Was ist die theoretische Höchstgeschwindigkeit von Elektroflugzeugen?

Ich frage mich nach theoretischen Höchstgeschwindigkeiten von Überschall-Elektroflugzeugen. Ich denke, die schnellste Demonstration eines Flugzeugtyps war in der Nähe von Mach 10. Dies wurde mit einem Raketentriebwerk durchgeführt, sodass der Antrieb nicht so stark durch die Lufteigenschaften begrenzt war wie der Antrieb eines Elektromotors + Kompressors (glaube ich).

Unter besten Bedingungen; Angenommen, ein unglaublich hohes Leistungsgewicht der Motoren, ein extrem aerodynamisches Design, stärkste Materialien usw.

Weiß jemand theoretisch, was die begrenzenden Faktoren für die Geschwindigkeit eines von einem elektrischen Kompressor angetriebenen Überschallflugzeugs wären (abgesehen vom Energieverbrauch)? Hängt es von der Größe usw. ab?

Könnte es Mach 2+ erreichen?

Vielen Dank im Voraus für jeden Input.

Nur zur Verdeutlichung, Sie beschränken dies speziell auf Elektromotoren, die einen Kompressor antreiben, und nicht auf einen (zum Beispiel) noch zu erfindenden Scramjet-ähnlichen Elektromotor, oder?
Nun ja, Elektromotoren zum Kompressor ist das, was ich hauptsächlich wissen möchte, da es theoretisch existiert und wahrscheinlich definierte Einschränkungen hat. Letzteres würde jedoch den Bereich von dem, was die aktuelle Technologie tun kann, zu dem erweitern, was angesichts der Gesetze der Physik möglich ist, unabhängig von der aktuellen Technologie. Das wäre auch toll zu wissen.

Antworten (1)

Da Sie sich anscheinend keine Gedanken über die Verwendbarkeit dieses hypothetischen Elektroflugzeugs machen, nehmen wir einige Vereinfachungen vor:

  • Die Aerodynamik ist so gut, dass kein Luftwiderstand entsteht. Das ist völlig unrealistisch, hilft aber sehr, die Dinge zu vereinfachen.
  • Struktur, Steuerung und Antrieb sind so fortschrittlich, dass ein Drittel der Startmasse für Batterien übrig bleibt. Wer braucht schon Nutzlast?
  • Der Wirkungsgrad beträgt 80 %. Nicht einmal der Elektroantrieb kann verlustfrei sein.
  • Energiespeicherung ist das Beste, was die aktuelle Technologie zu bieten hat. Dies wären etwa 1,8 MJ pro kg Batterie für nicht wiederaufladbare Lithiumzellen.

Um eine Batterie der Masse m auf eine Geschwindigkeit v zu beschleunigen, wird Energie benötigt

E Verwandtschaft = m 2 ⋅ v 2
Das Fliegen von Mach 2 auf Meereshöhe ist unpraktisch; es hilft dabei auf mindestens 6.000 m (20.000 ft) zu steigen. Dies fügt potenzielle Energie hinzu:
E Topf = m ⋅ g ⋅ h
Praktischerweise ist das Ergebnis unabhängig von der Masse, also der möglichen Höchstgeschwindigkeit
v max = 2 ⋅ 1 3 ⋅ 0,8 ⋅ 1.800.000   m 2   s − 2 − g ⋅ h
Lösen wir dies für 6000 m auf, beträgt die Geschwindigkeit am Ende der Beschleunigung 949,3 m/s, was bereits Mach 2,966 entspricht . Wer lieber auf Akkus (1 MJ/kg) setzt, sinkt die Höchstgeschwindigkeit auf Mach 2,15.

Wenn Sie anfangen, einen vernünftigen Wert für den Luftwiderstand hinzuzufügen, erreichen Sie nicht einmal die Schallgeschwindigkeit, bevor die Batterien leer sind. Derzeit sind Propeller die sinnvollste Art, elektrische Energie in Schub umzuwandeln, und große, langsam laufende Propeller sind die effizienteste Art. Denkt man daran, einen konventionellen Kompressor mit einem Elektromotor anzutreiben, ist sein Unterschallwirkungsgrad bereits weitaus schlechter als die angenommenen 80 %. Auch seine Masse ist noch nicht konkurrenzfähig mit konventionellen Gasturbinen.

@ymb1 Danke, dass du es mir gesagt hast. Keine Entschuldigung erforderlich.
Die Dichte der Energiespeicher hängt auch von der Geschwindigkeit ab, mit der sie aus dem Material extrahiert werden kann. Daher wird die der Versorgung zur Verfügung stehende Leistung zeitliche Kapazitätsgrenzen haben, was jedoch natürlich nicht verhindert, dass die Primärzellen über viele Stunden in die Versorgung vollständig entleert und dann in Sekundenschnelle von den Motoren verbraucht werden.
@jCisco: Absolut richtig, ich habe keine der Einschränkungen abgedeckt. Eine vollständigere Antwort sollte dies beinhalten, aber ich hatte das Gefühl, dass nur ein Blick darauf, wie viel Energie zum Beschleunigen benötigt wird, zeigen würde, wie weit Überschall-Elektroflugzeuge entfernt sind.
Anstatt eine gegensätzliche Minderheitsantwort zu schreiben, wie erstreckt sich Ihre Antwort auf den elektrohydrodynamischen Schub? (Ionischer Wind). Ich habe den Link nicht, aber Steven Barrett vom MIT hat einen Artikel darüber veröffentlicht, den Sie vielleicht sehr relevant finden.
@jCisco: Ich habe eine Umwandlungseffizienz von 80 % verwendet. Selbst wenn der elektrohydrodynamische Schub effizienter wäre (was ich bezweifle), würde das Ergebnis nicht viel anders aussehen.
Das ist genau der Punkt der von mir erwähnten Forschung, die Ergebnisse von 100+ N/kW gegenüber einem Düsentriebwerk mit ~2 N/kW ergab. Sie können HTML über den ersten Link erhalten und der zweite ist das vollständige PDF. rspa.royalsocietypublishing.org/content/469/2154/20120623.short rspa.royalsocietypublishing.org/content/469/2154/…
@jCisco: Danke, dass du das ausgegraben hast!
Ich stimme der Meinung zur Schwierigkeit von Elektroflugzeugen zu, aber es lohnt sich darauf hinzuweisen, dass es jetzt Elektroflugzeuge mit einem Zellmassenanteil von ~60% bei MTOW gibt: en.wikipedia.org/wiki/Eviation_Alice#Design
@Gus: Bisher ist das alles heiße Luft. Wie in: Der Prototyp brannte und wurde zerstört. Zu sagen, dass es jetzt Elektroflugzeuge mit ~60% Zellmassenanteil gibt, ist einfach nicht wahr.
Was ist die theoretische Höchstgeschwindigkeit von Elektroflugzeugen?
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