¿Por qué la falta de aviones de pistón más rápidos?

No hay muchos aviones de pistón rápidos en producción. Por "rápido" quiero decir, si miras hacia atrás a principios o mediados del siglo XX, antes de que las turbinas ganaran, había muchos aviones de pistón en producción que superaban el límite de velocidad práctica de los aviones propulsados ​​por hélice, navegando a más de 360 ​​nudos en el ejército. aviones, a veces tan rápido como 330 nudos en aviones comerciales. Y esto fue con una terrible comprensión de la aerodinámica y los motores de pistón en comparación con la actualidad.

Hoy en día, tanto para singles como para twins, las velocidades más rápidas no superan los 200 nudos. ~240 nudos en el caso de la pareja de aviones más rápidos disponibles como el Cessna 400 y el Mooney más rápido.

Hay indicios de que con materiales e ingeniería modernos, se pueden lograr velocidades mucho más rápidas utilizando motores de pistón ya disponibles. El diseño de Cobalt CO50 Valkyrie afirma impulsar una cabina espaciosa para 4 personas hasta 260 nudos con un solo motor de 350 hp. El Diamond DA-62 recientemente certificado puede mover una espaciosa cabina de 7 pasajeros a ~200 nudos usando solo un par de motores de 180 hp.

¿Por qué no hay aviones de pistón más rápidos disponibles? ¿No estaría interesado el mercado en aviones propulsados ​​por pistones que pudieran alcanzar los 300 nudos? ¿No debería ser capaz de hacer casi esas velocidades para un avión muy pequeño propulsado por un solo motor común de 350 hp? ¿No debería poder alcanzar esas velocidades en un avión más espacioso con un par de motores comunes de 350 hp?

Mi comprensión del mercado es que la razón número 1 por la que las personas eligen el pistón es el costo. ¿Y no es el costo de operar motores de pistón, incluso dos motores de pistón versus un solo turbopropulsor, mucho más bajo? ¿Cuánto cuesta un motor de pistón turboalimentado de 350 hp nuevo, 50k-60k dólares? Entonces, incluso comprar un par de ellos cuesta 100k-120k dólares. Y entonces, ¿cuánto cuesta un solo motor de turbina comparable? ¿~800k dólares con costos de reconstrucción proporcionalmente más altos por hora de vuelo? ¿Más un 20 % más de SFC que un pistón?

Básicamente, veo el Piper M600 en la lista de 2,8 millones de dólares o el TBM930 en la lista de 3,9 millones de dólares, y no entiendo por qué sería difícil lograr casi el mismo rendimiento por una fracción del precio usando un par de zapatos baratos. motores de pistones Por ejemplo, el Piper M350 tiene la misma cabina para 6 pasajeros que el M600 y también incluye presurización, y con un solo motor de 350 hp genera más de 210 nudos en un fuselaje muy antiguo con un precio de lista de menos de 1,2 millones de dólares. Si básicamente construyó el mismo avión pero lo reoptimizó para motores gemelos y utilizó materiales y aerodinámica modernos, ¿no debería poder alcanzar cerca de 300 nudos agregando otro motor de pistón? ¿Y no debería poder vender el avión resultante por menos de 2 millones de dólares y con un SFC y, por lo tanto, un alcance y una carga útil significativamente más ventajosos que el M600?

Mira la propiedad de los aviones. Los propietarios de estos aviones son en su mayoría pilotos de GA que solo quieren volar por diversión, por lo que no necesitan un avión tan rápido (aunque hay algunas excepciones).
Por debajo de los 10.000 pies hay un límite de velocidad de 250 nudos impuesto por la FAA.
@RonBeyer, eso es interesante, aunque ¿no hay muchos aviones propulsados ​​​​por pistones en servicio capaces de volar de manera eficiente cerca y por encima de 20,000 '? Según entendí, este es el caso incluso para muchos aviones de pistón que ni siquiera están turboalimentados, y mucho menos presurizados. Además, quise usar la palabra 'carestía' aunque tal vez tengas razón, 'muerte' atraerá más atención :)
@ Charles847 "... ¿no debería poder alcanzar cerca de 300 nudos agregando otro motor de pistón?..." Desafortunadamente, los accesorios no funcionan de esa manera. Una hélice solo puede ir tan rápido, por lo que agregar otra no necesariamente hará que el avión vaya más rápido.

Respuestas (3)

El requerimiento de potencia de un avión crece con el cubo de la velocidad. Cuando vuela rápido con un avión que debe cumplir con una velocidad mínima establecida impuesta por las regulaciones , su coeficiente de resistencia es casi constante, por lo que volar más rápido le hace dos cosas a un avión de hélice:

  1. La resistencia aumenta con la presión dinámica, que es proporcional a la velocidad al cuadrado
  2. El empuje disminuye con el inverso de la velocidad.

La potencia es el empuje multiplicado por la velocidad, por lo que si los 350 hp lo llevan a 210 nudos, duplicar la potencia instalada solo puede llevarlo a 264 nudos. Una turbina aún puede hacer un uso limitado de la presión dinámica aumentada por la recuperación del pistón , por lo que aquí la disminución del empuje sobre la velocidad no es tan mala como para los motores de pistón.

Expresada en una ecuación, la potencia PAG demanda de una velocidad dada v es:

PAG = D ⋅ v η PAG r o pag = ρ ⋅ v 2 ⋅ S r mi F ⋅ C D ⋅ v 2 ⋅ η PAG r o pag → v = 2 ⋅ PAG ⋅ η PAG r o pag ρ ⋅ S r mi F ⋅ C D 3

Si desea volar rápido con una mayor eficiencia, debe aumentar la velocidad mínima; tenga en cuenta que la velocidad de aterrizaje de muchos aviones de pistón rápidos era de alrededor de 100 mph. Ahora necesita una pista larga, y para operar con mal tiempo o infraestructura nocturna para aproximaciones instrumentadas, y terminará en aeropuertos donde el combustible para turbinas es fácil de conseguir y barato , pero el combustible para pistones será difícil de encontrar y costoso.

Al igual que con toda maquinaria costosa, debe usarla con frecuencia para justificar el gasto. Ahora su costo de combustible tendrá en cuenta y hará que un motor de pistón sea bastante poco atractivo.

Los aviones de pistón rápido solo se construyeron cuando las turbinas aún no estaban disponibles. Tan pronto como surgieron las turbinas, todos los diseños de pistones rápidos quedaron obsoletos. Y la aerodinámica a principios de la década de 1940 ya estaba muy avanzada; los ingenieros de entonces construían aviones que serían imposibles de diseñar con los ingenieros de hoy. En aquel entonces, pusieron en el aire aviones totalmente controlados manualmente cuando hoy en día todos se negarían a hacerlo sin impulsores hidráulicos a solo la mitad de la velocidad de vuelo. Podrían diseñar conductos de refrigeración que aumentaran el empuje , un arte que (casi) se ha perdido en la actualidad.

¡Gracias por incluir las matemáticas básicas! ¿Te importaría explayarte un poco más? Estoy pensando que velocidad ^ 2 = X unidades de potencia. Entonces, en su ejemplo, haría (210kts) ^ 2 = 44,100 unidades de potencia, por lo que un avión con el doble de potencia tendría 88,200 unidades de potencia, y luego sacaría la raíz cuadrada para obtener la velocidad del avión de doble potencia. Pero eso no cuadra ni da cuenta de su punto #2.
@Charles847 Empezar con power = thrust * speed. Al volar nivelado a velocidad constante, thrust = drag, lo que significa que power = drag * speed. Finalmente, drag = (constant) * speed^2, que nos da power = (constant) * speed^3. Entonces, si duplicamos la potencia, solo aumentamos la velocidad en la raíz cúbica de dos (alrededor de 1.26), y 1.26 * 210 = 264.6.
Un punto interesante sobre la velocidad de pérdida máxima requerida y su efecto en el diseño del perfil aerodinámico... pero sugerir que la ingeniería aeronáutica 'solía ser mejor' porque hacían cosas cuando no tenían alternativas que los ingenieros de hoy considerarían... desaconsejables... es una tontería .
@Daniel, lo siento por usted si no puede apreciar la elegancia de una solución mecánica simple e ingeniosa y piensa que es mejor una capa adicional de complejidad del sistema que presenta una serie de nuevos modos de falla y dolores de cabeza de mantenimiento, sin mencionar el peso adicional. Pero estás en buena compañía.
@Daniel No sé qué hacer con su declaración. La tecnología ha avanzado rápidamente en los últimos 70 u 80 años. Los ingenieros tienen que saber mucho más hoy de lo que los muchachos tenían que saber en aquel entonces. Y algunas de las cosas que hicieron simplemente no valieron la pena, ni siquiera para los estándares de la época. El dinero no fue un problema durante la guerra y más tarde en los Estados Unidos. Y se enredaron mucho. Además, no veo por qué mantener las cosas mecánicas te ahorra peso, pero supuestamente la belleza está en el ojo del espectador.
@jjack Gracias por el voto de confianza. Me parece obvio que el estado del arte es mucho mejor ahora, porque fabricamos aeronaves que funcionan mucho mejor, no peor que las anteriores, en todas las categorías de aeronaves, desde planeadores hasta hipersónicos. Los humanos que vinieron antes eran tan inteligentes como nosotros, pero no sabían tanto y sus herramientas no eran tan buenas.
Además, los motores de turbina, en un apuro, pueden quemar prácticamente cualquier cosa que fluya y que se queme sin producir partículas sólidas en la corriente de escape (aunque no obtendrá un rendimiento tan bueno como con los combustibles para los que está optimizado el motor) ; Los motores de pistón son mucho, mucho más exigentes con el combustible, y tienden a mostrar su disgusto haciendo cosas molestas como agarrotarse o explotar.
¿Por qué un motor de pistón con una admisión diseñada adecuadamente no puede aprovechar la compresión del ariete?
@Sean Pueden, pero debido a su toma de aire estacionaria son menos eficientes. Roy LoPresti sintonizó Mooneys de tal manera que una pala de hélice barría el colector de admisión justo cuando se abre una válvula de cilindro. Eso solo agregó algunos nudos en la velocidad máxima.

Un pistón significa una hélice, y una hélice es más eficiente a menor altitud y mucho menos eficiente a mayor altitud (esa es parte de la razón por la que existen hélices de paso variable). Pero lo contrario se aplica a los jets, por lo que realmente no se ven jets navegando a 5000 pies.

Un motor de pistón es bastante complejo y tiene bastantes partes móviles que se mueven de una manera un tanto violenta. Un pistón cambia de dirección en cada carrera, y la combustión que impulsa cada carrera tiene una fuerza y ​​un propósito diferentes a los de un motor a reacción. Esa dinámica cambia un poco con el tipo de motor (un motor rotativo es diferente a un motor en línea), pero aún requiere una combustión para forzar a un pistón a empujar una hélice para impulsar el avión. La mecánica es mucho más compleja que la de un motor a reacción (que esencialmente solo trae aire, lo comprime, lo prende fuego a Bernoulli y usa ese escape para encender los compresores [generalmente]). (Encontré algunas animaciones ingeniosas del motor en http://www.animatedengines.com )

Además, las hélices y los jets mueven un avión de manera diferente. Una hélice no es diferente a cualquier otro perfil aerodinámico. Su principal modo de movimiento es la disminución de la presión en un lado, provocando el movimiento hacia esa presión más baja. Un apoyo se siente como un gran ventilador, pero la mayor parte de su movimiento está tirando de la aeronave. Sin embargo, un jet funciona empujando al avión. Debido a esta diferencia, una hélice puede alcanzar su límite superior de rendimiento a una velocidad menor que la de un jet. Nuevamente se aplica lo contrario y un jet puede alcanzar su límite inferior de rendimiento a una velocidad más lenta que la de un propulsor. Esto permite que un motor de turbina vuele más rápido.

Por último, es probable que un motor de pistón pese más que un motor de turbina comparable. Y en un avión, el peso marca la diferencia en casi todo.

Dos publicaciones más antiguas, pero hacen un buen trabajo al desglosar las diferencias: planeandpilotmag.com/article/turbines-vs-pistons/#.V6JwlUYrKCg shorelineaviation.net/news---events/bid/50442/…
a rotary engine is different than an inline engine¿Quiso decir radial en lugar de rotativo? Ya que lo estás contrastando con en línea
La eficiencia de la hélice no se verá afectada por la altitud, siempre que la hélice sea lo suficientemente grande. Los aviones subsónicos que volaban más alto eran todos propulsados ​​por hélices.
@TomMcW Lo siento, quise decir radial. Aunque ambos todavía funcionan con pistones para hacer girar una hélice en lugar de generar empuje moviendo el aire a través del motor.
@PeterKämpf Sin embargo, la eficiencia y la capacidad son diferentes. Solo por la naturaleza del aire, en la altura, la pala de una hélice tendrá que girar más rápido para generar el mismo empuje en altitudes más altas. Al igual que un ala es menos eficiente en altitud. 80.201 es impresionante. Los accesorios más grandes pueden haber permitido que la aeronave se moviera más rápido para que pudiera generar la sustentación para llegar a 80,202. Pero también necesitaría motores más grandes para hacer girar esas hélices más grandes más rápido. Es un gran acto de equilibrio.

Si desea un avión propulsado por hélice rápido, es mucho más fácil usar un motor turbohélice que un motor de pistón grande.

  • el turbohélice es más ligero y más compacto
  • produce menos vibraciones
  • produce menos ruido
  • es más fiable (el recuento de piezas móviles cae de miles a decenas = menos para salir mal)
  • es más fácil construir un turbopropulsor de alto rendimiento. Los motores de pistón de finales de la Segunda Guerra Mundial operaron al límite de lo que era posible en ese momento. Necesitaban combustible especial de alto octanaje para evitar la detonación (e incluso entonces, los petardeos eran algo comunes, por ejemplo, en el Griffon).
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