Untersuchungen zum Überschall-Flugverkehr unter Umweltaspekten:
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| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Braunschweig
Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik, Techn. Univ.
1996
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| Series: | Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik <Braunschweig>: ZLR-Forschungsbericht
1996,9 |
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 1996. - Zsfassung in engl. Sprache |
| Physical Description: | XVI, 120 S. graph. Darst. |
| ISBN: | 3928628356 |
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UNTERSUCHUNGEN ZUM UEBERSCHALL-FLUGVERKEHR
UNTER UMWELTASPEKTEN
VON DER FAKULTAET FUER MASCHINENBAU UND ELEKTROTECHNIK DER TECHNISCHEN
UNIVERSITAET CAROLO-WILHELMINA ZU BRAUNSCHWEIG
ZUR ERLANGUNG DER WUERDE EINES DOKTOR-INGENIEURS (DR.-ING.) GENEHMIGTE
DISSERTATION
VON
DIPL.-ING. BAEG-SOON CHA AUS SEOUL / REP. OF KOREA
EINGEREICHT AM: 19. JUNI 1996 MUENDLICHE PRUEFUNG: 29. OKTOBER 1996
BERICHTERSTATTER: PROF. DIPL.-MATH. G. REICHERT MITBERICHTERSTATTER:
PROF. DR.-ING. H. KOSSIRA
1996
IMAGE 2
INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT X»
BEZEICHNUNGEN *
1 EINLEITUNG 1
1.1 PROBLEMSTELLUNG 1
1.2 STAND DER FORSCHUNG 3
1.3 ZIEL UND AUFBAU DER ARBEIT 8
2 MODELLIERUNGEN DES FLUGZEUGES UND DER BETRIEBSKOSTENRECHNUNG 11
2.1 ABSCHAETZUNG DER FLUGZEUGPOLARE 11
2.1.1 BESTIMMUNG DER WIDERSTANDSANTEILE , 12
2.1.2 AERODYNAMISCHE GUETE DES MODELLFLUGZEUGES 17
2.2 TRIEBWERKS-SIMULATIONSMODELL 19
2.2.1 ZUKUENFTIGE UEBERSCHALLTRIEBWERKE . 19
2.2.2 FUNKTIONSWEISE DES TCIEBWERKSSYNTHESEPROGRAMMS ZUR ERMITTLUNG
VON SCHUB, VERBRAUCH UND EMISSIONEN 22
2.2.3 KENNFELDER FUER SCHUB, SPEZIFISCHEN KRAFTSTOFFVERBRAUCH UND EMISSI-
ONSINDEX DER STICKOXIDE 24
2.3 BERECHNUNGSMODELL FUER DIE DIREKTEN BETRIEBSKOSTEN (DOC) 30
2.3.1 ANTEILE DER DOC 30
2.3.2 DOC-VERGLEICH DER VIER VERSCHIEDENEN FLUGZEUGE 35
2.4 ZUSAMMENSTELLUNG UND KRITISCHE BEWERTUNG DER MODELLIERUNG 38
3 BESTIMMUNG DER OPTIMALEN FLUGBAHN 41
3.1 ALLGEMEINES 41
3.1.1 PROBLEMBESCHREIBUNG 41
3.1.2 UEBERBLICK DER RELEVANTEN METHODEN . . 42
3.2 ANWENDUNG DES MAXIMUM-PRINZIPS BEI FLUGBAHNOPTIMIERUNGEN 44
V
IMAGE 3
N INHALTSVERZEICHNIS
3.2.1 GUETEKRITERIUM UND DIFFERENTIALGLEICHUNGEN DER FLUGZEUGLAENGS-
BEWEGUNG 44
3.2.2 NOTWENDIGE BEDINGUNGEN FUER EINE OPTIMALE FLUGBAHN 47
3.2.3 ZUSAMMENSTELLUNG EINER TRANSPORTMISSION 49
3.3 OPTIMALE FLUGBAHN DES MODELLFLUGZEUGES BEI TRANSPORTMISSIONEN 51
4 UMWELTPROBLEME DURCH UEBERSCHALLVERKEHRSFLUGZEUGE 57
4.1 STICKOXID-EMISSIONEN 57
4.1.1 AUFBAU DER ATMOSPHAERE 57
4.1.2 EINFLUSS VON STICKOXID-EMISSIONEN AUF DIE OZONSCHICHT IN DER STRA-
TOSPHAERE 59
4.1.3 BETRACHTUNGEN VON FLUGZUSTAENDEN UNTER STICKOXID-EMISSIONEN . .. 61
4.2 UEBERSCHALLKNALL 64
4.2.1 PHAENOMEN 64
4.2.2 THEORETISCHE ABSCHAETZUNG DES UEBERSCHALLKNALLS 66
4.2.3 UEBERSCHALLKNALLPOTENTIAL VON ZUKUENFTIGEN UEBERSCHALLVERKEHRSFLUG-
ZEUGEN 67
5 EMISSIONSUNTERSUCHUNGEN 71
5.1 GUETEKRITERIEN UND NOTWENDIGE BEDINGUNGEN MIT BERUECKSICHTIGUNG DER
YVOX-EMISSIONEN 71
5.2 VERGLEICH DREIER OPTIMALER FLUGMISSIONEN UND PARAMETERUNTERSUCHUNGEN
. . 73
5.2.1 VERGLEICH DREIER OPTIMALER FLUGMISSIONEN 73
5.2.2 EINFLUSS DES REISEFLUGDROSSELGRADES AUF STICKOXIDEMISSIONEN UND
WIRTSCHAFTLICHKEIT 75
5.2.3 EINFLUSS DER REISEFLUGMACHZAHL AUF STICKOXIDEMISSIONEN UND WIRT-
SCHAFTLICHKEIT 76
5.2.4 EINFLUSS DER AUSLEGUNGSREISEFLUGMACHZAHL AUF STICKOXIDEMISSIONEN
UND WIRTSCHAFTLICHKEIT 78
5.3 DISKUSSION DER ERGEBNISSE 81
6 FLUGROUTENUNTERSUCHUNGEN 83
6.1 NUTZMASSEN - REICHWEITENDIAGRAMM DES MODELLFLUGZEUGES 83
6.2 EINFLUSS DER FLUGSTRECKE UND UNTERSCHALLFLUGSTRECKE AUF DIE
FLUGMISSIONEN . 86
6.2.1 FLUGMISSION MIT VERLAENGERTER FLUGSTRECKE 86
6.2.2 FLUGMISSION MIT UNTERSCHALLFLUGSTRECKE 87
6.3 ^-FLUGROUTEN FUER ZUKUENFTIGEN UEBERSCHALL-FLUGVERKEHR 90
IMAGE 4
ABBILDUNGSVERZEICHNIS V L1
6.3.1 AUSWAHL VON FLUGROUTEN 91
6.3.2 UNTERSUCHUNG AUSGEWAEHLTER FLUGROUTEN 93
6.4 SCHLUSSFOLGERUNGEN AUS FLUGROUTENUNTERSUCHUNGEN 97
7 ZUSAMMENFASSUNG 99
LITERATURVERZEICHNIS 103
A ANHANG 109
A.L KONZEPTE DER ZUKUENFTIGEN UEBERSCHALLVERKEBRSFLUGZEUGE 109 A.2 ZUR
MODELLIERUNG 111
A.3 BERECHNUNG DES EMISSIONSINDEX 114
A.4 ZUR BERECHNUNG DER DRUCKAMPLITUDE AP DES UEBERSCHALLKNALLS 115
A.5 RECHENPROGRAMM ZUR OPTIMALEN FLUGBAHN 117
A.5-1 BEDINGUNGEN FUER OPTIMALE FLUGZUSTAENDE 117
A.5.2 FLUSSDIAGRAMM ZUR OPTIMALEN FLUGBAHN 118
A.6 FLUGROUTEN . . . 119
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
1.1 ABHAENGIGKEIT DER EINO, V * GESAMTDRUCKVERHAELTNIS 4
1.2 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN WIRTSCHAFTLICHKEIT UND EMISSIONSREDUZIERUNG
BEI
UEBERSCHALLVERKEHRSFLUGZEUGEN 5
1.3 MOEGLICHE FLUGROUTEN FUER ZUKUENFTIGE UEBERSCHALLVERKEHRSFLUGZEUGE 7
2.1 DAS WIDERSTANDSGESETZ DER LAENGSANGESTROEMTEN GLATTEN PLATTE .~. 13
2.2 CWO UND FC-FAKTOR DES MODELLFLUGZEUGES 17
2.3 VERLAUF DES MAXIMALEN AERODYNAMISCHEN GUETEGRADS (CJI/CW)MAX DES MO-
DELLFLUGZEUGES UND EINER KONFIGURATION VON BOEING MIT
AUSLEGUNGSREISEFLUG- MACHZAHL VON 2.4 18
2.4 VERGLEICH KRAFTSTOFF- UND JVO X -AUSSTOSS-VERAENDERUNGEN ZWISCHEN
ALTEN UND
NEUEN TRIEBWERKEN . . 20
2.5 EINFLUSS DER IVOX-ARMEN BRENNKAMMERTECHNOLOGIE AUF DIE MAXIMALE AB-
FLUGMASSE 22
2.6 SPEZIFISCHER VERBRAUCH, SCHUB UND EINO, IN ABHAENGIGKEIT DER HOEHE UND
DER MACHZAHL FUER DAS TRIEBWERK OLYMPUS 593 MIT ANGABEN DER HERSTELLER
ROLLS-ROYCE/SNECMA (OHNE NACHBRENNER) 25
IMAGE 5
II ABBILDUNGSVERZEICHNIS
2.7 SPEZIFISCHER VERBRAUCH, SCHUB UND EINO, IN ABHAENGIGKEIT DER HOEHE UND
DER MACHZAHL FUER DAS TRIEBWERK MTF 27
2.8 EINO, IN ABHAENGIGKEIT VOM DROSSELGRAD DES OLYMPUS 593 29
2.9 EINO, IN ABHAENGIGKEIT VOM DRBSSELGRAD DES MODELLTRIEBWERKES 29
3.1 HOEHENVERLAUF DES MODELLFLUGZEUGES BEI VERBRAUCHSMINIMALER
TRANSPORTMIS- SION UEBER DER MACHZAHL 51
3.2 VERLAUF DER FLUGHOEHE UEBER DER STRECKENLAENGE BEI ZWEI
UNTERSCHIEDLICHEN TRANSPORTMISSIONEN 52
3.3 VERLAUF VON FLUGZEUGMASSE UND ZEIT UEBER DER STRECKENLAENGE BEI ZWEI
UN- TERSCHIEDLICHEN TRANSPORTMISSIONEN 52
3.4 LINIEN KONSTANTER SPEZIFISCHER REICHWEITE [M/KG] DES
MODELLFLUGZEUGES . .. 53
3.5 VERLAUF VON EINO, UND RN.NO, UEBER DER STRECKENLAENGE BEI DEN ZWEI
TRANS- PORTMISSIONEN 54
4.1 DIE WICHTIGSTEN REVISIONEN DER MIT MODELLEN BERECHNETEN AENDERUNGEN
DER OZONSCHICHTDICKE ALS FOLGE DER NO X INJEKTION EINER FLOTTE VON
UEBERSCHALLFLUGZEUGEN 61
4.2 LINIEN KONSTANTER DOC-SPEZIFISCHER REICHWEITE [M/DM] MIT K K R -
0.46 [DM/KG] UND K T = 2.42 [DM/S] SOWIE KONSTANTEM DROSSELGRAD DF (MK,R
- 7.63 [KG/S], K T /K KR = 5.26 [KG/S]) 62
4.3 LINIEN KONSTANTER TVO^-AUSSTOSSSPEZIFISCHER REICHWEITE [M/GPIO,]
SOWIE KON- STANTEM DROSSELGRAD DP MIT REISEFLUGPUNKT MINIMALER DOC FUER
DAS MO- DELLFLUGZEUG 63
4.4 LINIEN KONSTANTER JVOJ-AUSSTOSSSPEZIFISCHER REICHWEITE [M/GNO,] MIT
REISE- FLUGPUNKT MINIMALEN VERBRAUCHES UND DOC FUER DIE CONCORDE . 63
4.5 WELLENFRONT UND WELLENPFAD 64
4.6 STOSSWELLENFLAECHEN UND DRUCKPROFIL 65
4.7 DRUCKAMPLITUDE DES MODELLFLUGZEUGES UND DER CONCORDE IN ABHAENGIGKEIT
VON DER FLUGZEUGMASSE SOWIE EIN VORAUSSICHTLICH ZULAESSIGER WERT DER
DRUCK- AMPLITUDE (AP X UI.) 67
4.8 DRUCKAMPLITUDE DES MODELLFLUGZEUGES IN ABHAENGIGKEIT VON MA UND HOEHE
SOWIE AP ZU I. 68
4.9 DRUCKAMPLITUDE DES MODELLFLUGZEUGES IN ABHAENGIGKEIT VON
SEITENABSTAND UND FLUGZEUGMASSE SOWIE AP IU /. 69
4.10 VERLAUF DER DRUCKAMPLITUDE DES MODELLFLUGZEUGES UEBER DER
STRECKENLAENGE
BEI DEN ZWEI TRANSPORTMISSIONEN UND AP IU /. 70
IMAGE 6
ABBILDUNGSVERZEICHNIS IX
5.1 EINFLUSS DES REISEFLUGDROSSELGRADES DFR AUF IVOX-AUSSTOSS, VERBRAUCH,
FLUGDAUER, NUTZMASSE UND DOC IN EINER FLUGMISSION MIT MJVO. = 5050[FCG],
M KR = 149.4[IO], T = 5.13[A] UND DOC= 3.484[P//SJFEM] BEI D FR = 0.93
75
5.2 EINFLUSS DER REISEFLUGMACHZAHL AUF JVO X -AUSSTOSS, VERBRAUCH,
FLUGDAUER, NUTZMASSE UND DOC IN EINER FLUGMISSION MIT RN.NO, =
5050[FCG], TTIKR = 149.4[TO], T = H.LZ[H] UND DOC= 3.484[P//5IFCM] BEI
MA = 2.03 77
5.3 LINIEN KONSTANTER DOC- [M/DM] UND IVOX-AUSSTOSSSPEZIFISCHER
REICHWEITE [M/GNO,] RNIT REISEFLUGPUNKT DES MINIMALEN
KRAFTSTOFFVERBRAUCHS (77.2 [M/KG]) UND DER MINIMALEN DOC (101 [M/DM]) 77
5.4 LINIEN VON DP = 0.93 DER AN DIE REISEFLUGMACHZAHL ANGEPASSTEN
FLUEGELSTRECKUNG MIT DEN JEWEILIGEN REISEFLUGPUNKTEN DES MINIMALEN VER-
BRAUCHS 79
5.5 VERLAEUFE DES MAXIMALEN AERODYNAMISCHEN GUETEGRADS UEBER DER MACHZAHL
IN ABHAENGIGKEIT VON DER AUSGEWAEHLTEN FLUEGELSTRECKUNG 79
5.6 EINFLUSS DER AUSLEGUNGSREISEFLUGMACHZAHL AUF NO X , VERBRAUCH,
FLUGDAUER, NUTZMASSE UND DIREKTE BETRIEBSKOSTEN IN EINER
FLUGMISSION(DOC) SOWIE GESAMTE DIREKTE BETRIEBSKOSTEN (DOC A ) BEI
0^=0.93 MIT ANPASSUNG DER STRECKUNG BEI M N O. = 5050[%], M K R =
149.4[TO], T = 5.13[A], DOC= 3.484[P//SJBM] UND DOCG MA=2 = 13.9[PF/SKM]
81
6.1 DAS NUTZMASSEN - REICHWEITENDIAGRAMM DES MODELLFLUGZEUGES 84
6.2 EINFLUSS DER VERLAENGERUNG DER FLUGSTRECKE AUF DIE DOC, FLUGDAUER,
VER- BRAUCH, JVO X -AUSSTOSS UND NUTZMASSE 87
6.3 EINFLUSS DER MIT UNTERSCHALLGESCHWINDIGKEIT GEFLOGENEN STRECKENLAENGE
AUF
DOC, FLUGDAUER, VERBRAUCH, GESAMTE JVOX-AUSSTOSS (MNO, G ), NO X -
AUSSTOSS OBERHALB LLFCM HOEHE (MJ»O, U ) UND NUTZMASSE FUER HIN- UND
RUECKFLUG (BEZOGEN IST DIE AENDERUNG AUF EINEN REINEN
UEBERSCHALLSCHALLFLUG). 88
6.4 FLUGROUTE UND DEREN UNTER- UND UEBERSCHALLFLUGSTRECKE IM VERGLEICH .
. .. 92
A.L DAS EUROPAEISCHE UEBERSCHALL-VERKEHRSFLUGZEUG DER ZWEITEN GENERATION
(EU- ROPEAN SUPERSONIC COMMERCIAL TRANSPORT, ESCT) 109
A.2 UEBERSCHALL-VERKEHRSFLUGZEUG VON MCDONELL DOUGLAS (HIGH SPEED CIVIL
TRANSPORT, HSCT) 110
A.3 VERGLEICH DER CONCORDE UND DES MODELLFLUGZEUGES, DRAUFSICHT 110
A.4 POLARE DES MODELLFLUGZEUGES 111
A.5 FLUSSDIAGRAMM DER TRIEBWERKSSYNTHESE 113
IMAGE 7
X TABELLENVERZEICHNIS
A.6 ATMOSPHAERISCHER FAKTOR K, IN ABHAENGIGKEIT DER EFFEKTIVEN MACHZAHL ME
UND DER HOEHE H 115
A.7 GEOMETRISCHE PARAMETER FUER DIE AUSBREITUNG DES WELLENPFADES (RAY
PATH) 116 A.8 FLUGROUTEN FRANKFURT - LOS ANGELES UND FRANKFURT - NEW
YORK 119 A.9 FLUGROUTE FRANKFURT - TOKIO . 120
A.10 FLUGROUTE NEW YORK - TOKIO 120
TABELLENVERZEICHNIS
2.1 AUSLEGUNGSDATEN UND DOC DER VIER VERKEHRSFLUGZEUGE 36
2.2 PROZENTUALE ANTEILE DER DOC DER VIER FLUGZEUGE 37
2.3 VERGLEICH ZWISCHEN DER CONCORDE UND DEM MODELLFLUGZEUG 38
5.1 VERGLEICH ZWISCHEN DREI FLUGMISSIONEN 74
6.1 MASSENVERTEILUNG UND REICHWEITE FUER DIE ECKPUNKTE IM NUTZMASSEN -
REICHWEITENDIAGRAMM 85
6.2 STRECKENLAENGE DER WICHTIGEN FLUGROUTEN FUER UEBERSCHALL-FLUGVERKEHR
(GROSS- KREIS) 92
6.3 ABFLUGMASSE, KRAFTSTOFFVERBRAUCH, FLUGDAUER, JVOX-AUSSTOSS UND DOC
FUER DIE FLUGROUTE FRANKFURT - NEW YORK 94
6.4 VERBRAUCH, NUTZMASSE, FLUGDAUER, JVO*-AUSSTOSS UND DOC FUER DIE FLUG-
ROUTE FRANKFURT - TOKIO 95
6.5 VERGLEICH VON GESAMTEN DIREKTEN BETRIEBSKOSTEN DOC FL UND FLUGDAUER
ZWI- SCHEN UNTERSCHALL- (B747-400) UND UEBERSCHALL-FLUGVERKEHR
(MODELLFLUG- ZEUG) FUER DIE FLUGROUTE FRANKFURT - TOKIO 96
6.6 VERBRAUCH, NUTZMASSE, FLUGDAUER, IVO,-AUSSTOSS UND DOC FUER DIE FLUG-
ROUTE NEW YORK - TOKIO 97
A.L AUSLEGUNGSGROESSEN DER CONCORDE UND DES MODELLFLUGZEUGES 111
A.2 TRIEBWERKSPARAMETER DES OLYMPUS 593 UND DES MODELLTRIEBWERKES (MID-
TANDEM-FAN) 112
A.3 BEDINGUNGEN FUER OPTIMALE STRECKENFLUEGE 117
A.4 BEDINGUNGEN FUER OPTIMALE STEIG- / SINKFLUEGE 117
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