15 % Druckwiderstand

Beispielsweise erzeugt das GE90, das Triebwerk der meisten Boeing 777, einen Schub von 70 kN im Reiseflug von 250 m/s bei einem Treibstoffverbrauch von 1,08 kg/s.

Die vom Motor gelieferte Antriebsleistung ist$70 \cdot 10^3 \cdot 250 = 17.5\cdot 10^6 \textrm{W}$.

Düsentreibstoff hat eine spezifische Wärme von$43.15 \cdot 10^6 \textrm{J/kg}$Der Energieverbrauch der Motoren beträgt somit:

$1.08 \cdot 43.15 \cdot 10^6 = 46.6 \cdot10^6\textrm{W}$

Das ergibt einen Wirkungsgrad von 37,6 %. Das mag mager erscheinen, aber es ist einer der effizientesten Motoren, die heute erhältlich sind.

Datenquelle ^PDF für Schub, Geschwindigkeit & Verbrauch:

Flugzeuge fliegen gerne in der Nähe ihres optimalen L/D-Verhältnisses, wo der Luftwiderstand sein Minimum erreicht . Bei dieser Geschwindigkeit wird der Widerstand gleichmäßig zwischen induziertem (auftriebsbedingtem) und viskosem Widerstand aufgeteilt. In sehr grober Näherung wird tatsächlich die Hälfte des Widerstands durch Reibung verursacht.

Wenn wir jedoch genauer hinschauen, hat der Luftwiderstand mehr Quellen. Neben Reibung und induziertem Widerstand gibt es einen Druckwiderstand aufgrund von Strömungsablösung an stumpfen, nach hinten gerichteten Oberflächen. Eine stärkere Trennung könnte durch Grenzschichteffekte verursacht werden, dies ist jedoch stark flugzeug- und anstellwinkelspezifisch. Man könnte argumentieren, dass diese Art von Druckwiderstand auch durch Reibung verursacht wird.

Wenn wir uns nun konkrete Missionen ansehen, schleichen sich weitere Unterschiede ein:

• Ein Abfangjäger versucht, in kürzester Zeit einen bestimmten Punkt zu erreichen. Hier ist der Reibungswiderstand leicht die dominierende Widerstandsquelle, der induzierte Widerstand ist gering und ein Teil des Kraftstoffs wird für die Beschleunigung benötigt.
• Verkehrsflugzeuge fliegen mit optimaler Transportleistung, die schneller ist, als es ein optimales L/D erfordern würde . Der Reibungswiderstand ist hier zwar die größte Widerstandsquelle, trägt aber vielleicht 50% bis 60% bei.
• Beobachtungsflugzeuge, die die Flugzeit optimieren möchten, werden langsamer fliegen, als es für ein optimales L/D erforderlich ist, insbesondere wenn sie Propeller verwenden. Jetzt ist der induzierte Luftwiderstand für den Großteil des verbrauchten Kraftstoffs verantwortlich.

Bei einem Flugzeug im Horizontalflug wirkt der Auftrieb dem Gewicht des Flugzeugs entgegen, und der Schub der Triebwerke wirkt dem Luftwiderstand des Flugzeugs entgegen.

Eine Form des Luftwiderstands ist der Mantelreibungswiderstand . Die Aussage, auf die Sie sich beziehen, steht im Zusammenhang mit der Hauterwärmung, und die Hautreibung ist die Hauptmethode, auf die sich die Haut erwärmt. Andere bedeutende Widerstandsquellen fügen der Luft stattdessen Energie hinzu.

Laut diesem Papier stammt etwa die Hälfte des Luftwiderstands eines Verkehrsflugzeugs aus Hautreibung . Diese Schätzung des Luftwiderstands im Reiseflug für einen Geschäftsjet zeigt eine ähnliche Aufschlüsselung. Etwa ein Drittel des Widerstands ist induzierter Widerstand, der die Nebenwirkung des Auftriebs ist.

Um auf die ursprüngliche Aussage einzugehen, kann der Reibungswiderstand den größten Teil des Kraftstoffverbrauchs ausmachen, aber nicht sehr viel. Es ist die größte Widerstandsquelle, aber nicht immer mehr als die Hälfte des Gesamtwiderstands.

Diese Aussage vereinfacht, was wirklich mit den Grundlagen der Physik 101 passiert. Technisch gesehen ist diese Aussage zu 100% wahr. Es gilt auch für Autos und Schiffe: Ihr Auto verbraucht den größten Teil seines Kraftstoffs, um die Reibung zu überwinden.

Newtons erstes Gesetz: Ein Objekt, das sich bewegt, bleibt in Bewegung.

Das bedeutet, dass Sie, sobald Ihr Auto oder Flugzeug die gewünschte Geschwindigkeit erreicht hat, den Motor nicht mehr laufen lassen müssen und das Auto/Flugzeug mit konstanter Geschwindigkeit weiterfährt, bis Sie die Bremsen betätigen. Fährst du so dein Auto? Offensichtlich nicht. Sie müssen den Gashebel ganz (oder zumindest fast vollständig) durchdrücken.

Also was gibt? Newton sagt, dass das Auto weiterfahren sollte und Sie daher in der Lage sein sollten, Ihren Motor für 99% Ihrer Fahrt auszuschalten! Die Antwort ist Reibung, in all ihren verschiedenen Formen.

Einige Leute mögen sagen: "Aber die meiste Energie im Flug wird verwendet, um Auftrieb zu erzeugen, nicht um Reibung zu überwinden". Aber Auftrieb kommt von Reibung. Der Auftrieb verursacht Widerstand, insbesondere induzierten Widerstand. Aber dieser Luftwiderstand ist nur durch Reibung möglich – die Reibung der Luft mit sich selbst. Wir quantifizieren diese „Reibung“ als Viskosität. Flüssigkeiten, die völlig reibungsfrei sind, haben eine Nullviskosität (solche Dinge gibt es: Sie werden Superflüssigkeiten genannt) und es ist unmöglich, in solchen Flüssigkeiten Auftrieb zu erzeugen. Glücklicherweise ist Luft viskos, sodass Flugzeugflügel in Luft funktionieren können.

Technisch gesehen ist es also wahr - jedes fahrende Fahrzeug verbraucht den größten Teil seines Kraftstoffs, um die Reibung zu überwinden. Aber aus technischer Sicht ist es nicht wirklich nützlich.

Es gibt jedoch eine Ausnahme: Raumschiffe. Da die Reibung im Vakuum des Alls nahezu Null ist, verbrennen Raumschiffe ihren Treibstoff nur zu Beginn der Fahrt und am Ende, um abzubremsen. In 99 % der Fälle werden die Motoren eines Raumschiffs abgestellt und das Schiff rollt dank Newtons erstem Gesetz einfach weiter.

Ein Strahltriebwerk ist ein Brayton- Zyklusgerät und hat grundlegende Leistungsgrenzen. Aus dem Diagramm in der Quelle geht hervor, dass für den idealen theoretischen Motor ohne jegliche Reibung und einem Druckverhältnis von etwa 30 (Boeing 747-Motor) die Effizienzgrenze bei etwa 60 % liegt.

Das bedeutet, dass ca. 40 % der Energie als Wärme verpufft, der Motor kann sie nicht umwandeln. Es geht nicht durch Reibung verloren. Dies ist ein erheblicher Prozentsatz, aber weniger als die Hälfte.

Über einige Düsenbomber aus dem Zweiten Weltkrieg mit einem Druckverhältnis von etwa 3 kann man sagen, dass der Hauptenergieverlust auf die Thermodynamik des Motors und nicht auf die Reibung zurückzuführen ist.