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

Relação empuxo-peso do veículo foguete vs impulso específico para diferentes tecnologias de propelente

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

Tabela a: Relações empuxo-peso, pesos de combustível e pesos de diferentes aviões 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
Tabela b: Relações empuxo-peso, pesos de combustível e pesos de diferentes aviões de caça (nas unidades habituais dos Estados Unidos)
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

Notas

links externos