Was ist die Kármán-Linie von AeroVironment Helios?

Wenn es stimmt, dass die NASA/AeroVironment Helios einen Horizontalflug 96.000 Fuß über dem Meeresspiegel bei einer maximalen Fluggeschwindigkeit von 23,5 Knoten (43,5 km/h) beibehielt, nehme ich an, dass sie eine sehr hohe Kármán-Höhe haben muss, die Höhe, in der sie fliegen müsste mit Orbitalgeschwindigkeit (15.100 kts), um nicht abzuwürgen. Dagegen konnte zB die SR-71 Blackbird nicht einmal mit 23,5 Knoten in Meereshöhe fliegen. Gibt es eine Möglichkeit, die Kármán-Linie von Helios oder überhaupt die eines Flugzeugs herauszufinden? Bekannt ist nur die der X-2 , die nach von Kármáns Berechnungen selbst 91,7 km lang ist. Die X-2 flog mit 2.000 mph (3.200 km/h oder 1.740 kts).

Das sieht meiner Meinung nach wirklich besser zu Space.SE aus.
Dies sollte nicht nach Space.SE verschoben werden, da es um Aerodynamik geht: Wie dünn muss Luft sein, damit Helios 15.100 Knoten braucht, um genug Auftrieb zu bekommen, um sich selbst zu tragen; dann, wie hoch das ist. Dies kann jedoch für einen fiktiven Helios gelten, da seine Solarmodule möglicherweise nicht genug Leistung liefern und seine Propeller bei dieser Drehzahl auseinanderfallen könnten.
Ich hatte immer das Gefühl, dass das Prinzip der Kármán-Linie etwas fehlerhaft ist; Bei Umlaufgeschwindigkeit kann ein Objekt die Höhe ohne jegliches aerodynamisches Leben beibehalten, sodass es etwas unterhalb dieser Geschwindigkeit nur einen geringen Auftrieb erzeugen müsste. Mein Verständnis des Kármán-Linienprinzips ist, dass dies die Höhe ist, in der ein Flugzeug nicht genug Auftrieb erzeugen kann, um sein stationäres Gewicht zu tragen , was es natürlich nicht müsste, wenn es sich mit der besten Umlaufgeschwindigkeit bewegt. Bei Helios ist die Situation etwas eindeutiger, da das Flugzeug mit einer Geschwindigkeit weit unterhalb der Umlaufbahn fliegt.
Mach begrenzte Flugzeugzelle.

Antworten (3)

Es gibt keine unterschiedlichen Karman-Linien zwischen den beiden Flugzeugen. Die Karman-Linie beginnt bei ~62 Meilen (327.362 Fuß) über MSL, einer Höhe, die kein Flugzeug erreichen kann. Außerdem hatte der Aerovironment Helios eine Flächenbelastung von 0,69 lbf/ft^2, während die Flächenbelastung der Blackbird 84 lbf/ft^2 beträgt. Daher überrascht es mich überhaupt nicht, dass eine Amsel bei 23 KIAS keinen Horizontalflug aufrechterhalten kann, ein Helios jedoch.

Die 62 Meilen sind eigentlich eine Rundung der 100 km langen Linie der FAI, die sie als "die" Kármán-Linie etabliert haben. Tatsächlich ist die Linie für jedes Flugzeug anders und variiert auch durch andere Faktoren. Von Kármán selbst bestimmte 91,7 km (57 mi) für den X-2, wie angegeben. Dies sind theoretische Werte, da klar ist, dass kein Flugzeug in diesen Höhen horizontal fliegen kann, nur das Space Shuttle und die Buran konnten dies beim Wiedereintritt.
@Betternotell Die X-15 erreichte fast 315.000 Fuß.
@Betternotell Nein, die Linie ist nicht für jedes Flugzeug anders. Überprüfen Sie das Wiki : " Die Kármán-Linie (oder von Karman-Linie) ist ein Versuch, eine Grenze zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum zu definieren ". Weiter hinten im Artikel kann man lesen, dass er den X-2 verwendet hat, um ein Beispiel für die Aufteilung von Auftrieb und Kepler-Kraft zu veranschaulichen. Er gab nicht an, dass die Berechnung nur für die X-2 spezifisch sei, es sei tatsächlich eine einzige Linie für alle Flugzeuge.
@Koyovis Nein, es hängt von der Stallgeschwindigkeit in der Höhe jedes Flugzeugs ab.
@Betternotell Äh - nein. Wie aus jedem Artikel zu diesem Thema klar destilliert werden kann.
@Koyovis Wenn sie über die Kármán-Linie sprechen, meinen sie normalerweise genau 100 km (62,14 mi), die von der FAI festgelegte Zahl.
Ihr seid alle hier falsch. Sie verwechseln eine vordefinierte Karman-Linie mit dem Versuch von Von Karman, eine maximale theoretische Höhe zu berechnen, die ein Flugzeug erreichen könnte. Es gibt zwei völlig verschiedene Dinge, wie der Wiki-Artikel zeigt.
@Betternotell, deine letzten beiden Kommentare scheinen diametral entgegengesetzt zu sein …
@MichaelHall Im 2. Kommentar habe ich darüber geschrieben, was die FAI als "die" Kármán-Linie bezeichnet. Es gibt keine einzige Kármán-Linie, denn sie hängt von der Überziehgeschwindigkeit des betreffenden Flugzeugs ab. Von Kármán bestimmte für den X-2 einen Wert von 92 km (57 mi), während der Wert von 100 km von der FAI festgelegt wurde. Sie wollten eine schöne runde Zahl, also rundeten sie, aber in die falsche Richtung, denn sie hätten auf 90 und nicht auf 100 km runden sollen. Oder hätte Seemeilen (50 Seemeilen) verwenden sollen, was am nächsten wäre.
Haben Sie eine Referenz für Ihre Behauptung, dass es von der Stallgeschwindigkeit abhängt? Weil mir der Begriff neu ist, aber das entspricht nicht dem gesunden Menschenverstand im Zusammenhang mit der Definition, die ich gelesen habe. Und es gibt hier Leute, deren Antworten ich respektiere, die anderer Meinung sind als Sie …

Die Einschränkungen von geflügelten Flugzeugen liegen weit unterhalb der Karman- Linie aufgrund der weitaus geringeren Luftdichte und der Verschwendung, das Gewicht eines Flügels in diese Höhen zu tragen, zusätzlich zu praktischen Problemen mit anhaltendem Antrieb.

Auftrieb = Dichte × Fläche × Auftriebskoeffizient × Geschwindigkeit 2

Haltefläche und konstanter Auftriebskoeffizient (bis zum besten Angriffswinkel), ein grober Vergleich der Dichte mit der Geschwindigkeit 2 Auftrieb = Gewicht für verschiedene Höhen zu erzeugen wird möglich.

Geschwindigkeit 2 = k/Dichte

Da die IAS von Helios bekannt ist, fügen wir einige Dichte- und Geschwindigkeitszahlen hinzu, beginnend mit der Dichte auf Meereshöhe.

Meereshöhe: 23 Knoten 2 (TAS) = 12574/23,77 (IAS = TAS)

10000 Fuß: 27 Knoten 2 = 12574/17,56

50000 Fuß: 59 Knoten 2 = 12574/3,64

150000 Fuß: 583 Knoten 2 = 12574/0,037

250000 Fuß: 4398 Knoten 2 = 12574/0,00065

Obwohl es verlockend sein mag zu glauben, dass man in sehr großer Höhe nur wenig Auftrieb braucht, geht der Gedanke auf der Strecke, wenn man erkennt, dass der größte Teil des Schubs beim Fliegen mit sehr hoher Geschwindigkeit mit der Überwindung des Luftwiderstands zusammenhängt . Bei über 4000 Knoten, wie es die X-15 tat, während sie sich noch in der Atmosphäre befindet, wird eine große Menge Wärme erzeugt, ähnlich wie bei einem Meteor. Steigen Sie besser darüber hinaus und folgen Sie einem suborbitalen ballistischen Pfad.

Erstaunlicherweise haben alle Objekte über dem größten Teil der Atmosphäre eine sehr ähnliche Höhe der Karman-Linie, da in diesen Höhen die aerodynamischen Kräfte sehr gering sind und die Geschwindigkeiten, die erforderlich sind, um sie zu erzeugen, sich der Umlaufgeschwindigkeit annähern (theoretisch). Der genaue Punkt, an dem „Weltraum“ beginnt, ist jedoch umstritten, da Satelliten in höheren Umlaufbahnen immer noch einem erheblichen atmosphärischen Luftwiderstand ausgesetzt sind 1 .

Um in die Nähe der Karman-Linie zu gelangen, muss das Flugzeug die akustischen und thermischen "Barrieren" überwinden, wenn es lange überleben will. Helios hat beides nicht getan, aber mit einer wahren Fluggeschwindigkeit von Unterschall gute Arbeit geleistet .

1 siehe Karman- Referenz unter Alternativen zur FAI-Definition

Was meinst du mit "darüber"? Wenn Sie hoch genug / weit genug von der Erde entfernt sind, ist die Luft zu dünn, um eine Erwärmung zu verursachen. Ein suborbitaler ballistischer Pfad ist jede Parabel, deren Perigäum innerhalb der Erde liegt. Woher haben Sie es, dass die wahre Fluggeschwindigkeit der Helios 400 kts beträgt; würde Wikipedia das nicht erwähnen? Sie befinden sich über dem größten Teil der Atmosphäre, wenn Sie sich über 18.000 Fuß (5,5 km) MSL befinden, übrigens, aber Sie meinen eigentlich Mesosphären- / niedrigere Thermosphärenhöhen.
@Betternotell Nun, du hast Recht, es muss nicht suborbital sein, es könnte orbital sein oder zum Mars gehen. Aber die Vorstellung, dass Flugzeuge damit etwas zu tun haben, passt nicht zur Physik des Hebeflugs. Die Karman-Linie ist theoretisch, extrapoliert aus einigen (sehr gefährlichen) X-2-Flügen, die in den 1950er Jahren nicht einmal annähernd erreicht wurden. In der Höhe, in der es flog, war es kaum kontrollierbar. Die X-15 erreichte 100 km, benötigte aber Raketenantriebe zur Steuerung. Helios TAS wird einfach mit dem TAS-Rechner im Internet abgeleitet. Google es.
Ich weiß, aber warum würde Wikipedia IAS nur in Rekordhöhe erwähnen? Wenn es die maximale Fluggeschwindigkeit erwähnt, würde es wahrscheinlich Geschwindigkeiten auf Meereshöhe beinhalten, wobei IAS dasselbe ist wie TAS. Ich meine den Helios-Bodenstart (in der Nähe des Meeresspiegels), nicht in der Luft.
@Betternotell, es ist etwas dramatisch, seine IAS hervorzuheben, zumal die NASA sich für viele flügelmontierte solarelektrische Requisiten interessierte (was dem Problem des anhaltenden Antriebs in diesen Höhen sehr zugute kam). Wirklich ein erstaunliches Flugzeug (ein weiteres verlorenes Flugzeug an einem windigen Tag!).

Geben Sie hier die Bildbeschreibung einBild aus dem Wiki

Das Helios ist ein sich langsam bewegendes Flugzeug, während es bei den Überlegungen zur Karman-Linie um sehr schnell fliegende Flugzeuge geht. Von diesem Link:

... die Karman-Linie wird bestimmt, indem berechnet wird, bei welcher Höhe die Erdatmosphäre zu schwach wird, um einen Flug zu unterstützen. An der Karman-Linie ist die Atmosphäre zu dünn, um einen Flug zu unterstützen, und das Flugzeug muss schnell fliegen, um in der Luft zu bleiben. Die Karman-Linie liegt oberhalb der Homopause, und oberhalb dieses Punktes sind die atmosphärischen Gase nicht gut gemischt.

Die Karman-Linie ist also die Linie der Umlaufgeschwindigkeit, bei der die Aerodynamik nur sehr wenig bis gar keine Auftriebskraft beisteuert. Orbitalgeschwindigkeiten sind sehr hoch , und hohe Geschwindigkeit ist etwas, wozu der Helios nicht in der Lage ist, er kann nur durch aerodynamischen Auftrieb in der Luft bleiben. Diskussionen über Helios und die Kármán-Linie sind unvereinbar.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Umlaufgeschwindigkeit eines Flugzeugs oder eines zirkulierenden Objekts in jeder Höhe ist lediglich eine Funktion seiner Höchstgeschwindigkeit. Betrachtet man eine vereinfachte Situation (homogene kugelförmige Erde usw.) im obigen Bild, ist die Zentrifugalkraft F C muss gleich der Gravitationskraft F sein G :

F C = M ⋅ v 2 R = M ⋅ v 2 R + H

F G = M ⋅ G H = M ⋅ G 0 ⋅ ( R R + H ) 2

Mit R = Erdradius, H = Höhe, G H = Schwerkraft in der Höhe

Das Gleichsetzen der beiden Gleichungen und das Berechnen für mehrere Höhen ergibt:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es gibt kein Flugzeug, das so schnell fliegen kann, nicht einmal die SR-71 oder die X-2, die nur etwa 1.000 m/s @ 24.000 m erreichten. Sie benötigen aerodynamischen Auftrieb!

Die Kármán-Linie ist also nicht flugzeugabhängig, sie ist die Grenze, an der aerodynamischer Flug mit keinem Flugzeug mehr möglich ist. Von dieser Seite:

Die Kármán-Linie basiert insofern auf der physikalischen Realität, als sie ungefähr die Höhe markiert, in der herkömmliche Flugzeuge nicht mehr effektiv fliegen können. Alles, was sich oberhalb der Kármán-Linie fortbewegt, benötigt ein Antriebssystem, das nicht auf den von der Erdatmosphäre erzeugten Auftrieb angewiesen ist – die Luft ist so hoch oben einfach zu dünn. Mit anderen Worten, an der Kármán-Linie verschieben sich die physikalischen Gesetze, die die Flugfähigkeit eines Fahrzeugs bestimmen.

Dachten Sie, ich dachte, die Helios oder die SR-71 könnten in eine Umlaufbahn eintreten? Ich schrieb "müssen", nicht "müssen". Ich frage nach der Höhe, in der es die Umlaufgeschwindigkeit erreichen müsste , was der Helios nicht kann.
@Betternotell Der X-2 ist es auch nicht. Es diente nur als Beispiel zur Veranschaulichung.
Das ist richtig, ich mache hier dasselbe, also behaupte nicht, ich würde glauben, dass sie die Umlaufbahn erreichen können.
@Koyovis, es kann sein, dass die maximale Höhe von Helios möglicherweise durch die verfügbare Leistung begrenzt wurde, da der Flügel möglicherweise etwas höher fliegen konnte, während er unter Mach blieb. Hoffentlich bauen sie noch eins.
Was ist die Kármán-Linie von AeroVironment Helios?
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