Är vi på topphastighetseffektivitet för jetflygplan på Mach 0.85?

Kort svar: Ökade bränslepriser skulle ha dämpat den mest ekonomiska hastigheten, men framsteg inom aerodynamiken har kompenserat för det och det maximala kryssnings-Mach-numret är fortfarande vid Mach 0.85. Men det finns en mycket enklare anledning till att detta Mach 0.85-nummer verkar så oföränderligt.

Observera att vi talar om det maximala kryssningsnummeret Mach; alla flygplan flyger mer ekonomiskt vid något lägre Mach-tal mellan 0,78 och 0,82.

Nu måste vi definiera effektivitet. För flyglinjerna är detta hämtningskapacitet per gång och kan uttryckas med produkten av nyttolast, räckvidd och hastighet. När ingen av de tre beståndsdelarna kan ändras utan att göra produkten dyrare att uppnå, har du nått bästa möjliga effektivitet.

Motorteknik

Den största förändringen under de senaste 50 åren var i motorteknik. Bypassförhållandena har ökat till värden nära 10, turbininloppstemperaturen är nu 300 ° C högre än i den tidiga jetåldern , och den elektroniska kontrollen har förbättrats särskilt motorns prestanda för design. Detta har gjort det mindre attraktivt att öka flyghastigheten, så det optimala kryssningsverket Mach skulle vara lägre om inga andra effekter hade påverkat det.

En annan effekt är den lägre bränsleförbrukningen. Tidiga konstruktioner var tvungna att använda en högvinge ackord för att packa tillräckligt med bränslevolym för transoceaniska flygningar. Den mycket lägre förbrukningen av moderna motorer har gett dem intervall som är mer än vad som behövs för att nå varje punkt på jorden direkt. Detta gjorde det möjligt att minska vingeområdet, tjockleken och massan och för att spara lite friktionsdrag, vilket bidrar till bränsleekonomin igen. Den lägre tjockleken bidrar till att göra högre kryssnings-Mach-nummer möjligt.

aerodynamik

Aerodynamik är den andra faktorn. Med A310 introducerades superkritiska flygplåtar, och de förskjutde driftmomentet, eftersom nu en begränsad region av supersoniskt flöde på vingen kunde tolereras utan en signifikant ökning av drag. Fördelen med detta användes dock för att minska vingsvev, öka tjockleken och öka fäste på dessa vingar. Till sist hade de nyare flygplanen samma kryssnings Mach-nummer som sina föregångare. Något gjorde Mach 0.85 för attraktivt att överge.

En andra effekt av superkritiska flygplåtar är deras blunter näsa, vilket hjälper till att nå en högre maximal lyftkoefficient. Detta bidrog också till att minska vingekordet, för nu kan vingeområdet bli mindre för samma landningshastighet.

Den verkliga orsaken

Varje nytt flygbolag måste konkurrera med de äldre modellerna. På bränsleekonomi är detta inget problem, men hastigheten är också viktig . En högre kryssning Mach nummer tillåter kortare tider för anslutningar. Nu måste du veta att elektroniska bokning system skulle lista anslutningar sorterade efter flygtid, kortast först. När ett resebyrå ville boka ett flyg skulle han eller hon sällan se utöver den första skärmen och välja en av de första flygningarna som listades. Om en ny typ gjorde flygningen glida ner i listorna var det en icke-säljare. Detta är även sant i tiderna med online-bokningar: Flygbolagen gör inte mycket vinst från köpet jägare i ekonomin, deras mål är affärsfolk som flyger i Business eller First Class. Och de som fortfarande beställer mest genom resebyråer, så har reglerna inte ändrats. Detta är därför att Mach 0.85 hastigheten verkar vara så fast inställd; flyga något snabbare skulle driva upp bränsleförbrukningen oproportionerligt, och till och med de nyaste jetarna kommer mest att flyga runt Mach 0.82 till Mach 0.84.

Att göra denna hastighet är fortfarande en kamp för designingenjörerna, särskilt när du anser att större flygplan skulle behöva tjockare vingar för strukturell effektivitet, men måste vara försedda med vingar tunnare än optimala för att låta marknadsföring kräva en krysshastighet hos Mach 0,85.

Det är inte något som är inneboende om Mach 0.85; det är Mach 1 som är problemet. Anledningen till att flygplan är vanligtvis någonstans mellan Mach 0.8 och Mach 0.9 är på grund av kritiska Mach nummer för den aktuella flygplanet. När den relativa lufthastigheten för hela flygplanet ligger vid det kritiska Mach-talet kommer det att finnas någon del av flygplanet där luftflödet faktiskt når Mach 1. Detta beror på att luft accelererar runt flygplanet när flygplanet rör sig genom luften. Det kritiska Mach-numret kommer att vara annorlunda för olika flygplan, men det är oftast den begränsande faktorn för flyglinjens fartfart. Denna fråga förklarar mer om det kritiska Mach-numret.

Mer eller mindre.

Problemet är det "kritiska Mach-numret" för vingeplanen. De flesta vingar har en krökt övre yta, vilket tvingar luften att flytta över den här sidan av vingen för att röra sig snabbare, sänka trycket, producera hissen. Vid en framåtgående flyghastighet av hela flygplåten nära men mindre än Mach 1 överstiger luftflödet över toppen av flygplåten Mach 1 när den passerar över vingens framkant och saktar sedan igen till subsoniska hastigheter runt vingen. Detta "transsoniska" luftflöde ökar dragen på flygplanet vid flyghastigheter mellan det kritiska Mach-talet och den hastighet vid vilken all luftflöde över varje yta av flygplanet är supersonisk (när transsonisk luftflöde inte längre är ett problem, men andra framkants- och våldsdrag krafter kommer att dominera total drag).

FighterjetsaccelereraröverMach1skaparvanligen"ångkottar" som börjar vid transsoniska gränsen för deras luftflöde, vilket orsakas när den höga variationen i lufttrycket vid denna transsoniska shockwave-gräns tvingar vattenånga att kondensera:

Det kritiska Mach-talet bestäms av planformens utformning. Vingar med tjockare tvärsnitt ger mer lyft till mindre område (och mer inducerad dra från den hissen) och har i allmänhet också en högre angreppsvinkel (vilket betyder att allt annat är lika, en lägre stallhastighet), men bytet är en lägre kritiska Mach-nummer. Den omvända är sant för ett tunnare tvärsnitt; kritiskt Mach-nummer ökar, medan lyft, dra och kritisk AoA reduceras.