Соотношение тяги к весу

Безразмерное отношение тяги к массе реактивного или винтового двигателя

Тяговооруженность — это безразмерное отношение тяги к весу ракеты , реактивного двигателя , винтового двигателя или транспортного средства , приводимого в движение таким двигателем, которое является показателем работоспособности двигателя или транспортного средства.

Мгновенная тяговооруженность транспортного средства постоянно изменяется во время работы из-за постепенного расхода топлива или топлива , а в некоторых случаях из- за градиента силы тяжести . Отношение тяги к весу, основанное на начальной тяге и весе, часто публикуется и используется в качестве показателя качества для количественного сравнения начальных характеристик транспортного средства.

Расчет

Тяговооруженность рассчитывается путем деления тяги (в единицах СИ — в ньютонах ) на вес (в ньютонах ) двигателя или транспортного средства. Вес (Н) рассчитывается путем умножения массы в килограммах (кг) на ускорение свободного падения (м/с^2). Обратите внимание, что тягу также можно измерить в фунтах-силах (фунт-сила), при условии, что вес измеряется в фунтах (фунтах). Деление с использованием этих двух значений по-прежнему дает численно правильную (безразмерную) тяговооруженность. Для достоверного сравнения начальной тяговооружённости двух или более двигателей или транспортных средств тяга должна быть измерена в контролируемых условиях.

Самолет

Тяговооруженность и аэродинамическое качество являются двумя наиболее важными параметрами, определяющими летно-технические характеристики самолета.

Во время полета тяговооруженность постоянно меняется. Тяга варьируется в зависимости от положения дроссельной заслонки, скорости полета , высоты , температуры воздуха и т. д. Вес варьируется в зависимости от расхода топлива и изменения полезной нагрузки. Для самолетов указанная тяговооруженность часто представляет собой максимальную статическую тягу на уровне моря, деленную на максимальную взлетную массу . ^[1] Самолеты с отношением тяги к массе более 1:1 могут подниматься вверх и сохранять воздушную скорость до тех пор, пока на большей высоте характеристики не ухудшятся. ^[2]

Самолет может взлететь, даже если тяга меньше его веса, поскольку, в отличие от ракеты, подъемная сила создается за счет подъемной силы крыльев, а не непосредственно за счет тяги двигателя. Пока самолет может создавать достаточную тягу для движения с горизонтальной скоростью, превышающей скорость сваливания, крылья будут создавать достаточную подъемную силу, чтобы противостоять весу самолета.

${\displaystyle \left({\frac {T}{W}}\right)_{\text{cruise}}=\left({\frac {D}{L}}\right)_{\text{cruise}}={\frac {1}{\left({\frac {L}{D}}\right)_{\text{cruise}}}}}$

Винтовые самолеты

Для винтовых самолетов тяговооруженность можно рассчитать следующим образом в британских единицах: ^[3]

${\displaystyle {\frac {T}{W}}={\frac {550\eta _{p}}{V}}{\frac {\text{hp}}{\text{W}}}}$

где - эффективность тяги (обычно 0,65 для деревянных винтов, 0,75 для металлических винтов с фиксированным шагом и до 0,85 для винтов с постоянной скоростью), - мощность на валу двигателя , и - истинная скорость полета в футах в секунду, вес в фунтах. ${\displaystyle \eta _{p}\;}$ ${\displaystyle hp\;}$ ${\displaystyle V\;}$

Метрическую формулу смотрите ниже:

${\displaystyle {\frac {T}{W}}=\left({\frac {\eta _{p}}{V}}\right)\left({\frac {P}{W}}\right)}$

Ракеты

Ракета. Зависимость тяговооружённости от удельного импульса для различных технологий топлива

Тяговооруженность ракеты, или ракетного аппарата, является показателем ее ускорения, выражаемого в кратных ускорению свободного падения g. ^[4]

Ракеты и ракетные транспортные средства работают в широком диапазоне гравитационных сред, включая среду невесомости . Отношение тяги к массе обычно рассчитывается на основе первоначальной полной массы на уровне моря на Земле ^[5] и иногда называется отношением тяги к массе земли . ^[6] Отношение тяги к массе Земли ракеты или ракетного транспортного средства является показателем ее ускорения, выраженного в кратных ускорению силы тяжести Земли, g ₀ . ^[4]

Тяговооруженность ракеты улучшается по мере сгорания топлива. При постоянной тяге максимальное передаточное число (максимальное ускорение автомобиля) достигается непосредственно перед полным расходованием топлива. Каждая ракета имеет характерную кривую тяги к массе или кривую ускорения, а не просто скалярную величину.

Отношение тяги к весу двигателя больше, чем у всей ракеты-носителя, но, тем не менее, оно полезно, поскольку определяет максимальное ускорение, которого теоретически может достичь любой корабль, использующий этот двигатель, с минимальным количеством топлива и прикрепленной конструкции.

Для взлета с поверхности земли с использованием тяги и отсутствия аэродинамической подъемной силы тяговооруженность всей машины должна быть больше единицы . В общем, отношение тяги к весу численно равно перегрузке , которую может создать транспортное средство. ^[4] Взлет может произойти, когда перегрузка транспортного средства превышает местную силу тяжести (выраженную как кратное g ₀ ).

Отношение тяги к весу ракет обычно значительно превышает соотношение тяги к весу воздушно-реактивных двигателей, поскольку сравнительно большая плотность ракетного топлива устраняет необходимость в большом количестве инженерных материалов для его создания давления.

На тяговооруженность влияет множество факторов. Мгновенное значение обычно меняется в течение полета с изменениями тяги в зависимости от скорости и высоты, а также с изменениями веса из-за количества оставшегося топлива и массы полезной нагрузки. Факторы с наибольшим влиянием включают температуру набегающего воздуха , давление , плотность и состав. В зависимости от рассматриваемого двигателя или транспортного средства на фактические характеристики часто влияют плавучесть и сила местного гравитационного поля .

Примеры

Самолет

Реактивные и ракетные двигатели

Истребитель

• Таблица для реактивных и ракетных двигателей: реактивная тяга находится на уровне моря.
• Плотность топлива, использованная в расчетах: 0,803 кг/л.
• Для метрической таблицы соотношение T/W рассчитывается путем деления тяги на произведение полного веса самолета и ускорения свободного падения.
• Двигатель J-10 — АЛ-31ФН.

Смотрите также

• Соотношение мощности и веса
• Фактор безопасности

Примечания

1. Двигатели Pratt & Whitney

1. Джон П. Филдинг, Введение в проектирование самолетов , раздел 3.1 (стр. 21)
2. Никелл, Пол; Рогоуэй, Тайлер (9 мая 2016 г.). «Каково это — летать на F-16N Viper, легендарном хотроде Topgun». Привод . Архивировано из оригинала 31 октября 2019 г. Проверено 31 октября 2019 г.
3. Дэниел П. Реймер, Проектирование самолетов: концептуальный подход , уравнения 3.9 и 5.1.
4. Джордж П. Саттон и Оскар Библарц, Элементы ракетной двигательной установки (стр. 442, 7-е издание) «Отношение тяги к массе F / W _g - это безразмерный параметр, который идентичен ускорению ракетной двигательной установки (выраженному в кратные g ₀ ), если бы он мог летать сам по себе в невесомом вакууме»
5. Джордж П. Саттон и Оскар Библарц, Элементы ракетной двигательной установки (стр. 442, 7-е издание) «Нагруженный вес W _g - это первоначальный полный вес топлива и оборудования ракетной двигательной системы на уровне моря».
6. «Отношение тяги к массе земли» . Интернет-энциклопедия науки. Архивировано из оригинала 20 марта 2008 г. Проверено 22 февраля 2009 г.
7. Нортроп Грумман B-2 Spirit
8. BAE Systems Hawk
9. "AviationsMilitaires.net - Dassault Rafale C" . www.aviationsmilitaires.net . Архивировано из оригинала 25 февраля 2014 года . Проверено 30 апреля 2018 г.
10. Сухой Су-30МКМ#Технические характеристики .28Су-30МКМ.29
11. "Самолет F-15 Eagle" . О.com: Изобретатели. Архивировано из оригинала 9 июля 2012 года . Проверено 3 марта 2009 г.
12. Пайк, Джон. «МиГ-29 ТОЧКА». www.globalsecurity.org . Архивировано из оригинала 19 августа 2017 года . Проверено 30 апреля 2018 г.
13. "AviationsMilitaires.net - Lockheed-Martin F-22 Raptor" . www.aviationsmilitaires.net . Архивировано из оригинала 25 февраля 2014 года . Проверено 30 апреля 2018 г.
14. "Еврофайтер Тайфун". eurofighter.airpower.at . Архивировано из оригинала 9 ноября 2016 года . Проверено 30 апреля 2018 г.
15. Уэйд, Марк. «РД-0410». Энциклопедия астронавтики . Проверено 25 сентября 2009 г.
16. РД0410. Ядерный ракетный двигатель. Перспективные космические аппараты [RD0410. Ядерный ракетный двигатель. Перспективные ракеты-носители. КБХА — Конструкторское бюро химической автоматики . Архивировано из оригинала 30 ноября 2010 года.
17. "Самолет: Lockheed SR-71A Blackbird" . Архивировано из оригинала 29 июля 2012 г. Проверено 16 апреля 2010 г.
18. "Информационные бюллетени: Pratt & Whitney J58 Turbojet" . Национальный музей ВВС США. Архивировано из оригинала 4 апреля 2015 г. Проверено 15 апреля 2010 г.
19. "Rolls-Royce SNECMA Olympus - Транспортные новости Джейн" . Архивировано из оригинала 6 августа 2010 г. Проверено 25 сентября 2009 г. С форсажной камерой, реверсом и соплом... 3175 кг... Форсажная камера... 169,2 кН
20. Приобретение военных реактивных двигателей, RAND, 2002.
21. "Конструкторское бюро химии" - Научно-исследовательский комплекс / РД0750. [«Конструкторское бюро Химавтоматики» - Научно-исследовательский комплекс / РД0750.]. КБХА — Конструкторское бюро химической автоматики . Архивировано из оригинала 26 июля 2011 года.
22. Уэйд, Марк. «РД-0146». Энциклопедия астронавтики . Проверено 25 сентября 2009 г.
23. ССМЭ
24. "РД-180" . Проверено 25 сентября 2009 г.
25. Энциклопедия астронавтики: F-1
26. Уэйд, Марк. «НК-33». Энциклопедия астронавтики . Проверено 24 августа 2022 г.
27. Сесник, Тревор (14 июля 2022 г.). «Raptor 1 против Raptor 2: что изменила SpaceX?». Каждый день космонавт . Проверено 7 ноября 2022 г.
28. Мюллер, Томас (8 июня 2015 г.). «Является ли правдоподобной тяговооруженность Merlin 1D компании SpaceX, равная 150+?». Кура . Проверено 9 июля 2015 г. Merlin 1D весит 1030 фунтов, включая гидроприводы рулевого управления (TVC). В вакууме его тяга составляет 162 500 фунтов. это почти 158 тяги/вес. Новый вариант с полной тягой весит столько же и развивает силу около 185 500 фунтов в вакууме.
29. _ СпейсИкс . Проверено 7 ноября 2022 г.

Рекомендации

• Джон П. Филдинг. Введение в проектирование самолетов , издательство Кембриджского университета, ISBN 978-0-521-65722-8 
• Дэниел П. Реймер (1989). Проектирование самолетов: концептуальный подход , Американский институт аэронавтики и астронавтики, Вашингтон, округ Колумбия. ISBN 0-930403-51-7 
• Джордж П. Саттон и Оскар Библарц. Элементы ракетной двигательной установки , Wiley, ISBN 978-0-471-32642-7 

Внешние ссылки

• Веб-страница НАСА с обзором и поясняющей схемой соотношения тяги и веса самолета.