¿Podría Mach 1.4 ser un mejor punto de diseño para SST?

Ha habido una serie de propuestas recientes para el trabajo de diseño en bizjets supersónicos bajos que navegarían a Mach 1.1-1.6, el tema común es evitar un estampido sónico .

La sabiduría convencional es evitar este rango y mantenerse subsónico o llegar hasta Mach 2+, porque sacrifica algo de eficiencia en el momento en que cruza Mach 1:

  • La nariz afilada y las superficies aerodinámicas supersónicas dan como resultado una L/D más baja en toda la envolvente.
  • Las superficies aerodinámicas delgadas agregan peso y requieren más espacio en el fuselaje para los tanques de combustible.

Por otro lado, permanecer en Mach bajo evita algunas otras penalizaciones:

  • La esbeltez de 12:1 de los modernos aviones de fuselaje ancho se traduce bien en un SST de Mach bajo, lo que permite un diseño de cabina similar. Esto es crítico.
  • La temperatura de la piel permite que el avión se construya con las mismas resinas que los aviones subsónicos.
  • Menos cambio COL, alas AR más altas, motores de derivación razonables hacen que sea más fácil cumplir con los requisitos de elevación y empuje TO.
  • Especulativamente, la altitud de crucero podría mantenerse en FL450 para evitar reglas de presurización más estrictas.

Lo que no estoy seguro es qué conjunto de factores importa más. Es difícil deducir de los diseños existentes, ya que en realidad no son comparables entre sí.

El ala del Aerion debería comportarse bien en los aterrizajes, y reclama solo un 22% de penalización de combustible por volverse supersónico. Pero su morro delgado y su larga cola dejan solo el 18% de su longitud para la cabina, por lo que no se puede usar como modelo de avión.

Esto probablemente se deba a su papel como símbolo de estatus y límites de peso reglamentarios; SST real logró una cabina de longitud adecuada, y el 2707 incluso se planeó como un avión de fuselaje ancho. Las alas delgadas también se presentan en algunas propuestas subsónicas , por lo que no son un asesino total de la eficiencia.

Me imagino que un avión de pasajeros Mach 1.x es un gemelo del tamaño de 779, con una capacidad de asientos similar a 788, con una forma de área similar al Sonic Cruiser, una nariz ojival (estilo F-16), alas SNLF trapezoidales tipo Aerion. , motores de góndola.

La pregunta es, ¿podría un SST de bajo Mach, si el estampido sónico fuera aceptado públicamente , tener una eficiencia más cercana a los subsónicos que a los diseños históricos de alto Mach?

Para reducir el alcance, excluyamos explícitamente:

  • Si existe algún mercado para un avión de este tipo.
  • Si Mach 1.x es lo suficientemente rápido como para marcar la diferencia.
  • Motores, ya que es un tema importante en sí mismo. Simplemente asuma un motor de goma que coincida con una línea de tendencia suelta de TSFC~=0.4*Mach.max.

Dejando en alcance el tema técnico de la pérdida de eficiencia que impone la aerodinámica del vuelo supersónico. Todo se reduce a qué tan bueno puede ser un L/D que puedan proporcionar superficies aerodinámicas de alta tecnología como SNLF y fuselaje ancho gobernado por área, con qué poco compromiso en la capacidad, en el rango de Mach 1.1 a 2. El combustible por asiento-milla es la cifra de mérito .

Para ayudar a establecer una línea de base, tracé una combinación de números históricos y calculados para aeronaves conocidas:

Asiento-milla por kg de combustible

Para plantear la pregunta en términos más formales, busco estimar el comportamiento de la función asiento-millas/kg para un diseño óptimo en el rango supersónico bajo.

La línea roja asume el peor de los casos y se basa simplemente en colocar asientos en el AS2. La línea verde representa el mejor de los casos basado en reclamos con el Sonic Cruiser como línea de base. La verdad es probablemente en el medio.

Si bien esta pregunta tiene algunos componentes técnicos concretos, en su forma actual, es una pregunta de análisis de mercado, y demasiado amplia para formularla aquí sin una reformulación exhaustiva y una reducción del alcance.
Estoy buscando específicamente una consideración solo técnica de eficiencia alcanzable de manera realista. Si hay un mercado para ello no es importante en este sentido. Editado para que quede más claro.
transonic es horrible pase lo que pase
Eso es... Gracias por intentar ayudar, supongo. Esa es la sabiduría convencional que he mencionado, lo que nos han dicho a todos hace mucho tiempo. Últimamente me encuentro cada vez con más información que me lleva a cuestionarlo. A partir de estudios recientes de QSST, parece que la simplificación de la "barrera sónica" podría no ser válida para algunas superficies aerodinámicas laminares y supercríticas modernas, siendo reemplazada por una reducción gradual del rendimiento en la región transónica, posiblemente con incluso menos caída que mi línea verde. Sin embargo, todavía es algo en lo que esperaría escuchar una confirmación más independiente antes de suscribirme.
Soy muy escéptico sobre SNLF. Funciona en la pequeña aleta que no se eleva debajo de un F-15, pero ampliado a un avión real y en un ala que produce sustentación, el alto número de Reynolds no dejará mucho flujo laminar. Mach 1.4 permite menos barrido y una entrada más simple, pero no puedo decir si vale la pena.
Gracias por el comentario. Así que quizás no esperes mucho de SNLF. Eso aún deja la idoneidad de un fuselaje de fuselaje ancho, ya que los diseños ineficientes han sido otro problema para SST. De hecho, te estaba esperando como alguien que probablemente podría proporcionar la mayor información sobre la pregunta.
El barrido es más necesario para lidiar con la joroba transsónica. Menos barrido del ala es en realidad un poco más deseable en m2-m3. También hay una disminución sustancial en el coeficiente de arrastre mach 2 en comparación con m1.2; m1.1 todavía crea un estampido sónico, realmente una vez que se trata de cualquier cosa por encima de m1.0 no tiene sentido limitar la velocidad de diseño más allá de los límites del material, por ejemplo, el calor de m3 ablandará el aluminio.
¿Soy el único que lee "SST" como "Single Stage To"?

Respuestas (1)

Solo para un jet de negocios.

El extremo superior de los jets de negocios ha estado en una carrera por números de Mach de crucero más altos que han resultado en una velocidad máxima de Mach 0.935 hasta ahora (Gulfstream 650, Cessna Citation X). Así que parece haber un valor de mercado para el primer puesto en Cruise Mach. Para mejorar esto aún más, y sustancialmente, el salto a la velocidad supersónica es inevitable. Hasta ahora, el costo de desarrollar un avión de este tipo para un mercado bastante pequeño ha sido demasiado alto.

Por otro lado, un diseño de Mach 1.4 será mucho más fácil que uno que vuele a Mach 2.0. Las razones son:

  • Complejidad de admisión: a Mach 1.4, una admisión de pitot simple con un solo amortiguador recto tiene pérdidas aceptables, mientras que Mach 2 exige una admisión compleja y ajustable con rampas que producen una cascada de amortiguadores oblicuos.
  • Relación de aspecto del ala: para mantener subsónico el borde de ataque del ala, un diseño Mach 1.4 puede funcionar con un barrido de 45°, mientras que un diseño Mach 2 necesita un barrido de al menos 60°. El ala Mach 1.4 será mucho mejor para el despegue y el aterrizaje, y para las etapas subsónicas del viaje.

Por otro lado, el rendimiento de transporte a Mach 1,4 será solo ⅔ del de Mach 2 para L/D comparables, por lo que el diseño de Mach 2 ganará sin duda si se utiliza la economía del avión para evaluar un diseño. Como dijiste, si te aventuras en el territorio supersónico, también podrías ir hasta Mach 2 para optimizar la rentabilidad del diseño. Mach 2 aún permite usar un ala de geometría fija y aluminio, por lo que la complejidad general del diseño resultante aún es manejable. Más allá de eso, necesita comprar más velocidad con una complejidad cada vez mayor del sistema.

Dietrich Küchemann propuso una fórmula empírica para la máxima L/D supersónica:

L D metro a X = 4 ⋅ ( METRO ∞ + 3 ) METRO ∞
Usar esto como criterio dará como resultado 12,5 a Mach 1,4 y 10 a Mach 2. Combine esto con el número de Mach para tener algo cercano a la eficiencia del transporte, y el diseño de Mach 2 disfruta de una ventaja del 14% difícil de superar en valor económico.

Por lo tanto, la única razón sensata para diseñar para Mach 1.4 es capturar el extremo superior del mercado de aviones comerciales, donde la economía de los aviones comerciales no se aplica, pero los derechos de fanfarronear en el campo de golf son más importantes.

En cuanto al rendimiento del transporte, mi preocupación era que Mach 2 SST se veía atrofiado por la baja capacidad de pasajeros. Con solo 2/3 del peso del Concorde, un 757 transporta más de 200 pasajeros. Esperaría que un transporte de Mach bajo se acerque mucho más a la relación subsónica pax / tonelada. ¿O cree que un jet M2 también puede funcionar de manera eficiente con una esbeltez lo suficientemente baja para, por ejemplo, una configuración 3-3-3, sin una penalización de peso importante?
@Therac: Cuando se concibió el Concorde, se diseñó para el conteo de pasajeros de los aviones más grandes de su época. Al agrandarlo un poco, el número de pasajeros sería fácil de aumentar. El diseño más lento tendrá motores más pequeños y una admisión más liviana, pero la estructura sería esencialmente la misma. Por lo tanto, la fracción de pasajeros sería un poco mejor, pero no dramáticamente.
Gracias. Un par de aclaraciones, si no te importa. ¿Significa esto que la relación de esbeltez de 20:1 del Concorde era solo un producto del tamaño objetivo, y una relación mucho más amplia de 12:1 también es buena para M2? Además, asumí diferentes motores para M1.4 y M2, con diferentes relaciones de derivación y velocidades de salida y, por lo tanto, diferentes TSFC (0.5 y 0.7 respectivamente). ¿Sería eso incorrecto?
@Therac: TSFC sube con Mach. Los valores de Mach 1.4 y 2.0 no se pueden comparar directamente . Y, por supuesto, se puede reducir la finura, pero luego L/D baja.
Sí, por eso usé TSFC=Ma*0.35 en la pregunta; con eso, el mach más bajo da ~1.6x menos combustible por asiento-milla y 0.85 otras 2.3x por encima de eso. Intentaré hacer algunos cálculos económicos más tarde, pero para eso, ¿las horas terrestres por vuelo probablemente se mantendrían constantes para un avión más rápido?
¿Por qué ignoramos el hecho de que un avión más rápido puede alejarse más pequeño? no queremos terminar con una analogía supersónica con el A380, ¿verdad?
@Abdullah: Dado el tiempo que se pasa en vuelo subsónico y en tierra, el paso de Mach 1,4 a Mach 2,0 es insignificante para el uso total de la flota. Sí, una flota de aviones Mach 2 tendrá un número óptimo de asientos ligeramente inferior, pero dudo que esto mantenga el tamaño del avión en general por debajo del optimizado para Mach 1.4.
@PeterKämpf "Las aerolíneas que operan el A300 en rutas de corta distancia se vieron obligadas a reducir las frecuencias para tratar de llenar el avión. Como resultado, perdieron pasajeros debido a las aerolíneas que operan vuelos de fuselaje estrecho más frecuentes".
Mach 1,4 también debería reducir la intensidad máxima del estampido sónico en comparación con Mach 2, ya que el principal aumento de la resistencia supersónica se debe a la resistencia de las olas. Y ser un bizjet pequeño sin duda también ayuda allí. Como descubrió Concorde, no tiene mucho sentido hacer un avión técnicamente viable si no se le permite volar a su velocidad de diseño.
¿Podría Mach 1.4 ser un mejor punto de diseño para SST?
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