Si aumenta la potencia de un motor, ¿aumentará el peso bruto máximo?
Por ejemplo, ¿cuál es el efecto sobre el peso bruto máximo de cambiar el motor en un avión GA pequeño de 65 hp a 100 hp?
Primero, preguntas una cosa en el título y otra en el texto de tu pregunta. La carga útil es la suma del combustible y la carga útil, mientras que el peso bruto es la fuerza producida por la masa de toda la aeronave en el campo gravitatorio de la Tierra.
Si cambia la potencia del motor durante el diseño del avión, el peso bruto aumentará. En ese momento, tendrá parámetros relativos como la carga alar (kg/m²) y la carga de potencia (kW/kg) definidos y dimensionará la aeronave en consecuencia.
Si cambia el motor de un avión existente por uno más potente, deberá modificar el fuselaje y los sistemas si el avión no se había diseñado inicialmente para el motor más potente. Ahora su peso bruto ya está definido y no se puede cambiar simplemente. Veamos primero qué sucede si se instala un motor más potente y más pesado:
Por ahora, supongamos que mantiene el peso bruto anterior y reduce la carga útil en consecuencia, porque no desea remachar dobleces en toda la estructura. Bien, pero aún no hemos terminado.
Verás, no puedes escapar legalmente. Instalar un motor más potente requerirá adaptaciones en la estructura, y una vez que necesite reforzar las alas, el tren de aterrizaje y el fuselaje, también puede elegir un peso bruto más alto. Pero ahora necesita cambiar el tamaño de la estructura y volver a certificar el avión modificado.
Y ni siquiera hemos empezado a mirar los sistemas:
La lista continúa, pero esto será suficiente.
Ahora a su caso específico: si desea mantener constante la carga de potencia (lo que le dará el mismo rendimiento que antes), la masa bruta del avión aumenta en un 54%, al igual que el área del ala.
Si desea más rendimiento, deberá reforzar la estructura (o comenzar de nuevo con un nuevo diseño del mismo tamaño), y ahora depende de usted qué peso bruto elegir. El motor y la estructura más pesados consumirán su carga útil y combustible, pero si acepta esa limitación, puede volar con el mismo peso bruto que antes.
Como puede ver en la primera parte de la respuesta, la carga útil se reduce al instalar un motor más pesado y potente. Solo cuando vuelva a trabajar la estructura para hacer frente a las cargas más altas, podrá aumentar la carga alar y recuperar la pérdida de carga útil. Si puede aumentarlo más de lo que ha perdido hasta ahora depende de la carga alar máxima.
Supongamos para el resto de la respuesta que la forma exterior (área del ala, perfil aerodinámico, etc.) permanecerá idéntica a la del avión original, excepto quizás por una cubierta, una hélice y un radiador más grandes.
El aumento de masa de la planta de energía más su estructura de soporte es lineal al aumento de rendimiento. Para reforzar la estructura, puede usar la misma regla de porcentaje para mantenerse seguro, pero el aumento real será menor. Hay libros que enumeran fórmulas paramétricas para las masas de los aviones y le mostrarán la influencia de los parámetros principales. Muestran que la masa del ala aumenta con la raíz cuadrada de la velocidad de picado. Dado que la velocidad es proporcional a la tercera raíz de la potencia del motor, verá que un 54 % más de potencia significa un 15,5 % más de velocidad y un 7,5 % más de masa estructural.
Ahora supongamos que el sistema de propulsión es el 15% de la masa del avión y la masa estructural es otro 40%. Tu masa en vacío aumentará un 8% (motor) y un 3% (estructura), y si antes tu carga útil era del 30% del peso bruto, ahora bajará al 19% de la misma masa. Ahora necesitamos aumentar la masa bruta e ir por la mitad de lo que ganaría si mantuviera constante la carga de energía. Esto significa que su masa bruta sube al 127 % de la masa bruta original.
Antes de que se regocije de que ahora su carga útil ha subido al 46%, debemos tener en cuenta el refuerzo estructural adicional que produce este aumento de masa bruta. Las fórmulas paramétricas dan un aumento de masa estructural proporcional a m para el fuselaje y m para el ala, y una mayor carga alar resultará nuevamente en un aumento de la velocidad de picado, por lo que su estructura total ahora pesará un 15 % más que antes, para un total de 47 % o 48 % de la masa bruta inicial. ¡Sí, su fracción de masa estructural aumentará cuando aumente la carga alar! Pero aún debe quedar un aumento considerable en la masa útil: ahora tendrá un 39 % o un 40 % de la masa bruta original disponible para combustible y carga útil, para un aumento relativo del 30 % sobre la carga útil original.
Ahora, nunca traté de mantener constante la velocidad mínima, pero eso habría complicado aún más esta respuesta. Si el avión original no tuviera flaps o los tuviera muy simples, esto sería bastante factible, pero daría como resultado un diseño de ala casi nuevo.
Ese es un problema de certificación. Depende de lo que limite el peso bruto máximo particular para ese avión. Si el diseño está limitado por el peso máximo que puede manejar el tren de aterrizaje, entonces colgar un motor más pesado con un alto HP no cambiaría el peso bruto máximo, pero disminuiría la carga útil máxima.
Los Cessna 140 pueden equiparse según las reglas de STC con un Lycoming 0290D2 o 0290D o 0235 y necesitan peso adicional en la sección de popa para obtener el CG correcto. La carga útil disminuye. El peso bruto se mantiene igual. Dependiendo de muchos factores y tal vez de la seguridad operativa, uno podría obtener una aprobación de aumento de peso bruto, por ejemplo, combustible adicional si todos los demás factores lo hacen seguro y razonable. La mayoría de los diseños no tuvieron en cuenta el motor más grande que el utilizado para el diseño y el peso debe tener un cierto "colchón de seguridad", como un 150 por ciento por encima de los límites operativos normales diseñados. Certificado VS Experimental y uso como exposición al público, por ejemplo, parte 135 o la parte 121, carreras de aviones, etc. también afectan los límites permisibles. Más básico, un problema de seguridad y, por lo tanto, un efecto de regulación relacionado con la seguridad gobierna los aumentos en el peso bruto.
La respuesta corta a tu pregunta es sí. Sin embargo, a menudo hay otras cosas involucradas además de simplemente aumentar la potencia (pero anecdóticamente eso ha funcionado en el pasado). Por ejemplo, la línea Piper Cherokee, que va desde un 140 HP hasta el Dakota, que tiene un motor de 235 HP en el mismo fuselaje, experimentó un aumento en la carga útil a medida que aumentaba la potencia (hubo algunos cambios aerodinámicos que ayudaron a lo largo de los años como bueno, como el ala en flecha que se introdujo más tarde).
Hay un límite práctico para esto, por supuesto. En primer lugar, existen limitaciones entre el tamaño del motor y el fuselaje. Por ejemplo, lo más probable es que no pueda atornillar un motor Merlin a un marco Piper Cub (pero estoy seguro de que alguien lo ha considerado). También hay límites de CG a tener en cuenta a medida que su motor crece, pero es posible que la estructura del avión no lo haga. La carga del centro de gravedad puede convertirse en un problema con motores muy pesados al frente.
En algunos aspectos , la carga alar entrará en juego aquí. Dado que un motor más grande lo ayudará a superar la resistencia y volar más rápido, puede generar más sustentación y, por lo tanto, levantar más.
Jan Hudec