Stuwkracht-gewichtsverhouding

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

De verhouding tussen de stuwkracht en het gewicht van een raketmotor, straalmotor, propellermotor of het aangedreven voertuig is de stuwkracht-gewichtsverhouding. Tijdens bedrijf varieert de momentane stuwkracht-gewichtsverhouding van een voertuig voortdurend door het toenemende verbruik van brandstof en in sommige gevallen door de afname van de zwaartekracht. De stuwkracht-gewichtsverhouding op basis van de initiële stuwkracht en het gewicht wordt vaak gebruikt om de prestaties van voertuigen onderling met elkaar te vergelijken.

Berekening[bewerken]

De stuwkracht-gewichtsverhouding kan berekend worden door de stuwkracht (newton) te delen door het gewicht (newton) van de motor of het voertuig. Het resultaat is een dimensieloos getal. Om de stuwkracht-gewichtsverhouding van 2 of meer motoren of voertuigen te kunnen vergelijken moet de stuwkracht onder gecontroleerde omstandigheden gemeten worden.

Vliegtuig[bewerken]

Bij het bepalen van de prestaties van een vliegtuig zijn de stuwkracht-gewichtsverhouding en vleugelbelasting de twee belangrijkste parameters. [1] Bijvoorbeeld, de stuwkracht-gewichtsverhouding van een gevechtsvliegtuig is een goede indicator van de wendbaarheid van het vliegtuig. [2]

Tijdens de vlucht varieert de stuwkracht-gewichtsverhouding voortdurend. De stuwkracht varieert met de gasklep stand, luchtsnelheid, hoogte en luchttemperatuur. Het gewicht is afhankelijk van het brandstofverbruik en eventuele veranderingen van de lading. De vermelde stuwkracht-gewichtsverhouding van vliegtuigen is vaak de maximale statische stuwkracht op zeeniveau, gedeeld door het maximale startgewicht. [3]

Van een vliegtuig op kruissnelheid is de stuwkracht-gewichtsverhouding de inverse van de liftkracht-luchtweerstandsverhouding, omdat de stuwkracht dan gelijk is aan de luchtweerstand en het gewicht gelijk is aan de liftkracht. [4]

\left (\frac{S}{G}\right)_{kruissnelheid}=\frac{1}{(\frac{L}{D})_{kruissnelheid}}

Propeller aangedreven vliegtuig[bewerken]

Voor met propeller aangedreven vliegtuigen kan de stuwkracht-gewichtsverhouding als volgt worden berekend: [5]

\frac{S}{G}=\left(\frac{\eta_p}{V}\right)\left(\frac{P}{G}\right)

Raket[bewerken]

Space Shuttle Atlantis overwint de zwaartekracht

De stuwkracht-gewichtsverhouding van een raket of door een raket aangedreven voertuig, is een indicator van de versnelling, uitgedrukt in veelvouden van de zwaartekrachtversnelling g. [6]

Raketten en raket aangedreven voertuigen opereren in een breed scala van zwaartekracht omgevingen, waaronder de gewichtloze omgeving. Het is gebruikelijk om de stuwkracht-gewichtsverhouding te berekenen met het initiele gewicht op zeeniveau op aarde. [7].

Het is belangrijk op te merken dat de stuwkracht-gewichtsverhouding van een raket varieert als brandstof wordt verbruikt. Als de stuwkracht constant is, dan is de maximale verhouding (maximale versnelling van het voertuig) bereikt kort voor de brandstof volledig is verbruikt (brandstofgewicht is praktisch nul op dit punt). Dus voor elke raket is er een karakteristieke stuwkracht-gewicht curve of versnellingscurve, niet alleen een scalaire grootheid.

De stuwkracht-gewichtsverhouding voor alleen de motor is groter dan voor het hele lanceervoertuig. De stuwkracht-gewichtsverhouding van alleen de motor is van belang, omdat die de maximale versnelling bepaald die elk voertuig met behulp van die motor in theorie zou kunnen bereiken met een minimum aan brandstof en een zo licht mogelijke bouwwijze.

Om van het aardoppervlak op te kunnen stijgen zonder gebruik te maken van aërodynamische lift is een stuwkracht-gewichtsverhouding van meer dan 1 nodig. Over het algemeen is de stuwkracht-gewichtsverhouding numeriek gelijk aan de g-kracht dat het voertuig kan genereren [6].

De stuwkracht-gewichtsverhouding van raketten is meestal veel hoger dan die van straalmotoren. Dit is vanwege de veel hogere dichtheid van de uitgestoten gassen, vergeleken met die van lucht. Daarom zijn er veel minder onderdelen nodig om deze op druk te brengen [bron?].

Vele factoren hebben invloed op de stuwkracht-gewichtsverhouding. De momentane waarde varieert meestal tijdens de vlucht, met variaties van de stuwkracht als gevolg van snelheid en hoogte. Het gewicht als gevolg van de resterende brandstof en laadvermogen. De belangrijkste factoren die de stuwkracht beïnvloeden zijn de vrije luchtstroom, temperatuur, druk, dichtheid en de samenstelling van de atmosfeer. Afhankelijk van de motor of het lanceervoertuig in kwestie zullen de werkelijke prestaties vaak worden beïnvloed door drijfvermogen en het lokale zwaartekrachtsveld.

Voorbeelden[bewerken]

De in Rusland gebouwde RD-180 raketmotor die oa de Atlas V raket aandrijft genereert 3.886 kN stuwkracht op zeeniveau en heeft een droog gewicht van 5.480 kg. Met de waarde van de zwaartekrachtversnelling aan het oppervlak van de aarde 9.807 m/s² kan de stuwkracht-gewichtsverhouding als volgt berekend worden: (1 kN = 1000 N = 1000 kg⋅m/s²)

\frac{S}{G}=\frac{3,886\ \mathrm{kN}}{(5,480\ \mathrm{kg})(9.807\ \mathrm{m/s^2})}=0.07230\ \frac{\mathrm{kN}}{\mathrm{N}}=72.30\ \frac{\mathrm{N}}{\mathrm{N}}=72.30

Vliegtuigen[bewerken]

Voertuig S/G Scenario
Concorde 0,373 [bron?] Maximaal startgewicht, vol vermogen met naverbrander
English Electric Lightning 0,63 [bron?] Maximaal startgewicht, vol vermogen
F-22 Raptor 0,84 [8] Maximaal startgewicht
MiG-29 1,1 [bron?]
F-15 Eagle 1,04 [9] Nominaal startgewicht
F-16 Fighting Falcon 1,096 [bron?]
Hawker Siddeley Harrier 1,1 [bron?]
Eurofighter Typhoon 1,25[10]
English Electric Lightning ~1,2 [11] Minimaal startgewicht, met naverbrander
Space Shuttle 1,5 [12] Tijdens de start
F-15 Eagle ~1,6[11] Minimaal startgewicht, met naverbrander
F-22 Raptor 1,61 [8] Minimaal startgewicht, met naverbrander
Dassault Rafale 1,69 [13] Minimaal startgewicht, met naverbrander
Space Shuttle 3 Maximaal (niet op maximaal motorvermogen ivm comfort astronauten)[14]

Raketmotoren[bewerken]

Stuwkracht Stuwkracht:gewichtsverhouding
Raketmotor Gewicht, kg Vacuüm kN Zeeniveau kN Vacuüm Zeeniveau
Merlin 1D 470 [bron?] 690 650 149.7 141
NK-33 [15] 1.235 1.664 1.534 137.4 126.7
Vulcain 1 [16] 1.300 1.113 773 87.3 60.6
RD-107 [17] 1.190 1.000 814 85.7 69.7
RD-170 [18] 9.750 7.903 7.550 82.7 79
RD-180 [19] 5.480 4.215 3.886 78.4 72.3
Vulcain 2 [20] 1.800 1.359 939 77 53.2
RS-25 [21]
Space Shuttle Main Engine (SSME)
3.526 2.279 1.859 65.9 53.8
RS-68A [22] 6.597 [bron?] 3.203 49.5
RS-68 [22] 6.597 3.416 2.949 52.8 45.6

Zie ook[bewerken]

Externe link[bewerken]

Referenties
  1. Daniel P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, Hoofdstuk 5.1
  2. John P. Fielding, Introduction to Aircraft Design, Hoofdstuk 4.1.1 (p.37)
  3. John P. Fielding, Introduction to Aircraft Design, Hoofdstuk 3.1 (p.21)
  4. Daniel P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, Formule 5.2
  5. Daniel P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, Formule 5.1
  6. a b George P. Sutton & Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements (p. 442, 7th edition) “thrust-to-weight ratio F/Wg is a dimensionless parameter that is identical to the acceleration of the rocket propulsion system (expressed in multiples of g0) if it could fly by itself in a gravity-free vacuum”
  7. George P. Sutton & Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements (p. 442, 7th edition) “The loaded weight Wg is the sea-level initial gross weight of propellant and rocket propulsion system hardware.”
  8. a b http://www.aviationsmilitaires.net/display/aircraft/87/f_a-22
  9. F-15 Eagle Aircraft. About.com:Inventors Geraadpleegd op 2009-03-03
  10. Kampflugzeugvergleichstabelle Mader/Janes
  11. a b Section 9 The English Electric (BAC) Lightning. Vectorsite Geraadpleegd op 2009-03-03
  12. Thrust: 6.781 million lbf, Weight: 4.5 million lbSpace Shuttle. Wikipedia Geraadpleegd op 2009-09-10
  13. http://www.aviationsmilitaires.net/display/variant/1
  14. Space Shuttle. Wikipedia Geraadpleegd op 2009-09-10
  15. NK-33 artikel op deze wiki
  16. Vulcain 1 artikel op deze wiki
  17. RD-107 artikel op deze wiki
  18. RD-170 artikel op deze wiki
  19. RD-180 artikel op deze wiki
  20. Vulcain 2 artikel op deze wiki
  21. Space Shuttle Main Engine artikel op deze wiki
  22. a b RS-68 artikel op deze wiki