Wie ändert sich die Effizienz eines Kolbenflugzeugs mit der Höhe?

Sie haben Recht, höher zu fliegen ist effizienter. Das umgekehrte Verhältnis zwischen Schub und Geschwindigkeit bei Propellerflugzeugen bedeutet jedoch, dass der verfügbare Geschwindigkeitsbereich viel kleiner ist und somit die möglichen Höhen eingeschränkter sind. Einfach ausgedrückt, die möglichen Gewinne sind geringer.

Schaut man sich den thermodynamischen Kreislauf eines Turbocompound- Triebwerks an, sieht er fast aus wie der eines Jets. Dennoch führt das hohe Bypass-Verhältnis zu einer niedrigeren optimalen Fluggeschwindigkeit, und das für Kolbenflugzeuge übliche niedrigere Leistungsgewicht begrenzt die maximale Höhe und macht sie anfälliger für ungünstige Winde. Auch die Turboaufladung , die viel effizienter als die Aufladung ist, wurde nur wenige Jahre vor der Einführung von Gasturbinen zu einer praktischen Lösung entwickelt, so dass Kolbenmotoren vor dem Zweiten Weltkrieg auf den weniger effizienten Auflader zur Leistungssteigerung angewiesen waren, was den Nutzen verringerte davor, noch einmal höher zu fliegen.

Warum historische Flüge in niedrigeren Höhen durchgeführt wurden, hat wahrscheinlich mehr mit der niedrigen Decke des anfänglich schweren Flugzeugs und der fehlenden Aufladung zu tun als mit einer bewussten Entscheidung der Besatzung. Vielleicht machte das Fehlen einer Kabinenheizung oder Enteisungsausrüstung oder sogar eines offenen Cockpits niedrigere, wärmere Höhen ebenfalls vorzuziehen. Ein weiterer Grund könnte die Notwendigkeit einer terrestrischen Navigation in Ermangelung der heutigen Infrastruktur von Funkfeuern und GPS-Satelliten sein. Dass höher fliegen zu einer besseren Reichweite führt, war bereits im Ersten Weltkrieg bekannt.

Die Kommentare von Ron Beyer sind gut. Zusätzlich:

Für diese Zwecke gibt es zwei Arten von Kolbenmotoren: Saugmotoren und Turbomotoren. Saugmotoren verwenden Umgebungsluft: Der Luftdruck in der Atmosphäre ist das, was der Motor fühlt (ohne Berücksichtigung von Strömungsineffizienzen im Ansaugsystem und Auswirkungen von Stauluft). Motoren mit Turbolader verwenden eine Luftpumpe, um den Luftdruck in den Motor aufrechtzuerhalten oder zu erhöhen. Die maximale Leistungsabgabe eines normalen Saugmotors nimmt mit zunehmender Höhe ab: Eine zunehmende Höhe führt zu einem geringeren Druck, und mit dem nahezu konstanten Anteil der Atmosphäre, der aus Sauerstoff besteht (21 %), sinkt die Sauerstoffmenge in der Luft. Wenn der Motor mit maximal verfügbarer Leistung und Effizienz arbeitet, verringern Sie den Kraftstoffverbrauch, wenn Sie den Sauerstoff verringern, und wenn Sie beide verringern, wird die verfügbare Leistung verringert, wenn alle anderen gleich sind.

Ein turbogeladener Motor kann den vollen Krümmerdruck auf Meereshöhe (Luftdruck am Einlass) bis in Höhen über dem Meeresspiegel aufrechterhalten. Wie hoch sie das tun, hängt von der jeweiligen Motorinstallation ab: manche nur bis 10.000', andere bis über 20.000'. Halten Sie den Luftdruck und den Kraftstofffluss aufrecht und Sie behalten die Leistungsabgabe bei.

Ein Turbinentriebwerk wird für diese Zwecke normalerweise angesaugt. Die Höhe steigt, die maximal mögliche Leistung sinkt. Viele Turbinentriebwerke sind thermodynamisch in der Lage, mehr als ihre Nennleistung (als "Flat Rating" bezeichnet) zu erzeugen, wobei sie auf andere Weise begrenzt sind. Diese Motoren können die Nennleistung in Höhen über dem Meeresspiegel aufrechterhalten. Im Wesentlichen ist dies so, als würde man einen Kolbenmotor auf Meereshöhe mit Teilleistung betreiben – sagen wir, 20 Zoll Ladedruck anstelle des normalen Meeresspiegel-Maximums von 30 Zoll – aber in der Lage sein, diese Leistung bis zu etwa 10.000 Fuß aufrechtzuerhalten.

Wenn Sie die gewünschte Reiseflugleistung aufrechterhalten können, nimmt die wahre Fluggeschwindigkeit mit der Höhe zu. Es steigt um etwa 2% pro 1.000 '. Die meisten der heutigen Kolbenmotoren werden im Reiseflug mit zwischen 60 % und 75 % der maximalen Leistung betrieben, und es stellt sich heraus, dass das vom Motor verfügbare Maximum im Allgemeinen zwischen 7.000 und 12.000 Fuß liegt, je nach Installation. Flugzeuge mit aufgeladenen Triebwerken fliegen unter anderen Bedingungen.

Nehmen Sie meine Mooney 252 als konkretes Beispiel. Der Motor ist turboaufgeladen (turboaufgeladen, um genauer zu sein: der Turbolader kann einen Ladedruck von mehr als dem Meeresspiegel aufrechterhalten, und der Motor ist für maximal 36" Ladedruck ausgelegt), und ich kann die volle Leistung bis zu etwa 20.000 Fuß aufrechterhalten. und eine Hochgeschwindigkeits-Reiseleistungseinstellung von 75 % bis 25.000 Fuß. Je höher ich gehe, desto höher ist meine wahre Fluggeschwindigkeit.

Neben Sauerstoff gibt es noch andere Überlegungen, sogar über Rons Anmerkung zu Hypoxie auf niedrigem Niveau hinaus, einschließlich Wind, Wetter, Praktikabilität sowie Pilotentraining und -komfort.

Der Wind nimmt oft mit der Höhe zu. Wenn ich nach Osten fliege (oder sonst mit dem Wind), ist das eine gute Sache; Wenn es nach Westen geht (oder in den Wind), kann das eine schlechte Sache sein, und größere Höhen können zu einer GERINGEREN Bodengeschwindigkeit führen, da die Windgeschwindigkeit manchmal mit der Höhe schneller zunimmt als meine wahre Fluggeschwindigkeit.

Was das Wetter betrifft, so ist es manchmal besser, unter dem Wetter zu fliegen als hindurch, besonders wenn es eingebettete vereinzelte oder vereinzelte Gewitter gibt. Es gibt eine Vereisung der Flugzeugzelle zu berücksichtigen. Turbulenzen können in höheren Lagen vorhanden sein und nicht in niedrigeren.

Aus praktischer Sicht bringt es möglicherweise keinen Nettonutzen, hoch zu klettern, sogar höher als 5.000 Fuß. Oder dieser Vorteil ist minimal. Beim Klettern fliegst du langsam, langsamer als im Reiseflug. Diese bekommt man im Abstieg nicht zurück. Sie verbrauchen auch mehr Kraftstoff pro Meile, was Sie wiederum bei der Abfahrt nicht zurückgewinnen. Bei einem kurzen Flug dauert es möglicherweise länger, auf 7.500 Fuß oder 10.000 Fuß zu steigen, als Sie durch die erhöhte wahre (und Boden-) Fluggeschwindigkeit sparen würden.

Akute Hypoxie wird für die meisten Menschen bei 10.000 Fuß kein Problem sein, aber, wie Ron erwähnte, kann das Fliegen für 2-3 Stunden bei 10.000 Fuß ohne zusätzlichen Sauerstoff zu einer subklinischen Hypoxie auf niedrigem Niveau führen, die bei manchen Menschen verursacht wird , Kopfschmerzen, verminderte Sehschärfe (insbesondere nachts) und verminderte kognitive Funktion.

Ein weiterer Grund, tief zu fliegen: Sehen Sie sich die Sehenswürdigkeiten an!

Sie definieren Effizienz als Kraftstoffverbrauch pro Meile, oder anders ausgedrückt als spezifische Reichweite (verfügbare Reichweite).

Für Kolbenflugzeuge, die innerhalb ihres Designbereichs fliegen (die nicht versuchen, die Jets zu schlagen), ändert sich die verfügbare Reichweite nicht mit der Höhe.

[Die] maximal verfügbare spezifische Reichweite (Meilen pro Gallone oder Pfund Kraftstoff) ist unabhängig von der Höhe.

Das ist die theoretische Schlussfolgerung, die tatsächliche liegt bei ±1 %, was nahe genug an der Theorie liegt. Beachten Sie die folgende Grafik aus einem POH (eine selten zu findende Grafik):

Beachten Sie, dass R0 und R1 dieselbe Reichweite haben und 20.000 Fuß voneinander entfernt sind, da sie unterschiedliche TAS und Leistung verwenden. Wenn Sie jedoch die TAS oder Leistung beibehalten, verbessert sich die Reichweite mit der Höhe, da hohe Leistung, Höhe und TAS die verschobene L/D-Kurve begünstigen, siehe unten:

Auch hier sind R0 und R1 gleich. Aber für eine feste Geschwindigkeit/Leistung liegt das resultierende R näher am L/D max als bei einer geringeren Höhe. Beachten Sie, dass jedes R, das nicht R0 oder R1 ist, einen geringeren Bereich und nicht das verfügbare Maximum darstellt.

Wenn Sie Dünkirchen gesehen haben, gab es zwei Szenen, in denen es ihnen Treibstoff gespart hätte, tiefer zu bleiben. Damals ging ich vom Kino zurück und schaute in einen POH eines ähnlichen Flugzeugs (Bell P-39 Airacobra), und zu meiner Überraschung wurde unabhängig von der Höhe die maximal verfügbare Reichweite festgelegt. Und meine Schlussfolgerung war, dass der Unterschied im Treibstoff liegt, der während des Steigflugs verbraucht wird.

Was sich weiter bestätigte, als ich auf dieses Lockheed Constellation Starliner -Diagramm stieß (Quelle: Flight ):

Im Kampf DC-7 gegen L-1649A um die Atlantikflüge konnte die Constellation Starliner eine bessere Reichweite erreichen, wenn sie in 10.000 Fuß Höhe fliegt, verglichen mit 15.000 und 21.800 Fuß bei gleicher Nutzlast. Beachten Sie, dass der Starliner Turbo-Compound-Motoren hatte. Wie beim B-29 wäre ein weiterer Faktor die Motorkühlung in dünner Luft, was größere Winkel der Motorhaubenklappen erfordert, die mehr Luftwiderstand verursachen.

Kurze Antwort

Die maximale Reichweite ändert sich nicht mit der Höhe (ohne Steigflug und Wind). Wenn Sie entweder TAS oder Power beibehalten, ist die Reichweite nicht die maximale, aber umso besser, je höher Sie sind (wieder ohne Berücksichtigung von Steigen und Wind).

Informationsquelle, die ersten beiden Bilder und das Zitat: Byington, MR (1993). Kreuzfahrtleistung von Kolbenflugzeugen. Journal of Aviation / Aerospace Education & Research, 4 (1). Abgerufen von https://commons.erau.edu/jaaer/vol4/iss1/6