Muốn cất cánh rời khỏi mặt đất, một máy bay trọng lượng 10000 N cần phải có vận tốc 90 km/h. Cho biết trước khi cất cánh, máy bay chuyển động nhanh dần đều trên đoạn đường băng dài 100 m và có hệ số ma sát là 0,2. Lấy g ≈ 9,8 m/s2. Xác định công suất tối thiểu của động cơ máy bay để đảm bảo cho máy bay có thể cất cánh rời khỏi mặt đất.. Bài 24.12* trang 57 Sách bài tập [SBT] Vật lí 10 – Bài 24: Công Và Công Suất
Muốn cất cánh rời khỏi mặt đất, một máy bay trọng lượng 10000 N cần phải có vận tốc 90 km/h. Cho biết trước khi cất cánh, máy bay chuyển động nhanh dần đều trên đoạn đường băng dài 100 m và có hệ số ma sát là 0,2. Lấy g ≈ 9,8 m/s2. Xác định công suất tối thiểu của động cơ máy bay để đảm bảo cho máy bay có thể cất cánh rời khỏi mặt đất.
Áp dụng định luật II Niu-tơn cho chuyển động của máy bay :
\[F – {F_{ms}} = ma = > F – \mu P = {P \over g}{{{v^2}} \over {2s}}\]
với F là lực kéo của động cơ, Frns là lực ma sát với đường băng, a là gia tốc của máy bay khối lượng m trên đoạn đường băng dài s. Từ đó suy ra :
Quảng cáo\[F = P\left[ {{{{v^2}} \over {2gs}} + \mu } \right] = {10.10^3}\left[ {{{{{25}^2}} \over {2.9,8.100}} + 0,20} \right] \approx 5,{2.10^3}[N]\]
Như vậy, động cơ máy bay phải có công suất tối thiểu bằng:
P = Fv = 5,2.103.25. ≈ 130 kW
Chúng ta thường được biếtcác máy bay thương mại ngày nay thường bay ở tốc độ 640 – 965 km/h. Chúng thường không đi nhanh hơn vì sẽ lãng phí nhiều nhiên liệu và không đảm bảo an toàn. Đối với những người yêu hàng không thì còn chiếc máy bay Concorde -biểu tượng trong lịch sử hàng không có tốc độ lên đến 2.179 km/h
Đơn giản là vậy nhưng trong ngành hàng không có nhiều thuật ngữ để chỉ tốc độ của máy bay như:”Ground speed”,”Airspeed”,”True Air Speed”,”Mach number technique”…
Groundspeed: Được gọi là tốc độ mặt đất, là tốc độ tính theo chiều thẳng đứng của bóng máy bay tham chiếu với mặt đất. Vì thế máy bay nếu bay thẳng đứng sẽ có Groundspeed bằng 0. Các hãng hàng không thường cung cấp cho hành khách tốc độ bay của máy bay là Groundspeed.
Airspeed là thuật ngữ chung có một nhiều biến thể khác nhau. Nếu một máy bay ngồi yên trên đường băng và có gió giật 20km/h, thì máy bay đó đã có vận tốc 20 km/h, mặc dù thực tế là nó không thực sự di chuyển. Điều này là do Airspeed là thước đo tốc độ của không khí trên cánh. Tốc độ của không khí di chuyển trên cánh quyết định lực nâng mà cánh tạo ra và chính lực nâng này cho phép máy bay nâng đỡ trọng lượng của chính nó và cho phép nó bay.
Nếu một máy bay có tốc độ cất cánh là 200km/h nhưng có gió giật 20km/h, thì máy bay sẽ chỉ cần đạt được tốc độ mặt đất 180km/h trước khi có thể cất cánh. Ngược lại, nếu một máy bay có sức gió ở đuôi 20km/h , thì nó sẽ cần phải đạt được tốc độ mặt đất 220km/h để có thể bay lên khỏi mặt đất.Về nguyên tắc, nếu có tốc độ gió phía đầu máy bay 200km/h, máy bay có thể nâng lên khỏi mặt đất mà không cần di chuyển về phía trước!Vì vậy các phi công luôn tham khảo tốc độ bay Airspeed hơn là tốc độ mặt đất vì nó là tốc độ của không khí giữ cho máy bay có thể bay.
Airspeed đối với phi công còn có những thông số quan trọng như:
Indicated airspeed[IAS] là tốc độ hiển thị trên đồng hồ của máy bay
True Airspeed [TAS] là tốc độ bay được chỉ định của máy bay [IAS] được điều chỉnh theo áp suất khí quyển ở độ cao của máy bay do áp suất khí quyển, và do đó lực cản khí động học giảm khi tăng độ cao, True Airspeed bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như vector, nhiệt độ không khí, áp suất khí quyển,..
Thiết kế máy bay siêu thanh của Hermeus. Ảnh: Hermeus
Hermeus đang thử nghiệm động cơ mới có thể đạt tốc độ Mach 5 [6.174 km/h]. Động cơ này được thiết kế dành cho máy bay siêu thanh nhỏ không người lái mà Hermeus chế tạo cho Không quân Mỹ nhưng có thể tăng kích cỡ để dùng cho máy bay chở khách. Hermeus hy vọng có thể thực hiện thử nghiệm bay đầu tiên vào năm 2029.
Mẫu máy bay sẽ nhỏ hơn nhiều so với những máy bay chở khách hiện nay và cả mẫu máy bay siêu thanh huyền thoại Concorde có sức chứa 100 hành khách. "Để tính toán kích thước, chúng tôi chế tạo một mẫu máy bay thương gia cho hãng hàng không. Chúng tôi tập trung vào hạng thương gia và hạng nhất, sau đó xem xét vài thông số như tốc độ và chi phí vận hành. Kết quả là máy bay với cabin 20 hành khách", AJ Piplica, giám đốc điều hành Hermeus, chia sẻ.
Tầm hoạt động của chiếc máy bay sẽ vào khoảng 7.408 km, đủ cho hành trình xuyên đại dương như giữa New York và Paris.
Máy bay lắp động cơ bay nhanh nhất là X-43A của NASA. Mẫu máy bay không người lái dài khoảng 3,7 m này đạt tốc độ Mach 9.6 [11.854 km/h] vào năm 2004. Nhưng chuyến bay đó chỉ kéo dài vài giây, kỷ lục chuyến bay lâu nhất ở tốc độ trên 6.174 km/h thuộc về Boeing X-51, một máy bay thử nghiệm không người lái khác. Boeing X-51 từng bay hơn 3 phút vào năm 2013 ở tốc độ 6.297 km/h. Cả hai máy bay này đều phóng giữa không trung từ máy bay ném bom B-52, sau đó tăng tốc nhờ tên lửa.
Đối với máy bay chở người, kỷ lục tốc độ hiện nay là 8.273 km/h, thiết lập năm 1967 bởi máy bay X-15. Về cơ bản, đây là một tên lửa có chỗ ngồi, được thiết kế để đạt kỷ lục và cũng cần phóng giữa không trung nhờ máy bay B-52. Đối với máy bay phản lực tự cất cánh và hạ cánh, kỷ lục tốc độ chỉ dừng ở 4.075 km/h, thuộc về máy bay quân sự SR-71 Blackbird. Tốc độ tối đa của máy bay Concorde là 2.519 km/h. Do đó, máy bay chở khách của Hermeus sẽ phá vỡ kỷ lục hiện nay dành cho máy bay phản lực nhanh nhất.
Ban đầu, Hermeus tập trung vào phát triển động cơ. Thử nghiệm bắt đầu vào tháng 2/2020 với thiết kế động cơ mới, dựa trên mẫu động cơ hiện hành sử dụng trên máy bay chiến đấu do General Electric sản xuất. Đó sẽ là phiên bản lai giữa hai công nghệ truyền thống là động cơ turbine phản lực phổ biến trên máy bay chở khách và động cơ phản lực dòng thẳng chỉ hoạt động ở tốc độ siêu thanh. Động cơ này sẽ được trang bị cho Quarterhorse, mẫu drone siêu thanh mà Hermeus phát triển trong thương vụ 60 triệu USD với Không quân Mỹ.
Hermeus sẽ sử dụng động cơ lai ở chế độ turbine phản lực khi cất cánh và hạ cánh cũng như ở tốc độ dưới vận tốc âm thanh. Sau đó, động cơ sẽ chuyển dần sang chế độ phản lực dòng thẳng từ tốc độ 3.704 km/h đến 6.174 km/h.
Hermeus sẽ phải xử lý nhiều vấn đề như lựa chọn loại nhiên liệu bền vững bởi mức tiêu thụ của máy bay siêu thanh cao hơn nhiều so với máy bay phản lực thường. Công ty cũng cần xem xét mức nhiệt độ mà thân máy bay có thể chịu được. Tốc độ của mẫu Concorde bị hạn chế nhiều bởi nhiệt độ do cửa sổ và bề mặt bên trong máy bay nóng lên vào cuối chuyến bay. Trong khi đó, mẫu SR-71 Blackbird cần chế tạo bằng kim loại hiếm titan để chịu nhiệt độ cực hạn và kính buồng lái làm từ thạch anh do nhiệt độ mặt ngoài máy bay nóng tới 315 độ C trong lúc làm nhiệm vụ.
An Khang [Theo CNN]
Câu hỏi về việc máy bay cất cánh nhanh như thế nào trong quá trình cất cánh là sự quan tâm của nhiều hành khách. Ý kiến của những người không chuyên nghiệp luôn luôn khác nhau – một người nào đó nhầm lẫn giả định rằng tốc độ luôn giống nhau đối với tất cả các loại máy bay, những người khác tin tưởng chính xác rằng nó khác, nhưng không thể giải thích tại sao. Chúng tôi sẽ cố gắng hiểu chủ đề này.
Cất cánh
Cất cánh là một quá trình mất một dòng thời gian từ khi bắt đầu chuyển động của máy bay đến tách hoàn toàn khỏi đường băng. Cất cánh chỉ có thể xảy ra nếu một trong các điều kiện sau được đáp ứng: lực nâng phải có giá trị lớn hơn giá trị khối lượng của vật thể cất cánh.
Các loại cất cánh
Các yếu tố "can thiệp" khác nhau phải được khắc phục để nâng máy bay lên không khí [điều kiện thời tiết, hướng gió, đường băng hạn chế, công suất động cơ hạn chế, vv], khiến các nhà thiết kế máy bay tạo ra nhiều cách để phá vỡ chúng. Cải thiện không chỉ thiết kế của bộ máy bay, mà còn là quá trình cất cánh của họ. Do đó, một số loại hình cất cánh đã được phát triển:
- Với phanh. Gia tốc của máy bay chỉ bắt đầu sau khi động cơ đạt đến chế độ lực đẩy được thiết lập, và cho đến lúc đó thiết bị được giữ tại chỗ với sự trợ giúp của phanh;
- Một cổ điển đơn giản cất cánh, cho thấy một tập dần các động cơ đẩy trong khi máy bay đang di chuyển dọc theo đường băng;
- Cất cánh với việc sử dụng viện trợ. Đặc trưng của máy bay chở dịch vụ chiến đấu trên tàu sân bay. Khoảng cách đường băng hạn chế được bù đắp bằng việc sử dụng bàn đạp, thiết bị phóng hoặc thậm chí là các động cơ tên lửa bổ sung được lắp đặt trên máy bay;
- Dọc cất cánh. Có thể trong sự hiện diện của động cơ máy bay với một thanh dọc [ví dụ – Yak-38 trong nước]. Các thiết bị như máy bay trực thăng, lần đầu tiên đạt được độ cao từ một vị trí thẳng đứng hoặc trong khi tăng tốc từ một khoảng cách rất nhỏ, và sau đó chuyển sang vận tốc ngang.
Hãy xem xét như một ví dụ giai đoạn cất cánh của một chiếc máy bay Boeing 737.
Cất cánh Boeing 737-800
Hành khách cất cánh Boeing 737
Thực tế, mỗi máy bay dân sự cất cánh trong không khí theo chương trình cổ điển, tức là động cơ đạt được lực kéo cần thiết trực tiếp trong quá trình cất cánh. Nó trông như thế này:
- Chuyển động của máy bay bắt đầu sau khi động cơ đạt khoảng 800 vòng / phút.Phi công dần dần nhả phanh khi giữ núm điều khiển trung lập. Chạy bắt đầu trên ba bánh xe;
- Để bắt đầu hoạt động, Boeing phải có tốc độ khoảng 180 km / h. Khi đạt được giá trị này, phi công nhẹ nhàng kéo tay cầm, dẫn đến độ lệch của các cánh tà và do đó, nâng mũi của thiết bị. Sau đó, máy bay tăng tốc trên hai bánh xe;
- Với một mũi nâng lên trên hai bánh xe, máy bay tiếp tục tăng tốc cho đến khi tốc độ đạt tới 220 km / h. Khi đạt đến giá trị này, mặt phẳng rời khỏi mặt đất.
Tốc độ cất cánh của máy bay điển hình khác
- Airbus A380 – 269 km / h;
- Boeing 747 – 270 km / h;
- IL 96 – 250 km / h;
- Tu 154M – 210 km / h;
- Yak 40 – 180 km / h.
Tốc độ nhất định không phải lúc nào cũng đủ để phá vỡ. Trong trường hợp gió mạnh thổi theo hướng cất cánh của xe, cần có tốc độ mặt đất lớn. Hoặc, ngược lại, với một cơn gió đầu, một tốc độ khá chậm là cần thiết.