¿Cuál debería ser el tiempo mínimo de permanencia en crucero (por ejemplo, un B737)?

Arriba hay un modelo simple para desglosar el problema en su forma más simple. Por supuesto, el modelo se puede refinar. Suponiendo que para un vuelo corto la velocidad respecto al suelo no cambia mucho desde después del despegue hasta antes de la aproximación final, se hace evidente que llegar a la cima y descender de inmediato proporciona el menor tiempo quemando combustible (línea azul) y el mayor tiempo con los motores inactivos. durante el descenso.

Desde el punto de vista operativo, necesita unos minutos en crucero para fines de ATC, información de aproximación, etc. Por lo tanto, los 5 minutos mencionados por @CptReynolds en un comentario tienen sentido.

El mismo modelo debería ser válido para vuelos de larga distancia, solo si los materiales aeroespaciales y la propulsión permitieran de manera eficiente un vuelo suborbital desde, por ejemplo, Londres a Los Ángeles, pero lamentablemente ese no es el caso.

Refinando el modelo

* Media subida y media bajada.

Aquí el vuelo se divide en segmentos de tiempo iguales (manteniendo el supuesto de 'misma velocidad respecto al suelo'). He tenido en cuenta la menor tasa de descenso y la disminución de la tasa de ascenso/empuje/flujo de combustible a medida que sube el avión. Los números indican las relaciones de flujo de combustible (FF) por segmento de tiempo.

Con cifras reales de FF, se pueden realizar más refinamientos.

Real Boeing 737 FPPM manual (vuelos <500 NM)

(Click para ver)

Aquí está muy claro que cuanto más largo sea el vuelo corto (aunque sea un poco), mayor será la altitud de crucero. No hay un punto donde haya un corte. Y desde el lado derecho: cuanto más ligero sea el avión, más alto debería volar.

Tenga en cuenta que la relación de FF de crucero se fija en 1.25: mirando un 737 AFM, el FF no cambia mucho de FL250 a FL410 con el mismo peso (2374-2458 lb/hr/eng; sin embargo, el número de Mach aumenta). Entonces, para saltos cortos con niveles de crucero más bajos, he mantenido el FF de crucero para ese modelo simple.

En vuelos de corto alcance: Idealmente cero. Prácticamente, unos pocos minutos son sensatos para hacer la transición entre ascenso y descenso. En vuelos de mayor alcance, inicialmente no hay una diferencia real entre ascenso y crucero, porque la aeronave sube a su velocidad o cerca de ella para obtener el mejor alcance hasta que el ATC o los límites de la envolvente le prohíben ir más alto. Tenga en cuenta que la ecuación de rango de Breguet requiere que la aeronave ascienda hasta el final de su vuelo.

Sí, una escalada necesita más combustible, pero también aumentará la energía potencial. Esta energía se puede aprovechar volando con un ajuste de empuje más bajo durante el descenso. Ahora es importante a qué velocidad asciende el avión: si su velocidad respecto al suelo no es menor en un ascenso que en crucero, no perderá nada al ascender.

Volar más alto se traduce en una mayor velocidad respecto al suelo para una determinada velocidad indicada y una eficiencia termodinámica mejorada . Dado que la velocidad de crucero más eficiente se encuentra en un coeficiente de sustentación dado y, en la mayoría de los casos, un poco más bajo que el nivel máximo de velocidad a toda velocidad, volar rápido a baja altitud es muy ineficiente. Tanto la mejor velocidad de crucero como la máxima velocidad convergen con la altitud hasta que ambas caen juntas en la esquina del ataúd .

Si el avión vuela a la mejor velocidad de alcance y empuje completo, el exceso de potencia se puede usar para escalar. Este breve experimento de Gedanken lo hace inmediatamente atractivo para escalar: el avión cubre el mismo terreno mientras mejora su capacidad de volar más rápido. Además, es probable que la aplicación de la máxima potencia mejore un poco la eficiencia del motor.

Esto hará que escalar más alto sea más atractivo hasta que alcances uno de estos dos límites:

1. La temperatura deja de disminuir con la altitud, por lo que cualquier aumento en la altitud ya no mejora la eficiencia termodinámica , o
2. El coeficiente de sustentación de vuelo se eleva por encima del valor de crucero óptimo, por lo que la aeronave navegará de manera menos eficiente cuando vuele más alto.

Ambos casos requieren mucho empuje y, en la mayoría de los casos prácticos, los motores se quedarán sin impulso con la altitud antes de que se alcance uno de los dos límites. Además, en la mayoría de los casos prácticos, el avión volará un poco más lento que su rango de velocidad óptimo para mejorar su tasa de ascenso, por lo que pasará más tiempo en altitudes más atractivas.

La altitud máxima en vuelos cortos está determinada por la tasa de ascenso y la tasa de descenso: la aeronave ascenderá hasta que alcance la altitud y la distancia al destino a la que el vuelo a potencia inactiva la llevará hasta el destino. En vuelos más largos, es el rendimiento del motor lo que limita la velocidad de ascenso, pero lo ideal es que la aeronave continúe ascendiendo a medida que pierde masa quemando combustible.