Curva de potencia de la aeronave

(también conocido como "polar", un nombre completamente ilógico porque alguien los trazó hace mucho tiempo en coordenadas polares, lo que no tiene sentido, pero el nombre se quedó)

Este es solo el balance de potencia de la aeronave: la potencia proporcionada por el sistema de propulsión menos la potencia sustraída por la resistencia.

Puede dividir los valores por la velocidad (velocidad aerodinámica real) para obtener una curva de fuerza (empuje - arrastre) en su lugar. Pero, por lo general, solo se traza la curva de potencia y se usan líneas a través del origen para leer los máximos de fuerza interesantes.

Se pueden hacer dos observaciones útiles sobre el significado del poder y la fuerza aquí:

• El exceso de potencia es linealmente proporcional a la tasa de ascenso sostenible, simplemente por$P = m g v_v$(dónde$P$es poder,$m$es la masa de la aeronave,$g$es la gravedad y$v_v$es la velocidad vertical).

• El exceso de empuje es linealmente proporcional al ángulo de ascenso sostenible. Bueno, en realidad hay algo de trigonometría complicada involucrada, pero en ángulos bajos (los aviones no acrobáticos solo hacen ascensos y descensos muy superficiales, por debajo de los 10 °) puede aproximarse$\sin x \approx x$y$cos x \approx 1$y decir eso$T = m g \gamma$(dónde$T$es empuje,$\gamma$es el ángulo de la trayectoria de vuelo y$m$y$g$como anteriormente).

Esto es cierto independientemente del tipo de propulsión que tenga la aeronave, si es que tiene alguna. Las curvas de potencia funcionan de la misma manera para aviones de hélice, jet y cohete y planeadores. Solo la función que describe la potencia disponible para una velocidad dada difiere según el tipo de propulsión.

tipos de poder

Un sistema de propulsión es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra con cierta eficiencia. Así que tiene potencia de entrada ($P_{in}$), que es la velocidad a la que entra la energía, y la potencia de salida ($P_{out}$), que es la velocidad a la que proporciona la energía deseada . Están relacionados por la eficiencia ($\eta$:$P_{out} = \eta P_{in}$). El resto de la energía, debido a que la energía siempre se conserva, se desperdicia (a menudo como calor, pero en la propulsión de los aviones, la energía que se le da a la masa de reacción, el aire, también se desperdicia).

Las aeronaves propulsadas suelen utilizar motores de combustión interna que consumen combustible de hidrocarburo, por lo que la energía de entrada es el flujo de combustible multiplicado por el poder calorífico del combustible.

La potencia de salida de todo el sistema de propulsión es entonces la energía que se le da a la aeronave (para reemplazar la energía que le quita la resistencia), y siempre es el empuje por la velocidad. Están relacionados por la eficiencia de propulsión , que varía con la velocidad y varía de manera diferente para diferentes sistemas de propulsión.

Cuando se usa la hélice, puede dividir el sistema en dos partes, con sus propias eficiencias separadas: el motor quema combustible, impulsa el eje y desperdicia el resto de la energía como calor de los gases de escape. Su potencia de salida es el par multiplicado por la velocidad del eje (RPM). Luego, la hélice toma esta potencia como entrada y acelera algo de aire para producir empuje. Pero al hacerlo tiene que sacrificar algo de energía a ese aire (aumenta su energía cinética), por lo que su potencia de salida es menor que la del motor.

Nota a las unidades

Potencia = fuerza x velocidad, y podemos aplicar eso de diferentes maneras. Si estuviéramos hablando de electricidad podríamos decir que la Potencia se mide en Watts, y Watts= Voltaje x Corriente. Debido a que estamos hablando de aviones de hélice, deberíamos usar una unidad de potencia como HP (para motores alternativos). CV= Torque X RPM.

La potencia siempre tiene la misma dimensión y, por lo tanto, su unidad básica siempre es Watt. Esta es una unidad derivada compuesta como$\mathrm{W} = \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{s}} = \frac{\mathrm{kg}\ \mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^3}$. La potencia es el voltaje multiplicado por la corriente para la electricidad, y las unidades funcionan, porque$\mathrm{V}$es solo$\frac{\mathrm{kg}\ \mathrm{m}^2}{\mathrm{A}\ \mathrm{s}^3}$(y Ampere es una unidad base).

Para el combustible, la potencia es el valor calorífico, en$\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}}$, multiplicado por el caudal, en$\frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{s}}$y estamos en Watt de nuevo.

Y, por supuesto, par en$\frac{\mathrm{kg}\ \mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2}$veces la velocidad angular en$\frac{1}{\mathrm{s}}$te da Watt de nuevo. (Cuidado aquí; requiere velocidad angular, en radianes por segundo, no revoluciones por segundo, pero el radián funciona como adimensional aquí (metro por metro), por lo que esto es propenso a errores por$2\pi$que el análisis dimensional no detectará).

Un caballo de fuerza no es una unidad independiente, solo un divertido múltiplo de Watt. Múltiples múltiplos diferentes de Watt, en realidad, porque hay algunas variantes.

Potencia del motor en función de la velocidad

La potencia del motor de pistón crece con las RPM, luego se estanca (a expensas de la disminución de la eficiencia) y luego alcanza las RPM máximas permitidas.

Una hélice de velocidad constante permite hacer funcionar el motor a las RPM óptimas, y su eficiencia solo disminuye lentamente con la velocidad del aire. Por lo tanto, un motor de pistón con hélice de velocidad constante produce una potencia relativamente constante en el rango de diseño de la aeronave, mientras que el empuje disminuye de forma inversamente proporcional a la velocidad. Por lo tanto, tiene más sentido dar el poder como la figura principal que lo describe.

Con la hélice de paso fijo, está limitado por no poder alcanzar las RPM óptimas a bajas velocidades y por tener que acelerar el motor para evitar exceder las RPM máximas a altas velocidades, por lo que la potencia disminuye más rápido a medida que se aleja de un nivel óptimo. velocidad de diseño Es por eso que las hélices fijas solo se usan en aviones más lentos donde no importa tanto. La curva de potencia sigue siendo más plana que la curva de empuje (dividida por la velocidad), por lo que todavía tiene más sentido dar la potencia como figura principal.

Con los motores turborreactores, por otro lado, el empuje disponible sigue siendo aproximadamente el mismo. Primero declina con la velocidad de manera similar a una hélice, pero luego la presión del ariete comienza a aumentar la relación de presión efectiva y el empuje disponible comienza a crecer nuevamente. Es por eso que los motores a reacción generalmente se clasifican con empuje, no con potencia. Pero en realidad no es una sobrevelocidad constante, al igual que la potencia no es realmente constante para un motor de pistón y una hélice.

Y esto se traslada a los motores turboventiladores, que en realidad se encuentran en algún punto intermedio. Su empuje disminuye con la velocidad, aunque más lento que el de las hélices, y su eficiencia aumenta. Es una simplificación calificarlos solo con empuje estático, pero sigue siendo el valor principal dado.