¿Es más eficiente ganar altitud en un avión en una subida de 60 grados o una subida de 90 grados?

¿Es más eficiente ganar altitud en un avión en una subida de 60 grados o una subida de 90 grados?

No creo que el tipo de avión importe, pero si lo hace, digamos un Mustang P-51.

Estoy seguro de que está recibiendo respuestas de personas que saben mucho más que yo. Voy a considerar un par de cosas.

Usted preguntó si una escalada de 90 grados es eficiente. A menos que me falte algo, 90 grados es hacia arriba. Los aviones generalmente no vuelan hacia arriba, al menos no por mucho tiempo. Lo que estás pensando es un cohete.

¡Eso es 90 grados!

Pero para responder a su pregunta, no hay “grados” designados a los que hacer referencia para responder a su pregunta. Cada modelo de avión es diferente.

La palabra “ángulo” se usa en referencia a la escalada, sin embargo, no tiene nada que ver con los grados como era de esperar. Se refiere como el ” mejor ángulo de ascenso “. Lo irónico es que no es un ángulo, es una velocidad aérea .

El ” mejor ángulo de ascenso ” se llama ” Vx “. (V se refiere a la velocidad o velocidad). Es la velocidad a la que el avión despegará en la distancia horizontal más corta a plena potencia. Esta es información importante para saber si está utilizando una pista de aterrizaje corta donde necesita obtener tanta altitud como sea posible en relación con su dirección horizontal.

Una de las otras velocidades aéreas conocidas se conoce como ” mejor velocidad de ascenso “, que se llama ” Vy “. Esta es la velocidad en la que el avión ganará la mayor altitud en el menor tiempo posible a plena potencia. Por lo general, usaría este para llegar a su altitud prevista más temprano que tarde.

Hablando de aviones que NO generalmente suben en un ángulo de 90 grados, por supuesto, hay excepciones como el F-15 Eagle .

¡Ahora, eso también es de 90 grados!

¿Cómo se define “eficiente”? ¿Distancia minima? Tiempo mínimo? Combustible mínimo? Todas esas son medidas válidas de eficiencia.

Para una distancia mínima, el mejor ángulo de ascenso ocurre cuando el avión tiene el mayor empuje excesivo. Eso ocurre cuando el avión tiene un arrastre mínimo, a lo que se llama la mejor velocidad L / D (L / D significa elevación / arrastre). Otra forma de ver el exceso de empuje es el empuje disponible menos el empuje requerido. Nuevamente, eso sucede a la mejor velocidad L / D.

Por un tiempo mínimo nos interesa el poder, que es la relación entre energía y tiempo. La mejor tasa de ascenso, entonces, se alcanza cuando el avión tiene un exceso de potencia máxima. Eso también ocurre a una velocidad particular, más alta que la mejor velocidad L / D. Piense en el poder disponible menos el poder requerido.

Para un combustible mínimo, suponiendo un empuje de ascenso, la mejor velocidad debería funcionar ya que el ascenso más rápido quemará menos combustible suponiendo un flujo de combustible constante.

Entonces la elección no está entre 60 o 90 grados. Ninguno de los dos va a ser una buena opción para ninguna medida de eficiencia.

La mayoría de las aeronaves no tienen empuje suficiente para realizar un ascenso de 60 grados, y mucho menos 90 grados.

Estoy de acuerdo con Magnar y Chris para aviones con propulsión que se esfuerzan por un mínimo consumo de combustible por distancia. Además, en mecánica de vuelo, he aprendido que los planeadores suben en térmicas cuando (Levantar / Arrastrar) ^ (3/2) está al máximo. Es la condición de vuelo donde la tasa de hundimiento es mínima, pero con una relación de elevación a arrastre ligeramente menor. Figuras a continuación.

Supongamos que tenemos una térmica con 3 m / s, y al máximo (Levantar / Arrastrar) tenemos una velocidad de hundimiento de 1 m / s, por lo que el planeador sube a 2 m / s. Al máximo (elevación / arrastre) ^ (3/2), la velocidad de hundimiento es, por ejemplo, de 0,5 m / s, por lo que el planeador sube a 2,5 m / s.

Entonces, si tuviera que subir lo más rápido posible, preferiría la condición de vuelo con max (Lift / Drag) ^ (3/2).

Elevación máxima a la relación de arrastre

Tasa de hundimiento mínima

Una subida de noventa grados (hacia arriba) se logra básicamente a través del empuje bruto. A sesenta grados, todavía estás recibiendo algo de elevación aerodinámica para ayudarte. El último es mucho más “eficiente” que el primero si tiene la misma cantidad de empuje disponible.

Diferentes velocidades aéreas son óptimas para diferentes aviones con fines de escalada. El mejor ángulo de ascenso se encuentra a una velocidad designada como “Vx” (V sub x); eso es útil para conseguir un poco de espacio entre usted y el suelo para evitar obstáculos cercanos como el terreno en ascenso. La mejor tasa de ascenso (Vy o “V sub y”) siempre es un poco más rápida que Vx, pero cubre más terreno en el proceso.

Por lo tanto, “eficiente” depende de la situación, y el ángulo exacto y la velocidad aérea utilizados variarán de un tipo de avión a otro.

La solución a este problema es mucho más complicada que simplemente optimizar L / D. Después de todo, en una subida de 90 grados, el ala no proporciona elevación.

Para abordar este problema, debemos fingir que tenemos un empuje ilimitado disponible.

Una buena definición de eficiencia óptima, en este caso, es el mayor cambio de altitud por unidad de energía gastada. Deseamos maximizar

[matemáticas] e = \ frac {\ Delta y} {\ Delta E} [/ matemáticas]. e = eficiencia, y = altura, E = energía.

La energía gastada, [matemática] \ Delta E [/ matemática], es empuje x velocidad x duración.

[matemáticas] \ Delta E = Tvt [/ matemáticas]

Para continuar, necesita un diagrama de fuerza. En cualquier ángulo de ascenso que no sea cero grados, la elevación proporcionada por el ala se gira hacia atrás. Esto también se aplica a la fuerza de arrastre. El empuje del motor también tiene un componente de fuerza dirigida hacia arriba.

Para simplificar, podría suponer que el empuje y la velocidad están en la misma dirección.

Ambos ángulos de ascenso están mucho más allá de la capacidad inicial de todos los combatientes de alto rendimiento, excepto unos pocos, y no pueden ser sostenidos indefinidamente.

Para el caso teórico que planteó, sería más eficiente escalar en un ángulo de ascenso de 60 grados. En ese caso, las alas proporcionan elevación, mientras que a un ángulo de ascenso de 90 grados, la aeronave depende al 100% del empuje del motor, sin ninguna contribución de elevación aerodinámica.

Nunca es eficiente escalar cerca vertical o verticalmente, necesita ganar velocidad para ganar empuje y elevación, subir en un ángulo de 60 ° puede causar que la mayoría de los aviones, y sí, el Mustang P51 también, se bloquee rápidamente y pueda girar completamente. tierra firme. Los únicos aviones que pueden escalar efectivamente a 90 ° son VTOL, helos y cohetes.

EDITAR: Cambió algunos términos inexactos basados ​​en comentarios.