In aerodynamics, the flight envelope, service envelope, or performance envelope of an aircraft or spacecraft refers to the capabilities of a design in terms of airspeed and load factor or atmospheric density, often simplified to altitude.[1][2] The term is somewhat loosely applied, and can also refer to other measurements such as maneuverability. When a plane is pushed, for instance by diving it at high speeds, it is said to be flown "outside the envelope", something considered rather dangerous.
Flight envelope is one of a number of related terms that are all used in a similar fashion. It is perhaps the most common term because it is the oldest, first being used in the early days of test flying. It is closely related to more modern terms known as extra power and a doghouse plot which are different ways of describing a flight envelope. In addition, the term has been widened in scope outside the field of engineering, to refer to the strict limits in which an event will take place or more generally to the predictable behavior of a given phenomenon or situation, and hence, its "flight envelope".
Extra power, or specific excess power,[3] is a very basic method of determining an aircraft's flight envelope. It is easily calculated but as a downside does not tell very much about the actual performance of the aircraft at different altitudes.
Choosing any particular set of parameters will generate the needed power for a particular aircraft for those conditions. For instance a Cessna 150 at 2,500-foot (760 m) altitude and 90-mile-per-hour (140 km/h) speed needs about 60 horsepower (45 kW) to fly straight and level. The C150 is normally equipped with a 100-horsepower (75 kW) engine, so in this particular case the plane has 40 horsepower (30 kW) of extra power. In overall terms this is very little extra power, 60% of the engine's output is already used up just keeping the plane in the air. The leftover 40 hp is all that the aircraft has to maneuver with, meaning it can climb, turn, or speed up only a small amount. To put this in perspective, the C150 could not maintain a 2g (20 m/s²) turn, which would require a minimum of 120 horsepower (89 kW) under the same conditions.
В тех же условиях 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 обеспечивать значительную мощность, эквивалентную 50 000 лошадиных сил (37 МВт), что не является нетипичным. Благодаря такому количеству дополнительной мощности самолет может достигать очень высокой максимальной скорости набора высоты , даже подниматься прямо вверх, совершать непрерывные мощные маневры или летать на очень высоких скоростях.
График собачьей будки обычно показывает связь между скоростью горизонтального полета и высотой, хотя возможны и другие переменные. Это требует больше усилий, чем расчет дополнительной мощности, но, в свою очередь, дает гораздо больше информации, например, идеальную высоту полета. Сюжет обычно выглядит как перевернутая буква U и обычно называется сюжетом собачьей будки из-за его сходства с конурой (иногда называемой «собачьей будкой» в американском английском). На диаграмме справа показан очень упрощенный график, который можно использовать для объяснения общей формы графика.
Внешние края диаграммы, конверт, показывают возможные условия, которых может достичь самолет при прямолинейном и горизонтальном полете. Например, самолет, обозначенный черной границей высоты справа, может летать на высоте примерно до 52 000 футов (16 000 м), и в этот момент более разреженный воздух означает, что он больше не может набирать высоту. 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 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 мощность менее чем на полную.
В случае высокопроизводительных самолетов, в том числе истребителей, эта линия «1-g», показывающая прямолинейный и горизонтальный полет, дополняется дополнительными линиями, показывающими максимальные характеристики при различных перегрузках. На диаграмме справа зеленая линия представляет 2-g, синяя линия — 3-g и так далее. F -16 Fighting Falcon имеет очень небольшую зону полета со скоростью чуть ниже 1 Маха и близко к уровню моря, где он может поддерживать разворот в 9 g.
Полет за пределами конверта возможен, поскольку он представляет собой только состояние прямой и горизонтальной плоскости. Например, пикирование самолета позволяет развивать более высокие скорости, используя гравитацию в качестве источника дополнительной мощности. Аналогичным образом, на большую высоту можно подняться, сначала набрав скорость, а затем резко разогнавшись — маневр, известный как набор высоты с увеличением .
Все самолеты имеют минимальную скорость, при которой они могут поддерживать горизонтальный полет, - скорость сваливания (левая предельная линия на схеме). По мере того, как самолет набирает высоту, скорость сваливания увеличивается; поскольку крыло не увеличивается в размерах, единственный способ выдержать вес самолета с меньшим количеством воздуха — это увеличить скорость. Хотя точные цифры будут сильно различаться от самолета к самолету, характер этой зависимости обычно один и тот же; Нанесенный на график зависимости скорости (ось X) от высоты (ось Y), он образует диагональную линию.
Неэффективность крыльев также приводит к тому, что эта линия «наклоняется» с увеличением высоты до тех пор, пока она не станет горизонтальной и дополнительная скорость не приведет к увеличению высоты. Эта максимальная высота известна как практический потолок (верхняя предельная линия на диаграмме) и часто учитывается для летно-технических характеристик самолета. Область, в которой высота для заданной скорости больше не может увеличиваться в горизонтальном полете, называется нулевой скороподъемностью и возникает из-за того, что подъемная сила самолета уменьшается на больших высотах до тех пор, пока она не перестанет превышать силу тяжести .
Правая часть графика представляет максимальную скорость самолета. Обычно она имеет наклон так же, как и линия сваливания, из-за того, что сопротивление воздуха уменьшается на больших высотах до такой степени, что увеличение высоты больше не увеличивает максимальную скорость из-за нехватки кислорода для питания двигателей.
Требуемая мощность меняется почти линейно с высотой, но природа сопротивления означает, что она меняется пропорционально квадрату скорости - другими словами, обычно легче подняться выше, чем быстрее, вплоть до высоты, на которой начинает не хватать кислорода для двигателей. играют значительную роль.
Диаграмма зависимости скорости от коэффициента нагрузки (или диаграмма Vn) — это еще один способ показать пределы летно-технических характеристик самолета. Он показывает, какой коэффициент перегрузки может быть безопасно достигнут при различных скоростях полета. [3]
При более высоких температурах воздух становится менее плотным, и самолетам приходится летать быстрее, чтобы создать такую же подъемную силу. Высокая температура может уменьшить количество груза, который может перевозить самолет, увеличить длину взлетно-посадочной полосы, необходимой для взлета, и затруднить объезд препятствий, таких как горы. В необычных погодных условиях полеты могут быть небезопасными или неэкономичными, что иногда приводит к отмене коммерческих рейсов. [4] [5]
Хотя легко сравнивать самолеты по простым показателям, таким как максимальная скорость или практический потолок, изучение диапазона полета даст гораздо больше информации. Как правило, конструкция с большей площадью под изгибом будет иметь лучшие всесторонние характеристики. Это связано с тем, что, когда самолет не летит по краям конверта, его дополнительная мощность будет больше, а это означает больше мощности для таких задач, как набор высоты или маневрирование. Самолеты авиации общего назначения имеют очень малые диапазоны полета, со скоростью от 50 до 200 миль в час, тогда как дополнительная мощность, доступная современным истребителям, приводит к огромным диапазонам полета, во много раз превышающим площадь. Однако в качестве компромисса военные самолеты часто имеют более высокую скорость сваливания. В результате этого скорость посадки также выше.
Эта фраза используется для обозначения самолета, который поднимается на установленную высоту и скорость или превышает их. [6] В более широком смысле, эта фраза может использоваться для обозначения проверки других пределов, как в аэрокосмической, так и в других областях, например Plus ultra (девиз) . [7]
