¿Por qué no se usan los flaps de despegue hasta la altitud de crucero?

La siguiente imagen de esta respuesta muestra las características de las superficies aerodinámicas con flaps.

Como concluyó correctamente, levante ($C_{L_{max}}$) sube con el despliegue de flaps, pero la resistencia también sube e incluso más rápido que la sustentación. Aumentar la sustentación es bueno, pero si tiene el costo de más resistencia, se requerirá más empuje (por lo tanto, combustible) para mantener esta mayor sustentación.

Por lo tanto, el valor que debemos maximizar es la relación de sustentación y arrastre. La proporción de los dos$\frac{L}{D}_{@C_{L_{max}}}$también se muestra a continuación, y muestra que el perfil aerodinámico básico funciona mejor que aquellos con aletas.

Esta es una buena pregunta, y no creo que las otras respuestas lleguen a la parte esencial que es:

¿Es óptimo subir con los flaps desplegados?

Como con cualquier pregunta óptima, la respuesta depende de qué es lo que deseamos optimizar. Vale la pena examinar dos estados objetivo:

1. Para subir a la altura de la manera más rápida y eficiente posible. Por ejemplo:
   • los vientos en altura son tan buenos que el piloto quiere minimizar el tiempo que se pasa a baja altura
   • al piloto le gustaría altitud para acrobacias aéreas
   • al piloto le gustaría hacer pruebas a gran altitud
2. Para ir del punto A al punto B empleando las mejores prácticas de seguridad y minimizando razonablemente los costos de tiempo y/o combustible.

¿Por qué usar las aletas en primer lugar?

En general, despegar y despejar cualquier obstáculo mientras se permanece cerca del aeropuerto se considera una buena práctica, incluso si eso significa quemar un poco más de gasolina. Dependiendo de una serie de opciones de diseño, el ángulo de ascenso con flaps se puede mejorar mucho, lo que significa que el despeje de obstáculos es mejor y, en caso de una emergencia de despegue, el avión tiene mucha más pista por delante, o no está tan lejos. desde el aeropuerto.

Las ventajas de despegar con flaps abajo:

• Las ruedas dejan el suelo a una velocidad aerodinámica más baja, lo que elimina la resistencia a la rodadura. (Es sorprendente cuánto arrastre proviene de esos neumáticos, especialmente en césped y campos blandos).
• El ángulo de subida es mejor
  • Del manual DA40 , págs. 5-14 y 5-16, la velocidad de ascenso STP con flaps es de 9,7 grados (1160 fpm a 67 nudos) y sin 7,8 grados (1050 fpm a 76 nudos).
• La tasa de ascenso podría ser mejor

Entonces, ¿cuáles son las desventajas?

Mayor resistencia a velocidades aerodinámicas más altas

Como muestra @ROIMaison en esta respuesta , para un perfil aerodinámico Clark Y, la relación L/D con flaps desplegados no está ni remotamente cerca del perfil aerodinámico normal. A velocidades aéreas más altas, esta pérdida de eficiencia se siente agudamente.

Por supuesto, el DA40 tiene un perfil aerodinámico mucho más avanzado, por lo que la extensión podría estar mucho más cerca. Los perfiles aerodinámicos de Diamond provienen de planeadores, y los planeadores usan flaps en vuelos de baja velocidad para girar más rápido. Como puede imaginar, los planeadores están optimizados para la eficiencia, por lo que es justo razonar que la relación L / D con aletas para el perfil aerodinámico del DA40 es potencialmente mucho mejor que la del venerable Clark Y.

En caso de que el vínculo entre la resistencia aerodinámica y la tasa de ascenso no sea inmediatamente obvio, cuanto mayor sea la resistencia, menor será el excedente de energía disponible para aumentar la energía potencial del avión, es decir, para ascender.

Refrigeración del motor

El capó del motor está diseñado para proporcionar una refrigeración adecuada a velocidades aerodinámicas relativamente altas. Hay una cierta inercia térmica que protege el motor durante un minuto más o menos, pero después las temperaturas empiezan a alcanzar puntos críticos. Es importante subir el morro y aumentar la velocidad del aire para mejorar el enfriamiento.

Ineficiencia de la hélice a velocidades más bajas[*]

Para una hélice de crucero de paso fijo, la eficiencia sufre significativamente a velocidades aerodinámicas más bajas. Acelerar le dará algo de rendimiento extra a la hélice y al motor.

[*] Tenga en cuenta que esto no se aplica a las hélices de velocidad constante.

Conclusión

Con lo anterior en mente, podemos ver que las mejores prácticas de levantarse del suelo rápidamente, con suficiente pista libre y con un despeje de obstáculos mejorado es una buena cosa (TM). Estos objetivos se cumplen en gran medida en 500', por lo que esta es una oportunidad para reevaluar nuestro proceso óptimo . ¿Todavía queremos escalar, o queremos ir a algún lado también?

Desafortunadamente, no tengo una idea básica de si es generalmente óptimo continuar escalando con los flaps desplegados. Incluso podría depender del modelo de avión en particular si la tasa de ascenso absoluta es mejor con los flaps hacia arriba o hacia abajo. Si la tasa de ascenso es peor con los flaps abajo, entonces la respuesta es claramente levantarlos tan pronto como sea posible.

Suponiendo que la velocidad de ascenso es mejor con los flaps desplegados, la situación no se aclara. Si los vientos en altura son favorables, es valioso llegar rápidamente a la altura. ¿Pero más valioso que el enfriamiento adecuado del motor? Mmm...

Porque no sería eficiente. Los flaps aumentan la resistencia (y la sustentación), por lo que quemaría más combustible al ascender a la altitud de crucero con los flaps extendidos en comparación con si los retractara.

La mayoría de las personas vuelan para llegar a algún lugar, por lo que se usa el ascenso de crucero, ya que cubre más terreno mientras se llega a la altitud.

Aquí está la tabla de velocidad aerodinámica DA40 que hubiera sido bueno incluir en su pregunta. Dependiendo del peso, la velocidad de ascenso de crucero es de 6 a 9 nudos más alta que la velocidad de ascenso de despegue. Si su objetivo era solo ganar altitud, en cuanto a la observación local, podría usar flaps de despegue si quisiera. En algunos aviones, debe vigilar la temperatura del motor si vuela lentamente a alta potencia.

Una mejor ilustración es en aviones de transporte donde la diferencia de velocidad es mucho mayor. Aquí está la secuencia de despegue del BaE146 . Existen limitaciones de velocidad para los flaps desplegados, por lo que la retracción es estructuralmente necesaria a medida que aumenta la velocidad. Permanecer por debajo de un límite de 135 nudos para el despegue es una pérdida de tiempo cuando se dispone de un ascenso de crucero de 220 nudos y el objetivo es 250 nudos.

Los flaps te dan más sustentación, pero también más resistencia. El arrastre significa que su velocidad horizontal es menor.

Las fases habituales de vuelo donde la baja velocidad es una ventaja son:

1. Al despegar de una pista. No quiere quedarse sin pista y quiere acabar con el arrastre de las ruedas lo antes posible.

2. Al tratar de despejar obstáculos. Desea tanto tiempo para ganar altitud antes de llegar a ellos.

3. Cuando se encuentra en altitudes bajas. No desea alejarse demasiado del aeropuerto cuando su rango de planeo es bajo.

4. Cuando esté cerca del aterrizaje. Necesitas bajar de altitud pero también mantener baja la velocidad.

5. Al aterrizar. Debes ir lo más lento posible antes de tocar el suelo.

Los flaps hacen que la compensación entre sustentación y arrastre sea peor para usted. Eso solo es sensato cuando la resistencia es buena o la sustentación adicional es absolutamente necesaria.

Una vez que la resistencia se convierte en una pérdida en lugar de un beneficio y tienes suficiente sustentación sin flaps, la lógica de los flaps deja de aplicarse. Desea la configuración de ala más eficiente con la menor resistencia posible para la sustentación generada. Esa es la configuración para la que se construyó su ala.

Los flaps proporcionan sustentación adicional a velocidades aerodinámicas más bajas, pero al costo de una gran resistencia.

En algún momento, la resistencia detiene la aceleración del avión y no puede ascender más rápido.

Tenga en cuenta que las aerolíneas quieren un transporte rápido desde la Puerta A (XYZ) a la Puerta B (HKL). Los aeropuertos quieren pistas lo más cortas posible. El gobierno quiere áreas tan pequeñas como sea posible cargadas de ruido.

La pista corta limita significativamente las velocidades de despegue/aterrizaje, por lo que la configuración del ala debe proporcionar sustentación a bajas velocidades, incluso a costa de la resistencia.

El gobierno exige un ascenso lo más rápido posible y, desde algunas altitudes, el ruido se extiende tanto que la tasa máxima de ascenso no es obligatoria y las aerolíneas son libres de optimizar el parámetro más crucial: el costo.

Aquí el arrastre es el adversario por lo que se retraen los flaps. El avión puede volar más rápido para un menor empuje necesario y las reservas de empuje también se pueden usar para escalar con el morro hacia arriba.