Können Sie einen Hybrid-Turboprop-Jet-Motor haben?

Zu Beginn schreibe ich dies, um Informationen für Fahrzeuge in einer Geschichte zu erhalten, also suche ich eher nach theoretischen Möglichkeiten, es sei denn, es gibt Beispiele aus der realen Welt.

Der Hintergrund und mein aktuelles Verständnis: Turboprops haben einen großartigen Low-End-Schub und sind effizienter für VTOL und Flüge mit niedriger Fluggeschwindigkeit, mit dem Nachteil des Fluges in geringer Höhe. Strahltriebwerke, sogar Scramjets, sind für schnellere und höher gelegene Flüge gedacht.

Das Ziel ist es, ein typisches Science-Fiction-Landungsschiff zu schaffen, das auf unvorbereiteten Oberflächen landen und in den Weltraum fliegen kann, wo ein weiteres Triebwerk an Bord das Fahrzeug in den Weltraum treibt (es sei denn, es gibt einen wirklich vielfältigen Hybridmotor, der diese Aufgabe übernehmen könnte).

Die wichtigsten Erkenntnisse sind also der Landeteil und die große Höhe. Ich weiß, dass es möglich ist, so etwas wie den V-22 Osprey zu nehmen und die Turboprops (Proprotors) gegen ein anderes Triebwerk mit höherem Schub auszutauschen, aber mit dem Nachteil, dass Sie jede unvorbereitete Oberfläche, auf der Sie landen, verbrennen und zerstören.

Die einfache Frage: Ist es möglich, ein Turboprop-Triebwerk zu haben, das für größere Höhen und schnellere Flüge im Wesentlichen auf eine andere Form von Düsentriebwerk umschaltet?

Dies ist wahrscheinlich viel mehr eine theoretische Frage, als es diese spezielle Seite gewohnt ist, also bin ich mit hilfreichen Informationen gut.

Danke

Willst du hartes Sci-Fi (mit den Gesetzen der Physik, wie wir sie kennen, ist physikalisch eigentlich alles möglich)? Ist VTOL eine harte Anforderung oder ein Nice-to-have? Wie viel horizontales Fliegen müssen Sie tatsächlich tun? Soll es einfach aus dem Weltraum zu einem Ort fallen und dann direkt wieder in den Weltraum aufsteigen, oder möchten Sie abheben und herumfliegen und ein paar Mal landen? Wenn Sie hier keine Antworten erhalten, ist Worldbuilding.SE möglicherweise eine gute Quelle für Fragen zur Geschichte.
Da es sich um Science-Fiction handelt, lassen Sie die Propeller des V-22 nach vorne klappen (vom Motor weg) und dann in die Mitte der Spule einfahren, um sie für "andere" Antriebsmethoden aus dem Weg zu räumen.
Eine Idee, die ich hatte, war, die Propeller zurückzuklappen, dann fragte ich mich, ob die interne Mechanik des Turboprops "umgeschaltet" werden könnte, um mitten im Flug zu einem Düsentriebwerk zu werden.
@DanielK etwas schwierig oder zumindest theoretisch möglich mit der Verwendung zukünftiger Materialien. Das Landungsschiff würde für viele suborbitale (atmosphärische) Flüge verwendet werden, mit der Fähigkeit, im Wesentlichen ein Raumflugzeug zu werden, um es zurück zu ihrem angesehenen Marine-Raumschiff / ihrer Raumstation zu schaffen. Sie müssten also immer noch aerodynamisch einwandfrei sein. Also nichts wie das Landungsschiff in The Expanse. Ein guter Vergleich wäre wie der Pelikan in Halo.
Eine Schlüsselfrage, die beantwortet werden muss, ist, wie viel Sauerstoff und Druck in der Luft vorhanden sind, die der Motor fliegen soll. Gehen Sie von Erdatmosphäre aus? Und der zweite Punkt ist die Anfangsgeschwindigkeit (die Geschwindigkeit des Mutterschiffs)?
@mins ja, ich gehe von der Erdatmosphäre aus. Was das Mutterschiff betrifft, zumindest mit Orbitalgeschwindigkeit. Also da oben zwischen 8 bis 10km/s+.
Gehen Sie davon aus, dass Sie zwischen suborbitalen Flügen am Boden tanken können? Oder werden 100 % des Treibstoffs, den Sie für alle Flüge benötigen, beim ersten Abflug mitgeführt?
Haben Sie schon von der Rotary Rocket gehört? Es ist eine verrückte Mischung aus Helikopter und Rakete, an deren Bau die Leute ziemlich ernsthaft gearbeitet haben. Erklärung und einige Aufnahmen von bemannten Testflügen: youtube.com/watch?v=OIuGfXp-Ok8

Antworten (3)

TLDR: So ziemlich unmöglich mit der aktuellen Technologie, wie ich die Frage verstehe.

Ich glaube, du konzentrierst dich auf den falschen Teil des Problems. Turboprop vs Turbofan ist Kleingeld im Vergleich zu der Menge an Raketentreibstoff, die erforderlich ist, um in die Umlaufbahn zu gelangen. Lassen Sie uns ein paar Zahlen nennen.

Ich gehe von der folgenden Mission aus: 1) Verlassen der Umlaufbahn aus der Erdumlaufbahn, 2) Landung (möglicherweise mit Fallschirmunterstützung), 3) eine Reichweite von 10.000 km für entweder einen sehr langen oder mehrere kurze Flüge unter Verwendung eines vertikalen Starts 4) Rückkehr zu Orbit. Unter der Annahme, dass bei Schritt 1 der gesamte Treibstoff für die gesamte Mission an Bord ist.

Wir fangen am Ende an und arbeiten uns rückwärts vor.

Zuerst müssen wir die Masse des Fahrzeugs kennen. Ich gehe davon aus, dass das tatsächliche Fahrzeuggewicht einem F-35-Jäger ähnlich sein könnte, basierend auf "typischem Science-Fiction-Dropship". Nehmen wir das Leergewicht von 13.290 kg (ebenfalls ähnlich dem von Ihnen erwähnten V-22 Osprey). Einige Science-Fiction-Filme zeigen ein „Landungsschiff“ mit einer Besatzung von Dutzenden, also könnte dies tatsächlich am unteren Ende liegen, aber fangen wir hier an. Wie viel Raketentreibstoff brauchen wir, um ein solches Fahrzeug wieder in die Umlaufbahn zu bringen?

Unter der Annahme, dass das erforderliche Delta-v etwa 11.200 m/s beträgt , unter der Annahme eines sportlichen spezifischen Impulses von 470 s (die absolut beste Rakete, die in dieser Tabelle aufgeführt ist) und die Verwendung der Raketengleichung ergibt den erforderlichen Kraftstoff als 150.000 kg. Zum Vergleich, das ist ungefähr das Leergewicht einer Boeing 777. Nun, das setzt voraus, dass Sie vom Boden aus starten und die Rakete den ganzen Weg nutzen. Wenn Sie die Strahltriebwerke zum Starten und Starten während des Fluges verwenden, benötigen Sie natürlich etwas weniger Treibstoff, aber es ist nicht so viel, wie Sie vielleicht denken. Elon Musk glaubt, dass es nur etwa 5 % Ersparnis sind . Bleiben wir bei der Zahl von 150.000 kg.

Jetzt müssen wir etwas mit dem Gewicht einer B777 herumfliegen. Für B777 reicht eine Treibstoffladung von 100.000 kg aus, um eine Reichweite von rund 10.000 km zu erreichen .

Jetzt wiegt unser Fahrzeug plus Kraftstoff also 250.000 kg. Für einen Senkrechtstart bräuchten Sie satte 2,5 MN Schub, was in Bezug auf Düsentriebwerke ungefähr fünf GE9x bei maximalem Startschub entspricht (die übrigens jeweils etwa 10.000 kg betragen, also ist unser Fahrzeug jetzt weit über unserer anfänglichen Annahme). Gewicht, was bedeutet, dass wir noch mehr Kraftstoff benötigen!)

Das ist schon ein gewaltiges Fahrzeug. Und wir haben noch nicht einmal darüber gesprochen, wie wir dieses Ding dazu bringen können, den Wiedereintritt zu überleben, ohne zu verbrennen. Sie würden einen massiven Hitzeschild benötigen, der nur noch mehr Gewicht hinzufügen würde. Ich würde dies mit der aktuellen Technologie als unmöglich bezeichnen.

Um es so zu ändern, dass es funktioniert, müssen Sie einen oder mehrere der folgenden Schritte ausführen

  • Massiv auf die Endmasse zurückschneiden. dh das letzte Ding soll eher wie eine winzige Apollo-Kommandokapsel aussehen als wie ein "typisches Sci-Fi-Landungsschiff".
  • Tanken Sie vor jedem Flug und vor der Rückkehr in den Orbit am Boden auf.
  • Gib VTOL auf
  • die Flugreichweite reduzieren
  • Geben Sie hartes Sci-Fi auf und erfinden Sie einen magischen Raketenmotor mit einem enorm besseren spezifischen Impuls als die aktuelle Technologie.
Tolle Antwort, danke dafür. Ich dachte, es wäre praktisch unmöglich. Und um der Geschichte willen habe ich so etwas wie einen Sky Hook von dem umkreisenden Schiff aus in Betracht gezogen. Das scheint ein wenig langsam für die zukünftige Einstellung. Um etwas mehr Perspektive zu geben, da Sie meiner Meinung nach die Unmöglichkeit beigelegt haben: Die Einstellung liegt etwa 600 Jahre in der Zukunft, wo interplanetare Reisen nur wenige Tage mit Fackelfahrten dauern, die der Epstein-Fahrt von Expanses ähneln. Die Idee, mit der ich herumspiele, ist, das Fahrzeug auf eine Höhe zu bringen, die hoch genug ist, um die Fusionstriebwerke einzuschalten und auf diese Weise in den Weltraum zu gelangen.
Nun, wenn Sie den Weg von "Fusionstriebwerken" und "Epstein-Antrieben" einschlagen, denke ich nicht, dass ich mir zu viele Gedanken darüber machen würde, ob ein Turbofan bei niedrigen Geschwindigkeiten etwas weniger effizient ist als ein Turboprop. Das ist, als würde man sagen, man hat einen Ferrari, der 240 km/h fahren kann, aber nur, wenn man ihn zuerst mit ein paar Zugpferden auf die Autobahn schleppt und sich fragt, welche Art von Pferd zum Abschleppen am effizientesten wäre. Sagen Sie einfach, Sie haben so etwas wie ein Düsentriebwerk, aber es verbraucht Energie aus Ihrem "Fusionsreaktor" anstelle von Düsentreibstoff.
oder anders ausgedrückt, der Effizienzunterschied zwischen einem Turboprop und einem Turbojet ist uns wichtig, weil Düsentreibstoff teuer und schwer ist. Die spezifische Energie von Kerosin beträgt etwa 40 MJ/kg. Die spezifische Energie der Wasserstofffusion beträgt 640.000.000 MJ/kg, also etwa 16 Millionen Mal mehr Energie pro kg als Düsentreibstoff. Sie könnten eine B777 mit etwa 6 Gramm Wasserstoff von New York nach Tokio fliegen, wenn Sie über Fusion verfügen. Sobald Sie Fusion haben, fragt Turboprop vs. Turbojet, ob Sie 6 Gramm Wasserstoff oder 8 Gramm benötigen. Keine große Sache.
Das ist fair. Ich denke, meine Frage war eher ein mechanischer Aspekt, ob ein Triebwerk, das einen Propeller antreibt, auch ein Düsentriebwerk antreiben und die Luft komprimieren und diese als Treibmittel im Atmosphärenflug verwenden könnte. Die nächste Phase, die ich herausfinden muss, ist, in welcher Höhe ein Fusionsantrieb ohne katastrophale Auswirkungen eingesetzt werden könnte.
Ich glaube, ich bin mir nicht sicher, was du mit Fusionsmaschine meinst. Wenn Sie einen Fusionsreaktor haben, verwenden Sie ihn, um Strom zu erzeugen, und verwenden Sie diesen Strom dann, um einen Elektromotor anzutreiben, der mit einem großen Ventilator oder Propeller verbunden ist. Ein Quadcopter mit Fusionsantrieb würde auf Meereshöhe gut funktionieren, bis die Luft ziemlich dünn wird.
Ich habe gelesen, dass der beste Weg, einen Fusionsreaktor für einen Motor zu verwenden, darin besteht, die Wärme anstelle der Elektrizität zu verwenden. Aber wenn ich sage, ich Fusionstriebwerk, das, auf das ich mich beziehe, ist im Grunde ein Pellet aus Fusionsbrennstoff (in diesem Fall Deuterium-Helium 3), das aus der Rückseite des Triebwerks geschossen wird, wo eine Reihe von Trägheitseinschlusslasern das Pellet und den zünden Triebwerk/Fahrzeug wird durch diese Explosion angetrieben. Eine fortgeschrittenere und Mikroversion des Orion-Projekts. Der Vorteil dieses Systems ist, dass es die gesamte Wärme außerhalb des Behälters hält, was wichtig ist, da wir über Millionen von Grad sprechen.

Jede VTOL-Anordnung bringt viel Druck auf die Landefläche, daher wäre eine praktische Lösung von der Stange der Pratt & Whitney J58-Hybrid-Turbojet / Ram-Jet, um Sie mit etwa Mach 3 vom Boden in den nahen Weltraum zu bringen Umstellung auf Raketen.

Obwohl es möglich ist, an diesem Motortyp eine Stütze zu montieren und sie zusammenzuklappen, können Luftwiderstand und Turbulenzen (an der Ansaugluft) dies unpraktisch machen. Lieber ein paar Sachen mit dem Turbojet drüberblasen (tolle Film-Spezialeffekte). Der Turboprop stößt auch heiße Gase mit etwas geringerer Geschwindigkeit aus.

Ein anderer Ansatz könnte eine VTOL-Version des britischen Boden-Raum-Flugzeugs Skylon sein . Vielleicht schafft es es in Ihrem Buch tatsächlich in die Produktion.

Aber für vertikale Landungen kann es am besten funktionieren, die Turboramjets mit Raketen zu ergänzen . Dann endet man mit etwas , das dem ähnelt, woran Elon Musk mit Jets und etwas mehr Flügel arbeitet.

Obwohl diese „Hybriden“ ein beliebtes Sci-Fi-Konzept sind, befindet sich in Wirklichkeit nur ein kleiner Teil sogar des Orbitfluges außerhalb der Atmosphäre. Sobald der Punkt des Hebens oder des Sauerstoffverbrauchs für den Schub überschritten ist, werden Jets, Flügel und Propeller zu einem so großen Eigengewicht.

Der F-35 Lightning hat einen Ansatz für VTOL, der dem ähnelt, was Sie anfordern. In der Mitte des Rumpfes befindet sich ein Propeller (genau genommen ein Impeller), der senkrecht nach oben zeigt und Türen hat, die sich darüber und darunter öffnen. Es wird vom Düsentriebwerk angetrieben und während des vertikalen Starts und der Landung verwendet.

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