Relación empuje-peso es un adimensional relación de empuje a peso de un cohete , motor de reacción , de la hélice del motor, o un vehículo propulsado por un motor de tal manera que es un indicador del rendimiento del motor o vehículo.
La relación de empuje a peso instantánea de un vehículo varía continuamente durante el funcionamiento debido al consumo progresivo de combustible o propulsor y, en algunos casos, al gradiente de gravedad . La relación de empuje a peso basada en el empuje y el peso iniciales a menudo se publica y se utiliza como una figura de mérito para la comparación cuantitativa del rendimiento inicial de un vehículo.
Cálculo
La relación empuje-peso se puede calcular dividiendo el empuje (en unidades SI - en newtons ) por el peso (en newtons) del motor o vehículo y es una cantidad adimensional. Tenga en cuenta que el empuje también se puede medir en libras-fuerza (lbf) siempre que el peso se mida en libras (lb); la división de estos dos valores todavía da la relación empuje-peso numéricamente correcta. Para una comparación válida de la relación de empuje a peso inicial de dos o más motores o vehículos, el empuje debe medirse en condiciones controladas.
Aeronave
La relación empuje-peso y la carga alar son los dos parámetros más importantes para determinar el rendimiento de una aeronave. [1] Por ejemplo, la relación empuje-peso de un avión de combate es un buen indicador de la maniobrabilidad del avión. [2]
La relación empuje-peso varía continuamente durante un vuelo. El empuje varía con el ajuste del acelerador, la velocidad del aire , la altitud y la temperatura del aire. El peso varía con el consumo de combustible y los cambios en la carga útil. En el caso de las aeronaves, la relación empuje-peso citada suele ser el empuje estático máximo al nivel del mar dividido por el peso máximo de despegue . [3] Las aeronaves con una relación empuje-peso superior a 1: 1 pueden cabecear hacia arriba y mantener la velocidad hasta que el rendimiento disminuya a mayor altitud. [4]
En vuelo de crucero, la relación de empuje a peso de un avión es la inversa de la relación de sustentación a arrastre porque el empuje es lo opuesto a la resistencia y el peso es lo opuesto a la sustentación. [5] Un avión puede despegar incluso si el empuje es menor que su peso: si la relación entre sustentación y arrastre es mayor que 1, la relación entre empuje y peso puede ser menor que 1, es decir, se necesita menos empuje para levantar el avión. el suelo que el peso del avión.
Aeronaves propulsadas por hélice
Para aviones propulsados por hélice, la relación empuje / peso se puede calcular de la siguiente manera: [6]
dónde es la eficiencia de propulsión (normalmente 0,8),es la potencia del eje del motor , yes la velocidad aérea real en pies por segundo.
Cohetes
La relación empuje-peso de un cohete, o vehículo propulsado por cohete, es un indicador de su aceleración expresada en múltiplos de aceleración gravitacional g. [7]
Los cohetes y los vehículos propulsados por cohetes operan en una amplia gama de entornos gravitacionales, incluido el entorno ingrávido . La relación de empuje a peso se calcula generalmente a partir del peso bruto inicial al nivel del mar en la Tierra [8] y, a veces, se le llama relación de empuje a peso de la Tierra . [9] La relación empuje-peso de la Tierra de un cohete o vehículo propulsado por cohete es un indicador de su aceleración expresada en múltiplos de la aceleración gravitacional de la Tierra, g 0 . [7]
La relación empuje-peso de un cohete varía a medida que se quema el propulsor. Si el empuje es constante, entonces la relación máxima (máxima aceleración del vehículo) se logra justo antes de que el propulsor se consuma por completo. Cada cohete tiene una curva característica de empuje-peso o curva de aceleración, no solo una cantidad escalar.
La relación empuje-peso de un motor excede la de todo el vehículo de lanzamiento, pero no obstante es útil porque determina la aceleración máxima que cualquier vehículo que use ese motor podría lograr teóricamente con un mínimo de propulsor y estructura adjunta.
Para un despegue desde la superficie de la tierra usando empuje y sin sustentación aerodinámica , la relación empuje-peso para todo el vehículo debe ser más de uno . En general, la relación empuje-peso es numéricamente igual a la fuerza g que puede generar el vehículo. [7] El despegue puede ocurrir cuando la fuerza g del vehículo excede la gravedad local (expresada como un múltiplo de g 0 ).
La relación empuje / peso de los cohetes típicamente excede en gran medida a la de los motores a reacción con aire porque la densidad comparativamente mucho mayor del combustible para cohetes elimina la necesidad de muchos materiales de ingeniería para presurizarlo.
Muchos factores afectan la relación empuje-peso. El valor instantáneo típicamente varía durante el vuelo con las variaciones de empuje debido a la velocidad y altitud junto con el peso debido al propulsor restante y la masa de carga útil. Los principales factores incluyen la temperatura , la presión , la densidad y la composición del aire de la corriente libre . Dependiendo del motor o vehículo considerado, el rendimiento real a menudo se verá afectado por la flotabilidad y la intensidad del campo gravitacional local .
Ejemplos de
El motor de cohete RD-180 de fabricación rusa (que impulsa el Atlas V de Lockheed Martin ) produce 3.820 kN de empuje al nivel del mar y tiene una masa seca de 5.307 kg. [ cita requerida ] Usando la fuerza del campo gravitacional de la superficie de la Tierra de 9.807 m / s², la relación empuje-peso al nivel del mar se calcula de la siguiente manera: (1 kN = 1000 N = 1000 kg⋅m / s²)
Aeronave
Vehículo | T / W | Guión |
---|---|---|
Northrop Grumman B-2 Spirit | 0,205 [10] | Peso máximo de despegue, máxima potencia |
Airbus A340 | 0.2229 | Peso máximo de despegue, máxima potencia (A340-300 mejorado) |
Boeing 777 | 0,285 | Peso máximo de despegue, máxima potencia (777-200ER) |
Airbus A380 | 0,227 | Peso máximo de despegue, máxima potencia |
Boeing 747-8 | 0,269 | Peso máximo de despegue, máxima potencia |
Boeing 737 MAX 8 | 0.310 | Peso máximo de despegue, máxima potencia |
Airbus A320neo | 0.311 | Peso máximo de despegue, máxima potencia |
Boeing 757-200 | 0.341 | Peso máximo de despegue, máxima potencia (con Rolls-Royce RB211) |
Tupolev Tu-160 | 0.363 | Peso máximo de despegue, postquemadores completos |
Concorde | 0.372 | Peso máximo de despegue, postquemadores completos |
Lancer Rockwell International B-1 | 0,38 | Peso máximo de despegue, postquemadores completos |
BAE Hawk | 0,65 [11] | |
Lockheed Martin F-35 | 0,87 con combustible lleno (1,07 con 50% de combustible, 1,19 con 25% de combustible) | |
HAL Tejas Mk 1 | 0,935 | Con combustible lleno |
Dassault Rafale | 0,988 [12] | Versión M, 100% combustible, 2 misiles EM A2A, 2 misiles IR A2A |
Sukhoi Su-30MKM | 1,00 [13] | Peso cargado con 56% de combustible interno |
McDonnell Douglas F-15 | 1.04 [14] | Cargado nominalmente |
Mikoyan MiG-29 | 1.09 [15] | Combustible interno lleno, 4 AAM |
Lockheed Martin F-22 | > 1,09 (1,26 con peso cargado y 50% de combustible) [16] | ¿Carga de combate? |
Dinámica general F-16 | 1.096 [ cita requerida ] | |
Hawker Siddeley Harrier | 1.1 [ cita requerida ] | VTOL |
Eurofighter Typhoon | 1,15 [17] | Configuración del interceptor |
Transbordador espacial | 1,5 | Despegar |
Transbordador espacial | 3 | Cima |
Motores a reacción y cohetes
Motor a reacción o cohete | Masa | Empuje, vacío | Relación empuje- peso | ||
---|---|---|---|---|---|
(kg) | (libras) | (kN) | (lbf) | ||
Motor de cohete nuclear RD-0410 [18] [19] | 2.000 | 4.400 | 35,2 | 7900 | 1.8 |
Motor a reacción J58 ( SR-71 Blackbird ) [20] [21] | 2,722 | 6,001 | 150 | 34 000 | 5.2 |
Rolls-Royce / Snecma Olympus 593 turborreactor con recalentamiento ( Concorde ) [22] | 3,175 | 7.000 | 169,2 | 38.000 | 5.4 |
Pratt y Whitney F119 [23] | 1.800 | 3.900 | 91 | 20,500 | 7,95 |
Motor cohete RD-0750 , modo de tres propulsores [24] | 4.621 | 10.188 | 1.413 | 318.000 | 31,2 |
Motor de cohete RD-0146 [25] | 260 | 570 | 98 | 22.000 | 38,4 |
Motor cohete Rocketdyne RS-25 [26] | 3,177 | 7,004 | 2,278 | 512 000 | 73,1 |
Motor cohete RD-180 [27] | 5.393 | 11,890 | 4.152 | 933 000 | 78,5 |
Motor de cohete RD-170 | 9,750 | 21.500 | 7.887 | 1,773,000 | 82,5 |
F-1 ( primera etapa de Saturno V ) [28] | 8.391 | 18,499 | 7.740,5 | 1,740,100 | 94,1 |
Motor de cohete NK-33 [29] | 1,222 | 2.694 | 1,638 | 368.000 | 136,7 |
Motor cohete Merlin 1D , versión de empuje completo [30] | 467 | 1.030 | 825 | 185.000 | 180,1 |
Avión de combate
Especificaciones | Luchadores | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
F-15K | F-15C | MiG-29K | MiG-29B | JF-17 | J-10 | F-35A | F-35B | F-35C | F-22 | LCA Mk-1 | |
Empuje de los 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) |
Masa de la aeronave, vacía (kg) | 17.010 | 14.379 | 12,723 | 10,900 | 06.586 | 09,250 | 13,290 | 14,515 | 15,785 | 19,673 | 6.560 |
Masa de la aeronave, combustible lleno (kg) | 23,143 | 20,671 | 17,963 | 14,405 | 08,886 | 13,044 | 21,672 | 20,867 | 24,403 | 27,836 | 9.500 |
Masa de la aeronave, máx. carga de despegue (kg) | 36,741 | 30,845 | 22,400 | 18.500 | 12,700 | 19,277 | 31,752 | 27,216 | 31,752 | 37,869 | 13,300 |
Masa total de combustible (kg) | 06,133 | 06,292 | 05,240 | 03,505 | 02,300 | 03,794 | 08,382 | 06,352 | 08,618 | 08,163 | 02,458 |
Relación T / W, combustible lleno | 1,14 | 1.03 | 1,00 | 1,15 | 0,93 | 0,96 | 0,84 | 0,87 | 0,74 | 1,14 | 0,96 |
Relación T / W, máx. carga de despegue | 0,72 | 0,69 | 0,80 | 0,89 | 0,65 | 0,65 | 0,57 | 0,67 | 0,57 | 0,84 | 0,69 |
Especificaciones | Luchadores | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
F-15K | F-15C | MiG-29K | MiG-29B | JF-17 | J-10 | F-35A | F-35B | F-35C | F-22 | LCA Mk-1 | |
Empuje de 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 de la aeronave en vacío (lb) | 37,500 | 31,700 | 28.050 | 24.030 | 14,520 | 20,394 | 29,300 | 32 000 | 34.800 [31] | 43.340 | 14.300 |
Peso de la aeronave, combustible lleno (lb) | 51,023 | 45,574 | 39,602 | 31,757 | 19,650 | 28,760 | 47,780 | 46,003 | 53.800 | 61,340 | 20,944 |
Peso de la aeronave, máx. carga de despegue (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 de combustible (lb) | 13,523 | 13,874 | 11,552 | 07,727 | 05,130 | 08,366 | 18,480 | 14,003 | 19.000 [31] | 18.000 | 05,419 |
Relación T / W, combustible lleno | 1,14 | 1.03 | 1,00 | 1,15 | 0,93 | 0,96 | 0,84 | 0,87 | 0,74 | 1,14 | 0,96 |
Relación T / W, máx. carga de despegue | 0,72 | 0,69 | 0,80 | 0,89 | 0,65 | 0,65 | 0,57 | 0,67 | 0,57 | 0,84 | 0,69 |
- Tabla para motores a reacción y cohetes: el empuje de la reacción está al nivel del mar
- Densidad de combustible utilizada en los cálculos: 0,803 kg / l
- El número entre paréntesis es el número de motores.
- Para la tabla métrica, la relación T / W se calcula dividiendo el empuje por el producto del peso total del avión de combustible y la aceleración de la gravedad.
- Los motores que impulsan el F-15K son los motores Pratt & Whitney.
- El peso vacío del MiG-29K es una estimación.
- La clasificación del motor del JF-17 es RD-93.
- JF-17 si está acoplado con su motor WS-13, y si ese motor obtiene sus 18,969 libras prometidas, entonces la relación T / W se convierte en 1.10
- El peso vacío y el peso de combustible del J-10 son estimaciones.
- La clasificación del motor del J-10 es de AL-31FN.
- J-10 si está acoplado con su motor WS-10A, y si ese motor obtiene los 132 kN prometidos (29,674 lbf), entonces la relación T / W se convierte en 1.08
Ver también
- Relación peso-potencia
- Factor de seguridad
Referencias
- John P. Fielding. Introducción al diseño de aeronaves , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-65722-8
- Daniel P. Raymer (1989). Diseño de aeronaves: un enfoque conceptual , Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, Inc., Washington, DC. ISBN 0-930403-51-7
- George P. Sutton y Oscar Biblarz. Elementos de propulsión de cohetes , Wiley, ISBN 978-0-471-32642-7
Notas
- ^ Daniel P. Raymer, Diseño de aviones: un enfoque conceptual , sección 5.1
- ^ John P. Fielding, Introducción al diseño de aeronaves , Sección 4.1.1 (p.37)
- ^ John P. Fielding, Introducción al diseño de aeronaves , Sección 3.1 (p.21)
- ^ Nickell, Paul; Rogoway, Tyler (9 de mayo de 2016). "Cómo es volar el F-16N Viper, el legendario Hotrod de Topgun" . El Drive . Consultado el 31 de octubre de 2019 .
- ^ Daniel P. Raymer, Diseño de aeronaves: un enfoque conceptual , Ecuación 5.2
- ^ Daniel P. Raymer, Diseño de aeronaves: un enfoque conceptual , ecuaciones 3.9 y 5.1
- ^ a b c George P. Sutton & Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements (p. 442, 7a edición) "La relación empuje-peso F / W g es un parámetro adimensional que es idéntico a la aceleración del sistema de propulsión del cohete ( expresado en múltiplos de g 0 ) si pudiera volar por sí mismo en un vacío sin gravedad "
- ^ George P. Sutton y Oscar Biblarz, Elementos de propulsión de cohetes (p. 442, 7ª edición) "El peso cargado W g es el peso bruto inicial al nivel del mar del propulsor y el hardware del sistema de propulsión de cohetes".
- ^ "Relación empuje-peso-tierra" . La Enciclopedia de Ciencias de Internet. Archivado desde el original el 20 de marzo de 2008 . Consultado el 22 de febrero de 2009 .
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El Merlin 1D pesa 1030 libras, incluidos los actuadores de dirección hidráulica (TVC). Produce 162,500 libras de empuje en vacío. eso es casi 158 empuje / peso. La nueva variante de empuje completo pesa lo mismo y genera alrededor de 185,500 libras de fuerza en vacío.
- ^ a b "Sitio web de Lockheed Martin" . Archivado desde el original el 4 de abril de 2008.
enlaces externos
- Página web de la NASA con descripción general y diagrama explicativo de la relación empuje / peso de la aeronave