Wie hoch können Propellerflugzeuge fliegen?

Es ist eine Frage der Antriebsquelle (und der Motoransaugung bei luftatmenden Motoren), der Flächenbelastung und der aerodynamischen Effizienz. Mit der aktuellen Technologie liegt die Grenze bei etwa 100.000 Fuß (30 km), wie Pathfinder und insbesondere Helios bewiesen haben . Ich bezweifle, dass mit wirklich brauchbaren Flugzeugen noch viel mehr möglich ist.

Aerodynamik zuerst: Der Höhenfaktor von$c_l \cdot Ma^2$sagt Ihnen, wie viel Auftrieb bei einer bestimmten Flugmachzahl erzeugt werden kann, und die Flächenbelastung gibt Ihnen dann die minimale Dichte für einen anhaltenden Flug. 0,4 ist ein guter Wert für Unterschall$c_l \cdot Ma^2$, und 30 kg/m$^2$ist eine zulässige Flächenbelastung für einen Flug bei 30 km. Weitere Informationen finden Sie in dieser Antwort .

Benötigt die Antriebsquelle Umgebungsluft (Kolbenmotor), benötigt das Flugzeug dreistufige Kompressoren oder Turbolader, die bis 20 km Höhe getestet wurden und vielleicht für 24 km gut sein sollen. Sie sind knifflige Geräte; Boeing Condor flog selten mit maximaler Leistung, weil die Stufen der Turbolader in einer abwechselnden Folge von Stößen oszillierten. Eine Stufe raste voraus, wodurch die andere anschwoll, was die erste Welle verursachte und die andere freigab, um vorwärts zu rasen, und so weiter.

Oberhalb von etwa 24 km erscheint ein solarelektrischer Antrieb derzeit als die beste Option. In allen Fällen können Sie nur Unterschall fliegen, sodass die minimale praktische Flächenbelastung die maximale Höhe begrenzt. Flugzeuge wie Helios sind bereits sehr empfindlich, daher können sie nur bei ruhigem Wetter gestartet werden und laufen Gefahr, von Höhenwinden weggeblasen zu werden. Die Nutzlast ist minimal, und je nachdem, was das Flugzeug neben dem Höhenflug tun soll, ist die maximale Höhe zwischen 24 und 30 km begrenzt.

Mit einem Propellerantrieb in die Umlaufbahn zu gehen, ist völlig illusorisch. In höheren Lagen gibt es nicht genug Materie, um gegenzustoßen, und der theoretische Propellerdurchmesser würde in Kilometern (oder Meilen, wenn Sie diese Einheit bevorzugen) gemessen. Die strukturelle Masse wäre unerschwinglich. Außerdem ist der Propellerschub umgekehrt proportional zur Fluggeschwindigkeit, und es gibt keine Möglichkeit, mit einem Propeller auf Fluchtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Der Schub wäre bei 7,9 km/s nur einen Rundungsfehler von Null entfernt.

Diese Geschwindigkeit ist erforderlich, um der Schwerkraft der Erde zu entkommen, indem sie schnell genug um sie herumfliegt, damit die Zentripetalkraft dem Gewicht des Flugzeugs entspricht und als Umlaufgeschwindigkeit bezeichnet wird. Je höher die Umlaufbahn wird, desto mehr Energie wird benötigt, um sie zu erreichen. Um genügend Energie zu gewinnen, würde ein Propellerflugzeug in der Atmosphäre auf eine Geschwindigkeit beschleunigen, die deutlich über der gewünschten Umlaufgeschwindigkeit liegt, und dann diese kinetische Energie in potenzielle Energie umwandeln, um seine Flugbahn über mindestens 100 km, die international anerkannte Höhe, anzuheben wo die Raumfahrt beginnt. Beachten Sie, dass diese Flugphase einen Rückenflug erfordert, wenn die Beschleunigung einige Zeit in Anspruch nimmt. Die maximale Flugmachzahl müsste vielleicht 12 oder sogar 15 betragen, damit dieses Manöver überhaupt möglich ist.

Kurz gesagt: Mit einem Propeller in die Umlaufbahn? Vergiss es!

Ein P3-Orion machte 1971 45.018.

Sie bereiten sich darauf vor, einen auf dem Mars zu fliegen , also liegt das Problem mehr darin, Kraft zu erzeugen, um die Stütze zu drehen, als die Fähigkeit der Stütze, Schub zu erzeugen. Aufregende Fortschritte in der Solarenergie haben den Flug in sehr großer Höhe praktikabel gemacht, wie die Flügelspannweite von 247 Fuß, 1 Tonne Helios in 98.000 Fuß, demonstriert.

Bemannte Ballons haben eine Höhe von 125.000 Fuß erreicht, aber die Marswinde könnten die Designer beunruhigt haben. Helios könnte immer noch da sein, wenn sie eine altmodische Drahtverstrebung für die Flügel hätten, aber das Einsparen von Gewicht und Luftwiderstand ist entscheidend für maximale Höhenleistung.

Ein Aspekt , der den Marsflug begünstigt, ist das Molekulargewicht von CO2, das mit 44 etwa 50 % mehr Masse hat als die überwiegend aus Stickstoff und Sauerstoff bestehende Atmosphäre der Erde. Obwohl die extrem dünne, schwerere CO2-Atmosphäre auf dem Mars den „Auftrieb“ erhöht, den ein sich bewegendes Strömungsprofil erzeugt, indem es bei jedem gegebenen „Luft“-Druck gebogen oder abgelenkt wird.