¿Cómo afecta la altitud el TAS y el empuje de un avión propulsado por un ventilador eléctrico?

El Helios era un avión propulsado por propulsión eléctrica que alcanzó una altitud de más de 96 000 pies y lo mantuvo en vuelo nivelado durante más de 40 minutos.

a medida que aumenta la altitud

Mantiene la elevación del ala con IAS constante hasta que el flujo de aire del ala se acerque a la velocidad del sonido (tas aumenta). La potencia de salida del eje debe aumentar para hacer girar la hélice más rápido para mantener el empuje o... cambiar el paso de la hélice es útil en lugar de aumentar las rpm. Esto ayuda a evitar la "barrera del sonido" para la utilería .

a medida que aumentan las rpm del motor

Incluso cuando no está limitado por las puntas de las hélices supersónicas, el aumento de la fricción de los cojinetes del motor debido a las altas rpm requiere un mayor consumo de energía. Una vez más, la capacidad de variar el tono de la hélice es de gran ayuda para mantener un AOA óptimo de la hélice a medida que aumenta el TAS.

¿Puedo volar con la misma potencia a 50 000 pies que al nivel del mar?

Puede acercarse mucho más al diseñar su avión para volar a 50,000 pies al:

 1.  Reducing wing loading by removing weight
 2.  Increasing wing aspect ratio and/or increasing wing area
 3.  Increasing the **area** of your prop so you can push more air at the same rpm.

Con los accesorios, debe compensar el aire más delgado, pero las rpm más altas no son la única forma.

Primero veamos la diferencia entre IAS y TAS

TAS es su verdadera velocidad aerodinámica y es independiente de la altitud, es la velocidad a la que se mueve por el aire. Si no hay viento es igual a su velocidad aerodinámica. Por otro lado, IAS es la velocidad aerodinámica que lee en sus instrumentos de vuelo como velocidad aerodinámica indicada y es una función de la presión dinámica. Su tubo de Pitot mide la presión de estancamiento y deduce la presión estática, obtiene la presión dinámica relacionada con la velocidad del aire.

$$P_{stagn}=P_{static}+\frac{1}{2}\rho V^2$$ Como sus instrumentos están calibrados para un determinado$\rho$la velocidad indicada IAS será diferente de la TAS con la variación de la densidad del aire. IAS se utiliza para proporcionar una buena idea de las prestaciones de la aeronave, ya que en la ecuación de arrastre y sustentación el término$\frac{1}{2}\rho V^2$siempre está ahí En el mismo IAS, el rendimiento aerodinámico de la aeronave será el mismo, ya sea que esté al nivel del mar o en una montaña.

Ahora pasando a la parte del motor de la pregunta. Los turboventiladores modernos en realidad funcionan con una velocidad de flujo de aire bastante constante en el interior fijada por su diseño. El empuje se produce acelerando el aire a través del motor. Cuanto más aire puedas acelerar y más velocidad puedas proporcionar, más empuje obtendrás.

Como el escape sale de la tobera del motor a una velocidad bastante fija, la aceleración proporcionada está directamente relacionada con la velocidad aerodinámica entrante, y aquí lo que importa es la velocidad aerodinámica real. Cuanto mayor sea la velocidad de la aeronave, menos se acelera el aire de admisión. Por lo tanto, el empuje disminuye al aumentar la velocidad aerodinámica. Además, cuanto más alto vuelas, menos densidad de aire tienes. Luego, para el mismo volumen de aire de admisión que pasa a través de su motor, se acelera menos masa y, por lo tanto, también se reduce el empuje al volar a gran altura. Ambos efectos se ven mitigados por el hecho de que volar más rápido aumenta la compresión en la admisión y permite que todo el motor funcione a un nivel de presión más alto, lo que aumenta el empuje de salida. A medida que aumenta la velocidad del aire, se dirige más volumen de aire en la entrada donde debe reducir la velocidad antes de ingresar al compresor.

Los turboventiladores modernos están muy sobredimensionados, ya que los aviones bimotores deben poder volar nivelados durante más de 180 minutos con un motor apagado (certificación ETOPS 180). Por lo tanto, nunca usan la máxima potencia de salida que pueden generar, incluso en el despegue. Entonces, incluso si la altitud y el empuje de la velocidad aérea disminuyen, todavía hay suficiente para navegar a velocidad transsónica. Finalmente, la potencia del eje es una función del par y las RPM del motor. El par está directamente relacionado con el empuje y las RPM se mantienen en un valor bastante constante en los motores nuevos. Por lo tanto, si el empuje disminuye, el par aerodinámico en el ventilador disminuye y la potencia del eje requerida para impulsarlo también disminuirá. Mantener el mismo IAS significa que su arrastre permanecerá constante en vuelo nivelado, independientemente de su altitud de vuelo. Y el requisito de empuje permanece constante. En el ventilador canalizado, el efecto de compresión de entrada a alta velocidad mitiga la necesidad de RPM más altas. En la hélice, por otro lado, si no adapta el paso de la pala, a una salida de potencia constante, las RPM aumentarán, lo que no es realmente bueno para el motor y la punta de la pala se volverá supersónica. Si cambia su paso, su cuchilla puede permanecer a una velocidad constante y las RPM permanecerán constantes.