В аэродинамике диапазон полета , эксплуатационный диапазон или диапазон производительности самолета или космического корабля относится к возможностям конструкции с точки зрения скорости полета и коэффициента нагрузки или плотности атмосферы, часто упрощенно до высоты. [1] [2]
Термин применяется несколько вольно и может также относиться к другим измерениям, таким как маневренность. Например, когда самолет толкают, например, пикируя на высокой скорости, говорят, что он летит «вне диапазона», что считается довольно опасным. Во время программ испытаний транспортных средств диапазон полета просто означает ту часть проектных возможностей самолета или космического корабля, которые уже были успешно испытаны и, следовательно, перешли из теоретических или проектных возможностей в продемонстрированные/сертифицированные возможности.
Flight envelope — один из ряда связанных терминов, которые используются схожим образом. Это, пожалуй, самый распространенный термин, поскольку он самый старый, впервые использованный в ранние дни испытательных полетов. Он тесно связан с более современными терминами, известными как extra power и doghouse plot , которые являются различными способами описания flight envelope самолета. Кроме того, термин был расширен в области за пределами области инженерии, чтобы ссылаться на строгие ограничения, в которых будет происходить событие, или, в более общем смысле, на предсказуемое поведение данного явления или ситуации, и, следовательно, на его «flight envelope».
Дополнительная мощность, или конкретная избыточная мощность , [3] является очень простым методом определения диапазона полета самолета. Он легко рассчитывается, но, как недостаток, не говорит многого о фактических характеристиках самолета на разных высотах.
Выбор любого конкретного набора параметров создаст необходимую мощность для конкретного самолета для этих условий. Например, Cessna 150 на высоте 2500 футов (760 м) и скорости 90 миль в час (140 км/ч) требует около 60 лошадиных сил (45 кВт) для прямого и горизонтального полета. C150 обычно оснащается двигателем мощностью 100 лошадиных сил (75 кВт), поэтому в этом конкретном случае самолет имеет 40 лошадиных сил (30 кВт) дополнительной мощности. В целом это очень небольшая дополнительная мощность, 60% мощности двигателя уже используется только для поддержания самолета в воздухе. Оставшиеся 40 л. с. — это все, что нужно самолету для маневра, то есть он может подниматься, поворачивать или ускоряться лишь на небольшую величину. Для сравнения: C150 не мог поддерживать поворот с ускорением 2 g (20 м/с²), что потребовало бы минимум 120 лошадиных сил (89 кВт) при тех же условиях.
Для тех же условий истребителю может потребоваться значительно больше мощности, поскольку его крылья рассчитаны на высокую скорость, высокую маневренность или и то, и другое. Для достижения аналогичной производительности может потребоваться 10 000 лошадиных сил (7,5 МВт). Однако современные реактивные двигатели могут обеспечить значительную мощность, эквивалентную 50 000 лошадиных сил (37 МВт), что не является нетипичным показателем. С таким количеством дополнительной мощности самолет может достигать очень высокой максимальной скороподъемности , даже подниматься прямо вверх, совершать мощные непрерывные маневры или летать на очень высоких скоростях.
График собачьей будки обычно показывает связь между скоростью в горизонтальном полете и высотой, хотя возможны и другие переменные. Это требует больше усилий, чем расчет дополнительной мощности, но в свою очередь дает гораздо больше информации, такой как идеальная высота полета. График обычно выглядит как перевернутая буква U и обычно называется графиком собачьей будки из-за его сходства с конурой (иногда известной как «собачья будка» в американском английском). Диаграмма справа показывает очень упрощенный график, который следует использовать для объяснения общей формы графика.
Внешние края диаграммы, огибающая, показывают возможные условия, которых может достичь самолет в прямолинейном и горизонтальном полете. Например, самолет, описанный черной огибающей высоты справа, может летать на высоте до 52 000 футов (16 000 м), на которой более разреженный воздух означает, что он больше не может подниматься. Самолет также может летать со скоростью до 1,1 Маха на уровне моря, но не быстрее. Эта внешняя поверхность кривой представляет собой состояние нулевой дополнительной мощности . Вся область под кривой представляет собой условия, в которых самолет может летать с запасом мощности, например, этот самолет может летать со скоростью 0,5 Маха на высоте 30 000 футов (9 100 м), используя не полную мощность.
В случае высокопроизводительных самолетов, включая истребители, эта линия "1-g", показывающая прямой и горизонтальный полет, дополняется дополнительными линиями, показывающими максимальную производительность при различных перегрузках. На диаграмме справа зеленая линия представляет 2-g, синяя линия - 3-g и т. д. У F-16 Fighting Falcon есть очень маленькая область чуть ниже 1 Маха и близко к уровню моря, где он может поддерживать поворот 9-g.
Полет за пределами диапазона возможен, поскольку он представляет собой только прямолинейное и горизонтальное состояние. Например, пикирование самолета позволяет развивать более высокую скорость, используя гравитацию как источник дополнительной мощности. Аналогично большую высоту можно достичь, сначала разогнавшись, а затем перейдя на баллистический режим, маневр, известный как зум-подъем .
Все самолеты с фиксированным крылом имеют минимальную скорость, при которой они могут поддерживать горизонтальный полет, скорость сваливания (левая предельная линия на диаграмме). По мере того, как самолет набирает высоту, скорость сваливания увеличивается; поскольку крыло не увеличивается, единственный способ поддерживать вес самолета с меньшим количеством воздуха — это увеличить скорость. Хотя точные цифры будут значительно различаться от самолета к самолету, характер этой зависимости, как правило, одинаков; нанесенная на график скорости (ось x) в зависимости от высоты (ось y), она образует диагональную линию.
Неэффективность крыльев также заставляет эту линию «наклоняться» с увеличением высоты, пока она не станет горизонтальной, а дополнительная скорость не приведет к увеличению высоты. Эта максимальная высота известна как практический потолок (верхняя предельная линия на диаграмме) и часто указывается для характеристик самолета. Область, в которой высота для данной скорости больше не может быть увеличена при горизонтальном полете, известна как нулевая скорость набора высоты и вызвана тем, что подъемная сила самолета становится меньше на больших высотах, пока она больше не превышает силу тяжести .
Правая часть графика отображает максимальную скорость самолета. Обычно она наклонена так же, как и линия сваливания, из-за того, что сопротивление воздуха уменьшается на больших высотах, вплоть до точки, где увеличение высоты больше не увеличивает максимальную скорость из-за недостатка кислорода для питания двигателей.
Необходимая мощность изменяется почти линейно с высотой, но природа сопротивления такова, что она изменяется пропорционально квадрату скорости — другими словами, обычно легче подняться выше, чем быстрее, вплоть до высоты, на которой нехватка кислорода для двигателей начинает играть существенную роль.
Диаграмма скорости против коэффициента нагрузки (или диаграмма Vn) — это еще один способ показать пределы летных характеристик самолета. Она показывает, какой коэффициент нагрузки может быть безопасно достигнут при различных скоростях полета. [3]
При более высоких температурах воздух менее плотный, и самолеты должны лететь быстрее, чтобы создать ту же подъемную силу. Высокая температура может уменьшить количество груза, которое может перевозить самолет, увеличить длину взлетно-посадочной полосы, необходимой самолету для взлета, и затруднить обход препятствий, таких как горы. В необычных погодных условиях это может сделать полет небезопасным или неэкономичным, что иногда приводит к отмене коммерческих рейсов. [4] [5]
Хотя сравнивать самолеты по простым числам, таким как максимальная скорость или практический потолок, легко, изучение области полета даст гораздо больше информации. Как правило, конструкция с большей площадью под кривой будет иметь лучшие всесторонние характеристики. Это связано с тем, что когда самолет не летит по краям области, его дополнительная мощность будет больше, а это означает большую мощность для таких вещей, как набор высоты или маневрирование. Самолеты общей авиации имеют очень малые области полета со скоростью от 50 до 200 миль в час, тогда как дополнительная мощность, доступная современным истребителям, приводит к огромным областям полета с площадью, во много раз большей. Однако в качестве компромисса военные самолеты часто имеют более высокую скорость сваливания. В результате этого посадочная скорость также выше.
Эта фраза используется для обозначения самолета, который поднимается до или за пределы установленных для него пределов высоты и скорости. [6] В более широком смысле эта фраза может использоваться для обозначения проверки других пределов, как в аэрокосмической отрасли, так и в других областях, например, Plus ultra (девиз) . [7]
