Optimización del avión para la mejor altitud y velocidad de crucero

Muy pocos aviones se han utilizado de la forma en que fueron diseñados.

Desde el entrenador BE2 (del que se abusó para misiones de reconocimiento a principios de la Primera Guerra Mundial) hasta el interceptor F-104 (que se utilizó como avión de ataque a tierra más tarde), existen numerosos ejemplos. Y para cada misión que todavía está dentro de las capacidades de un diseño, puede pensar en muchas otras que no lo están. Por lo tanto, dimensionar para la peor misión posible es un ejercicio inútil.

Si un avión lleva demasiado combustible, será menos económico. Si tiene demasiada fuerza incorporada, su estructura será demasiado pesada. Si los motores son más potentes de lo necesario, tendrá una menor economía de combustible. Al final, cada diseño solo puede llenar su nicho. Pero hay algunos principios que hacen que algunos diseños sean más útiles:

• Dado que las normas exigen un número mínimo de auxiliares de vuelo en función del número de pasajeros , los aviones pequeños de pasajeros vienen con 19 o 50 asientos, pero rara vez con 23 o 55.
• Para poder volar todas las rutas nacionales de EE. UU., los diseños más exitosos tendrán suficiente alcance para volar a Hawái desde los aeropuertos de la costa oeste. Si el rango máximo con carga útil completa es más corto que eso, el diseño será menos versátil para los transportistas estadounidenses.
• Dado que la temperatura del aire es constante en la estratosfera, la altitud de vuelo más económica es en la tropopausa . Vuele más bajo y no aprovechará al máximo el aire más frío de arriba; vuele más alto y el tamaño del ala y el empuje del motor serán menos que óptimos. Se aplican excepciones para los jets de negocios a los que les gusta volar por encima del resto del tráfico.
• La redundancia requiere al menos dos motores y la demanda de costos de mantenimiento para mantener el número de motores lo más bajo posible. Por lo tanto, a excepción de los aviones de pasajeros realmente grandes, los más exitosos tienen solo dos motores .
• Con el fin de ofrecer una de las conexiones más rápidas en una ruta específica, la velocidad de crucero de referencia de los aviones comerciales de largo alcance se establece tradicionalmente en Mach 0,85 . Vuele más rápido y los efectos de Mach disminuirán la eficiencia del combustible (exigiendo superficies aerodinámicas más delgadas y/o más barrido de alas), vuele más lento y su diseño desaparecerá de la primera página de conexiones.

Si se pregunta cuánto reducirá el alcance una desviación de la velocidad aerodinámica óptima, tracé eso para un diseño subsónico (los aviones transsónicos chocarán con fuertes aumentos de resistencia con solo un pequeño aumento en Mach, por lo que este diagrama no se aplica a los jets). Usé una polar cuadrática que da una buena aproximación a la realidad.

Reducción de alcance sobre la velocidad aerodinámica. Línea azul: L/D a la velocidad especificada. Línea roja: rango relativo al óptimo. La velocidad óptima en este caso es de 84 m/s. También asumí una eficiencia constante del motor sobre la velocidad, por lo que el rango depende únicamente de L/D.

¿Estás diseñando un nuevo avión? Si entiendo la pregunta correctamente, para un motor de aspiración normal, el motor es más eficiente cuando el acelerador está completamente abierto a una altitud particular, donde produce aproximadamente 65% -75% de potencia. Por lo tanto, la estructura del avión con respecto al diseño del ala, el ángulo de incidencia, etc., debe coincidir para dar la mejor relación sustentación/resistencia a esa altitud. Tendrás que consultar con el fabricante del motor para establecer cuál es esa altitud. Su elección de hélice también tendrá que tenerse en cuenta.

Luego calcula las reservas de combustible en consecuencia.

Las reservas de combustible se calculan de acuerdo con los requisitos legales del país en el que está registrado el avión y también en el que está operando. Esto varía según el tipo de aeronave y la operación. Por ejemplo, las reservas mínimas legales son diferentes para un avión de pasajeros en un vuelo comercial, a un avión monomotor que se opera en un vuelo VFR en la categoría privada. La mayoría de las leyes de los países son similares, pero puede haber pequeñas variaciones, y todas deben cumplir con los estándares de la OACI si el país es un estado miembro de la OACI.