Słoneczne popołudnie, a Ty wraz z instruktorem odbierasz samolot przed wykonaniem lotu. Instruktor sięga do PDTu lub zagląda do zbiorników przez otwory wlewu paliwa, po czym zerka w niebo, myśli przez chwilę i mówi “jakieś 70 litrów, wystarczy nam, lecimy”. Znany widok? Ile osób niezwiązanych z lotnictwem pytało Was ile spala samolot? Ja już przestałem liczyć, odpowiem na blogu, a w zasadzie to nie odpowiem ale określę czynniki, które mają na to wpływ.

Wracając do modelowego instruktora. Czy popełnia on błąd? Nie! Gdy lecimy na 30-minutowy lot do strefy z niemalże pełnym zbiornikiem rozpisywanie każdego zaplanowanego wznoszenia i opadania celem kalkulacji zużycia paliwa co do litra mija się z celem i jest tworzeniem zbędnej papierologii, której również jestem przeciwnikiem.

Zupełnie inaczej wygląda to jednak gdy wykonujemy lot trasowy, szczególnie na granicy zasięgu samolotu. Znane mi są przypadki gdy pilot startując do lotu wiedział, że nie ma odpowiedniego zapasu na dolot do lotniska docelowego, o zapasowym i rezerwie nie wspominając. Nie miał również planu gdzie wykonać postój techniczny na tankowanie. Poleciał tak jakby jechał samochodem – “gdzieś znajdę stację i zatankuję”. Finał różny, lądowanie w polu, na nieużytkowej części lotniska, uszkodzone podwozie, aż po śmierć wszystkich na pokładzie np. Cirrus SR22 w Żyglinie po nieudanym podejściu ILS do lotniska Katowice-Pyrzowice.

Jednostki spalania

Ile zatem spala samolot. To zależy jak szybko leci i jaką jednostkę przyjmiemy. W lotnictwie używa się zasadniczo dwóch sposobów określania spalania:

• Spalanie na godzinę czyli ile litrów lub kilogramów paliwa spala samolot na godzinę lotu. Szczególnie przydatne do kalkulacji spalania podczas holdingu.
• Dystans na jednostkę paliwa czyli jaki dystans (zazwyczaj wyrażony w milach morskich) możemy pokonać zużywając daną ilość paliwa – zazwyczaj galon amerykański, czasami litr. To typowe dla amerykańskich instrukcji użytkowania statku powietrznego.

Od czego zależy spalanie. Przede wszystkim od mocy z jaką pracuje silnik. W uproszczeniu możemy powiedzieć, że silnik pracujący na danej mocy np. 45% czy 75% mocy na godzinę pracy spala tyle samo niezależnie od innych warunków (to jest uproszczenie, w rzeczywistości na dużych wysokościach gęstościowych zazwyczaj spala odrobinę mniej ale można to pominąć).

Teraz powstaje pytanie jaki dystans jesteśmy w stanie pokonać na danej mocy. Tutaj kluczem jest właśnie wysokość gęstościowa czyli wypadkowa wysokości ciśnieniowej i temperatury. Wysokość ciśnieniowa to de facto ciśnienie (statyczne) atmosfery poza samolotem wyrażone jako wysokość nad poziomem morza w atmosferze standardowej.

Prędkość

Zadajmy sobie zatem pytanie z jaką prędkością leci samolot.

• IAS – Indicated Airspeed czyli prędkość przyrządowa. To jest w rzeczywistości różnica pomiędzy ciśnieniem całkowitym i ciśnieniem statycznym wyrażona jako prędkość. W atmosferze standardowej, przy ciśnieniu 1013,25 hPa i temperaturze 15° C oraz przy zerowym wietrze jest to realna prędkość statku powietrznego.
• TAS – True Airspeed czyli prędkość podróżna. Jest to prędkość przyrządowa z uwzględnieniem gęstości powietrza. Na poziomie morza, w atmosferze standardowej IAS=TAS. Jeśli gęstość powietrza maleje (samolot leci wyżej lub jest cieplej) to przy stałym IAS rośnie TAS. Przy zerowym wietrzej TAS określa również prędkość samolotu względem ziemi.
• GS – Ground Speed czyli prędkość względem ziemi. Jest to TAS z uwzględnieniem wypadkowej wiatru, która statek powietrzny pcha lub hamuje.

Istnieją jeszcze inne prędkości np. CAS czy EAS ale na potrzeby artykułu nie mają one znaczenia.

Moc

Zasadniczo przyjmuje się, że samolot ze stałą mocą rozwija niezależnie od innych warunków daną prędkość IAS. Wobec tego łatwo można wywnioskować, że zasięg samolotu na dużych wysokościach jest większy, prędkość podróżna rośnie, a spalanie pozostaje takie samo. Czy na pewno?

Masa

Aby stwierdzenie z powyższego akapitu było prawdziwe należy powiedzieć, że: samolot o danej masie i przy danej mocy rozwija określoną prędkość IAS. To nadal uproszczenie ale bliższe prawdy. Cały czas możemy wywnioskować, że opłaca się latać wyżej niż niżej.

Siła nośna

Siła nośna zależy od prędkości przyrządowej, gęstości powietrza, powierzchni nośnej, profilu skrzydła i kąta natarcia. Na danej wysokości i w danych warunkach przy stałej mocy silnika jedyne na co mamy wpływ to właśnie kąt natarcia. Zwiększenie kąta natarcia (do osiągnięcia krytycznej wartości) zwiększa siłę nośną ale też zwiększa opór, a zatem zmniejsza prędkość. Oznacza to, że wszystkie założenia dotyczące zależności pomiędzy mocą i prędkością mają zastosowanie tylko dla określonej masy. W języku angielskim istnieje określenie gross weight, które oznacza masę w danych warunkach. Z powyższego stwierdzenia możemy powiedzeć, że im lecimy niżej tym mniejszy kąt natarcia jest konieczny aby utrzymać przy danej mocy silnika/prędkości przyrządowej lot poziomy, a zatem możemy lecieć szybciej. Jest to przeciwstawne do powyższych stwierdzeń.

Niżej czy wyżej

Zależy od masy. Dla każdej masy istnieje wysokość do której opłaca się wznosić celem uzyskania jak najlepszego spalania i powyżej której spalanie w przeliczeniu na milę rośnie gdyż rośnie opór co jest związane z koniecznością lotu na wyższym kącie natarcia. Można to uprościć i powiedzieć, że każdy samolot ma kąt natarcia utrzymanie którego zapewnia największą doskonałość płatowca, a zatem najmniejszy opór i w konsekwencji najefektywniejsze wykorzystanie mocy generowanej przez silnik.

Wznoszenie i zniżanie

Cięższy samolot wolniej się wznosi, a zatem nabór wysokości spowoduje spalenie większej ilości paliwa oraz zwyczajnie wydłuży lot. Z drugiej strony część tej energii (potencjalnej) możemy odzyskać podczas zniżania dłużej zniżając się na mniejszej mocy lub zniżając się z mocą ale uzyskując większą prędkość (strategie zniżania zależą od wielu warunków i właściwości danego samolotu).

Podsumowanie

Większość samolotów lotnictwa ogólnego z silnikami wolnossącymi zaprojektowana jest do lotów w zakresie 8-12 tys. ft. Do tych wysokości opłaca się wznosić. Znów w uproszczeniu możemy powiedzieć, że samolotem zbliżonym do maksymalnej masy startowej lata się raczej w dolnym zakresie tj. 8-10 tys. ft, a lżejszym nawet na 13 tys.  ft. Oczywiście pozostaje jeszcze wiatr, który na różnych wysokościach ma różną siłą i różny kierunek. Nie raz było tak, że optymalną wysokością ze względu na masę był FL100 ale 50 kt komponentu wiatru czołowego powodowało, że bardziej opłacało się lecieć na 3000 ft, gdzie komponent wiatru czołowego wynosił mniej niż 25 kt. Nie wspomnę również o zubażaniu mieszanki, wybór odpowiedniej strategi zubażania ma również istotny wpływ na spalanie.

Przykłady

Kilka przykładów z instrukcji popularnych samolotów, które miałem okazje przetestować wykonując nimi przeloty.

Cessna 172S z silnikiem 180 KM na wtrysku (Lycoming IO-360-L2A). Dane dla masy 2550 funtów i w atmosferze standardowej.

• Maksymalna prędkość podróżna (TAS) jaką można osiągnąć na wysokości 2000 ft to 115 węzłów przy spalaniu 9,9 gph (moc silnika wynosi 73%).
• Tym samym samolotem na wysokości 12000 ft możemy rozwinąć 116 KTAS przy spalaniu 8,5 gph (moc silnika wynosi wówczas 61%). Oznacza to, że możemy jenocześnie lecieć 1% szybciej i spalać 14% mniej paliwa.
• Z kolei na 10000 ft przy spalaniu 9,8 gph możemy osiągnąć aż 123 KTAS (silnik rozwija wówczas moc 72%). Oznacza to, że pomimo spadku spalania o ponad 1% prędkość podróżna wzrasta o 7%.

Tecnam P2006T z silnikami Rotax 912s. Dane dla masy 1150 kg w atmosferze standardowej, przy prędkości obrotowej śmigieł 2250 RPM.

• Maksymalna prędkość podróżna jaką można osiągnąć na wysokości 3000 ft, ładowanie 26,4 inHg (85% mocy) to 141 KTAS przy spalaniu 23,6 l/h (na jeden silnik, czyli łącznie 47,2 l/h).
•  Na 12000 ft, ładowanie 18,8 inHg (65% mocy) prędkość wynosi 134 KTAS, a spalanie 17,2 l/h (na silnik). Lecimy zatem 5% wolniej ale spalamy 27% mniej paliwa!

Planowanie lotu to dość skomplikowany proces. Sam wybór wysokości lotu i wyliczenie optymalnego spalania może zająć godziny. Bez narzędzi, które w oparciu o dane z instrukcji użytkowania w locie pozwalają w kilka sekund przeliczyć dziesiątki dostępnych opcji nie jesteśmy w stanie optymalnie zarządzać zużyciem paliwa.