Ist die Geschwindigkeit eines Propellerflugzeugs durch die Schallgeschwindigkeit begrenzt?

Vergessen Sie nicht, dass sich das Flugzeug vorwärts bewegt, also ist es nicht auf eine Vakuumfüllung vor dem Propeller angewiesen, um diesen mit Luft zu versorgen.

Nun, ich wage zu behaupten, dass es gute technische Gründe gibt, warum Propeller für Überschallflüge nicht effizient und sogar unpraktikabel sind, aber ich glaube nicht, dass es einen grundlegenden physikalisch-theoretischen Grund gibt, der sie ausschließt.

Ein Propeller unterscheidet sich vom theoretischen Standpunkt aus nicht wesentlich von einem Gasturbinenstrahl oder sogar einer Rakete insofern, als er einfach "Zeug rückwärts wirft", wodurch die Luft, die er wirft, abgestoßen und durch das dritte Newtonsche Gesetz vorwärts geschoben wird. Wenn ihm genug Luft zugeführt werden kann, um rückwärts zu werfen (und ich denke, mein erster Satz zeigt, dass es wahrscheinlich keinen Mangel an Versorgung gibt) und wenn er der Luft einen ausreichend hohen Impuls verleihen kann, dann gibt es im Prinzip keine Grenze dafür, wie schnell die Die Luft wird vom Propeller nach hinten geschleudert. Was passiert, wenn es schneller als mit Schallgeschwindigkeit nach hinten geschleudert wird? Nun, in diesem Fall würde es einen Überdruck geben, d.h. es würde sich dort Luft anstauen, die Luft wird dadurch dichter und "steifer", und die lokale Schallgeschwindigkeit hinter dem Propeller kann somit viel höher sein als die der Umgebungsluft. Wenn der Propeller dies tut, erfährt die Luft einen scharfen adiabatischen Temperaturanstieg. Wenn Sie diese Idee auf die Spitze treiben, beobachten Sie, dass Raketentriebwerke Gas mit etwa 10-facher Schallgeschwindigkeit hinter sich ausstoßen. Es kommt einfach darauf an, wie stark man das Gas beschleunigt – im Prinzip macht es keinen Unterschied, ob diese Beschleunigung durch chemische Energie erreicht wird oder durch eine große Fledermaus, die die Luft nach hinten schlägt.

Nicht physikalisch, aber praktisch gibt es (derzeit) bessere Alternativen.

Das einschränkende Problem bei Propellern ähnelt dem einschränkenden Problem bei Hubschraubern: Propeller funktionieren wie Flügelabschnitte, da sie den Fluss zur Arbeit beschleunigen müssen; Wenn Sie sich der Schallgeschwindigkeit nähern, bedeutet dies, dass sich Stöße bilden, und dieses Problem ist besonders schlimm (im Vergleich zu einem Turbofan zum Beispiel), da Propeller arbeiten, indem sie eine große Strömungsmasse um ein wenig beschleunigen, was bedeutet, dass Sie Ihre Propeller sehr groß machen und dadurch die Länge Ihres Stoßdämpfers zunimmt; Erschütterungen beschädigen alles und sie erfordern auch eine enorme Menge an Energie, um sie zu überwinden - Aerodynamiker vermeiden gerne Erschütterungen.

Bearbeiten: Die fehlende Information hier ist, dass viele Leute verstehen, dass sich die Strömung in einem 1D-Rohr mit abnehmender Querschnittsfläche bis zu M = 1 (Massenerhaltung) beschleunigt - was weniger bekannt ist, ist das Kreuz Wenn die Querschnittsfläche dann zunimmt , kann die Strömung weiter auf M > 1 beschleunigt werden. Dies ist unter anderem auf die Kompressibilität zurückzuführen. Aus diesem Grund gibt es keine physikalische Grenze (fügen Sie hier eine Handbewegung ein, es gibt sicherlich eine, die in dieser Region nur nicht anwendbar ist), die wir nicht überschreiten können, wenn wir unseren Fluss mit einem Flügelabschnitt, z. B. einer Stütze, beschleunigen. Die Sache ist die, dass, da wir immer langsam Energie aus unserem Fluss verlieren, ein Überschallfluss irgendwann immer zu Unterschallbedingungen zurückkehrt, was mit einem heftigen starken Schock geschieht, über den eine Menge Energie von KE in Wärme umgewandelt wird.

Aufgrund des verbesserten Verständnisses in diesem Bereich ist zu erwarten, dass transsonische Flugzeuge in den nächsten Jahrzehnten auf Turboprop-Designs mit gegenläufigen Propellern umsteigen werden.

Ein Propeller kann mit Überschallgeschwindigkeit arbeiten, da er bei Annäherung an diese Geschwindigkeiten die Luftmoleküle einholt, während er sich bewegt. Sie müssen also nicht warten, bis sich die Moleküle in das von Ihnen erzeugte Vakuum bewegen.

Mit anderen Worten, der Schub eines Propellers geht nicht auf Null, nur weil das Flugzeug eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht.

Aber es reicht nicht aus, Schub zu haben. Sie brauchen "viel" Schub ...

Ihre Frage, so wie sie gestellt ist, erlaubt eine schnelle Antwort: Nein, dieses Flugzeug kann im Prinzip mit einer höheren Geschwindigkeit als 1M fallen .

Was Sie jedoch nur brauchen, ist, die Luftmoleküle zu beschleunigen, damit Sie an Schwung (und Geschwindigkeit) gewinnen. (1) Grundsätzlich ist es nicht verboten, einen solchen Propeller zu erfinden. Aber normalerweise haben Sie bei einem klassischen Design ernsthafte Schwierigkeiten mit dem Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen.

Bei der Ansicht (2,3) sollte man die Propellerblätter als Flügelprofile betrachten, dann kann man mit Staudruck nach oben und unten spielen. Aber man vergisst, dass man nicht nur Unterdruck vorne hat, sondern auch einen höheren Druck hinten.

(4) Grundsätzlich ja, aber die Schallgeschwindigkeit hängt von der absoluten Temperatur ab.

Die Antwort auf die Hauptfrage lautet nein . Der Grund dafür ist, dass Ihre Argumentation fehlerhaft ist. Zusätzlich zu dem Vakuum, das vor dem Propeller entsteht, gibt es den Impuls, der durch die Reaktion auf die Luft, die vom Propeller weggedrückt wird, auf den Propeller ausgeübt wird. Die Vakuumkraft erreicht zwar eine Grenze, die Impulskraft jedoch nicht . Sie ist nur dadurch begrenzt, wie schnell die Luft durch den Propeller nach hinten „gedrückt“ werden kann, ohne dass der Propeller zerbricht. Mit einem sehr starken Propeller und einem starken Motor sollte es also tatsächlich möglich sein, mit mehr als M1 zu fliegen.

Ja, die Geschwindigkeit eines Propellerflugzeugs ist durch die Schallgeschwindigkeit begrenzt, aber nicht so, wie Sie denken. Was ist los:

Das Propellerflugzeug hat eine eigene Geschwindigkeit und fliegt in einen Haufen zuvor ahnungsloser Luft, die Däumchen drehte. Bei Unterschallgeschwindigkeit des Flugzeugs erhält die Luft vor dem Flugzeug eine Warnung und beginnt, sich in Richtung des Propellers zu sammeln.

Bildquelle

Die einströmende Luft trifft mit einem höheren Gesamtdruck als Umgebungsdruck auf die Propellerscheibe - hier gibt es kein Vakuum! Und der Propeller überträgt Energie auf den einströmenden Luftstrom und beschleunigt ihn rückwärts. Dies liefert den Schub, der es dem Flugzeug ermöglicht zu fliegen.

Das obige Bild erklärt das Prinzip der Schuberzeugung mit der Impulsmethode, die nützlich ist, sich aber nicht mit der zum Drehen des Propellers erforderlichen Leistung befasst. Die Propellerblätter sind Miniaturflügel, die sich drehen, Schub liefern (ähnlich dem Auftrieb in einem Flügel) und Drehmoment erfordern (ähnlich dem Schleppen in einem Flügel). Die Blattspitzengeschwindigkeit ist die Vektorsumme aus Rotationsgeschwindigkeit und Fluggeschwindigkeit.

Und wenn die Spitzengeschwindigkeit Überschall wird, ist das der begrenzende Faktor. Bei Überschallgeschwindigkeit erzeugen die Stoßwellen einen außerordentlichen Luftwiderstand ohne irgendeine sinnvolle Erhöhung des Auftriebs, also eine schnelle Erhöhung der erforderlichen Motorleistung, ohne dass der Propeller mehr Schub erzeugt.

Beachten Sie, dass die Grenzgeschwindigkeit die Geschwindigkeit der Propellerspitze ist. Die Luftgeschwindigkeit des Flugzeugs ist einer der Vektoren, die dazu beitragen, und ist daher immer niedriger als die Schallgeschwindigkeit. Praktische Grenzen für Propellerflugzeuge liegen bei etwa M = 0,6, darüber sind Strahltriebwerke erforderlich.