Luft mit geringer Dichte auf einem Planeten - Auswirkungen auf zivile und militärische Flugzeuge (nicht weltraumtauglich)

Der Auftrieb ist abhängig von der Luftdichte. Aus diesem Grund haben Flugzeuge eine maximale Höhe . Sie können physisch nicht höher fliegen.

Andere Umstände, die die Luftdichte verringern, wie beispielsweise hohe Temperaturen , sind Bodenflugzeugen bekannt.

Es gibt viele Möglichkeiten, den Auftrieb zu erhöhen. Die beiden einfachsten sind die Verbesserung der Flügelgeometrie und das Fahren mit höherer Geschwindigkeit.

Ihre Grundvoraussetzung zur Vergrößerung der Flügelfläche (Bi-, Tri-, Quad-Flügel) würde tatsächlich den Auftrieb des Flugzeugs erhöhen. Leider erhöht es auch das Gewicht und den Luftwiderstand des Flugzeugs.

Um effektiv zu fliegen, müssen Sie den Auftrieb gegen das Gewicht und den Luftwiderstand gegen den Schub ausbalancieren. Im Allgemeinen erhöht das Hinzufügen von mehr Flügeln das Gewicht des Flugzeugs und hat andere Auswirkungen auf die Aerodynamik des Flugzeugs (Doppeldecker sind bei niedriger Geschwindigkeit erstaunlich manövrierfähig und können auf sehr kurze Distanzen starten, aber sie haben aufgrund des erhöhten Luftwiderstands niedrigere Höchstgeschwindigkeiten). Flügel), so dass es ein Balanceakt wäre, damit die gewünschten Kriterien für das Flugzeugdesign in einer Atmosphäre mit geringerer Dichte zu erreichen.

Ein weiteres Problem wäre, dass der Druck mit der Höhe abnimmt. Wenn Sie also in einer Atmosphäre mit niedrigerem Druck fliegen könnten, haben Sie im Vergleich zur Erde möglicherweise erhöhte Höhenbeschränkungen.

Eine weitere Komplikation Ihres Problems wären die Triebwerke. Wenn Sie ein luftatmendes Strahltriebwerk wünschen, wird ein niedrigerer Druck sie weniger effizient machen und erfordert eine höhere Kompression, um zu funktionieren, oder sogar die Injektion eines Oxidationsmittels, wodurch es eher zu einem Raketenflugzeug wird als ein Strahltriebwerk.

Ein Bereich, in dem Sie nach Extremen forschen könnten, sind verschiedene Studien zu vorgeschlagenen Motorflügen in der sehr dünnen Marsatmosphäre. Sie sind alle einflügelige, sehr, sehr leichte Flugzeuge, die eher mit Ultraleichtflugzeugen als mit einem Jetliner vergleichbar sind.

Wie hier zu sehen ist , beinhaltet die Auftriebsgleichung den Auftriebskoeffizienten Cl , die Dichte,$\rho$, die Geschwindigkeit,$V$, und der Flügelbereich$A$in dieser Gleichung:$L =C_l\frac{\rho V^2}{2}A$.

Das Wichtigste für Ihre Überlegung ist, dass es ein paar Designvariablen gibt, mit denen wir spielen könnten, um zu versuchen, den Auftrieb aufrechtzuerhalten. Wenn Dichte ($\rho$) verringert wird, müssen andere Variablen proportional zunehmen, um den Auftrieb konstant zu halten. Das$C_l$Die Laufzeit kann bis zu einem Ausmaß erhöht werden, um mehr Auftrieb bereitzustellen, aber es gibt Nachteile. Geschwindigkeit($V$) ist schöner zu erhöhen, da es ein quadratisches Verhältnis hat. Es muss nur um einen Quadratwurzelfaktor erhöht werden. (Wenn die Dichte halbiert wird, muss die Geschwindigkeit erhöht werden$\sqrt{2}$mal). Schließlich können wir die Flügelfläche vergrößern. Supereinfach, oder?

Falsch. Leider haben diese Designvariablen andere Auswirkungen, die nicht sofort bemerkt werden. Die Vergrößerung der Fläche bedeutet oft mehr Gewicht und/oder Luftwiderstand. Geschwindigkeitssteigerungen erfordern oft größere Triebwerke, und Cls können in ihrer Leistung über Ihren Flugbereich hinweg wählerisch sein.

Alles in allem ist es durchaus möglich, für niedrige Dichte zu entwerfen und in dieser zu fliegen, es gibt nur ein paar Dinge, die man sich wirklich ansehen sollte.

Was die Besonderheiten von Jet Bis, Tris und Quadplanes betrifft, weiß ich es nicht. Viele Flugzeuge in großer Höhe (das ist eine geringe Dichte auf der Erde) haben Flügel mit einem sehr hohen Seitenverhältnis ( schnelle Google-Suche). Soweit ich weiß, war ein Großteil der Argumentation hinter Bis, Tris und allem oben genannten, dass die verfügbaren Materialien die notwendige Struktur nicht unterstützten, zumindest nicht leicht. Um lange, gebrochene Flügel zu umgehen, fügten sie mehrere kürzere Flügel hinzu (wobei immer noch die gleiche Flügelfläche erhalten wurde), die die Materialien (Holz, Draht, Leinwand) und die Struktur (Drahtkastenrahmen) tragen konnten. Sie hatten viele Nachteile. Diese Strukturen mit all diesen Drähten fügten eine Menge Luftwiderstand hinzu. Stärkere Materialien wie Aluminium kamen in die Phase, weil sie den Flügel ohne die freiliegende "schleppende" Drahtgitterstruktur stützen konnten. Meiner Meinung nach, wenn Sie die Technologie für Strahltriebwerke haben, haben Sie wahrscheinlich auch Technologie für lange Einzelflügelstrukturen.

Sehen Sie sich diesen Aviation SE-Beitrag über Doppeldecker an.

Wenn Sie die Luftdichte verringern, wird es natürlich schwieriger, Auftrieb zu erzeugen

weil der Auftrieb aus dem Unterschied des Luftdrucks/der Luftdichte über und unter dem Flügel erzeugt wird.

Wenn es zu wenig ist, kannst du überhaupt nicht fliegen. Wenn es weniger ist als das, was auf der Erde gefunden wird, brauchst du größere Flügel, wenn es größer ist, kannst du kleinere Flügel verwenden.

Dies gilt für alle Luftfahrzeuge , ob zivil oder militärisch, macht keinen Unterschied.

Ein weiterer Aspekt ist, dass alle Flugzeuge mit Ausnahme von Segelflugzeugen und Zeppelinen Sauerstoff benötigen, um ihre energieerzeugende Verbrennungsreaktion anzutreiben.

Aus diesem Grund verwendet das Space Shuttle eine Rakete und wird nicht auf dem Mars eingesetzt. (die Flügel erzeugen nicht genug Luftwiderstand)