Wie ist die Beziehung zwischen Leistung und Kraftstoffeffizienz?

Leider wird bei dieser Frage Ursache und Wirkung wirklich durcheinander gebracht. Die ausgezeichnete Antwort von Peter Kampf sollte das meiste von dem erklären, was Sie brauchen, aber es kann sein, dass Sie seine Antwort schwer verständlich finden, weil Sie immer noch der Vorstellung nachgehen, dass der Steuerknüppel nur die Geschwindigkeit und der Gashebel nur die Höhe verwaltet.

Wenn dies der Fall ist, ziehen Sie bitte diese Analogie in Betracht: Stellen Sie sich vor, dass jedem Flugzeug drei Eimer Energie zur Verfügung stehen: chemisch, potentiell und kinetisch. (Anmerkung für die Pedanten: ja, chemische Energie ist potentielle Energie. Geh weg.)

• Chemische Energie wird als Brennstoff gespeichert (tote Dinosaurier). Sie wird vom Triebwerk ausgegeben und kann entweder in Höhe oder Fluggeschwindigkeit oder beides umgewandelt werden.

• Potenzielle Energie ist die Höhe unter Ihnen - die Energie, die im Flugzeug als Höhe gespeichert ist. Es kann in Fluggeschwindigkeit umgewandelt werden, aber nicht zurück in tote Dinosaurier.

• Kinetische Energie ist Fluggeschwindigkeit - der Impuls des Flugzeugs. Es kann in Höhe umgewandelt werden, aber nicht zurück in tote Dinosaurier.

Solange die Motoren laufen, schüttet der "Eimer" für chemische Energie immer Energie in die anderen beiden Eimer. Der Gashebel bestimmt, wie viel Energie pro Sekunde ausgeschüttet wird. Das Joch (Stab) bestimmt die Verteilung dieser Energie – ob der kinetische Eimer Energie in den potenziellen Eimer gießt oder umgekehrt, oder beides nicht.

Das heißt, wenn Sie aufsteigen wollen, reicht es nicht zu sagen, dass Sie einfach den Steuerknüppel zurückziehen oder einfach nur mehr Gas geben müssen. Lediglich das Gas zu erhöhen, während die Nase auf den Boden zeigt, hilft Ihnen nicht beim Aufsteigen. Das bloße Zurückziehen des Steuerknüppels, wenn sich das Flugzeug bereits im kritischen Anstellwinkel befindet, hilft Ihnen nicht beim Aufsteigen. Um aufzusteigen, müssen Sie "den Höheneimer füllen", was (wie Peter sagt) immer eine Kombination aus Steigung und Kraft ist.

Zu Ihrer eigentlichen Frage nach der Treibstoffeffizienz, da diese auf falschen Annahmen beruht, sage ich nur, dass es von den Umständen des Fluges abhängt, aber es ist sicherlich nicht richtig zu sagen, dass ein erhöhter Treibstoffverbrauch immer die Folge einer höheren Gaseinstellung ist erforderlich, um eine größere Höhe zu erreichen.

Es ist nicht das tut das und sonst nichts. Es ist immer eine Kombination.

Beim Steigflug müssen Sie dem Flugzeug mehr Energie zuführen, da Sie seine potenzielle Energie erhöhen. Dies kann aus der Energie entnommen werden, die aufgewendet worden wäre, um den Luftwiderstand im Horizontalflug durch langsameres Fliegen zu überwinden. Es wird weniger Energie benötigt, um die jetzt niedrigere Fluggeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, sodass etwas zum Steigen übrig bleibt.

Wenn Sie am Stick ziehen, trimmen Sie das Flugzeug auf eine niedrigere Fluggeschwindigkeit (zumindest wenn Sie eine natürlich stabile Konfiguration fliegen), sodass ein Teil der überschüssigen Energie auf andere Weise verbraucht werden muss. Das Flugzeug steigt.

Wenn Sie Gas geben, bleibt die getrimmte Geschwindigkeit gleich, aber jetzt steht mehr Energie zur Verfügung, die ausgegeben werden kann. Es wird für das Klettern ausgegeben, da die Geschwindigkeit bereits durch Ihren Höhenruderwinkel festgelegt wird.

Bei einem nicht aufgeladenen (Saug-)Kolbenmotor liefert die mit zunehmender Höhe abnehmende Luftdichte mit jeder Füllung der Kolben weniger Luft. Sie müssen den Motor magern, um das Kraftstoff-Luft-Verhältnis konstant zu halten, sodass der Motor bei gleicher Motordrehzahl weniger Kraftstoff verbraucht, aber auch weniger Leistung und Schub liefert. Da die Luft auch für alle anderen Teile des Flugzeugs dünner ist, erhöht sich Ihre wahre Luftgeschwindigkeit, Ihr Luftwiderstand nimmt bei gleicher wahrer Luftgeschwindigkeit ab und Sie können schneller fliegen. Da Ihr normaler Saugmotor jedoch weniger Leistung liefert, müssen Sie den Gashebel vorschieben, um Ihre Fluglage, Geschwindigkeit und Steigrate beizubehalten. Irgendwann erreichen Sie die maximale Leistung, und wenn Sie weiter steigen, nimmt die Steiggeschwindigkeit ab, bis Sie die maximale Flughöhe erreichen, die Ihr Flugzeug erreichen kann.

Höher zu fliegen erhöht die Effizienz des Motors aufgrund der niedrigeren Lufttemperatur, aber dieser Effekt ist bei kolbengetriebenen Flugzeugen gering. Sobald Sie jedoch zu aufgeladenen Flugzeugen, Turboprops und Jets wechseln, wird das Fliegen in der Höhe durch ihre viel höhere maximale Flughöhe deutlich effizienter .

Die Fluggeschwindigkeit macht jedoch einen wesentlichen Unterschied, insbesondere bei kolbengetriebenen Flugzeugen. Ihr optimaler Reiseauftriebskoeffizient ist$c_L = \sqrt{c_{D0}\cdot\pi\cdot\Lambda}$und ist ziemlich hoch. Niedrig zu fliegen bedeutet, dass Sie viel schneller fliegen werden, als dieses Optimum erfordert, und je höher Sie fliegen, desto näher kommen Sie diesem Optimum, einfach weil Ihr Motor keine höhere Geschwindigkeit zulässt. Höher zu fliegen hilft deshalb , effizienter zu fliegen.

Ich werde eine Sache über die Motoreffizienz hinzufügen.

Flugzeugtriebwerke sind bei höheren Leistungseinstellungen entweder effizienter oder zumindest nicht weniger effizient .

1. Bei funkengezündeten (Benzin-) Motoren fügt die Drosselklappe dem Einlass Widerstand hinzu, wenn sie geschlossen ist, so dass sie am effizientesten ist, wenn die Drosselklappe vollständig geöffnet ist und ein leicht mageres Gemisch vorhanden ist, sodass der gesamte Kraftstoff verbrannt wird. Moderne Motoren mit Direkteinspritzung unterstützen häufig "ultra magere Verbrennung", wenn der Gashebel offen gelassen wird und die Leistung durch Einspritzen von weniger Kraftstoff, dh sehr magerem Gemisch, reguliert wird. Die meisten Flugzeugmotoren sind jedoch ältere Konstruktionen, die mit zu magerem Gemisch nicht gut funktionieren Sie sind weniger effizient mit weniger Gas.

2. Turbinentriebwerke sind auch bei höherer Leistung effizienter. Ich bin mir über den Grund nicht sicher, aber wahrscheinlich, weil die Hochdruckstufe relativ weniger Energie zum Antreiben des Kompressors benötigt und mehr Leistung für die Niederdruckstufe übrig bleibt, die den Propeller antreibt (im Leerlauf ist die Leistung zum Propeller minimal, aber der Kern dreht sich immer noch ziemlich schnell; oft um die 60 % U/min im Vergleich zur vollen Leistung).

3. Nur Dieselmotoren, bei denen die Leistung nur durch die Menge des eingespritzten Kraftstoffs gesteuert wird (entspricht dem Gemisch in Ottomotoren), sind bei niedrigeren Leistungseinstellungen nicht weniger effizient, aber bei Reiseleistung werden sie auch nicht weniger effizient sein.

Und jetzt kombinieren Sie mit der Tatsache, dass Ihr Luftwiderstand bei derselben angezeigten Geschwindigkeit unabhängig von der Höhe ungefähr gleich ist, aber in größerer Höhe die gleiche angezeigte Geschwindigkeit einer höheren wahren (und damit Boden-) Geschwindigkeit entspricht.