Gibt es eine Begrenzung der möglichen Flughöhe für Elektrojets?

Also dachte ich an Elon Musks elektrische Überschalljet-Idee. Angenommen, wir haben ausreichend energiedichte Batterien, wo wären die Grenzen in Bezug auf Geschwindigkeit und Höhe?

Seine Logik scheint zu sein: Elektrischer (Lüfter?) Antrieb braucht keinen Sauerstoff -> kann höher gehen -> weniger Reibung -> braucht weniger Kraft und Schub, um die Fluggeschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Jets aufrechtzuerhalten

Frage: Gibt es eine Art Limit für Höhe und TAS? Ich meine, die Concorde würde mit Batterien und elektrischen Ventilatoren nachgerüstet. Anstatt dass Mach 2 auf 18300 Metern kreuzt, nehmen Sie an, dass es auf 30 km oder sogar 40 km steigen würde. Die Luftdichte bei 18,3 km beträgt 0,115 kg/m^3, bei 30 km 0,018 kg/m^3 und bei 40 km 0,0039 kg/m^3.

Also 0,0039 / 0,115 = 3,4 %. Das bedeutet, dass der Widerstand bei 40 km nur 3,4 % im Vergleich zu 18,3 km betragen würde. Würde das bedeuten, dass der Leistungs- oder Schubbedarf zur Aufrechterhaltung von Mach 2 nur 3,4 % betragen würde? Oder wird der induzierte Luftwiderstand an diesem Punkt signifikant? Oder würde es vielleicht sogar bei Mach 2 stehen bleiben, wenn es 40 km hoch fliegt?

Ich meine, irgendwie muss es Grenzen geben, sonst könnten wir einfach höher und höher fliegen und mit 0 Schub fliegen und trotzdem Mach 2 halten (wir reden hier nicht von Raumfahrt)?

Na ja, Auftrieb braucht man auch, der mit zunehmender Höhe auch abnimmt.
Nun, der Auftrieb ist in gleichem Maße vom dynamischen Druck abhängig wie der Luftwiderstand. Wenn Sie also theoretisch in fast jeder Höhe die Geschwindigkeit auf denselben dynamischen Druck erhöhen, der den Luftwiderstand erzeugen würde, den Sie überwinden können, würden Sie dies tun haben die gleiche Menge an Lift, nicht wahr?
Eine weitere Überlegung ist, dass der erforderliche Hub aufgrund der Zentrifugalkraft abnimmt, wenn Sie höher und schneller fahren. Offensichtlich beträgt die Umlaufgeschwindigkeit direkt außerhalb der Atmosphäre in 200 Meilen Höhe etwa 18.000 Meilen pro Stunde. Fluggeschwindigkeiten mit einem erheblichen Prozentsatz davon bringen also die Vorteile einer gewissen Reduzierung des erforderlichen Auftriebs. (bis zu einem gewissen Grad abhängig von Geschwindigkeit und Fahrtrichtung - mit oder gegen die Ostrotation der Erde)
Wenn Sie die Beschränkung des Akkus aufheben, ist die nächste Beschränkung wahrscheinlich das Gewicht. Bei hoher Geschwindigkeit und großer Höhe wäre das Triebwerk wahrscheinlich ein Strahl mit hoher Abgasgeschwindigkeit, wobei der heiße Strahl (z. B. Turbostrahl, Staustrahl und Low-Bypass-Turbofan) einen klaren Gewichtsvorteil gegenüber dem kalten Strahl (z. B. elektrischer Strahl) hat. IMO, wenn Sie kohlenstoffarme Überschallreisen mit angemessenem Zeit- und Geldbudget implementieren möchten, wäre Hyperloop etwas praktischer oder Wasserstoffbrennstoff.
Liegt die eigentliche Begrenzung nicht in der Schubkraft, die Sie mit einem Lüfter oder Propeller erzeugen können? Was von der Dichte des Mediums abhängen wird: Betrachten Sie den Größenunterschied zwischen Flugzeug- und Bootspropellern, die den gleichen Schub erzeugen.

Antworten (1)

Dass der elektrische Antrieb keinen Sauerstoff braucht, hilft beim Höhenflug wenig. Die Zusammensetzung der Atmosphäre ändert sich mit der Höhe nicht allzu sehr, daher ist es die geringe atmosphärische Dichte, die die maximale Höhe begrenzt. Wir hatten diese Diskussion schon einmal , und tatsächlich half der solarelektrische Antrieb dabei, Rekordhöhen zu erreichen: Die AeroVironment Helios stellte mit 29.524 m einen Rekord auf, der schwer zu brechen sein wird.

Überschallgeschwindigkeit hilft , hoch zu fliegen -- während Unterschallkonstruktionen in die Sargecke laufen , hilft Überschallflug , selbst in der Höhe einen hohen dynamischen Druck aufrechtzuerhalten . Der Energiebedarf dafür erfordert jedoch eine Energiedichte der Batterien, die mehrere Größenordnungen über dem liegt, was derzeit möglich ist. Wenn es nur schnell gehen soll, liegt die aktuelle Grenze mit Elektroantrieb und schon eher großzügigen Annahmen irgendwo um Mach 2.

Höher zu fliegen reduziert den Schubbedarf nicht, da der gleiche Auftrieb erzeugt werden muss. Das beste Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand wird im Unterschallflug erreicht . Überschall zu gehen bedeutet , eine Widerstandsspitze zu überqueren , aber darüber hinaus liegt das maximal mögliche Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand deutlich unter dem bei Unterschallgeschwindigkeit und nimmt mit zunehmender Machzahl wieder ab .

Mr. Musk ist eindeutig überfordert, wenn er behauptet, dass Überschall-Elektroflugzeuge lebensfähig sind, selbst mit den Fortschritten in der Batterietechnologie, die in den nächsten Jahrzehnten zu erwarten sind.

Ich habe ein bisschen nachgesehen und die verfügbaren Informationen scheinen sehr vage zu sein. Die Hauptidee scheint zu sein, dass es VTOL ist. Ich vermute, dass es selbst bei Überschall hauptsächlich durch vektoriellen Schub angehoben wird. Und dass es eher ein "potenziell Überschall aufgrund hoher Motorleistung und geringem Luftwiderstand" ist als "tatsächlich die Reichweite hat, dass Überschall sinnvoll ist". Ich denke, "Überschall" ist hauptsächlich, weil es cool klingt? Es scheint sowieso eher nebensächlich für das Hauptkonzept zu sein.
@VilleNiemi: Elektrisches VTOL ist noch herausfordernder - das einzige realistische Konzept, das ich kenne, stammt von Volocopter, und es gibt einige da draußen.
Ja, aber alle Artikel waren spezifisch für VTOL. Ich denke nicht, dass es möglich ist, es sei denn, die beabsichtigte Reichweite ist kurz. Was die Überschallleistung irrelevant machen würde.
Ich schätze, ich habe folgende Probleme, mich zurechtzufinden: Nehmen wir an, ich fahre in einer Cessna 150 mit 100 Knoten IAS auf Meereshöhe (ISA). Dann wäre die TAS auch 100 Knoten. Aber wenn ich steige und IAS bei 100 Knoten bleibt, würde die TAS immer mehr zunehmen, weil die Luft weniger dicht ist und das Flugzeug schneller durch die Luft fliegen kann, bis es auf den gleichen Widerstand trifft wie bei SL. Das Flugzeug "denkt" also immer noch, dass es 100 Knoten fliegt, obwohl es bereits schneller ist. Warum sollte es bei einem Überschallflugzeug wie der Concorde nicht genauso sein? Ist es aufgrund von Überschalleffekten unterschiedlich?
@ user15864: Im Unterschallflug ist es zwar so, wie Sie sagen (abgesehen von dichtebedingten Effekten wie weniger Dämpfung und temperaturbedingten Effekten wie mehr Reibungswiderstand und mehr Wärmekraftmaschineneffizienz), aber wenn Sie sich der Schallgeschwindigkeit nähern a Es entsteht eine neue Art von Luftwiderstand , die das Bild verderben wird.
Es ist erwähnenswert, dass viele der Dinge, die SpaceX und Tesla tun, ebenfalls vor einigen Jahrzehnten als unmöglich oder sehr unwahrscheinlich erklärt wurden. Das ist keine Garantie dafür, dass er bei diesem Unterfangen erfolgreich sein wird, aber es ist erwähnenswert.
@enderland: McDonnel-Douglas demonstrierte vor einem Vierteljahrhundert wiederverwendbare Raketen . Das gemütliche Duopol für Raketen in den USA sah jedoch keine Notwendigkeit, zu einer orbitalen Version vorzudringen. Durch die Einstellung der besten Ingenieure von beiden hatte SpaceX kein Problem, das Original tatsächlich zu bauen. Mit Tesla kaufte Musk zufällig ein Unternehmen, das es ernst meinte, Elektrofahrzeuge richtig zu machen, mit viel Batteriekapazität (was ihre Konkurrenz vermied). In beiden Fällen zeigte Musk gutes technisches Urteilsvermögen. Er tut es jedoch nicht mit Flugzeugen.
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