بهره وری انرژی در حمل و نقل
وسایل حمل و نقل هوایی > هواپیما

عامل اصلی تعیین‌کننده مصرف انرژی در هواپیما، نیروی پسار (یا درگ) است که باید در جهت مخالف حرکت هواپیما باشد.
پسار متناسب با نیروی مورد نیاز بالابر برای پرواز، که برابر با وزن هواپیما است. از آنجایی که نیروی پسار با افزایش وزن، افزایش می‌یابد، بنابراین کاهش جرم، بهبود کارایی موتور و کاهش پسار آیرودینامیکی، باعث افزایش بهره وری در هواپیما می‌گردد. یک قاعده سرانگشتی در این خصوص وجود دارد که کاهش ۱٪ در وزن، باعث کاهش مصرف سوخت به میزان ۰٫۷۵٪ می‌شود.
ارتفاع پرواز بر کارایی موتور تأثیر می‌گذارد. بهره وری موتور جت در ارتفاع تا لایه تروپوپاز، با حداقل دمای جو، باعث افزایش کارایی کارنو می‌شود. کارایی موتور جت نیز در سرعت‌های بالا افزایش می‌یابد، اما در سرعت بالاتر از حدود ۰٫۸۵ ماخ، تلفات ناشی از آیرودینامیک بدنه هواپیما سریعتر افزایش می‌یابد.
اثرات فشرده سازی: از سرعت ترانسونیک حدود ۰٫۸۵ ماخ، امواج شوک باعث افزایش مقاومت می‌شوند.
برای پرواز با سرعت فوق صوت، رسیدن به نسبت نیروی بالابر به پسار بیشتر از ۵ برابر، مصرف سوخت نیز افزایش می‌یابد. با این حال، سرعت سریع تر پرواز مافوق صوت به این معنی است که مصرف سوخت بالاتر با مدت زمان پرواز کوتاه‌تر موازنه و جبران می‌شود.
| هواپیما | کنکورد | بوئینگ 747-400 |
| --- | --- | --- |
| مایل مسافر/گالن امپریال | ۱۷ | ۱۰۹ |
| مایل مسافر/گالن آمریکا | ۱۴ | ۹۱ |
| لیتر/۱۰۰ مسافر-کیلومتر | ۱۶٫۶ | ۳٫۱ |
در سال ۱۹۹۸، هواپیماهای مسافربری به‌طور متوسط ۴٫۸ لیتر در ۱۰۰ کیلومتر به ازای هر مسافر (1.4 MJ/مسافر-کیلومتر) (۴۹ مسافر-مایل در هر گالن) مصرف کرده‌اند در حالی که به‌طور متوسط ۲۰ درصد از صندلی‌ها خالی مانده‌است. بازده هواپیماهای جت در حال بهبود است و بین سال‌های ۱۹۶۰ و ۲۰۰۰، ۵۵ درصد افزایش بهره‌وری کلی در مصرف سوخت وجود داشته‌است (اگر ناوگان ناکارآمد و محدود DH Comet 4 را کنار گذاشته و بوئینگ ۷۰۷ را به‌عنوان مورد اصلی در نظر بگیریم). بیشتر پیشرفت‌ها در کارایی در دهه اول، زمانی که جت کرافت برای اولین بار به استفاده تجاری گسترده رسید، به دست آمد. در مقایسه با هواپیماهای مسافربری با موتورهای پیستونی پیشرفته در دهه ۱۹۵۰، هواپیماهای جت کنونی در هر مایل-مسافرف فقط اندکی کارآمدتر هستند. بین سال‌های ۱۹۷۱ و ۱۹۹۸، میانگین بهبود سالانه ناوگان در هر کیلومتر-صندلی، ۲٫۴ درصد برآورد شد. کنکورد، حمل و نقل مافوق صوت را با حدود ۱۷ مایل-مسافر با گالن بریتانیایی مدیریت کرد که آماری شبیه به یک جت تجاری، اما بسیار بدتر از یک هواپیمای توربوفن مادون صوت دارد. ایرباس میزان مصرف سوخت A380 خود را کمتر از ۳ لیتر در ۱۰۰ کیلومتر به ازای هر مسافر (۷۸ مسافر-مایل در هر گالن آمریکایی) اعلام کرده‌است.
جرم یک هواپیما را می‌توان با استفاده از مواد سبک‌وزن مانند تیتانیوم، فیبر کربن و سایر پلاستیک‌های کامپوزیتی کاهش داد. اگر کاهش جرم، قیمت مواد را از طریق بهبود بازده سوخت توجیه کند، ممکن است از این مواد گران‌قیمت استفاده شود. بهبودهایی که در بازده سوخت با کاهش جرم حاصل می‌شود، میزان سوخت مورد نیاز برای حمل را کاهش می‌دهد. این امر باعث کاهش بیشتر جرم هواپیما می‌شود و بنابراین باعث افزایش بهره وری سوخت می‌شود. به عنوان مثال، طراحی ایرباس A380 شامل چندین نوع ماده سبک‌وزن است.
ایرباس بالک را به نمایش گذاشته‌است که می‌تواند به کاهش ۳٫۵ درصدی در مصرف سوخت دست یابد. در ایرباس A380 این نوع بالک‌ها وجود دارد. گفته شده‌است که بال‌های مینیکس (Minix) باعث ۶ درصد کاهش بیشتر مصرف سوخت شده‌است. بالک‌ها در هواپیما، جریان‌های گردابی را صاف می‌کنند و نیروی کشش بر روی بال هواپیما را کاهش می‌دهند و می‌توانند بر روی هر هواپیمایی مجهز شوند.
ناسا و بوئینگ در حال انجام آزمایش‌هایی بر روی یک هواپیمای «بال ترکیبی» ۵۰۰ پوند (۲۳۰ کیلوگرم) هستند. این طراحی باعث بهره وری بیشتر سوخت می‌شود، زیرا کل بدنه هواپیما و نه فقط بال‌ها، نیروی بالابر را تولید می‌کند. مفهوم بدنه بال ترکیبی (BWB) مزایایی را در بازده ساختاری، آیرودینامیکی و عملیاتی نسبت به طراحی‌های معمولی بدنه و بال امروزی ارائه می‌کند. این ویژگی‌ها منجر به برد بیشتر، مصرف سوخت کمتر، قابلیت اطمینان و صرفه جویی در چرخه عمر و همچنین هزینه‌های تولید پایین‌تر می‌شوند.
مؤسسه مهندسی ساخت و تحقیقات مواد کاربردی فرانهوفر (IFAM) روی رنگی شبیه به پوست کوسه تحقیق کرده‌است که می‌تواند کشش را از طریق اثر ریبلت (riblet effect) کاهش دهد. هواپیما یک کاربرد اصلی برای فناوری‌های جدید مانند فوم فلزی آلومینیوم و فناوری نانو مانند رنگ تقلیدی از پوست کوسه است.
سیستم‌های ملخی مانند توربوپراپ‌ها و پروفن‌ها نسبت به جت‌ها فناوری سوخت کارآمدتری دارند. اما توربوپراپ‌ها سرعت بهینه زیر حدود ۴۵۰ مایل در ساعت (۷۰۰ کیلومتر در ساعت) دارند. این سرعت کمتر از آن چیزی است که امروزه خطوط هوایی بزرگ با هواپیماهای جت استفاده می‌کنند. با قیمت بالای سوخت جت و تأکید بر راندمان موتور/ بدنه برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، علاقه مجددی به مفهوم propfan برای هواپیماهای مسافربری وجود دارد که ممکن است فراتر از بوئینگ ۷۸۷ و ایرباس A350 XWB بهره برداری شوند. به عنوان مثال، ایرباس طرح‌های هواپیما با دو پروفن ضد چرخش در عقب را به ثبت رسانده‌است. ناسا یک پروژه پیشرفته توربوپراپ (ATP) را انجام داده‌است که در آن روی پروفن گام متغیری که نویز کمتری تولید می‌کند و سرعت بالایی می‌برد، تحقیق کرده‌است.