Отношение тяги к массе - Thrust-to-weight ratio

Отношение тяги к массе это безразмерный соотношение толчок к вес из ракета, реактивный двигатель, пропеллер двигатель, или транспортное средство, приводимое в движение таким двигателем, который является индикатором производительности двигателя или транспортного средства.

Мгновенная удельная тяговооруженность транспортного средства постоянно изменяется во время работы из-за прогрессирующего расхода топлива или пропеллент а в некоторых случаях градиент силы тяжести. Отношение тяги к весу на основе начальной тяги и веса часто публикуется и используется в качестве добродетель для количественного сравнения исходных характеристик автомобиля.

Расчет

Удельную тягу можно рассчитать путем деления тяги (в единицах СИ - в ньютоны ) массой (в ньютонах) двигателя или транспортного средства и является безразмерной величиной. Обратите внимание, что тягу также можно измерить в фунт-сила (фунт-сила) при условии, что вес измеряется в фунтах (фунтах); деление этих двух величин по-прежнему дает численно правильное соотношение тяги к весу. Для достоверного сравнения начального отношения тяги к массе двух или более двигателей или транспортных средств тяга должна быть измерена в контролируемых условиях.

Самолет

Удельная тяга и нагрузка на крыло являются двумя наиболее важными параметрами при определении летно-технических характеристик самолета.^[1] Например, удельная тяговооруженность боевой самолет является хорошим показателем маневренности самолета.^[2]

Отношение тяги к массе постоянно меняется во время полета. Тяга меняется в зависимости от настройки дроссельной заслонки, скорость полета, высота и температура воздуха. Вес зависит от расхода топлива и полезной нагрузки. Для самолетов указанная удельная тяга часто представляет собой максимальную статическую тягу на уровне моря, деленную на максимальная взлетная масса.^[3] Самолет с относительной тягой к массе более 1: 1 может подниматься по вертикали и поддерживать воздушную скорость до тех пор, пока летно-технические характеристики не уменьшатся на большей высоте.^[4]

В крейсерском полете отношение тяги к массе самолета является обратной величиной. подъемная сила и лобовое сопротивление потому что тяга противоположна тянуть, а вес противоположен подъемной силе.^[5] Самолет может взлетать, даже если тяга меньше его веса: если отношение подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению больше 1, отношение тяги к весу может быть меньше 1, т. Е. Для отрыва самолета от земли требуется меньшая тяга, чем вес 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 соотношение тяги к массе можно рассчитать следующим образом:^[6]

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

где ${\displaystyle \eta _{p}\;}$ является тяговая эффективность (обычно 0,8), ${\displaystyle hp\;}$ двигатель мощность на валу, и ${\displaystyle V\;}$является истинная воздушная скорость в футах в секунду.

Ракеты

Тяговооруженность ракетного аппарата vs удельный импульс для различных топливных технологий

Отношение тяги к массе ракеты или ракетного транспортного средства является показателем ее ускорения, выраженного в единицах ускорения свободного падения g.^[7]

Ракеты и ракетные двигатели работают в широком диапазоне гравитационных сред, включая невесомый Окружающая среда. Отношение тяги к весу обычно рассчитывается исходя из начальной полной массы на уровне моря на земле.^[8] и иногда его называют Отношение тяги к массе земли.^[9] Отношение тяги к земной массе ракеты или ракетного транспортного средства является показателем его ускорения, выраженного в единицах ускорения свободного падения Земли, g₀.^[7]

Отношение тяги к массе ракеты меняется по мере сгорания топлива. Если тяга постоянна, то максимальное передаточное число (максимальное ускорение транспортного средства) достигается непосредственно перед тем, как топливо полностью израсходуется. Каждая ракета имеет характеристическую кривую тяги к весу или кривую ускорения, а не просто скалярную величину.

Отношение тяги к массе двигателя превышает тягу всей ракеты-носителя, но, тем не менее, полезно, потому что оно определяет максимальное ускорение, которое любое транспортное средство, использующее этот двигатель, теоретически может достичь с минимальным количеством топлива и прикрепленной конструкции.

Для взлета с поверхности Земля используя тягу и нет аэродинамический подъемник, удельная тяга для всей машины должна быть больше, чем один. В целом, удельная тяга численно равна перегрузка что может произвести автомобиль.^[7] Взлет может произойти, когда автомобиль перегрузка превышает местную силу тяжести (выражается как кратное g₀).

Отношение тяги к массе ракет обычно значительно превышает воздушно-реактивные двигатели потому что сравнительно большая плотность ракетного топлива устраняет необходимость в большом количестве конструкционных материалов для его повышения давления.

На удельную тягу влияют многие факторы. Мгновенное значение обычно изменяется во время полета в зависимости от изменения тяги в зависимости от скорости и высоты, а также веса из-за оставшегося топлива и массы полезного груза. К основным факторам относится попутный воздух. температура, давление, плотность, и состав. В зависимости от рассматриваемого двигателя или транспортного средства на фактическую производительность часто влияют плавучесть и местные напряженность гравитационного поля.

Примеры

В русский -сделанный РД-180 ракетный двигатель (который приводит в действие Локхид Мартин С Атлас V ) развивает тягу на уровне моря 3820 кН и имеет сухую массу 5 307 кг.^{[нужна цитата ]} Используя силу гравитационного поля поверхности Земли, равную 9,807 м / с², соотношение тяги к массе на уровне моря рассчитывается следующим образом: (1 кН = 1000 Н = 1000 кг⋅м / с²)

${\displaystyle {\frac {T}{W}}={\frac {3,820\ \mathrm {kN} }{(5,307\ \mathrm {kg} )(9.807\ \mathrm {m/s^{2}} )}}=0.07340\ {\frac {\mathrm {kN} }{\mathrm {N} }}=73.40\ {\frac {\mathrm {N} }{\mathrm {N} }}=73.40}$

Самолет

Средство передвижения	Т/W	Сценарий
Northrop Grumman B-2 Spirit	0.205[10]	Максимальный взлетный вес, полная мощность
Airbus A380	0.227	Максимальный взлетный вес, полная мощность
Боинг 737 MAX 8	0.310	Максимальный взлетный вес, полная мощность
Airbus A320neo	0.311	Максимальный взлетный вес, полная мощность
Туполев Ту-160	0.363	Максимальный взлетный вес, полный форсажные камеры
Конкорд	0.372	Максимальный взлетный вес, полный форсаж
Rockwell International B-1 Lancer	0.38	Максимальный взлетный вес, полный форсаж
BAE Hawk	0.65[11]
Локхид Мартин F-35	0,87 с полным топливом (1,07 с 50% топлива)
HAL Tejas Mk 1	0.935	С полным топливом
Dassault Rafale	0.988[12]	Версия M, 100% топливо, 2 ракеты EM A2A, 2 ракеты IR A2A
Сухой Су-30МКМ	1.00[13]	Снаряженная масса с 56% внутреннего топлива
Макдоннелл Дуглас F-15	1.04[14]	Номинально загружен
Микоян МиГ-29	1.09[15]	Полный внутренний топливный бак, 4 ААМ
Локхид Мартин F-22	> 1,09 (1,26 с загруженной массой и 50% топлива)[16]	Боевая нагрузка?
General Dynamics F-16	1.096[нужна цитата ]
Хоукер Сиддли Харриер	1.1[нужна цитата ]	СВВП
Еврофайтер Тайфун	1.15[17]	Конфигурация перехватчика
Космический шатл	1.5	Отгул
Космический шатл	3	Пик

Реактивные и ракетные двигатели

Jet или ракетный двигатель	Масса		Тяга, вакуум		Тяга к соотношение веса
	(кг)	(фунт)	(кН)	(фунт-сила)
РД-0410 ядерный ракетный двигатель[18][19]	2,000	4,400	35.2	7,900	1.8
J58 реактивный двигатель (SR-71 Блэкберд )[20][21]	2,722	6,001	150	34,000	5.2
Роллс-Ройс / Snecma Olympus 593 турбореактивный с подогревом (Конкорд )[22]	3,175	7,000	169.2	38,000	5.4
Пратт и Уитни F119[23]	1,800	3,900	91	20,500	7.95
РД-0750 ракетный двигатель, трехкомпонентный режим[24]	4,621	10,188	1,413	318,000	31.2
РД-0146 ракетный двигатель[25]	260	570	98	22,000	38.4
Rocketdyne RS-25 ракетный двигатель[26]	3,177	7,004	2,278	512,000	73.1
РД-180 ракетный двигатель[27]	5,393	11,890	4,152	933,000	78.5
РД-170 ракетный двигатель	9,750	21,500	7,887	1,773,000	82.5
F-1 (Сатурн V первая ступень)[28]	8,391	18,499	7,740.5	1,740,100	94.1
НК-33 ракетный двигатель[29]	1,222	2,694	1,638	368,000	136.7
Мерлин 1D ракетный двигатель, тягач [30]	467	1,030	825	185,000	180.1

Самолет истребитель

Таблица а: Соотношение тяги к массе, масса топлива и масса различных истребителей

Характеристики	Истребители
	Ф-15К	F-15C	МиГ-29К	МиГ-29Б	JF-17	J-10	F-35A	F-35B	F-35C	F-22	LCA Mk-1
Тяга двигателей, максимальная (Н)	259,420 (2)	208,622 (2)	176,514 (2)	162,805 (2)	81,402 (1)	122,580 (1)	177,484 (1)	177,484 (1)	177,484 (1)	311,376 (2)	89,800 (1)
Масса самолета пустого (кг)	17,010	14,379	12,723	10,900	06,586	09,250	13,290	14,515	15,785	19,673	6,560
Масса самолета с полным топливом (кг)	23,143	20,671	17,963	14,405	08,886	13,044	21,672	20,867	24,403	27,836	9,500
Масса самолета, не более взлетная нагрузка (кг)	36,741	30,845	22,400	18,500	12,700	19,277	31,752	27,216	31,752	37,869	13,300
Полная масса топлива (кг)	06,133	06,292	05,240	03,505	02,300	03,794	08,382	06,352	08,618	08,163	02,458
Соотношение T / W при полном топливе	1.14	1.03	1.00	1.15	0.93	0.96	0.84	0.87	0.74	1.14	0.96
Соотношение T / W, макс. взлетная нагрузка	0.72	0.69	0.80	0.89	0.65	0.65	0.57	0.67	0.57	0.84	0.69

Таблица b: Соотношение тяги к массе, масса топлива и масса различных истребителей (в обычных единицах измерения США)

Характеристики	Истребители
	Ф-15К	F-15C	МиГ-29К	МиГ-29Б	JF-17	J-10	F-35A	F-35B	F-35C	F-22	LCA Mk-1
Тяга двигателей, максимальная (фунт-сила)	58,320 (2)	46,900 (2)	39,682 (2)	36,600 (2)	18,300 (1)	27,557 (1)	39,900 (1)	39,900 (1)	39,900 (1)	70,000 (2)	20,200 (1)
Масса пустого самолета (фунты)	37,500	31,700	28,050	24,030	14,520	20,394	29,300	32,000	34,800[31]	43,340	14,300
Масса самолета с полным топливом (фунты)	51,023	45,574	39,602	31,757	19,650	28,760	47,780	46,003	53,800	61,340	20,944
Масса самолета, не более взлетная нагрузка (фунт)	81,000	68,000	49,383	40,785	28,000	42,500	70,000	60,000	70,000	83,500	29,100
Общий вес топлива (фунты)	13,523	13,874	11,552	07,727	05,130	08,366	18,480	14,003	19,000[31]	18,000	05,419
Соотношение T / W при полном топливе	1.14	1.03	1.00	1.15	0.93	0.96	0.84	0.87	0.74	1.14	0.96
Соотношение T / W, макс. взлетная нагрузка	0.72	0.69	0.80	0.89	0.65	0.65	0.57	0.67	0.57	0.84	0.69

• Таблица для реактивных и ракетных двигателей: реактивная тяга на уровне моря
• Плотность топлива, использованная в расчетах: 0,803 кг / л.
• Число в скобках - это количество двигателей.
• Для таблицы показателей отношение T / W рассчитывается путем деления тяги на произведение веса самолета, заправленного топливом, и ускорения свободного падения.
• Двигателями F-15K являются двигатели Pratt & Whitney.
• Масса пустого МиГ-29К является приблизительной.
• Мощность двигателя JF-17 - РД-93.
• JF-17 в паре с его двигателем WS-13, и если этот двигатель получит обещанные 18 969 фунтов, то отношение T / W станет 1,10
• Вес пустого и заправленного J-10 является приблизительным.
• Мощность двигателя J-10 - АЛ-31ФН.
• J-10 в паре с его двигателем WS-10A, и если этот двигатель получит обещанные 132 кН (29 674 фунт-силы), то отношение T / W станет 1,08.

Смотрите также

• Соотношение мощности и веса
• Фактор безопасности

использованная литература

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

Заметки

1. Дэниел П. Реймер, Дизайн самолета: концептуальный подход, Раздел 5.1
2. Джон П. Филдинг, Введение в конструкцию самолетов, Раздел 4.1.1 (стр.37)
3. Джон П. Филдинг, Введение в конструкцию самолетов, Раздел 3.1 (стр.21)
4. Никелл, Пол; Роговей, Тайлер (09.05.2016). "Каково это - летать на F-16N Viper, легендарном хотроде Topgun". Привод. Получено 2019-10-31.
5. Дэниел П. Реймер, Дизайн самолета: концептуальный подход, Уравнение 5.2
6. Дэниел П. Реймер, Дизайн самолета: концептуальный подход, Уравнения 3.9 и 5.1
7. Джордж П. Саттон и Оскар Библарц, Элементы силовой установки ракеты (стр. 442, 7-е издание) "удельная тяговооруженность F / W_г - безразмерный параметр, идентичный ускорению двигательной установки ракеты (выражается в единицах g₀) если бы он мог летать сам по себе в вакууме без гравитации "
8. Джордж П. Саттон и Оскар Библарц, Элементы силовой установки ракеты (стр. 442, издание 7-е) «Снаряженная масса W_г - начальная полная масса топлива и оборудования ракетной двигательной установки на уровне моря ».
9. «Отношение тяги к земной массе». Интернет-энциклопедия науки. Архивировано из оригинал на 2008-03-20. Получено 2009-02-22.
10. Northrop Grumman B-2 Spirit
11. BAE Systems Hawk
12. "AviationMilitaires.net - Dassault Rafale C". www.aviationsmilitaires.net. В архиве из оригинала 25 февраля 2014 г.. Получено 30 апреля 2018.
13. Сухой Су-30МКМ № Технические характеристики .28Су-30МКМ.29
14. «Самолет F-15 Eagle». About.com:Изобретатели. Получено 2009-03-03.
15. Пайк, Джон. «МиГ-29 ФУЛКРУМ». www.globalsecurity.org. В архиве с оригинала 19 августа 2017 г.. Получено 30 апреля 2018.
16. "AviationMilitaires.net - Lockheed-Martin F-22 Raptor". www.aviationsmilitaires.net. В архиве из оригинала 25 февраля 2014 г.. Получено 30 апреля 2018.
17. «Еврофайтер Тайфун». eurofighter.airpower.at. В архиве из оригинала 9 ноября 2016 г.. Получено 30 апреля 2018.
18. Уэйд, Марк. «РД-0410». Энциклопедия Astronautica. Получено 2009-09-25.
19. «« Конструкторское бюро химавтоматики »- научно-исследовательский комплекс / РД0410. Ядерный ракетный двигатель. Перспективные ракеты-носители». КБХА - Конструкторское бюро химической автоматики. Получено 2009-09-25.
20. «Самолет: Lockheed SR-71A Blackbird». Архивировано из оригинал в 2012-07-29. Получено 2010-04-16.
21. "Информационные бюллетени: Pratt & Whitney J58 Turbojet". Национальный музей ВВС США. Архивировано из оригинал на 2015-04-04. Получено 2010-04-15.
22. "Rolls-Royce SNECMA Olympus - Jane's Transport News". Архивировано из оригинал на 2010-08-06. Получено 2009-09-25. С форсажной камерой, реверсом и форсункой ... 3175 кг ... Форсажной камерой ... 169,2 кН
23. Приобретение военного реактивного двигателя, РЭНД, 2002.
24. «Научно-исследовательский комплекс« Конструкторское бюро химавтоматики »/ РД0750». КБХА - Конструкторское бюро химической автоматики. Получено 2009-09-25.
25. Уэйд, Марк. «РД-0146». Энциклопедия Astronautica. Получено 2009-09-25.
26. SSME
27. «РД-180». Получено 2009-09-25.
28. Энциклопедия Astronautica: F-1
29. Запись Astronautix NK-33
30. Мюллер, Томас (8 июня 2015 г.). «Является ли отношение тяги к массе SpaceX Merlin 1D более 150 правдоподобным?». Получено 9 июля, 2015. Merlin 1D весит 1030 фунтов, включая приводы гидравлического рулевого управления (TVC). Он составляет 162 500 фунтов тяги в вакууме. это почти 158 тяги / веса. Новый вариант с полной тягой весит столько же и составляет около 185 500 фунтов силы в вакууме.
31. "Веб-сайт Lockheed Martin". Архивировано из оригинал на 2008-04-04.

внешние ссылки

• Веб-страница НАСА с обзором и пояснительной схемой отношения тяги к массе самолета