2.4 Выбор тяги двигателя
Хотя размер двигателя обычно связывается с понятием тяги для взлёта, это - не та величина, которая характеризует размер двигателя с большой степенью двухконтурности. Критической точкой для установления размеров двигателя является высота подъёма, на которую необходимо взлететь самолёту для выхода на крейсерский режим.
При выбранном условии режима крейсерского полёта, максимальному значению коэффициента ML/D соответствует определённое число Маха, при котором тяга пропорциональна весу летательного аппарата и поэтому не зависит от плотности окружающей среды. Как будет выяснено позже, тяга двигателя, грубо говоря, пропорциональна плотности и поэтому быстро падает с высотой. Поэтому мы хотим определить размеры двигателя таким образом, чтобы он работал возможно более эффективнее, пока не наберёт высоту для созданной тяги, которая установит оптимальное значение коэффициента ML/D для данного летательного аппарата.
Самолёт должен как можно быстрее занять высоту крейсерского полёта и для этого имеются все эксплуатационные предпосылки. Так что скороподъёмности тоже уделяется большое внимание. Начальная высота крейсерского режима оценивается по достижению скороподъемности 1.5 м/сек. Если самолёт поднимается под углом θ к поверхности земли, тогда легко найти подъёмную силу L (которая является перпендикуляром к направлению полёта):
где w - вес самолёта. Различие между тягой и сопротивлением равно компоненте веса в направлении полёта, то есть:
На высоте выполнения круиза, то есть больше 31 000 футов, величина θ очень мала. Крейсерский режим при числе Маха M = 0.85 соответствует скорости 257 м/сек. При скорости подъёма 1.5 м/сек величина угла θ составляет 0.33º, отсюда следует, что
cos θ ≈ 1, и разумным было бы взять приближённое значение веса летательного аппарата как взлётный вес. Следовательно:
легко найти величину тяги на определённой высоте.
Большая часть полёта проходит на крейсерском режиме, при котором двигатель работает не на полной мощности. Двигатели пассажирских самолётов позволяют работать на режиме максимальной мощности не более 5 минут и поэтому доля расхода топлива на нем сравнительно невелика. При совершении взлёта температуры в двигателе достаточно высокие, и если бы допускали работать на режимах с максимальной мощностью в течение большего промежутка времени, то двигатель быстро вышел бы из строя, но так как температуры при совершении круиза достаточно низкие, то снижается и уровень выработки ресурса двигателя. Требование о низком расходе топлива должно соответствовать условиям крейсерского режима, но двигатель должен иметь способность воспроизведения дополнительной тяги, чтобы позволить самолёту подняться выше, если это необходимо, и в условиях проекта обычно эти требования оговорены.
Упражнение 2.5
Крейсерский полет для НБС начинается на высоте 31000 футов, и он должен достигнуть этой высоты с тягой, с достаточной скороподъемностью в 300 фут/мин (1.5 м/с) при полете с М= 0.85. Принять, что качество крыла составляет 20 и что начальный вес при крейсерском полете равен 612.9 тонн, найти тягу каждого двигателя, необходимую чтобы достигнуть заданной скорости подъема.
(Ответ: 84.0 кН)
На сколько меньше требуемая тяга, если бы не было требований по скороподъемности?
(См. Упражнение 2.3.)