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航空航天

布雷格飞行距离公式模拟器

计算喷气机一次燃油补充能飞多远的工具,使用布雷格飞行距离公式。通过改变巡航速度、升阻比、发动机燃油消耗率、燃油重量比,可实时了解航程、航时、重量比的变化,直观学习空气动力学、发动机、重量这三项效率如何决定飞行距离。

参数设置
巡航速度 V
m/s
巡航中的对气速度
升阻比 L/D
空气动力学效率。越高越能用小阻力产生升力
推力比燃油消耗率 c
1/h
发动机效率指标。越小越低油耗
燃油重量比(燃油/起飞重量)
起飞重量中燃油所占的比例
计算结果
重量比 W₀/W₁
对数项 ln(W₀/W₁)
飞行距离 (km)
飞行时间 (h)
换算油耗率 (1/s)
飞行性能评级
巡航和燃油消耗 — 飞行动画

飞机沿地面航线巡航,随着飞行燃油逐渐消耗。下方的条形图表示决定航程的三个因素(升阻比、油耗率、重量比)的大小。

飞行距离 vs 燃油重量比
飞行距离 vs 升阻比 L/D
理论·主要公式

$$R=\frac{V}{c}\cdot\frac{L}{D}\cdot\ln\!\frac{W_0}{W_1}$$

喷气机布雷格飞行距离公式 R [m]。飞行距离取决于空气动力学效率(升阻比 L/D)、发动机效率(1/c)、重量比对数 ln(W₀/W₁) 三项的乘积。

$$\frac{W_0}{W_1}=\frac{1}{1-W_f/W_0}, \qquad t_E=\frac{R}{V}$$

重量比是起飞重量 W₀ 除以着陆重量 W₁,可由燃油重量比 W_f/W₀ 计算得出。飞行时间 t_E [s] 是飞行距离除以巡航速度。

$$c_{\text{SI}}=\frac{c}{3600}$$

推力比燃油消耗率从每小时 [1/h] 换算到每秒 [1/s]。公式中 V/c 须用 SI 单位计算。

布雷格飞行距离公式说明

🙋
「布雷格飞行距离公式」,我第一次听说。这是用来计算飞机能飞多远的公式吗?
🎓
正是。这是航空先驱时期法国航空技术家布雷格推导的公式,能用简洁的方式告诉我们喷气机满油能飞多远。它的形式是 R = (V/c)·(L/D)·ln(W₀/W₁),航程是三项「效率」的乘积,这是其精妙之处。设计人员可以独立改进这三项。
🙋
三项效率…具体是什么效率呢?
🎓
第一项是「空气动力学效率」,就是升阻比 L/D。L/D 越高,用越小的阻力就能产生需要的升力,所需推力和燃油也越少。所以长距离飞机有细长、高展弦比的机翼。第二项是「推进效率」,体现在发动机的比油耗上。现代高涵道比涡轮扇发动机的耗油远低于早期涡轮喷气发动机。第三项是「结构和燃油效率」,体现在重量比上。
🙋
重量比就是左边那个「燃油重量比」吧。如果加更多燃油,不是应该能飞得更远吗?
🎓
观察得很好。这就是公式中「对数」的作用。飞行距离与重量比的对数 ln(W₀/W₁) 成正比。对数随输入增大而增长速度递减,所以增加燃油虽然能延长航程,但效果逐渐递减。而且,搭载的额外燃油本身也需要燃油来运输。看下面「飞行距离 vs 燃油重量比」的图表,曲线会逐渐变平缓。
🙋
明白了…那要让航程翻倍,必须比燃油加倍加得多吧。
🎓
完全正确。这就叫长距离飞行的「冷酷算术」。因为对数的存在,要使航程翻倍,燃油重量比必须增加远超两倍。这是超长距离飞机设计如此困难的原因。相比之下,「飞行距离 vs 升阻比」图是一条过原点的直线,L/D 翻倍则航程也翻倍。所以在许多情况下,改进空气动力学比增加燃油更有效。
🙋
这个公式在实际飞机设计中也在用吗?
🎓
是的。这是飞机概念设计和任务规划的基础。「要执行东京到纽约的航线,机翼、发动机、燃油容量怎么定」,最初的方案就是用这个布雷格公式推导的。长滞空无人机和侦察机的「飞行时间」也由这个公式支配。但要注意,这个喷气机形公式假设升力系数恒定、速度恒定的稳定巡航,起飞、爬升的燃油没有包括在内。实机的航程会比理论值略小。

常见问题

布雷格飞行距离公式是给出喷气机用搭载燃油能飞多远的公式。喷气机形式为 R = (V/c)·(L/D)·ln(W₀/W₁),其中 V 是巡航速度,c 是推力比燃油消耗率,L/D 是升阻比,W₀/W₁ 是起飞重量与着陆重量的比值。航程取决于「空气动力学效率(L/D)」「发动机效率(1/c)」「重量比对数」三项效率的乘积,设计人员可以独立改进每一项。
因为航程与重量比 W₀/W₁ 的对数 ln(W₀/W₁) 成正比。增加燃油会增大重量比,但对数函数随输入增大而增长速度递减。而且,搭载增加的燃油本身也需要燃油来运输。因此,增加燃油重量比虽然能延长航程,但效果逐渐递减,要使航程翻倍需要燃油重量比增加远超两倍。这就是长距离飞行的「冷酷算术」。
根据布雷格公式,航程与 L/D 成正比。L/D 越高,用越小的阻力就能产生需要的升力,所需推力和燃油也越少。航程 vs 升阻比图为过原点的直线,将 L/D 翻倍则航程也翻倍。长距离飞机拥有细长、高展弦比机翼正是为了提高 L/D 来增加航程。
这个喷气机形布雷格公式基于升力系数恒定的稳定巡航假设。即巡航速度恒定,升阻比 L/D 和比燃油消耗率 c 在飞行中基本恒定。不包括起飞、爬升、下降所用燃油,也不考虑逆风、顺风,以及备用燃油。实际航程通常小于理论值。本工具给出巡航阶段的理想航程,应作为设计参考指标使用。

现实应用

旅客机概念设计:规划新型旅客机时,设计人员先根据「想要就航的航线(所需航程)」来反向推导布雷格公式。为了满足必要航程,升阻比要提高到何程度、选择何种发动机、燃油箱容量如何确定——这些决策的起点正是这个公式。787 和 A350 这样的长距离飞机采用复合材料细长主翼和高涵道比发动机,正是同时攻克布雷格公式的三项的结果。

运营和任务规划:已投入运营的机体中,也用布雷格公式来权衡有效载荷(乘客、货物)和燃油储备。燃油多则能飞更远,但需要减少有效载荷。因为重量比对数效应,极限距离航线上搭载的乘客数会大幅受限。有效载荷-航程曲线的背骨正是布雷格公式。

长滞空机和无人机:侦察机或太阳能、电动长滞空无人机中,「航程」退居其次,「飞行时间」成了主角。飞行时间 = 航程 ÷ 速度,低速保持高升阻比能飞得更久。"全球鹰"这样的机体拥有极端细长的主翼,正是为了最大化决定滞空时间的 L/D。

燃油效率改进和减碳评估:新型翼端装置、层流翼、轻量复合材料、下一代发动机「能改进多少航程和燃油效率」,用布雷格公式能快速估算。L/D 提高几个百分点、c 降低几个百分点、结构减重——每一项如何影响航程,都能用本工具的滑块直观确认。

常见误解和注意事项

最大的误解是「把布雷格公式算出的航程直接当作实机航程」。这个喷气机形公式只对升力系数恒定、速度恒定的理想稳定巡航。实际飞行包括起飞、爬升、下降,这些阶段消耗大量燃油。此外还需要备用燃油(防止无法着陆)、代替机场燃油、逆风备份等。扣除这些,就航上的航程会比本工具的值小。本工具结果应视为「巡航阶段理想值」「设计灵敏度指标」来理解。

其次常见的是「混淆推力比油耗 c 的单位」。喷气机布雷格公式用推力比燃油消耗率(单位推力每小时消耗的燃油重量),需换算到每秒值后才能计算 V/c。本工具已将输入的 c [1/h] 除以 3600 得到 [1/s]。螺旋桨飞机用的是完全不同的形式(输出比油耗和螺旋桨效率),航程还与速度无关,形式差异很大。不要混淆喷气机形和螺旋桨机形。

最后是「以为加更多燃油就能无限延长航程」的思想。航程与重量比的对数成正比,所以增加燃油重量比的效果逐渐递减。而且搭载的燃油会增加机体重量,需要强化结构,还要受最大起飞重量限制。到了某个点,改进空气动力学或换更省油的发动机比加燃油更划算。布雷格公式还能定量告诉我们「该在哪里投资」。

使用指南

  1. 输入巡航速度(V)的节数。喷气式旅客机的典型值为 420~500 节,战斗机为 0.8~0.9 马赫
  2. 设定升阻比(L/D)。B787 为 18~20,F-16 为 8~10
  3. 输入换算油耗率(TSFC),单位 kg/(kN·h)。涡轮扇双发为 0.55~0.65,使用加力燃烧室时为 1.5~2.0
  4. 输入初始重量 W₀ 和最终重量 W₁ 的比例,使用布雷格公式 R=(V·L/D/C)·ln(W₀/W₁) 实时计算航程

具体计算示例

以 B777-200 为例:巡航速度 490 节、升阻比 19、TSFC 0.61 kg/(kN·h)、初始重量 347.8 吨、燃油后最终重量 180.5 吨,重量比为 1.927,对数项 ln(1.927)=0.653。根据布雷格公式,航程=(490×19/0.61)×0.653≒10,243 km,与官方数据 10,185 km 高度吻合,飞行时间为 20.9 小时。

实际应用中的注意事项