Влияние давления и температуры воздуха на расход топлива, дальность и продолжительность полета

 

Расход топлива является одним из важных показателей экономичности двигателей и рентабельности маршрутных полетов и перелетов в целом. Учет этого влияния позволяет оценить его необходимый запас топлива и загрузку самолета для полета по маршруту в реальных условиях, а также выбрать оптимальный режим и профиль полета при проведении инженерно-штурманских расчетов.

Одной из важных характеристик двигателя является удельный расход топлива c_уд – количество топлива, необходимое для создания единичной силы тяги в единицу времени, кг/(кг тягич). Удельный расход топлива зависит от типа двигателя, режима его работы, высоты и скорости полета ЛА.

Время, в течение которого ЛА может продержаться в воздухе до полного выгорания данного запаса топлива, называется продолжительностью полета T _п. Продолжительность полета T _п зависит от расхода топлива за 1 час полета – часового расхода топлива c _ч (кг/ч).

, (8)

где G _т – располагаемый запас топлива для горизонтального полета.

Часовой расход топлива, в свою очередь, определяется тягой ТРД, потребной для горизонтального полета (P _п) с данной скоростью V, и удельным расходом топлива, соответствующим данной скорости и оборотам двигателя.

, (9)

где K – аэродинамическое качество самолета.

Отсюда следует, что режим максимальной продолжительности полета для самолета с ТРД соответствует режиму минимальной потребной тяги P _{п min}, т. е. полету с наивыгоднейшей скоростью V _наив (см. рис. 1). Часовой расход топлива для стандартных условий c_ч.ст может быть заранее известен. На основании теории подобия, была получена следующая зависимость часового расхода топлива для реальных условий:

 

, (10)

 

где c _ч и c _ч.ст - часовой расход топлива в реальных условиях и в условиях СА соответственно.

Для горизонтального полета по барометрическому высотомеру (p = p _ст) формула (10) принимает вид

 

. (11)

 

Из (11) следует, что повышение температуры воздуха приводит к увеличению часового расхода топлива. Изменение температуры воздуха на 10 C приводит к изменению часового расхода топлива на 1,5-2 %, что необходимо учитывать при полетах на малых и предельно малых высотах, а также в зонах положительных отклонений температуры воздуха от стандартных значений.

В этом случае, если хотят определить количество топлива, необходимого для выполнения полета на определенную дальность, учитывают километровый расход топлива c _к (количество топлива, необходимое для полета на расстояние 1 км), т. е.

 

, (12)

 

где L _г.п – дальность горизонтального полета, которая входит составной частью в общую дальность полета

 

. (13)

 

Здесь L _наб и L _сн – расстояния, пройденные самолетом при наборе высоты и снижении соответственно. Для каждого типа самолета в «Руководстве по летной эксплуатации» приводятся таблицы и графики по расчету дальности и продолжительности полета, где указаны значения L _наб и L _сн в зависимости от высоты полета и оборотов двигателя, а также расход топлива на набор высоты и снижение самолета.

Участок горизонтального полета составляет примерно 85 % всего расстояния для самолетов средней дальности и 95 % для самолетов большой дальности. Существуют различные понятия дальности полета.

Техническая дальность (L _техн) – горизонтальный путь, проходимый ЛА при наборе высоты, горизонтальном полете и снижении (планировании) до полного выгорания топлива.

Практическая дальность (L _пр) меньше технической, так как при её определении предусматривается гарантийный запас топлива, равный 5-20 % заправки. Этот запас топлива называется аэронавигационным (аварийным) и планируется для выполнения различных маневров перед посадкой, для повторного захода на посадку, уход на другой (запасный) аэродром и т. п.

Тактическая дальность (L _такт) еще меньше, чем практическая. При ее определении учитываются запасы топлива на выполнение некоторых специфических задач, выполняемых экипажами при маршрутных полетах. К ним можно отнести: сбор и роспуск группы при полете строем, выполнение различных видов упражнений согласно Курса боевой подготовки (КБП), полет по траекториям, профиль которых обусловлен тактическими соображениями или метеорологическими условиями и т. д. В зависимости от характера выполняемого задания и конкретной ситуации она может изменяться в широких пределах.

Тактический радиус (R _такт) ‑ максимальное расстояние, на котором ЛА может решить поставленную задачу при полной заправке топливом, при заданных режиме и профиле полета и возвратиться на аэродром взлета без расходования гарантийного запаса и невыработанного остатка топлива.

Километровый расход топлива c _к связан с часовым расходом топлива c _ч простым соотношением

 

, (14)

 

где V – воздушная скорость.

Отсюда следует, что режим максимальной дальности полета соответствует величине (P _п/ V)_min для самолетов с ТРД, т. е. крейсерской скорости полета V _кр (см. рис. 1).

Для самолетов с ТРД при увеличении высоты полета километровый расход топлива уменьшается, так как при полете с постоянным углом атаки скорость полета возрастает, тяга, потребная для горизонтального полета, уменьшается, а следовательно уменьшается и удельный расход топлива. Таким образом, километровый расход топлива с увеличением высоты уменьшается. Поэтому полеты самолетов с ТРД на наибольшую дальность целесообразно выполнять на более высоких эшелонах.

При полетах на эшелоне по барометрическому высотомеру, при сохранении числа M постоянным, километровый расход топлива не зависит от изменения температуры воздуха:

 

. (15)

 

Этот факт объясняется тем, что изменение скорости горизонтального полета при изменении температуры воздуха происходит в том же соотношении, что и изменение часового расхода топлива. Следовательно, дальность полета при постоянном числе M и на постоянной высоте по барометрическому высотомеру практически не изменяется. Однако, если при повышении или понижении температуры воздуха изменится высота полета, то при постоянном значении числа M километровый расход топлива также будет изменяться в довольно значительных пределах.

При полете на больших высотах сильное повышение температуры воздуха часто вынуждает снижаться в целях сохранения устойчивости и управляемости самолета и во избежании выхода его на критические углы атаки. Так, при переходе на более низкий эшелон из-за повышения температуры воздуха километровый расход топлива может возрасти на 15 % и более, что отразится и на уменьшении дальности полета.

Для достижения наибольшей дальности выгодно лететь на предельно допустимой высоте горизонтального полета, так как в этом случае километровый расход топлива будет наименьший и самолет сможет пролететь большее расстояние, а при заданной дальности на полет будет израсходовано минимальное количество топлива.

В связи с этим, при планировании полетов и перелетов и выборе оптимального профиля полета по маршруту, учитываются поля давления и температуры, а также ветровой режим по маршруту, наличие опасных явлений погоды, условия выбора высоты снижения, дальность полета.