¿Podrían los aviones usar una catapulta a vapor o eléctrica para despegar?

Veamos cuáles son los ahorros:

Un avión comercial de tamaño medio transporta quizás el 20% de su masa en combustible. Este combustible tiene una densidad energética de 43 MJ por kg. De esa energía química como máximo el 40% se convierte en trabajo utilizable. Diablos, hagamos este 25% para que seamos realmente conservadores. Por lo tanto, la energía para todo el viaje es

Ahora suponga que este avión ahorra energía para acelerar de 0 a 150 nudos usando una catapulta. Esta energía es

Como elegí unidades métricas, la conversión es fácil:$1 \, \mathrm{J} = 1 \, \mathrm{Ws} = 1 \, \frac{\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2}$. yo suelo$\text{mass}$para la masa de despegue para que no creas que es la unidad metro. Ahora pongamos eso en proporción:

El uso de la catapulta ahorra un 0,1385 % de la energía necesaria para realizar un viaje típico en avión, suponiendo las mismas eficiencias durante la aceleración que durante el vuelo. Si tenemos en cuenta que los motores a reacción son más eficientes durante el crucero, dupliquemos la necesidad de combustible para la aceleración y hagamos que sea del 0,277 %. Por supuesto, es más para vuelos de corto alcance, pero sigue siendo insignificante para lo que se necesita para mover el avión 10 km hacia el cielo y luego un par de cientos de millas a través del aire a Mach 0.8. En términos de masa de combustible, estos 0,277% se toman del 20% de la masa de despegue. Así que el combustible necesario para acelerar a v$_0$es 0,000554 veces la masa de despegue.

Para que un lanzamiento de catapulta sea factible, debe agregar algo de fuerza al tren delantero y al fuselaje delantero. La fracción típica del tren de aterrizaje de la masa de despegue es de aproximadamente el 3%, y el tren de morro es del 10% al 15% de eso, por lo que$m_{\text{nosegear}} = 0.00375 \cdot \text{mass}$. En relación con la masa del tren de morro, el ahorro de combustible al usar un lanzamiento de catapulta es$\frac{0.000554}{0.00375} = 0.0148$o 15% de la masa del tren de morro. Por lo tanto, los refuerzos deben agregar menos del 15% a la masa del tren de morro.

Si suponemos una aceleración de ½ g = 4,903 m/s², el recorrido de despegue para acelerar a 150 kts es de 607 m. Espero que incluso esta aceleración moderada (que requiere una fuerza de tracción de la mitad de la sustentación en el despegue) se traduzca en aumentos de masa mucho mayores que ese 15% de la masa del tren de morro.

Sería posible, desde el punto de vista de la ingeniería, diseñar algún tipo de mecanismo de lanzamiento de despegue asistido desde tierra para aviones, aunque cualquiera de los beneficios que describa se vería superado en gran medida por las nuevas desventajas, como se describe en otras respuestas.

Sin embargo, hay un nuevo punto que creo que vale la pena mencionar. El recorrido de despegue más corto que supondría no es en sí mismo una ventaja, sino una desventaja .

El tiempo dedicado a ganar velocidad en la pista con los motores a plena potencia es valioso. Es una oportunidad para asegurarse de que ellos y el resto de los sistemas de la aeronave funcionan correctamente. Si hay una falla, como una pérdida de potencia o una caída repentina en la presión hidráulica, la carrera de despegue es un buen lugar para que suceda, porque le da a la tripulación la oportunidad de abortarla de manera segura.

Esa oportunidad se perdería en un despegue asistido.

Todos ustedes se están perdiendo la respuesta más obvia: Podrían, pero aparte de algunos jóvenes adictos a la adrenalina, nadie más querría montarlo.

El único propósito real para un despegue asistido por catapulta es proporcionar una aeronave con una aceleración rápida a Vr y más allá de un aeródromo corto. Como prácticamente todos los aeropuertos utilizados para operaciones comerciales importantes tienen pistas de al menos 1 milla de largo o más, no hay una crisis de infraestructura que imponga la necesidad de esto.

Si tenía un aeródromo que era tan pequeño que requería un lanzamiento CATO para que los jets despegaran, también se enfrenta a la tarea de aterrizarlos en un espacio pequeño. Esto requeriría que el campo también esté equipado con equipo de detención.

Como se señaló anteriormente, ningún avión comercial existente está diseñado para despegar y recuperarse utilizando estos sistemas, por lo que, incluso con la inversión en una infraestructura CATOBAR para un aeródromo, ninguna compañía aérea con fines de lucro podría usarla. Y prácticamente no ofrece ahorros de combustible para las aerolíneas.

Y no olvidemos aquí los factores humanos: si tomamos las operaciones CATOBAR de los portaaviones militares como medida de rendimiento, un disparo de gato impone una carga de aceleración de 2-2,5 G sobre la aeronave durante el golpe de lanzamiento y una desaceleración de 2-2,5 G durante una aterrizaje detenido. Si bien estoy seguro de que un veinteañero adicto a la adrenalina se emocionará si lo hace, será una experiencia desagradable para la mayoría de las personas y bastante peligrosa para los ancianos, los enfermos, las mujeres embarazadas, etc.

Tenga en cuenta que, a diferencia de los aviones militares, los aviones civiles están diseñados para brindar comodidad y economía.

Obtener cualquier tipo de avión de pasajeros típico adaptado para el uso de catapulta significaría reforzar el marco y la estructura del avión (por lo tanto, posiblemente aumentar el peso); alas y soportes del motor reforzados o reforzados, posibles modificaciones en las ruedas y el tren de aterrizaje: todo esto agrega peso, lo que significa un costo, ya que se requeriría más combustible (o se podrían transportar menos pasajeros), lo que reduce los posibles ahorros.

No olvidemos la modificación de las pistas (costos adicionales) y los retrasos inevitables por el cierre de las pistas, y los retrasos adicionales debido a que el mecanismo de catapulta debe "reiniciar" después de cada despegue.

Sin mencionar que a los pasajeros no les gusta mucho el hecho de que son sacudidos durante una turbulencia leve; imagínese lo popular que será si los dispara como una honda.

Sí, habría ahorros de combustible, de múltiples fuentes:

• Ganancia de eficiencia del lanzador basado en tierra.
• Ahorro de peso gracias a un tamaño de motor más pequeño.

Ganancia de eficiencia. Según este sitio , un B747 usa 5,700 lbs para el despegue, de un máximo de 422,000 lbs. Gasolina. Eso es 1,35% del combustible para un avión de pasajeros de largo alcance, el porcentaje para un avión de pasajeros de corto alcance sería mayor. La catapulta o la línea de remolque eléctrica ahora tendría que entregar la energía de despegue; si funciona con electricidad, la eficiencia es mucho mayor. Se gana un factor de más de 2 no acelerando el aire sino la propia aeronave, y la energía de ciclo combinado es mucho más eficiente que una sola turbina de gas. De wikipedia :

Al combinar estas múltiples corrientes de trabajo en un solo eje mecánico que hace girar un generador eléctrico, la eficiencia neta general del sistema puede aumentar entre un 50 y un 60 %. Es decir, desde una eficiencia total de, digamos, 34 % (en un solo ciclo) hasta posiblemente una eficiencia total de 62,22 % (en una combinación mecánica de dos ciclos) en eficiencia termodinámica neta de Carnot. Esto se puede hacer porque los motores térmicos solo pueden usar una parte de la energía que genera su combustible (generalmente menos del 50%). En un motor térmico ordinario (no de ciclo combinado), el calor restante (p. ej., gases de escape calientes) de la combustión generalmente se desperdicia.

Entonces, en un avión, el aire se acelera mediante un proceso termodinámico con una eficiencia del 35%. Cuando es lanzado por una catapulta, el avión es acelerado a partir de un proceso termodinámico con una eficiencia superior al 60%. La ganancia de eficiencia total es el factor 2 informado anteriormente, multiplicado por 60/35 = 3,4 veces mayor. Conduciendo a 5.700/3,4 = 1.700 libras necesarias para el despegue del lanzamiento de la catapulta. Un ahorro potencial de 4000 libras en cada despegue de un B747. Por supuesto, mucho de esto se anula al hacer que los motores funcionen a RPM que permitan un ascenso justo después del despegue, pero incluso un ahorro de 1000 lb/avión pesado proporcionaría un ahorro anual increíble en un aeropuerto concurrido como O'. Liebre.

Ahorro de peso . Airbus está defendiendo esto (ahora detrás de un muro de autorización). El empuje máximo solo se usa en el despegue, un despegue asistido significaría motores más livianos con un menor consumo de combustible asociado. Del artículo:

Escuche el sonido cambiante de los motores durante el vuelo y es obvio: un avión utiliza sus reservas de energía más durante el despegue que en cualquier otro momento. La potencia necesaria para despegar se determina en función de una serie de factores, que incluyen la longitud de la pista, la velocidad del viento, la temperatura y el peso de la aeronave.

Sin embargo, esta potencia de despegue solo se requiere para una parte muy breve del vuelo total. Una vez que navega en el cielo sobre su cabeza, un avión no necesita tanto para mantener la altitud. Entonces, ¿por qué no obtener la energía requerida en el despegue de una innovación instalada en tierra? ¿Se puede quitar la carga (y el peso) de la propia aeronave?

Un despegue asistido, utilizando alguna forma de aceleración propulsada, significaría que los aviones podrían ser más ligeros, con motores más pequeños que consumen menos combustible.

Entonces habría un ahorro de combustible, adicional al combustible ahorrado para el despegue.

No podemos hacerlo ya que hay 0 aviones comerciales diseñados con catapultas en mente.

Su suposición de que conduciría a un ahorro de costos es incorrecta, en muchos niveles. La principal sería que:

Takeoff roll (la parte donde pueden actuar las catapultas) dura solo unos pocos segundos.

Es más:

1. Necesitas toda la potencia para escalar, por lo que no puedes bajar en el gaz
2. No puede acelerar mucho más rápido debido a la tensión en el fuselaje y los pasajeros.

La catapulta te ayudaría a acelerar de 0 a V1, pero no puede hacer nada para ayudarte a subir al nivel de crucero.

Agregar un nuevo sistema sería muy costoso, poco práctico y solo le ahorraría un par de segundos de aceleración.

Si realmente hubiera un beneficio neto económico o de seguridad, ya estarían en uso. Las catapultas han existido lo suficiente como para ser una tecnología probada donde se usan.

Considere que algunas aerolíneas han alterado sus esquemas de pintura porque reduciría el peso suficiente de la aeronave para ahorrar una cantidad significativa de combustible o agregaría capacidad de carga útil adicional. Si hubieran investigado e implementado cosas como esa, estoy seguro de que las catapultas no se habrían pasado por alto durante tanto tiempo.

El núcleo de esto se reduce a esto para mí.

Se necesita x energía para pasar de 0 a velocidad de ascenso. Si esa energía viene del "suelo" a través de una catapulta o de los motores, no hay ahorros reales. Todavía tienes que gastar la energía. Los únicos ahorros pueden estar en el costo del combustible para generar esa energía. Sin embargo, incluso si los ahorros en costos de combustible son extremos, la energía total gastada para llegar a una altitud de crucero es menor en comparación con la energía gastada para mantener un avión allí. El costo de mantenimiento de la catapulta probablemente superaría el costo del combustible "extra" necesario para que los motores produzcan la energía de escalada.

Recuerde que las catapultas en los portaaviones no se usan porque ahorran costos, se usan porque no hay otra forma de hacer que un avión alcance la velocidad en esa pista corta. A medida que VTOL se vuelve más popular, las catapultas se usan cada vez menos.

Muchas Armadas han optado por completo por los sistemas STOBAR o STOVL. Las tendencias actuales parecen ser "encuéntrame algo además de una catapulta para poner esto en el aire", incluso cuando eso es a costa de la flexibilidad.

Entonces, para reducir tus puntos:

• Less Runway: No, todavía tengo que aterrizar, e incluso si esto fuera cierto, muy pocas ubicaciones son tan estrechas que las pistas no se pueden extender. Puede ser costoso hacerlo, pero diablos, Japón (creo) construye una isla completamente nueva para albergar su aeropuerto.

• Ahorro de combustible: Quizás. Si usa una catapulta de vapor y produce vapor con carbón, y la diferencia de costo por unidad de trabajo entre el carbón y el combustible para aviones fue suficiente, entonces sí, podría haber un ahorro de combustible. Sin embargo, es casi seguro que se compensaría con los costos de mantenimiento.

• Giro más rápido: ¡No! Se necesita tiempo para cargar esa catapulta. No es instantáneo. No puede simplemente lanzar un segundo avión tan pronto como el primero despeje la pista. La catapulta tiene que ser ajustada, cargada y luego disparada. En operaciones militares, solo puedes lanzar X número de naves. Entonces, es posible que se pueda cargar una catapulta militar para todo el lanzamiento. Un aeropuerto, sin embargo, es continuo. Entonces habrá tiempo cuando se necesite cargar. Hay formas de evitar esto, como la "carga lateral" de dos fuentes, de modo que cuando una se agota, la otra se carga. Pero esto aumentaría aún más el costo y la complejidad.

Hasta ahora, todas las respuestas parecen haberse centrado en una catapulta plana de lanzamiento corto, muy parecida a la que se vería en la cubierta de un portaaviones. Esto tiene fallas como se enumeran en muchas respuestas. Sin embargo, ¿y si fuera una rampa? Podría ser una superficie plana estándar ligeramente elevada o podría ser una rampa curva que cambia de ángulo exponencialmente. Digamos que estamos remodelando un aeropuerto existente. Eso nos da hasta una milla de horizontal que podríamos usar para nuestra carrera de catapulta.

ventajas:

• Puede acelerar más lentamente pero durante un período más largo, lo que permite un viaje más suave tanto para el avión como para los pasajeros.
• Dependiendo de si se trata de una rampa plana o curva, puede lanzarse hasta unos cientos de pies en el cielo con un AOA decente.
• Las velocidades de lanzamiento pueden estar cerca de la velocidad máxima de la aeronave en lugar de solo por encima de lo que se necesita para volar, ahorrando combustible ya que es más fácil mantener una velocidad que acelerar hasta uno.
• Los aterrizajes solo pueden ser en una dirección, pero con la gravedad para ayudar a frenar, permite una mayor desaceleración y, con suerte, reduce el tiempo desde la pista hasta la terminal.
• Es menos probable que corte la cola al aterrizar, ya que el ángulo de la rampa hará que la cola sea proporcionalmente más alta.

Desventajas:

• Su aeronave podría caerse o salir volando por el costado de la rampa durante el aterrizaje o el despegue.
• Es posible que las aeronaves sin conversión de catapulta no puedan despegar de su aeródromo una vez que hayan aterrizado (depende de la rampa y el tipo de aeronave, así como de los vientos predominantes).
• Mencionado anteriormente, pero los aterrizajes terminan prácticamente como un asunto unidireccional, por lo que si el viento está en tu contra, tendrás que redirigir.

Mitigación:

• Construya la rampa cerca de la pista existente pero no encima de ella. Como el final de la rampa es bastante alto, se podrían incorporar debajo otras estructuras como hangares. Esto ahorraría espacio y permitiría despegues y aterrizajes de aeronaves regulares/sin asistencia en la pista normal, pero podría tener serias repercusiones si una aeronave se cae por un costado.
• Dada la longitud que tenemos para la rampa, podríamos usar algún tipo de tractor de alta velocidad o retroceso en lugar de una catapulta dedicada que reduciría los tiempos de recarga/calibración: el mismo vehículo remolca el avión a la pista y luego conduce muy rápido con él (bien, algunos movimientos de manos están sucediendo aquí, pero varias "unidades de catapulta" itinerantes son una idea que solo necesita una solución).