Razão empuxo-peso - Thrust-to-weight ratio
Relação impulso-para-peso é um adimensional proporção de impulso de peso de um foguete , motor a jacto , hélice do motor, ou um veículo movido por um motor de tal modo que é um indicador do desempenho do motor ou veículo.
A relação empuxo-peso instantânea de um veículo varia continuamente durante a operação devido ao consumo progressivo de combustível ou propelente e, em alguns casos, um gradiente de gravidade . A relação empuxo-peso com base no empuxo inicial e no peso é frequentemente publicada e usada como uma figura de mérito para comparação quantitativa do desempenho inicial de um veículo.
Cálculo
A relação empuxo-peso é calculada dividindo o empuxo (em unidades SI - em newtons ) pelo peso (em newtons) do motor ou veículo. Observe que o empuxo também pode ser medido em libras-força (lbf), desde que o peso seja medido em libras (lb). A divisão usando esses dois valores ainda dá a razão empuxo-peso numericamente correta (adimensional). Para uma comparação válida da razão empuxo-peso inicial de dois ou mais motores ou veículos, o empuxo deve ser medido sob condições controladas.
Aeronave
A razão empuxo-peso e carga da asa são os dois parâmetros mais importantes na determinação do desempenho de uma aeronave. Por exemplo, a relação empuxo-peso de uma aeronave de combate é um bom indicador da capacidade de manobra da aeronave.
A relação empuxo / peso varia continuamente durante um vôo. O empuxo varia com a configuração do acelerador, velocidade no ar , altitude e temperatura do ar. O peso varia com a queima de combustível e mudanças de carga útil. Para aeronaves, a relação empuxo-peso citada é frequentemente o empuxo estático máximo ao nível do mar dividido pelo peso máximo de decolagem . Aeronaves com razão empuxo-peso maior que 1: 1 podem ser lançadas para cima e manter a velocidade no ar até que o desempenho diminua em altitudes mais elevadas.
Em vôo de cruzeiro, a razão empuxo-peso de uma aeronave é o inverso da razão sustentação-arrasto porque empuxo é o oposto de arrasto e peso é o oposto de sustentação. Um avião pode decolar mesmo se o empuxo for menor que seu peso: se a razão de sustentação / arrasto for maior que 1, a relação empuxo / peso pode ser menor que 1, ou seja, menos empuxo é necessário para levantar o avião do solo do que o peso do avião.
Aeronave movida a hélice
Para aeronaves movidas a hélice, a razão empuxo-peso pode ser calculada da seguinte forma:
onde é a eficiência propulsiva (normalmente 0,8), é a potência do eixo do motor e é a velocidade real em pés por segundo.
Foguetes
A relação empuxo-peso de um foguete, ou veículo propelido por foguete, é um indicador de sua aceleração expressa em múltiplos da aceleração gravitacional g.
Foguetes e veículos propelidos por foguetes operam em uma ampla gama de ambientes gravitacionais, incluindo o ambiente sem gravidade . A razão empuxo-peso é geralmente calculada a partir do peso bruto inicial ao nível do mar na Terra e às vezes é chamada de proporção empuxo-peso da Terra . A razão empuxo / peso da Terra de um foguete ou veículo propelido por foguete é um indicador de sua aceleração expressa em múltiplos da aceleração gravitacional da Terra, g 0 .
A relação empuxo-peso de um foguete melhora à medida que o propelente é queimado. Com empuxo constante, a razão máxima (aceleração máxima do veículo) é alcançada pouco antes de o propelente ser totalmente consumido. Cada foguete tem uma curva característica de empuxo-peso, ou curva de aceleração, não apenas uma quantidade escalar.
A relação empuxo / peso de um motor é maior do que a do veículo de lançamento completo, mas mesmo assim é útil porque determina a aceleração máxima que qualquer veículo usando aquele motor poderia teoricamente atingir com propulsor mínimo e estrutura acoplada.
Para uma decolagem da superfície da terra usando empuxo e sem sustentação aerodinâmica , a proporção empuxo / peso para todo o veículo deve ser maior que um . Em geral, a razão empuxo-peso é numericamente igual à força-g que o veículo pode gerar. A decolagem pode ocorrer quando a força g do veículo excede a gravidade local (expressa como um múltiplo de g 0 ).
A relação empuxo / peso dos foguetes normalmente excede em muito a dos motores a jato de respiração porque a densidade comparativamente muito maior do combustível do foguete elimina a necessidade de muitos materiais de engenharia para pressurizá-lo.
Muitos fatores afetam a relação empuxo-peso. O valor instantâneo normalmente varia ao longo da duração do voo com as variações no empuxo devido à velocidade e altitude, juntamente com a mudança no peso devido à quantidade de propelente restante e massa de carga útil. Os fatores com maior efeito incluem temperatura do ar de fluxo livre , pressão , densidade e composição. Dependendo do motor ou veículo em consideração, o desempenho real será freqüentemente afetado pela flutuabilidade e força do campo gravitacional local .
Exemplos
O motor de foguete RD-180 de fabricação russa (que alimenta o Atlas V da Lockheed Martin ) produz 3.820 kN de empuxo ao nível do mar e tem uma massa seca de 5.307 kg. Usando a força do campo gravitacional da superfície da Terra de 9,807 m / s², a razão empuxo / peso ao nível do mar é calculada da seguinte forma: (1 kN = 1000 N = 1000 kg⋅m / s²)
Aeronave
Veículo | T / W | Cenário |
---|---|---|
Northrop Grumman B-2 Spirit | 0,205 | Peso máximo de decolagem, potência total |
Airbus A340 | 0,2229 | Peso máximo de decolagem, potência total (A340-300 aprimorado) |
Airbus A380 | 0,227 | Peso máximo de decolagem, potência total |
Boeing 747-8 | 0,269 | Peso máximo de decolagem, potência total |
Boeing 777 | 0,285 | Peso máximo de decolagem, potência total (777-200ER) |
Boeing 737 MAX 8 | 0,310 | Peso máximo de decolagem, potência total |
Airbus A320neo | 0,311 | Peso máximo de decolagem, potência total |
Boeing 757-200 | 0,341 | Peso máximo de decolagem, potência total (c / Rolls-Royce RB211) |
Tupolev Tu-160 | 0,363 | Peso máximo de decolagem, pós-combustores completos |
Concorde | 0,372 | Peso máximo de decolagem, pós-combustores completos |
Rockwell International B-1 Lancer | 0,38 | Peso máximo de decolagem, pós-combustores completos |
BAE Hawk | 0,65 | |
Lockheed Martin F-35 A | 0,87 com combustível cheio (1,07 com 50% de combustível, 1,19 com 25% de combustível) | |
HAL Tejas Mk 1 | 0,935 | Com combustível cheio |
Dassault Rafale | 0,988 | Versão M, 100% combustível, 2 mísseis EM A2A, 2 mísseis IR A2A |
Sukhoi Su-30MKM | 1,00 | Peso carregado com 56% de combustível interno |
McDonnell Douglas F-15 | 1.04 | Carregado nominalmente |
Mikoyan MiG-29 | 1.09 | Combustível interno completo, 4 AAMs |
Lockheed Martin F-22 | > 1,09 (1,26 com peso carregado e 50% de combustível)
|
Carga de combate? |
General Dynamics F-16 | 1.096 | |
Hawker Siddeley Harrier | 1,1 | VTOL |
Eurofighter Typhoon | 1,15 | Configuração do interceptor |
Nave espacial | 1,5 | Decolar |
Nave espacial | 3 | Pico |
Motores a jato e foguete
Motor a jato ou foguete | Massa | Impulso, vácuo |
Relação empuxo- peso |
||
---|---|---|---|---|---|
(kg) | (Libra) | (kN) | (lbf) | ||
Motor de foguete nuclear RD-0410 | 2.000 | 4.400 | 35,2 | 7.900 | 1,8 |
Motor a jato J58 ( SR-71 Blackbird ) | 2.722 | 6.001 | 150 | 34.000 | 5,2 |
Rolls-Royce / Snecma Olympus 593 turbojet com reaquecimento ( Concorde ) |
3.175 | 7.000 | 169,2 | 38.000 | 5,4 |
Pratt & Whitney F119 | 1.800 | 3.900 | 91 | 20.500 | 7,95 |
Motor de foguete RD-0750 , modo de três propelente | 4.621 | 10.188 | 1.413 | 318.000 | 31,2 |
Motor de foguete RD-0146 | 260 | 570 | 98 | 22.000 | 38,4 |
Motor de foguete Rocketdyne RS-25 | 3.177 | 7.004 | 2.278 | 512.000 | 73,1 |
Motor de foguete RD-180 | 5.393 | 11.890 | 4.152 | 933.000 | 78,5 |
Motor de foguete RD-170 | 9.750 | 21.500 | 7.887 | 1.773.000 | 82,5 |
F-1 ( primeiro estágio de Saturno V ) | 8.391 | 18.499 | 7.740,5 | 1.740.100 | 94,1 |
Motor de foguete NK-33 | 1.222 | 2.694 | 1.638 | 368.000 | 136,7 |
Motor de foguete Merlin 1D , versão de empuxo total | 467 | 1.030 | 825 | 185.000 | 180,1 |
Avião de combate
Especificações | Lutadores | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
F-15K | F-15C | MiG-29K | MiG-29B | JF-17 | J-10 | F-35A | F-35B | F-35C | F-22 | LCA Mk-1 | |
Impulso dos motores, máximo (N) | 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) |
Massa da aeronave, vazio (kg) | 17.010 | 14.379 | 12.723 | 10.900 | 06.586 | 09.250 | 13.290 | 14.515 | 15.785 | 19.673 | 6.560 |
Massa da aeronave, combustível cheio (kg) | 23.143 | 20.671 | 17.963 | 14.405 | 8.886 | 13.044 | 21.672 | 20.867 | 24.403 | 27.836 | 9.500 |
Massa da aeronave, máx. carga de decolagem (kg) | 36.741 | 30.845 | 22.400 | 18.500 | 12.700 | 19.277 | 31.752 | 27.216 | 31.752 | 37.869 | 13.300 |
Massa total de combustível (kg) | 06.133 | 06.292 | 05.240 | 03.505 | 02.300 | 03.794 | 08.382 | 06.352 | 08.618 | 08.163 | 02,458 |
Razão T / W, combustível cheio | 1,14 | 1.03 | 1,00 | 1,15 | 0,93 | 0,96 | 0,84 | 0,87 | 0,74 | 1,14 | 0,96 |
Relação T / W, máx. carga de decolagem | 0,72 | 0,69 | 0,80 | 0,89 | 0,65 | 0,65 | 0,57 | 0,67 | 0,57 | 0,84 | 0,69 |
Especificações | Lutadores | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
F-15K | F-15C | MiG-29K | MiG-29B | JF-17 | J-10 | F-35A | F-35B | F-35C | F-22 | LCA Mk-1 | |
Impulso dos motores, máximo (lbf) | 58.320 (2) | 46.900 (2) | 39.682 (2) | 36.600 (2) | 18.300 (1) | 27.557 (1) | 40.000 (1) | 40.000 (1) | 40.000 (1) | 70.000 (2) | 20.200 (1) |
Peso da aeronave vazio (lb) | 37.500 | 31.700 | 28.050 | 24.030 | 14.520 | 20.394 | 29.300 | 32.000 | 34.800 | 43.340 | 14.300 |
Peso da aeronave, combustível cheio (lb) | 51.023 | 45.574 | 39.602 | 31.757 | 19.650 | 28.760 | 47.780 | 46.003 | 53.800 | 61.340 | 20.944 |
Peso da aeronave, máx. carga de decolagem (lb) | 81.000 | 68.000 | 49.383 | 40.785 | 28.000 | 42.500 | 70.000 | 60.000 | 70.000 | 83.500 | 29.100 |
Peso total do combustível (lb) | 13.523 | 13.874 | 11.552 | 07.727 | 05.130 | 08.366 | 18.480 | 14.003 | 19.000 | 18.000 | 05.419 |
Razão T / W, combustível cheio | 1,14 | 1.03 | 1,00 | 1,15 | 0,93 | 0,96 | 0,84 | 0,87 | 0,74 | 1,14 | 0,96 |
Relação T / W, máx. carga de decolagem | 0,72 | 0,69 | 0,80 | 0,89 | 0,65 | 0,65 | 0,57 | 0,67 | 0,57 | 0,84 | 0,69 |
- Tabela para motores a jato e foguete: impulso do jato ao nível do mar
- Densidade do combustível usada nos cálculos: 0,803 kg / l
- O número entre colchetes é o número de motores.
- Para a tabela métrica, a relação T / W é calculada dividindo o empuxo pelo produto do peso da aeronave com combustível cheio e a aceleração da gravidade.
- Os motores que acionam o F-15K são os motores Pratt & Whitney.
- O peso vazio do MiG-29K é uma estimativa.
- A classificação do motor do JF-17 é RD-93.
- JF-17 se acoplado com seu motor WS-13, e se esse motor cumprir o prometido 18.969 lb, então a relação T / W torna-se 1,10
- O peso vazio e o peso com combustível do J-10 são estimativas.
- A classificação do motor do J-10 é AL-31FN.
- J-10 se combinado com seu motor WS-10A, e se esse motor obtiver os 132 kN (29.674 lbf) prometidos, a relação T / W torna-se 1,08
Veja também
Referências
- John P. Fielding. Introduction to Aircraft Design , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-65722-8
- Daniel P. Raymer (1989). Projeto de Aeronave: Uma Abordagem Conceitual , Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica, Inc., Washington, DC. ISBN 0-930403-51-7
- George P. Sutton e Oscar Biblarz. Rocket Propulsion Elements , Wiley, ISBN 978-0-471-32642-7