¿Por qué los aviones a reacción nunca se diseñan con una velocidad de crucero más lenta?

De hecho, hay un beneficio en volar más despacio, pero el avión debe diseñarse de esa manera para beneficiarse de velocidades más lentas. Puede ver que el barrido del ala se ha reducido ligeramente en los aviones más modernos, pero esto también se debe a mejores perfiles aerodinámicos con un mayor inicio de aumento de resistencia Mach.

Pero algunas cosas también costarán más cuando disminuya la velocidad: debe pagarle a la tripulación por más horas y la aeronave no se puede utilizar con tanta frecuencia. Para transportar el mismo número de pasajeros se requieren más aeronaves cuando éstas vuelan a menor velocidad. La relación costo versus velocidad no es lineal, pero debería tener un mínimo en algún lugar por debajo de los puntos operativos actuales. Las aeronaves con una velocidad de crucero de diseño más lenta pueden ser más livianas y pequeñas para la misma carga útil, pero por ahora las aerolíneas no pueden elegir entre aviones lentos o rápidos; todos los fabricantes intentan diseñar sus aviones de largo alcance para al menos Mach 0,83 .

Esto tiene mucho que ver con el marketing: el avión con mayor velocidad mostrará un tiempo de viaje más corto para la misma distancia, por lo que aparecerá primero en los sistemas de reserva de los agentes de viajes. Por supuesto, ahora argumentará que la mayoría de las personas reservan en Internet y tratarán de obtener el costo más bajo, independientemente del tiempo de viaje. Verdadero. Pero este no es el tipo de cliente que buscan las aerolíneas. Sus ganancias provienen de las personas en primera clase y clase ejecutiva, y estas aún reservan predominantemente a través de agencias de viajes. Por lo tanto, Airbus y Boeing intentan comercializar sus aviones como los primeros en las pantallas de Amadeus y Sabre.

Si optimizara de manera resuelta una configuración para obtener la mejor eficiencia de combustible, llegaría a algo parecido al diseño del MIT D8 o al estudio SUGAR de Boeing . Tenga en cuenta que ambos están diseñados para volar un poco más lento que los aviones actuales a Mach 0,72. Estos diseños son para un mundo en el que el combustible cuesta 200 USD por barril o más, mientras que los diseños actuales se basan en los precios esperados al momento de comenzar su diseño.

Cuando los precios del combustible eran bajos, la velocidad óptima para el mejor rendimiento del transporte estaba por encima de Mach 1. El Vickers VC-10 de 1964 lucía un número de Mach de crucero máximo de 0,886 y todavía tiene el récord de la travesía comercial más rápida del Atlántico. Cuando se desarrolló el Concorde , el consenso general fue que los futuros viajes aéreos serían supersónicos. Solo el salto en los precios del petróleo después de la crisis del petróleo de 1973 puso fin a esos planes. Los grandes jets de negocios de hoy en día pueden navegar a velocidades de hasta Mach 0,935 porque sus propietarios están menos preocupados por ahorrar dinero volando más despacio. Técnicamente, todavía hay espacio para navegar por encima de Mach 0,85; es la economía lo que hace retroceder a los aviones.

Si las compañías de aviones tuvieran la libertad de elegir el número de Mach óptimo, hoy elegirían una velocidad entre Mach 0,78 y 0,82 con precios de combustible de alrededor de 50 USD por barril. Tenga en cuenta que este es el rango de número de Mach de diseño para aviones regionales que vuelan saltos cortos en los que el aumento en el tiempo de viaje debido a la velocidad reducida es insignificante. Además, especialmente en tiempos de altos precios del combustible, las aerolíneas operan sus trenes a velocidades más bajas para ahorrar combustible. Pero si sigue este enlace , aprenderá que las compañías de aviones no tienen esa libertad.

Con respecto al arrastre:

El arrastre no sube con el cuadrado de la velocidad. Cuando se grafica sobre la velocidad , la resistencia aerodinámica de un avión primero bajará, alcanzará un mínimo y solo luego subirá. Los aviones de pasajeros vuelan cerca de este mínimo y vuelan alto para cambiar este mínimo al número de Mach de vuelo más alto posible. Lo hacen volando en aire menos denso, lo que requiere volar a una altitud de alrededor de 30.000 a 40.000 pies . Un beneficio adicional de volar tan alto es la temperatura del aire más baja que hace que los motores sean más eficientes .

Respuesta corta: nadie quiere un avión lento.

Respuesta larga: si bien podemos hablar sobre la eficiencia del motor todo el día, debemos recordar que los aviones están diseñados más para misiones que para la ciencia en muchos aspectos. Si tomamos el hecho de que, en términos generales, los aviones se construyen para mover cosas (personas/carga) lejos y rápido, no hay muchos casos de uso presentes para un avión lento pero eficiente. Si bien esto representaría ahorros en términos de costo para el pasajero, la mayoría de las personas están dispuestas a pagar por la velocidad que ofrece un avión menos eficiente. Quizás el mejor ejemplo de esto es el ineficiente y costoso Concorde por el que muchas personas estaban dispuestas a pagar grandes sumas de dinero para volar solo por ahorrar unas horas.

En vuelos de larga distancia, cualquier ahorro de combustible aumenta significativamente la rentabilidad del vuelo.

Esta es una declaración general y no estoy seguro de que "significativamente" sea una palabra apropiada. Si bien el ahorro de combustible puede aumentar la rentabilidad desde el punto de vista del combustible, lo hace a costa de otros gastos. Por ejemplo, la mayoría de las piezas del avión se reparan en función de las horas de vuelo, por lo que para una estructura de avión determinada/número de vuelos, aumentará su gasto en inspecciones, ya que el avión probablemente pasará más tiempo en el aire para mover una carga determinada. También tiene los problemas de pagar a la tripulación, lo que puede reducir los costos. Teniendo en cuenta los vuelos largos (donde la tripulación realiza ciclos en rotaciones de 8 horas), es posible que necesite una tripulación adicional completa si el tiempo aumenta significativamente.

No tengo estadísticas concretas sobre esto (pero buscaré algunas), supongo que existe un riesgo de seguridad relacionado con simplemente pasar más tiempo en el aire. Si observamos los accidentes por hora de vuelo, la razón es que cuanto más tiempo pase en el aire, mayor será la probabilidad de un accidente, pero esto es una conjetura un poco educada.

Además de las otras respuestas más técnicas, hay otra razón por la cual las aeronaves no están diseñadas para pasar más tiempo en el aire en lugar de permanecer inactivas en cualquier extremo de la ruta: los pilotos y la tripulación aérea tienen un número máximo de horas permitidas. estar de servicio".

Según las reglas de la FAA que rigen las limitaciones de servicio, un piloto no puede pasar más de 9 a 14 horas en servicio, dependiendo de ciertos factores, como si hay otros pilotos programados para el mismo vuelo. Además de eso, un piloto debe tener al menos 10 horas de tiempo de descanso ininterrumpido entre sus períodos de servicio.

Por lo tanto, cuanto más lento vuele el avión, más tiempo estará en el aire, lo que significa que se requieren más pilotos para cubrir el mismo vuelo.

Por ejemplo, si una aeronave tarda 9 horas en volar una ruta, entonces, según las reglas de la FAA, la misma tripulación puede tomar un descanso de 10 horas en el otro extremo y luego devolver la aeronave.

Pero si la aeronave tarda 10 horas en volar la ruta, la FAA requiere otra tripulación para garantizar la seguridad, pero ambas tripulaciones deben tomar su descanso obligatorio de 10 horas al final del vuelo, y luego ambas tripulaciones pueden volar por la misma ruta de vuelta.

No ha ahorrado nada, pero está pagando por tripulantes adicionales.

Las aerolíneas y los fabricantes de aeronaves están en una lucha constante de tira y afloja para sacar el máximo provecho de sus aeronaves en cualquier momento, mientras que los organismos de seguridad como la FAA, CAA, EASA y otros se aseguran constantemente de que las rutas que vuelan las aerolíneas sean seguro.

http://work.chron.com/duty-limitations-faa-pilot-17646.html

Respuesta corta: a los precios actuales del combustible, es la velocidad más económica desde una perspectiva de costo/ingreso.

Los dos costos más grandes de operar un avión comercial son el combustible, que se reduciría con una aeronave más lenta y eficiente, y la utilización del fuselaje: el costo del avión dividido por la cantidad de boletos vendidos durante su vida útil, lo cual, reducirse volando más rápido. Además, la tripulación de vuelo se paga por hora. Actualmente, M0.85 o un poco menos es un punto óptimo en estas curvas, ya que pasar a transónico hace que el uso de combustible aumente más agresivamente con la velocidad, pero los diseños para aeronaves más lentas y eficientes (incluso motores de derivación más altos; flujo laminar de alta relación de aspecto menos barrido) alas) no tienen conceptos anteriores porque su rentabilidad general sería a pesar de los costos de combustible más bajos, especialmente cuando se considera que los boletos tendrían que venderse por menos para hacerlos competir con vuelos más rápidos en los aviones actuales.

Primero debe darse cuenta de que el número de Mach no es una velocidad, sino una relación entre la velocidad y la temperatura del aire. Cuanto mayor es la altitud, menos denso es el aire. El quid de la comprensión de toda la situación de velocidad versus eficiencia está en la diferencia entre los diferentes tipos de velocidad aerodinámica y cómo afectan la aerodinámica y la velocidad del sonido. Por lo tanto, no es cuanto más rápido vaya, sino cuanto más alto vaya, lo que aumenta la eficiencia.

Diferentes tipos de velocidad aerodinámica

La velocidad respecto al suelo está relacionada con la velocidad aerodinámica real (TAS), que es la rapidez con la que se mueve a través del volumen de aire, independientemente de la densidad. Mientras que la sustentación y la resistencia están determinadas por la velocidad del aire indicada (IAS), que es básicamente qué tan rápido atraviesas la masa de aire. Entonces, mientras mantiene el mismo IAS, a medida que asciende, el TAS es más alto, por lo tanto, una velocidad de avance más rápida. Debe mantener el IAS por encima de la entrada en pérdida, por lo que, para aprovechar al máximo el TAS (y, por lo tanto, una mejor velocidad respecto al suelo), debe volar con la densidad de aire más baja posible.

Velocidad del sonido

El avión está limitado, como observa, por la velocidad local del sonido (LSOS), que se ve afectada por el TAS y la temperatura. Cuanto más alto vaya, más frío se vuelve (hasta cierto punto) y, por lo tanto, menor es el LSOS. Entonces, en un IAS dado, cuanto menor sea la temperatura del aire, mayor será el número de mach (más cercano a la velocidad del sonido).

Encontrar el punto dulce

Dado que la sustentación está relacionada con IAS, el TAS es bastante irrelevante para las alas, siempre y cuando permanezcas por debajo del punto donde surgen los problemas de LSOS. Debe mantener la IAS para que la sustentación sea igual a la gravedad, de modo que no cambie a la misma altitud. A medida que aumenta la altitud y disminuye la temperatura, el TAS sube y el LSOS baja. El número de mach es la relación entre estos dos. Entonces, hay un punto en el que convergen y no puedes subir más porque tu TAS excederá el límite de mach de la aeronave. Ese es el llamado "rincón del ataúd". Si reduce la velocidad, se detiene, si acelera, excede el límite de mach. El punto óptimo para la eficiencia estará en esta área.

Parte 1 de la respuesta: la eficiencia máxima (requisito mínimo de empuje/combustible) se produce a la velocidad de la relación máxima de sustentación a arrastre. Está determinado principalmente por las alas, ya que la eficiencia del motor a reacción en función de la velocidad también es importante.

La resistencia sónica es otro factor, la mayoría de las aeronaves necesitan una potencia muy alta para acelerar hasta Mach 1. Las aeronaves diseñadas para la experiencia de vuelo supersónico disminuyen la resistencia por encima de Mach 1 hasta que la presión dinámica, proporcional al cuadrado de la velocidad, supera a otros factores.

Un caso notable fue el Lockheed F-104 con el modelo -19 de su motor a reacción J79. Con ese motor, su eficiencia de combustible en función de la distancia recorrida mejoró por encima de Mach 1, al menos a Mach 2: un informe de un piloto dijo que el consumo de combustible para una distancia recorrida dada fue mejor en alrededor de Mach 2. Ese piloto escribió sobre regresar de Texas a Florida haciendo Mach 2 a 73,000 pies, con un crucero de una hora.

Para comprender por qué un avión será más eficiente cuando vuele más rápido, debe darse cuenta de que el avión proporciona al aire que pasa una velocidad descendente. El cambio en el impulso de este aire es lo que soporta la masa del avión. Cada kilogramo de masa del avión producirá una fuerza hacia abajo de unos 10 newtons. Esto debe equilibrarse con un cambio de impulso de 10 kgms ^-1 cada segundo.

Ahora, aunque el cambio de cantidad de movimiento de una masa dada es proporcional al cambio de velocidad, la energía requerida para producir ese cambio es proporcional a la velocidad al cuadrado. (En unidades del SI, la energía es (mv ² )/2.) Entonces, la masa de 1 kg podría sostenerse durante 1 segundo acelerando 1 kg de aire a 10 ms ^-1 o acelerando 2 kg de aire a 5 ms ^-1 . Ambos soportarán la misma masa pero el primero necesita 50 J de energía y el segundo 25 J. Así, al duplicar la masa de aire que soporta la aeronave se ha reducido a la mitad la potencia necesaria para hacerlo.

Entonces, para obtener la mejor eficiencia posible, un avión debe desplazar la mayor masa de aire posible. Sin embargo, solo puede afectar el aire por el que pasa, por lo que para mover una mayor masa de aire debe aumentar la envergadura de sus alas (razón por la cual los planeadores de alto rendimiento tienen alas muy largas) o viajar más rápido. Entonces, si todos los demás factores permanecieran iguales, si un avión duplicara su velocidad, requeriría la mitad de potencia para mantenerla. Además, viajaría el doble de la distancia, por lo que la energía y, por lo tanto, el combustible necesarios para recorrer una unidad de distancia se reducirían en un factor de 4.