Zobaczmy, jakie są oszczędności:

Średniej wielkości samolot pasażerski przewozi około 20% swojej masy w paliwie. Paliwo to ma gęstość energii 43 MJ na kg. Co najwyżej 40% tej energii chemicznej jest przetwarzane na pracę użytkową. Heck, zróbmy to 25%, więc jesteśmy naprawdę konserwatywni. Zatem energia na całą podróż wynosi $$ E _ {\ text {trip}} = 0,2 \ cdot 0,25 \ cdot 43 000 000 \, \ frac {\ mathrm {J}} {\ mathrm {kg}} \ cdot \ text { masa} = 2,150,000 \, \ frac {\ mathrm {J}} {\ mathrm {kg}} \ cdot \ text {masa} $$

Teraz załóżmy, że ten samolot oszczędza energię potrzebną do przyspieszenia od 0 do 150 węzłów za pomocą katapulty. Ta energia wynosi $$ E _ {\ text {accel}} = \ frac {v _ {\ text {takeoff}} ^ 2 - v_0 ^ 2} {2} \ cdot \ text {masa} = 2,977,35 \, \ frac {\ mathrm {m} ^ 2} {\ mathrm {s} ^ 2} \ cdot \ text {masa} $$

Ponieważ wybrałem jednostki metryczne, konwersja jest łatwa: $ 1 \, \ mathrm {J} = 1 \, \ mathrm {Ws} = 1 \, \ frac {\ mathrm {kg} \ cdot \ mathrm {m.} ^ 2} {\ mathrm {s} ^ 2} $. Używam $ \ text {mass} $ jako masy startowej, więc myślisz, że nie jest to jednostka metr. Teraz umieśćmy to proporcjonalnie: $$ \ frac {E _ {\ text {accel}}} {E _ {\ text {trip}}} = 0,001385 $$

Korzystanie z katapulty oszczędza 0,1385% energia potrzebna do przelotu typowego samolotu pasażerskiego, przy założeniu takiej samej sprawności podczas przyspieszania jak podczas lotu. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że silniki odrzutowe są najbardziej wydajne podczas rejsu, podwojmy zapotrzebowanie paliwa na przyspieszenie do 0,277%. To prawda, że ​​jest to bardziej dla lotów krótkiego zasięgu, ale nadal nie ma znaczenia, co jest potrzebne do przesunięcia samolotu na 10 km w górę, a następnie na kilkaset mil w powietrzu z prędkością 0,8 Macha. Pod względem masy paliwa te 0,277% pobierane jest z 20% masy startowej. Zatem paliwo potrzebne do przyspieszenia do v _0 $ jest równe 0,000554 razy masa startowa.

Aby wystrzelenie katapulty było możliwe, musisz dodać trochę siły do ​​przedniego podwozia i przedniego kadłuba. Typowy ułamek masy startowej do lądowania wynosi około 3%, a podwozie to 10% - 15% z tego, więc $ m _ {\ text {nosegear}} = 0,00375 \ cdot \ text {mass} $. W porównaniu z masą przedniego koła, oszczędność paliwa dzięki wystrzeleniu z katapulty wynosi $ \ frac {0.000554} {0,00375} = 0,0148 $, czyli 15% masy przedniego koła zębatego. Zatem wzmocnienia muszą dodać mniej niż 15% do masy przedniego koła zębatego.

Jeśli przyjmiemy przyspieszenie ½ g = 4,903 m / s², rozbieg powinien przyspieszyć do 150 węzłów wynosi 607 m. Spodziewam się, że nawet to umiarkowane przyspieszenie (które wymaga siły uciągu o połowę siły nośnej przy starcie) przełożyłoby się na znacznie większe przyrosty masy niż te 15% masy przedniego koła zębatego.

Z inżynieryjnego punktu widzenia byłoby możliwe zaprojektowanie jakiegoś rodzaju wspomaganego naziemnie mechanizmu startowego dla samolotów pasażerskich, mimo że wszelkie opisane przez ciebie korzyści znacznie przeważałyby nad nowymi wadami, jak opisano w innych odpowiedziach .

Jest jednak jedna nowa kwestia, którą moim zdaniem warto przedstawić. Krótszy rozbieg, który by to oznaczał, nie jest sam w sobie zaletą, ale wadą.

Czas spędzony na zwiększaniu prędkości na pasie startowym z silnikami na pełnej mocy wynosi cenny. To szansa na upewnienie się, że one i pozostałe systemy samolotu działają poprawnie. Jeśli wystąpi awaria, taka jak utrata mocy lub nagły spadek ciśnienia hydraulicznego, rozbieg jest dobrym miejscem na to, ponieważ daje załodze możliwość bezpiecznego przerwania.

Ta szansa zostałaby utracona podczas wspomaganego startu.

Wszystkim brakuje najbardziej oczywistej odpowiedzi: moglibyście, ale poza kilkoma młodymi ćpunami adrenaliny nikt inny nie chciałby na nim jeździć.

Jedynym prawdziwym celem startu wspomaganego katapultą jest zapewnić i samolotom szybkie przyspieszenie do Vr i dalej poza krótkim lotniskiem. Ponieważ praktycznie wszystkie lotniska wykorzystywane do dużych operacji komercyjnych mają pasy startowe o długości co najmniej 1 mili lub większej, nie ma kryzysu infrastrukturalnego, który by na to wskazywał.

Gdybyś miał lotnisko, które było tak mały, że wymagał startu CATO, aby wzbić odrzutowce w powietrze, stajesz także przed zadaniem wylądowania ich również na małej przestrzeni. Wymagałoby to również wyposażenia pola w sprzęt zatrzymujący.

Jak wskazano powyżej, żadne istniejące samoloty nie są zaprojektowane do startu i odzyskiwania przy użyciu tych systemów, więc nawet przy inwestycji w infrastrukturę CATOBAR dla lotniska, żaden zarobkowy przewoźnik lotniczy nie może z niego skorzystać. I nie oferuje praktycznie żadnych oszczędności paliwa dla linii lotniczych.

I nie zapominajmy tutaj o czynnikach ludzkich: jeśli weźmiemy operacje CATOBAR na lotniskowcach wojskowych jako miernik wydajności, koci strzał wymaga 2-2,5 G obciążenie statku powietrznego przyspieszeniem podczas skoku startu i spowolnienie 2-2,5 G podczas zatrzymania lądowania. Chociaż jestem pewien, że dwudziestokilkuletni ćpun adrenaliny poczuje dreszczyk emocji, jeśli to zrobi, będzie to nieprzyjemne doświadczenie dla większości ludzi i dość niebezpieczne dla osób starszych, zakażonych, kobiet w ciąży itp.

Należy pamiętać, że w przeciwieństwie do samolotów wojskowych, samoloty cywilne są projektowane z myślą o komforcie i ekonomii.

Uzyskanie jakiegokolwiek typowego samolotu pasażerskiego przystosowanego do użycia katapulty oznaczałoby wzmocnienie ramy i konstrukcji samolotu (a tym samym prawdopodobnie waga); wzmocnione lub w inny sposób wzmocnione skrzydła i mocowania silnika, możliwe modyfikacje kół i podwozia - wszystko to zwiększa wagę, co oznacza koszty, ponieważ potrzeba więcej paliwa (lub mniej pasażerów można by przewieźć), pochłaniając wszelkie możliwe oszczędności.

Nie zapominajmy o zmodyfikowaniu pasów startowych (dalsze koszty) i nieuniknionych opóźnieniach związanych z zamknięciem pasów startowych, a także o dodatkowych opóźnieniach, ponieważ mechanizm katapulty musi być „resetowany” po każdym starcie.

Nie wspominając o tym, że pasażerom nie podoba się fakt, że są wstrząśnięci podczas łagodnych turbulencji - wyobraź sobie, jak popularny będziesz, jeśli zamierzasz zestrzelić ich jak z procy.

Nie możemy tego zrobić, ponieważ istnieje 0 samolotów komercyjnych zaprojektowanych z myślą o katapultach.

Twoje założenie, że doprowadziłoby to do oszczędności, jest błędne na wielu poziomach. Najważniejsze byłoby to, że:

Rzut na start (część, w której działają katapulty) trwa tylko kilka sekund.

Ponadto:

1. Do wznoszenia potrzebujesz pełnej mocy, więc nie możesz zejść na gaz
2. Nie możesz przyspieszyć dużo szybciej ze względu na stres związany z płatowcem i pasażerami

Katapulta pomogłaby ci przyspieszyć od 0 do V1, ale nie może zrobić nic, aby pomóc ci wspiąć się na poziom rejsu.

Dodanie nowego systemu byłoby bardzo kosztowne, niepraktyczne i zaoszczędziłoby tylko kilka sekund przyspieszenia.

Dla mnie sedno sprowadza się do tego.

Aby osiągnąć prędkość wznoszenia od 0, potrzeba x energii. Jeśli ta energia pochodzi z „ziemi” za pośrednictwem katapulty lub silników, nie ma realnych oszczędności. Nadal musisz wydać energię. Jedynymi oszczędnościami mogą być koszty paliwa do wytworzenia tej energii. Jednak nawet jeśli oszczędności w kosztach paliwa są ekstremalne, całkowita energia wydatkowana na dotarcie na wysokość przelotową jest niewielka w porównaniu z energią zużytą na utrzymanie samolotu na tej wysokości. Koszt utrzymania katapulty prawdopodobnie przewyższyłby koszt „dodatkowego” paliwa potrzebnego do wytworzenia przez silniki energii wznoszenia.

Pamiętaj, że katapulty na lotniskowcach nie są używane ze względu na oszczędność kosztów, ponieważ nie ma innego sposobu na rozpędzenie samolotu na tak krótkim pasie startowym. Wraz ze wzrostem popularności VTOL, katapulty są coraz rzadziej używane.

Wiele marynarki wojennej przeszło całkowicie na systemy STOBAR lub STOVL. Wydaje się, że obecne trendy brzmią: „znajdź mi coś więcej niż katapultę, aby wznieść to w powietrze”, nawet jeśli odbywa się to kosztem elastyczności.

Aby zebrać punkty:

• Mniej pas startowy: Nie, nadal muszę wylądować, a nawet jeśli to prawda, bardzo niewiele miejsc jest tak ciasnych, że Pasy startowe nie mogą być przedłużane. Może to być kosztowne, ale do diabła, Japonia (tak mi się wydaje) zbuduje zupełnie nową wyspę na swoje lotnisko.

• Oszczędność paliwa: Może. Jeśli używasz katapulty parowej i wytwarzasz parę węglową, a różnica kosztów na jednostkę pracy między węglem a paliwem odrzutowym była wystarczająca, to tak, może to być oszczędność paliwa. Jednak prawie na pewno zostanie to zrekompensowane kosztami utrzymania.

• Szybsze zawracanie: Nie! Naładowanie katapulty wymaga czasu. To nie jest natychmiastowe. Nie możesz po prostu wystrzelić drugiego samolotu, gdy tylko pierwszy opuści pas startowy. Katapultę trzeba wyregulować, naładować, a następnie wystrzelić. W operacjach wojskowych możesz wystrzelić tylko X jednostek. Jest więc możliwe, że za cały start można by naładować katapultę wojskową. Lotnisko jest jednak ciągłe. Będzie więc czas, kiedy potrzebne będzie ładowanie. Istnieją sposoby obejścia tego problemu, np. „Ładowanie boczne” z dwóch źródeł, tak że gdy jedno się wyczerpuje, drugie ładuje. Ale to jeszcze bardziej zwiększyłoby koszty i złożoność.

Gdyby rzeczywiście istniała korzyść netto dla gospodarki lub bezpieczeństwa, byłyby już używane. Katapulty istnieją wystarczająco długo, aby być sprawdzoną technologią tam, gdzie są używane.

Weź pod uwagę, że niektóre linie lotnicze zmieniły swoje schematy malowania, ponieważ zmniejszyłoby to wystarczająco dużo masy samolotu, aby zaoszczędzić znaczną ilość paliwa lub dodać dodatkowe ładowność. Gdyby przyjrzeli się i wdrożyli takie rzeczy, jestem pewien, że katapulty nie zostałyby przeoczone przez tak długi czas.

Tak, oszczędności paliwa pochodzą z wielu źródeł:

• Wzrost wydajności z wyrzutni naziemnej.
• Oszczędność masy dzięki mniejszemu silnikowi.

Wzrost wydajności. Według tej witryny, B747 zużywa do startu 5700 funtów, z maksymalnie 422 000 funtów. paliwo. To 1,35% paliwa dla samolotu pasażerskiego dalekiego zasięgu, procent dla samolotu krótszego zasięgu byłby wyższy. Katapulta lub elektryczna lina holownicza musiałyby teraz dostarczać energię startową - jeśli są zasilane energią elektryczną, wydajność jest znacznie wyższa. Czynnik powyżej 2 uzyskuje się nie przyspieszając powietrza, ale sam samolot, a moc w cyklu łączonym jest znacznie bardziej wydajna niż pojedyncza turbina gazowa. Z Wikipedii:

Łącząc te liczne strumienie pracy na jednym mechanicznym wale obracającym generator elektryczny, ogólną sprawność netto systemu można zwiększyć o 50– 60%. Oznacza to, że od ogólnej sprawności wynoszącej powiedzmy 34% (w jednym cyklu) do możliwie całkowitej sprawności wynoszącej 62,22% (w mechanicznej kombinacji dwóch cykli) w sprawności termodynamicznej netto Carnota. Można to zrobić, ponieważ silniki cieplne są w stanie wykorzystać tylko część energii wytwarzanej przez ich paliwo (zwykle mniej niż 50%). W zwykłym silniku cieplnym (bez cyklu kombinowanego) pozostałe ciepło (np. Gorące spaliny) ze spalania jest generalnie marnowane.

Tak więc w samolocie powietrze jest przyspieszane w procesie termodynamicznym z 35% wydajnością. Wystrzelony przez katapultę, samolot jest przyspieszany w procesie termodynamicznym z ponad 60% wydajnością. Całkowity przyrost wydajności to współczynnik 2 podany powyżej, razy 60/35 = 3,4 razy wyższy. Prowadzi do 5700 / 3,4 = 1700 funtów wymaganych do startu katapulty. Potencjalna oszczędność 4000 funtów przy każdym starcie B747. Oczywiście, wiele z tego jest negowane przez posiadanie silników pracujących na obrotach, które pozwalają na wznoszenie zaraz po starcie, ale nawet oszczędność 1000 funtów / ciężki samolot zapewniłaby niesamowitą roczną oszczędność na ruchliwym lotnisku, takim jak O ' Zając.

Oszczędność wagi . Airbus stara się to uzasadnić (teraz za ścianą autoryzacyjną). Maksymalny ciąg jest używany tylko podczas startu, wspomagany start oznaczałby lżejsze silniki i związane z tym mniejsze spalanie paliwa. Z artykułu:

Posłuchaj zmieniającego się dźwięku silników podczas lotu i to oczywiste: podczas startu samolot zużywa więcej rezerw mocy niż w jakimkolwiek innym momencie. Moc potrzebna do startu jest określana na podstawie wielu czynników - w tym długości drogi startowej, prędkości wiatru, temperatury i masy samego samolotu.

Jednak ta moc startowa jest wymagana tylko dla bardzo krótka część całego lotu. Po przelocie nad głową samolot nie potrzebuje aż tyle, aby utrzymać wysokość. Dlaczego więc nie pozyskać energii potrzebnej do startu z innowacji zainstalowanej na ziemi? Czy można usunąć ciężar (i ciężar) z samego samolotu?

Wspomagany start - przy użyciu pewna forma przyspieszenia napędzanego - oznaczałaby, że samolot mógłby być lżejszy, z mniejszymi silnikami zużywającymi mniej paliwa.

Oznacza to oszczędność paliwa, oprócz paliwa zaoszczędzonego na start.

Jak dotąd wydaje się, że wszystkie odpowiedzi skupiały się na krótkiej, płaskiej katapulty, podobnie jak na pokładzie lotniskowca. To ma wady wymienione w wielu odpowiedziach, ale co by było, gdyby była to rampa? Może to być standardowa, lekko podwyższona płaska powierzchnia lub zakrzywiona rampa, która zmienia kąt wykładniczo. Powiedzmy, że przebudowujemy istniejące lotnisko. To daje nam do jednej mili poziomej, którą moglibyśmy wykorzystać podczas naszego biegu katapultą.

Zalety:

• Może przyspieszać wolniej, ale przez dłuższy czas, pozwalając na spokojniejszą jazdę przez zarówno samolot, jak i pasażerowie.
• W zależności od tego, czy jest to płaska, czy zakrzywiona rampa, może wystrzelić do kilkuset stóp w niebo przy przyzwoitym kącie natarcia.
• Prędkość startu może być zbliżona do maksymalnej prędkości samolotu zamiast tylko nad tym, co jest potrzebne, aby wzbić się w powietrze, oszczędzając paliwo, ponieważ łatwiej jest utrzymać prędkość niż przyspieszać do jednego.
• Lądowanie może odbywać się tylko w jednym kierunku, ale grawitacja pomaga w hamowaniu, pozwala na większe zwalnianie i, miejmy nadzieję, skraca czas z pasa startowego do terminalu.
• Mniejsze prawdopodobieństwo obcięcia ogona podczas lądowania, ponieważ kąt rampy sprawi, że ogon będzie proporcjonalnie wyższy.

Wady:

• Twój samolot może spaść / zostać zdmuchnięty z rampy podczas lądowania / startu.
• Samoloty nie przystosowane do katapulty mogą nie móc wystartować z lotniska po wylądowaniu (w zależności od rampy i typu samolotu, a także przeważających wiatrów).
• Wspomniane wcześniej, ale lądowanie w większości kończy się jako lot jednokierunkowy powietrze, więc jeśli wiatr jest przeciwko tobie, będziesz musiał przekierować.

Łagodzenie:

• Zbuduj rampę w pobliżu istniejącego pasa startowego, ale nie na jego szczycie. Ponieważ koniec rampy jest dość wysoki, pod nią można wstawić inne konstrukcje, takie jak hangary. Pozwoliłoby to zaoszczędzić miejsce i umożliwić regularne / samodzielne starty i lądowania statków powietrznych na zwykłym pasie startowym, ale mogłoby mieć poważne konsekwencje, gdyby statek powietrzny spadł z boku.
• Biorąc pod uwagę długość rampy, możemy użyć jakiegoś szybkiego traktora lub odpychacza zamiast specjalnej katapulty, co zmniejszyłoby czas przeładowania / kalibracji - ten sam pojazd holuje samolot na pas startowy, a następnie jedzie bardzo szybko z nim (ok, trochę machania ręką, ale wiele wędrujących „jednostek katapulty” to pomysł, który wymaga tylko rozwiązania).