Wie wirkt sich die Höhe auf die TAS und den Schub eines Flugzeugs mit Elektrolüfterantrieb aus?

Die Helios war ein elektrisch angetriebenes Propellerflugzeug, das eine Höhe von über 96.000 Fuß erreichte und es mehr als 40 Minuten lang im Horizontalflug hielt.

mit zunehmender Höhe

Sie halten den Flügelauftrieb mit konstantem IAS aufrecht, bis sich der Flügelluftstrom der Schallgeschwindigkeit nähert (TAS steigt). Die Leistung der Welle muss erhöht werden, um den Propeller schneller zu drehen, um den Schub aufrechtzuerhalten, oder ... das Ändern der Propellersteigung ist hilfreich, anstatt die Drehzahl zu erhöhen. Dies hilft, die "Schallmauer" für die Stütze zu vermeiden .

wenn die Motordrehzahl steigt

Selbst wenn sie nicht durch Überschallpropellerspitzen begrenzt wird, erfordert eine erhöhte Motorlagerreibung durch höhere Drehzahlen eine größere Leistungsaufnahme. Auch hier ist die Möglichkeit, die Propellersteigung zu variieren, enorm hilfreich, um den optimalen AOA des Propellers aufrechtzuerhalten , wenn die TAS zunimmt.

Kann ich in 50.000 Fuß mit der gleichen Kraft fliegen wie auf Meereshöhe?

Sie können viel näher kommen, indem Sie Ihr Flugzeug so konstruieren, dass es in 50.000 Fuß fliegt, indem Sie:

 1.  Reducing wing loading by removing weight
 2.  Increasing wing aspect ratio and/or increasing wing area
 3.  Increasing the **area** of your prop so you can push more air at the same rpm.

Mit Propellern müssen Sie dünnere Luft kompensieren, aber höhere Drehzahlen sind nicht der einzige Weg.

Schauen wir uns zunächst den Unterschied zwischen IAS und TAS an

TAS ist Ihre wahre Fluggeschwindigkeit und unabhängig von der Höhe, es ist die Geschwindigkeit, mit der Sie sich durch die Luft bewegen. Wenn es keinen Wind gibt, ist es gleich Ihrer Fluggeschwindigkeit. Auf der anderen Seite ist IAS die Fluggeschwindigkeit, die Sie auf Ihren Fluginstrumenten als angezeigte Fluggeschwindigkeit ablesen, und ist eine Funktion des dynamischen Drucks. Ihr Pitot-Rohr misst den Staudruck und leitet aus dem statischen Druck den dynamischen Druck ab, der sich auf die Fluggeschwindigkeit bezieht.

$$P_{stagn}=P_{static}+\frac{1}{2}\rho V^2$$ Da Ihre Instrumente für eine bestimmte Zeit kalibriert sind$\rho$Die angezeigte Fluggeschwindigkeit IAS wird sich bei Variation der Luftdichte von der TAS unterscheiden. IAS wird verwendet, um eine gute Vorstellung von der Flugzeugleistung zu vermitteln, wie in der Widerstands- und Auftriebsgleichung der Begriff$\frac{1}{2}\rho V^2$ist immer da. Bei gleichem IAS sind die aerodynamischen Leistungen des Flugzeugs gleich, egal ob Sie sich auf Meereshöhe oder auf einem Berg befinden.

Nun zum Motorteil der Frage. Moderne Turbofans arbeiten tatsächlich mit einer ziemlich konstanten Luftstromgeschwindigkeit im Inneren, die durch ihre Konstruktion festgelegt ist. Schub wird erzeugt, indem Luft durch den Motor beschleunigt wird. Je mehr Luft Sie beschleunigen können und je mehr Geschwindigkeitssteigerung Sie bieten können, desto mehr Schub erhalten Sie.

Da der Auspuff die Motordüse mit einer ziemlich festen Geschwindigkeit verlässt, ist die bereitgestellte Beschleunigung direkt mit der ankommenden Fluggeschwindigkeit verknüpft, und hier ist die wahre Fluggeschwindigkeit entscheidend. Je höher die Flugzeuggeschwindigkeit ist, desto weniger wird die Ansaugluft beschleunigt. Daher nimmt der Schub mit zunehmender Fluggeschwindigkeit ab. Je höher du fliegst, desto weniger Luftdichte hast du außerdem. Dann wird für das gleiche Volumen an Ansaugluft, das durch Ihren Motor strömt, weniger Masse beschleunigt und daher auch der Schub beim Fliegen in großer Höhe reduziert. Beide Effekte werden dadurch abgemildert, dass schnelleres Fliegen die Verdichtung im Einlass erhöht und den gesamten Motor auf einem höheren Druckniveau arbeiten lässt, wodurch der Ausgangsschub erhöht wird. Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit wird mehr Luftvolumen in den Einlass geleitet, wo es langsamer werden muss, bevor es in den Kompressor eintritt.

Moderne Turbofans sind stark überdimensioniert, da sie für zweimotorige Verkehrsflugzeuge in der Lage sein müssen, mehr als 180 Minuten mit einem abgeschalteten Triebwerk waagerecht zu fliegen (ETOPS 180-Zertifizierung). Daher nutzen sie auch beim Start niemals die maximale Ausgangsleistung, die sie erzeugen können. Dann, selbst wenn die Höhe und der Fluggeschwindigkeitsschub abnehmen, gibt es immer noch genug, um mit Überschallgeschwindigkeit zu fliegen. Schließlich ist die Wellenleistung eine Funktion des Drehmoments und der Drehzahl des Motors. Das Drehmoment steht in direktem Zusammenhang mit dem Schub und die Drehzahl wird bei neuen Motoren auf einem ziemlich konstanten Wert gehalten. Wenn der Schub abnimmt, nimmt daher das aerodynamische Drehmoment am Lüfter ab und die zum Antrieb erforderliche Wellenleistung nimmt ab. Die Beibehaltung des gleichen IAS bedeutet, dass Ihr Luftwiderstand im Horizontalflug unabhängig von Ihrer Flughöhe konstant bleibt. Und der Schubbedarf bleibt konstant. Bei einem Impeller verringert der Druckeffekt am Einlass bei hoher Drehzahl die Notwendigkeit einer höheren Drehzahl. Auf der anderen Seite erhöht sich die Drehzahl bei Propellern, wenn Sie Ihre Blattneigung nicht anpassen, bei konstanter Leistungsabgabe, was nicht wirklich gut für den Motor ist und die Blattspitze Überschall erreicht. Wenn Sie Ihre Steigung ändern, kann Ihr Blatt auf konstanter Geschwindigkeit bleiben und die Drehzahl bleibt konstant.