ระยะทางรวมสูงสุดคือระยะทางสูงสุดที่เครื่องบินสามารถบินได้ระหว่างการขึ้นและลงจอดระยะ ทาง ของเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์จะถูกจำกัดโดยความจุในการเก็บพลังงานเชื้อเพลิงการบิน (ทางเคมีหรือทางไฟฟ้า) โดยพิจารณาจากทั้งน้ำหนักและปริมาตร [1] ระยะทาง ของเครื่องบินที่ไม่ใช้เครื่องยนต์จะขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ความเร็วในการบินข้ามประเทศและสภาพแวดล้อม ระยะทางสามารถมองได้ว่าเป็นความเร็วภาคพื้นดิน ในการบินข้ามประเทศ คูณด้วยเวลาสูงสุดในอากาศ ขีดจำกัดเวลาเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์จะถูกกำหนดโดยเชื้อเพลิงที่มีอยู่ (โดยพิจารณาจากความต้องการเชื้อเพลิงสำรอง) และอัตราการบริโภค
เครื่องบินบางลำสามารถรับพลังงานได้ขณะอยู่บนอากาศผ่านสภาพแวดล้อม (เช่น รวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์หรือจากกระแสลมที่พัดขึ้นจากการยกตัวของเครื่องจักรหรือความร้อน) หรือจากการเติมเชื้อเพลิงระหว่างเที่ยวบิน เครื่องบินเหล่านี้สามารถบินได้ไม่จำกัดระยะทางตามทฤษฎี
ระยะทางการบินข้ามฟากหมายถึงระยะทางสูงสุดที่เครื่องบิน จะทำการ บินข้ามฟากได้ โดยปกติหมายถึง ปริมาณ เชื้อเพลิง สูงสุด โดยอาจมีถังเชื้อเพลิงเพิ่มเติมและอุปกรณ์ขั้นต่ำก็ได้ หมายถึงการขนส่งเครื่องบินโดยไม่มีผู้โดยสารหรือสินค้าใดๆ
รัศมีการรบเป็นการวัดที่เกี่ยวข้องโดยพิจารณาจากระยะทางสูงสุดที่เครื่องบินรบสามารถเดินทางจากฐานปฏิบัติการ บรรลุวัตถุประสงค์บางอย่าง และกลับมายังสนามบินเดิมพร้อมเงินสำรองขั้นต่ำ
สำหรับเครื่องบินไร้เครื่องยนต์ส่วนใหญ่ เวลาบินสูงสุดจะแปรผันตามชั่วโมงแสงแดดที่มี การออกแบบเครื่องบิน (ประสิทธิภาพ) สภาพอากาศ พลังงานศักย์ของเครื่องบิน และความทนทานของนักบิน ดังนั้นสมการระยะทางจึงคำนวณได้เฉพาะสำหรับเครื่องบินที่มีเครื่องยนต์เท่านั้น สมการนี้จะถูกนำมาคำนวณสำหรับทั้งเครื่องบินใบพัดและเครื่องบินไอพ่น หากมวลรวมของเครื่องบินในเวลาใดเวลาหนึ่งคือ: โดยที่คือมวลเชื้อเพลิงเป็นศูนย์และมวลเชื้อเพลิง อัตราการใช้เชื้อเพลิงต่อหน่วยเวลาการไหลจะเท่ากับ
อัตราการเปลี่ยนแปลงของมวลเครื่องบินตามระยะทางคือ โดยที่คือ ความเร็ว ดังนั้น
ดังนั้นจะได้ช่วงจากอินทิกรัลจำกัดด้านล่างโดย มี เวลาเริ่มต้นและเวลาสิ้นสุดตามลำดับ และมวลเครื่องบินเริ่มต้นและสุดท้าย
( 1 ) |
เทอมโดยที่คือ ความเร็ว และคือ อัตราการบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิง เรียกว่าช่วงเฉพาะ (= ช่วงต่อหน่วยมวลของน้ำมันเชื้อเพลิง หน่วย SI: m/kg) ขณะนี้สามารถกำหนดช่วงเฉพาะได้ราวกับว่าเครื่องบินกำลังบินในสภาวะกึ่งคงที่ ในกรณีนี้ จำเป็นต้องสังเกตความแตกต่างระหว่างเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยเจ็ตและเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยใบพัด
ในระบบขับเคลื่อนด้วยใบพัด ความเร็วการบินในระดับที่น้ำหนักเครื่องบินหลายตัวจากสภาวะสมดุลจะถูกบันทึก[ โดยใคร ]สำหรับความเร็วการบินแต่ละครั้งนั้น จะมีค่าประสิทธิภาพการขับเคลื่อนและอัตราการบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิงจำเพาะที่สอดคล้องกัน กำลังเครื่องยนต์ที่ต่อเนื่องกันสามารถหาได้ดังนี้:
ขณะนี้สามารถคำนวณอัตราการไหลของน้ำหนักเชื้อเพลิงที่สอดคล้องกันได้:
แรงขับคือความเร็วคูณด้วยแรงต้าน ซึ่งได้จากอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้านโดย ที่Wgคือน้ำหนัก (แรงเป็นนิวตัน ถ้าWคือมวลเป็นกิโลกรัม) gคือแรงโน้มถ่วงมาตรฐาน (ค่าที่แน่นอนจะแตกต่างกันไป แต่โดยเฉลี่ยอยู่ที่ 9.81 เมตรต่อวินาที2 )
อินทิกรัลช่วง โดยถือว่าการบินมีอัตราส่วนการยกต่อแรงลากคงที่ จะกลายเป็น
เพื่อให้ได้นิพจน์เชิงวิเคราะห์สำหรับช่วง อัตราการไหลของน้ำหนักเชื้อเพลิงและช่วงที่เฉพาะเจาะจงสามารถเชื่อมโยงกับคุณลักษณะของเครื่องบินและระบบขับเคลื่อนได้ หากสิ่งเหล่านี้คงที่:
เครื่องบินไฟฟ้าที่มีพลังงานจากแบตเตอรี่เพียงอย่างเดียวจะมีมวลเท่ากันเมื่อขึ้นบินและลงจอด เงื่อนไขลอการิทึมที่มีอัตราส่วนน้ำหนักจะถูกแทนที่ด้วยอัตราส่วนโดยตรงระหว่าง โดยที่คือ พลังงานต่อมวลของแบตเตอรี่ (เช่น 150-200 วัตต์ชั่วโมง/กก. สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไออน) ประสิทธิภาพรวม (โดยทั่วไปคือ 0.7-0.8 สำหรับแบตเตอรี่ มอเตอร์ กระปุกเกียร์ และใบพัด) แรงยกต่อแรงลาก (โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 18) และอัตราส่วนน้ำหนักโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 0.3 [2]
พิสัยของเครื่องบินไอพ่นสามารถหาได้เช่นเดียวกัน ตอนนี้ สมมติว่าเที่ยวบินอยู่ในระดับคงที่เกือบคงที่โดยใช้ ความสัมพันธ์นี้ แรงขับสามารถเขียนได้ดังนี้: ในที่นี้Wคือแรงในหน่วยนิวตัน
เครื่องยนต์ไอพ่นมีลักษณะเฉพาะคือแรงขับจะส่งผลต่ออัตราสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงดังนั้น อัตราการไหลของเชื้อเพลิงจึงแปรผันตามแรงลากมากกว่าจะแปรตามกำลัง
โดยใช้สมการ การยก โดยที่คือความหนาแน่นของอากาศและ S คือพื้นที่ปีก จะได้ช่วงจำเพาะเท่ากับ:
การแทรกสิ่งนี้เข้าใน ( 1 ) และถือว่ามีการเปลี่ยนแปลงเท่านั้น ช่วง (เป็นกิโลเมตร) จะกลายเป็น: นี่คือมวลอีกครั้ง
เมื่อบินด้วยความสูงคงที่มุมปะทะ คงที่ และอัตราสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงจำเพาะคงที่ ช่วงดังกล่าวจะ กลายเป็น ช่วงที่ไม่สนใจการบีบอัดในลักษณะอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบิน ขณะที่ความเร็วในการบินลดลงระหว่างบิน
สำหรับเครื่องบินเจ็ตที่บินในชั้นบรรยากาศ (ความสูงประมาณ 11 ถึง 20 กม.) ความเร็วของเสียงจะคงที่โดยประมาณ ดังนั้นการบินด้วยมุมปะทะคงที่และหมายเลขมัค คงที่ จำเป็นต้องให้เครื่องบินไต่ระดับ (เนื่องจากน้ำหนักลดลงเนื่องจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง) โดยไม่เปลี่ยนค่าความเร็วเสียงในพื้นที่ ในกรณีนี้: โดยที่คือหมายเลขมัคในการบินและความเร็วของเสียง W คือน้ำหนัก สมการระยะจะลดลงเหลือ: โดยที่; นี่คือค่าคงที่ความร้อนจำเพาะของอากาศ287.16 J/kg K (ตามมาตรฐานการบิน) และ(ได้มาจากและ) และ เป็น ความจุความร้อนจำเพาะของอากาศที่ความดันคงที่และปริมาตรคงที่ตามลำดับ
หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าสมการระยะของ Breguetตามชื่อผู้บุกเบิกการบินชาวฝรั่งเศสLouis Charles Breguet
เป็นไปได้ที่จะปรับปรุงความแม่นยำของสมการช่วง Breguet โดยการตระหนักถึงข้อจำกัดของความสัมพันธ์ที่ใช้โดยทั่วไปสำหรับการไหลของเชื้อเพลิง:
ในสมการช่วงของ Breguet ถือว่าอัตราการบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิงเฉพาะแรงขับคงที่เมื่อน้ำหนักเครื่องบินลดลง โดยทั่วไปแล้วไม่ใช่การประมาณที่ดี เนื่องจากส่วนสำคัญ (เช่น 5% ถึง 10%) ของการไหลของเชื้อเพลิงไม่ได้สร้างแรงขับ และจำเป็นสำหรับ "อุปกรณ์เสริม" ของเครื่องยนต์ เช่นปั๊มไฮดรอลิกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและระบบ ปรับ แรงดัน อากาศในห้องโดยสาร ที่ขับเคลื่อนด้วยลม
สิ่งนี้สามารถอธิบายได้โดยการขยายสูตรการไหลของเชื้อเพลิงที่สันนิษฐานไว้ในวิธีง่ายๆ โดยที่น้ำหนักรวมของเครื่องบิน เสมือนที่ "ปรับแล้ว" จะถูกกำหนดโดยการเพิ่มน้ำหนัก "อุปกรณ์เสริม" เพิ่มเติมที่คงที่
ที่นี่ อัตราการบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิงเฉพาะแรงขับได้รับการปรับลง และน้ำหนักเครื่องบินเสมือนได้รับการปรับขึ้น เพื่อรักษาการไหลของน้ำมันเชื้อเพลิงที่เหมาะสม ในขณะที่ทำให้อัตราการบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิงเฉพาะแรงขับที่ปรับแล้วคงที่อย่างแท้จริง (ไม่ใช่ฟังก์ชันของน้ำหนักเสมือน)
จากนั้นสมการช่วง Breguet ที่แก้ไขจะกลายเป็น
สมการข้างต้นจะรวมคุณลักษณะด้านพลังงานของเชื้อเพลิงเข้ากับประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ไอพ่น การแยกเงื่อนไขเหล่านี้ออกจากกันมักจะเป็นประโยชน์ การทำเช่นนี้จะทำให้สมการระยะไม่กำหนดมิติ เสร็จสมบูรณ์ในสาขาการออกแบบพื้นฐานของ การบิน
ที่ไหน
โดยให้รูปแบบสุดท้ายของสมการช่วงเชิงทฤษฎี (ไม่รวมปัจจัยการทำงานเช่นลมและเส้นทาง)
ความสูงพลังงานศักย์ธรณีของเชื้อเพลิงเป็นคุณสมบัติเชิงเข้มข้นการตีความทางกายภาพคือความสูงที่เชื้อเพลิงจำนวนหนึ่งสามารถยกขึ้นเองได้ในสนามโน้มถ่วงของโลก (โดยถือว่าคงที่) โดยการแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานศักย์สำหรับเชื้อเพลิงไอพ่น น้ำมันก๊าด คือ 2,376 ไมล์ทะเล (4,400 กม.) หรือประมาณ 69% ของรัศมี โลก
มีสองวิธีทางเลือกที่มีประโยชน์ในการแสดงประสิทธิภาพเชิงโครงสร้าง
ตัวอย่างเช่น หากประสิทธิภาพเครื่องยนต์โดยรวมอยู่ที่ 40% อัตราส่วนการยกต่อแรงลากอยู่ที่ 18:1 และประสิทธิภาพโครงสร้างอยู่ที่ 50% ช่วงเดินทางจะอยู่ที่
สมการระยะอาจขยายเพิ่มเติมเพื่อพิจารณาปัจจัยการปฏิบัติงานโดยรวมประสิทธิภาพการปฏิบัติงาน ("ปฏิบัติการ" สำหรับการปฏิบัติการบิน)
ประสิทธิภาพการทำงานอาจแสดงเป็นผลคูณของเงื่อนไขประสิทธิภาพการทำงานแต่ละข้อ ตัวอย่างเช่น ลมเฉลี่ยอาจนำมาคิดโดยใช้ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วพื้นดิน เฉลี่ย (GS), ความเร็วอากาศจริง (TAS, ค่าคงที่ที่สันนิษฐาน) และ องค์ประกอบ HeadWind เฉลี่ย (HW)
ประสิทธิภาพการกำหนดเส้นทางอาจกำหนดเป็นระยะทางวงกลมใหญ่หารด้วยระยะทางเส้นทางจริง
อุณหภูมิที่ไม่ปกติอาจนำมาคิดได้ด้วยปัจจัยประสิทธิภาพอุณหภูมิ(เช่น 99% ที่อุณหภูมิ 10 องศาเซลเซียสเหนือ อุณหภูมิ บรรยากาศมาตรฐานสากล (ISA))
ปัจจัยประสิทธิภาพการดำเนินงานทั้งหมดสามารถรวบรวมเป็นคำเดียวได้
ในขณะที่ค่าสูงสุดของช่วงที่ระบุจะให้การทำงานช่วงสูงสุด การทำงานล่องเรือระยะไกลโดยทั่วไปจะแนะนำให้ใช้ความเร็วอากาศที่สูงกว่าเล็กน้อย การทำงานล่องเรือระยะไกลส่วนใหญ่ดำเนินการในสภาพการบินที่ให้ระยะเฉพาะสูงสุด 99 เปอร์เซ็นต์ ข้อดีของการทำงานดังกล่าวคือ 1 เปอร์เซ็นต์ของช่วงจะถูกแลกเปลี่ยนกับความเร็วล่องเรือที่สูงขึ้นสามถึงห้าเปอร์เซ็นต์[3]