¿Por qué un avión de pasajeros tiene un descenso poco profundo cuando es más pesado, a diferencia de los planeadores con lastre?

Si puedes perdonar mis habilidades limitadas de pintura:

Es la velocidad variable/constante lo que marca la diferencia.

• El peso cambia la resistencia (tiempo hasta el suelo) y no el alcance (distancia hasta el suelo) si la velocidad se ajusta para que coincida con el nuevo peso.
• El peso cambia la velocidad para obtener la mejor relación L/D, pero nunca cambia la mejor relación L/D (y, por lo tanto, el mejor rango)

Para planeadores (que están ajustando la velocidad al nuevo peso):

el lastre les permite volar más rápido manteniendo la mejor L/D. El piloto aumentará la velocidad para mantener la misma (mejor) relación de planeo, aunque a una mayor velocidad de descenso (fpm). Llegas allí más rápido , a mayor velocidad, pero con la misma distancia de planeo (hasta el suelo eventualmente).

Para aviones con motor (que vuelan a velocidades establecidas independientemente del peso):

los pilotos suelen descender del crucero a una velocidad aerodinámica fija , normalmente muy por encima de la mejor L/D. Un mayor peso significa que la aeronave está mucho más cerca de la mejor velocidad L/D, por lo que la trayectoria de vuelo es mucho menos profunda. Llegas allí en el mismo tiempo , pero serás mucho más alto cuando seas pesado.

O si es más fácil pensar de esta manera, un avión ligero está mucho más lejos de su mejor velocidad L/D que uno pesado, cuando vuela una aproximación. Naturalmente, esto hace que el ligero descienda más abruptamente.

Tenga en cuenta que todo esto se refiere a un descenso normal desde el crucero. Las velocidades de aproximación final, justo antes del aterrizaje, se corrigen por el peso en un avión grande, y los pesados ​​tendrán una Vref más alta _y aterrizarán un poco más rápido.

¿Por qué un avión de pasajeros tiene un descenso poco profundo cuando es más pesado, a diferencia de los planeadores con lastre?

En realidad, los planeadores comparten esta característica con los aviones comerciales , si estamos hablando de un vuelo a una velocidad aerodinámica alta dada que está muy por encima de la velocidad aerodinámica para la mejor relación L/D.

Primero, algunas observaciones generales sobre el vuelo sin motor, basadas en algo tomado de otra respuesta pero ahora muy modificado:

• Para simplificar, todos los puntos a continuación y todo el resto del contenido de esta respuesta ignoran los pequeños cambios en la relación L/D y la relación de planeo debido a un mayor número de Reynolds asociado con una mayor velocidad aerodinámica . Asimismo, se ignoran los efectos relacionados con el número de Mach o la compresibilidad.

• Para simplificar, todos los puntos a continuación, y todo el resto del contenido de esta respuesta, asumen que no hay movimiento de masa de aire (sin viento, elevación o hundimiento)

• En este caso, la relación de planeo es la misma que la relación L/D

• Para un avión dado en una configuración dada, el ángulo de ataque determina la relación L/D. Para un avión dado en una configuración dada, la mejor relación L/D siempre ocurre en un ángulo de ataque particular. Por "una configuración dada" nos referimos a una forma dada, independientemente del peso.

• Si el ángulo de ataque se mantiene constante, el aumento de peso aumenta la velocidad aerodinámica, aumenta la tasa de caída y disminuye la resistencia (tiempo hasta el suelo), pero no cambia la relación L/D ni la relación de planeo ni el alcance (distancia hasta el suelo). Entonces, el efecto de un aumento en el peso es cambiar cada punto en el gráfico de velocidad aerodinámica versus tasa de caída hacia una velocidad aerodinámica más alta y una tasa de caída más alta, moviendo cada punto a lo largo de una línea recta trazada desde el origen de la gráfica a través del punto en pregunta y luego se extendió más adelante. (La velocidad aérea y la tasa de caída "GD" o "punto verde" se ajustan exactamente de esta manera en la figura "H4" que se incluye más adelante en esta respuesta. La línea diagonal representa el efecto de aumentar el peso mientras se mantiene el ángulo de ataque constante.

• Si la velocidad del aire se mantiene constante, cambiar el peso cambia la relación L/D y la relación de planeo, y también cambia la resistencia (tiempo hasta el suelo) y también cambia el alcance (distancia hasta el suelo). A una velocidad aerodinámica fija muy por encima de la mejor velocidad L/D, más peso significa una relación L/D más alta y una relación de planeo más alta y una tasa de descenso más baja y más resistencia (tiempo hasta el suelo) y más alcance (distancia hasta el suelo), porque el el avión está volando en un ángulo de ataque que está más cerca del ángulo de ataque que produce la máxima relación L/D.

• Cambiar el peso cambia la velocidad para obtener la mejor relación L/D, pero no cambia la mejor relación L/D que se puede obtener.

Ahora vamos a la pregunta específica:

La pregunta cita unas 737 cifras de rendimiento para el descenso de potencia inactiva . En ese caso, la aeronave está volando con un programa de velocidad aerodinámica que depende únicamente de la altitud, es independiente del peso de la aeronave y está muy por encima de la velocidad aerodinámica para L/D máxima (es decir, para la relación de planeo máxima). (El significado exacto de ".78/280/250" se explica en esta respuesta relacionada.) Tiene sentido que el avión más pesado cubra más terreno que el más ligero, porque el avión más pesado vuela en un ángulo de ataque que está más cerca del ángulo de ataque L/D máximo que el avión más ligero. . Al igual que si hubiera decidido que iba a volar una carrera de velocidad de 10,000 pies a 150 mph IAS en un planeador, y la mejor velocidad L / D fue 50 mph IAS en la condición sin lastre y 70 mph IAS en la condición con lastre, tendría una tasa de caída más baja en la condición con balasto, y también cubriría más distancia sobre el suelo en la condición con balasto, porque estaría volando más cerca del ángulo de ataque L/D máximo y la velocidad aerodinámica.

Si esto parece contrario a la intuición, consulte el segundo diagrama en esta respuesta de ASE relacionada . Puedes ver claramente que a 190 km/h, el planeador más pesado tiene una tasa de caída más baja que el planeador más liviano. Esta es una de las razones fundamentales por las que los planeadores a menudo llevan lastre: para dar una tasa de caída más baja cuando vuelan a una velocidad determinada y alta y, por lo tanto, optimizar el rendimiento durante las carreras.

Esto de ninguna manera implica que cuando se vuela a una velocidad aerodinámica seleccionada para dar el ángulo de ataque L/D máximo, o cualquier otro ángulo de ataque fijo, un avión más pesado experimenta un ángulo de planeo diferente al de uno más ligero, o experimenta una tasa de caída más baja que una más ligera. Ninguna de esas cosas sería cierta. Cuando se vuela con un ángulo de ataque dado, como el ángulo de ataque máximo L/D, una aeronave más pesada logrará la misma trayectoria de planeo que una más liviana, pero la aeronave más pesada volará por esa trayectoria de planeo con una mayor velocidad aerodinámica y una mayor tasa de caída.

Una cosa interesante de la tabla 737 es que se da el mismo tiempo para descender desde una altura determinada para todos los pesos. Tal vez esto sea lo suficientemente cercano para una estimación aproximada, pero en verdad, el avión más pesado tardará más en descender de la altitud, porque el descenso no se realiza en un ángulo de ataque fijo independientemente del peso, sino en una altitud fija. -versus-horario de velocidad aerodinámica que está muy por encima de la mejor velocidad L/D. La única forma en que el avión más pesado puede cubrir más distancia mientras vuela al mismo programa de altitud versus velocidad aérea que el avión más ligero es descender a una velocidad más baja, al igual que el planeador con balasto que vuela a alta velocidad en los ejemplos anteriores.

La pregunta también cita un pasaje de un boletín de Airbus, que incluye una referencia a la velocidad aérea del "punto verde":

1.3.3. Efecto de peso

La velocidad del punto verde (gradiente mínimo) es una función del peso. En el rango de velocidad de descenso estándar (desde el punto verde hasta VMO), la velocidad y la pendiente de las magnitudes de descenso se reducen con pesos más altos. [énfasis añadido]

Como se explica en esta respuesta relacionada , la velocidad aerodinámica del "punto verde" aumenta al aumentar el peso y sirve como una buena aproximación a la velocidad aerodinámica que dará el ángulo de ataque para la mejor L/D (mejor relación de planeo). Por lo tanto, en la primera lectura, el pasaje citado puede dar la impresión de que la oración "En el rango de velocidad de descenso estándar (desde el punto verde hasta VMO), la velocidad y la pendiente de las magnitudes de descenso se reducen con pesos más altos" se refiere al contexto de un descenso realizado en algún ángulo de ataque del objetivo dado, independientemente del peso, referenciado de alguna manera a la velocidad aerodinámica del "punto verde". Sin embargo, éste no es el caso.

La primera oración en la página 163 del boletín de Airbus citado comienza "En un TAS determinado...". Además, la primera figura en la página 163 del boletín citado (figura "H4", reproducida a continuación) sugiere que la velocidad aérea del "punto verde" NO juega ningún papel en la definición del "rango de velocidad de descenso estándar", y también muestra que el " la envolvente del "rango de velocidad de descenso estándar" está muy por encima de la mejor velocidad aérea L/D independientemente del peso, y también sugiere que la envolvente del "rango de velocidad de descenso estándar" es constante independientemente del peso de la aeronave. Claramente, la frase "la velocidad y la pendiente de las magnitudes de descenso se reducen con pesos más altos" se refiere a un descenso realizado de acuerdo con un perfil de velocidad aerodinámica que se define de forma independientede peso, como el perfil ".78/280/250" discutido anteriormente. Esa es la razón por la que la tasa de descenso y la pendiente de descenso se reducen con pesos más altos: en vuelo planeado o en vuelo descendente de baja potencia a una velocidad aerodinámica determinada que está muy por encima de la velocidad aerodinámica L/D máxima, una aeronave más pesada es siendo volado en un ángulo de ataque más eficiente que un avión más ligero.

Una nota final: la página 160 del boletín de Airbus que se discute aquí establece que "El descenso se lleva a cabo con el empuje de Vuelo en ralentí (es decir, con un empuje cercano a cero)". ¿Cómo cambian las cosas en configuraciones de mayor potencia? Con una configuración de potencia más alta, está claro que un avión pesado descenderá, mientras que un avión más liviano de configuración idéntica que vuele a la misma velocidad seguirá manteniendo la altitud o incluso ascendiendo. Por lo tanto, se deduce lógicamente que debe haber algún ajuste de potencia intermedio en el que, a una determinada velocidad aerodinámica, se obtengan exactamente la misma tasa de caída y el mismo ángulo de planeo con dos pesos diferentes.

Hemos declarado que "en vuelo planeado o en vuelo descendente de baja potencia a una velocidad aerodinámica determinada que está muy por encima de la velocidad aerodinámica L/D máxima, una aeronave más pesada vuela con un ángulo de ataque más eficiente que una aeronave más liviana". ". Desafortunadamente, nunca sucede que en un vuelo nivelado, una aeronave más pesada en realidad requiera menos empuje que una aeronave más liviana de la misma configuración que vuela a la misma velocidad. ¡Eso sería realmente "obtener algo a cambio de nada"! En cierto sentido, el peso puede considerarse como "combustible" (o más precisamente, energía potencial) para un avión que desciende con un ajuste de potencia bajo o con potencia cero, pero en ningún sentido el peso actúa como un "combustible" para un avión. volando horizontalmente (o trepando) con respecto a la masa de aire circundante.