Welche Flugzeuge halten die höchsten Max Q's (aerodynamischer Druck) aus?

Was sind die höchsten aerodynamischen Drücke, die in einem Flugzeug auftreten? Und begrenzt dies die Höchstgeschwindigkeit von Flugzeugen in bestimmten Höhen? Allgemein gesagt: "Wie schnell können Sie [in einer bestimmten Höhe] fahren?"

Wo Staudruck q ist:

q = 1 2 ρ v 2

ρ ist die lokale Luftdichte, und v ist wahre Fluggeschwindigkeit.

Ich beschäftige mich hauptsächlich mit Hochleistungsjägern/Bombern. Hier sind einige Daten, die ich ausgewählt habe (Mk-12A und 787 als Referenz hinzugefügt):

#   | Airframe      | Mach       | Speed     | Altitude    | q (kgf/m^2)
----|---------------|------------|-----------|-------------|------------
1.  | Mk-12A        | Mach  6.15 | 2,100 m/s |       0 ft  | 273,000
2.  | Mk-12A        | Mach 22.6  | 6,900 m/s | 100,000 ft  |  39,300
3.  | X-51A         | Mach  5.1  | 1,500 m/s |  64,000 ft  |  11,100
4.  | HTV-2         | Mach 20.   | 5,812 m/s | 125,000 ft? |  10,700
5.  | F-111         | Mach  1.2  |   410 m/s |       0 ft  |  10,400
6.  | B-1A          | Mach  1.2  |   410 m/s |       0 ft  |  10,400
7.  | B-1B          | Mach  0.9  |   310 m/s |       0 ft  |   6,100
8.  | X-43A         | Mach  9.6  | 3,000 m/s | 109,000 ft  |   4,800
9.  | Skylon        | Mach  5.5  | 1,630 m/s |  85,300 ft  |   4,600
10. | SR-72         | Mach  6    | 1,800 m/s |  90,000 ft? |   4,400
11. | Space Shuttle | Mach  1.3? |   400 m/s |  35,000 ft  |   3,200?
12. | XB-70         | Mach  3.0  |   880 m/s |  73,000 ft  |   2,500
13. | SR-71         | Mach  3.2  |   930 m/s |  78,740 ft  |   2,300
14. | Concorde      | Mach  2.0  |   600 m/s |  60,000 ft  |   2,100
15. | Boeing 787    | Mach   .85 |   250 m/s |  35,000 ft  |   1,200

Die Flugzeugzellen Nr. 3, Nr. 4 und Nr. 5/6 unterscheiden sich stark voneinander, daher bin ich überrascht, dass sie ungefähr das gleiche Maximum haben Q . Ist 11.000 kgf/m^2 ein üblicher Grenzwert?

Hinweis: Alle Zahlen gelten für den Horizontalflug mit Ausnahme von Mk-12A (Wiedereintritt), Space Shuttle (Aufstieg) und HTV-2 (Gleitflug).

  • [Mk-12A]: Aktuelles Wiedereintrittsfahrzeug für die Interkontinentalrakete Minuteman III, beherbergt den Sprengkopf W78 (350 kT). Die Zahlen sind für den Wiedereintritt.
  • [HTV-2]: Raketengleiter.
  • [B-1B]: „[Höchstgeschwindigkeit] wird durch die Notwendigkeit begrenzt, Schäden an der Struktur und den Lufteinlässen zu vermeiden“, so Wikipedia. Der B-1B verwendete weniger strukturelles Titan und einen einfacheren Einlass mit fester Geometrie, als die Geschwindigkeitsanforderungen gegenüber dem B-1A gesenkt wurden.
  • [Skylon]: Gibt es offensichtlich noch nicht. Das "Benutzerhandbuch" von Reaction Engines für den Skylon behandelt das Flugprofil.
  • [SR-72]: Existiert offensichtlich noch nicht. Lockheed Martin sprach über die Kreuzfahrt von Mach 6. 90.000 ft Reiseflughöhe ist nur mein Platzhalterwert.
  • [Space Shuttle]: Zahlen für den Aufstieg.

Etwas Hintergrund und Zweck: Zum Spaß versuche ich, einen schweren Hyperschall-Langstreckenbomber zu entwerfen. Ich war neugierig, was die maximale Geschwindigkeit in niedriger/mittlerer Höhe begrenzen würde: Luftwiderstand (verfügbarer Triebwerksschub), max Q (Strukturfestigkeit) oder Hauttemperatur (Wärmeschutzsystem) ... aber dazu komme ich in einer anderen Frage.

Ich habe fast alle Tags zu Aerodynamik, Militär, Flugzeugdesign, Flugzeugleistung und Düsentriebwerken durchgelesen und nach Antworten gesucht. (Wirklich, dies ist eine wunderbare Community.) Endlich wurde mir klar, dass ich meine eigene Frage stellen konnte.

Ich habe versucht, der Etikette so gut wie möglich zu folgen, aber ich bin ziemlich neu bei Stack Exchange, also lassen Sie es mich wissen, wenn ich etwas ändern sollte :) Danke!

"Zum Spaß versuche ich, einen schweren Hyperschall-Langstreckenbomber zu entwerfen" O_o
@bjb568 Es ist einfach ein lustiges Projekt, mich selbst herauszufordern und zu sehen, wie viel ich davon bekomme (ich habe ungefähr zwei Wochen Aerodynamik-Hintergrund). Es ist eher eine Designübung als alles andere. Ich versichere Ihnen, ich nehme es nicht so ernst! Habe ich erwähnt, dass es von einem aneutronischen Fusionsreaktor angetrieben wird? :P
Sie scheinen anzunehmen, dass das maximale Q auf Reiseflughöhe und -geschwindigkeit liegt, aber ich bin davon nicht überzeugt.
@ Raptortech97 Oh, überhaupt nicht. Aber mein Konstruktionsschub ist in der Lage, viel höhere Geschwindigkeiten zu erreichen [als die Flugzeugzelle bewältigen kann]. Die Reisegeschwindigkeit beträgt ~Mach 10 bei 100.000 Fuß =D. Für q = 11000 kgf / m ^ 2 beträgt die maximale Geschwindigkeit meiner Meinung nach Mach 1,2 auf Meereshöhe, Mach 2,5 auf 40.000 Fuß und schließlich Mach 7,5 auf 85.000 Fuß, wobei an diesem Punkt [vielleicht] die Erwärmung dominiert und die Hauttemperatur zum begrenzenden Faktor wird. Bestimmt q dominiert im Tiefflug, ich weiß nur nicht wie sehr ... Aber eigentlich würde ich gerne von meiner Unwissenheit eines Besseren belehrt werden, deshalb bin ich ja hier. Apropos, wie stimme ich für einen Kommentar ab?
Ähm ... dynamischer Druck ist nur 1 2 ρ v 2 bei Geschwindigkeiten, bei denen Kompressibilitätsprobleme vernachlässigt werden können, etwa M 0,6. Darüber wird dynamischer Druck 1 2 ⋅ γ ⋅ p ⋅ M 2
Ihre Datentabelle ist sehr interessant. Ich weiß, dass dies eine 6 Jahre alte Frage ist, aber haben Sie zufällig die Quellen, mit denen Sie sie erstellt haben? Speziell für die schnelleren/höheren Q-Fertigkeiten?

Antworten (2)

Erstens unterscheidet Ihre Beispielliste nicht zwischen stationären und instationären Trajektorien. Ein Wiedereintrittsfahrzeug sieht den höchsten dynamischen Druck nur vorübergehend am Ende seiner Fahrt, und aerodynamische Erwärmung kann entweder durch ablative Kühlung oder einen Kühlkörper mit angemessener Größe toleriert werden. Alles, was es aushalten muss, ist der dynamische Druck an der Spitze.

Die ersten Beispiele auf Ihrer Liste, die den gegebenen dynamischen Druck kontinuierlich aushalten müssen, sind die Angriffsflugzeuge B-1B und F-111 in geringer Höhe. Hier wird der dynamische Druck durch Flächenbelastung, Aerodynamik und rohen Schub gegeben, um das Flugzeug mit seiner maximalen Geschwindigkeit in Bewegung zu halten. In großer Höhe kommt die aerodynamische Erwärmung noch hinzu, denn die Staupunktwärme ist unabhängig von der Luftdichte.

Gründe zur Begrenzung des maximalen Staudrucks sind:

  • Böenlasten in geringer Höhe. Wenn Sie denselben Aufwind mit höherer Geschwindigkeit treffen, erhöht sich der Lastfaktor proportional.
  • Aeroelastische Verformung: Höherer dynamischer Druck bedeutet auch höhere Torsions- und Biegebelastungen, und die verformte Struktur kann instabil werden, wenn die Verformung die Belastungen erhöht, die zu dieser Verformung führen. Das Fliegen mit höherem dynamischen Druck erfordert eine steifere und schwerere Struktur.

Wenn Sie sich die Flugkurve der SR-71 (unten) ansehen, sollte es offensichtlich sein, dass aufgrund der hohen Flächenbelastung (= hoher minimaler Staudruck) und des maximalen Staudrucks in jeder Höhe nur ein schmales Geschwindigkeitsband verfügbar war (in geringer Höhe) bzw. die aerodynamische Heizung (in großer Höhe).

SR-71 Flughüllkurve

Flughüllkurve SR-71 ( Bildquelle )

Vielen Dank! Ich werde zur Verdeutlichung bearbeiten. Ich habe tatsächlich dieselbe Tabelle verwendet, um eine Höchstgeschwindigkeit auszuwählen. Ich denke, was ich zu fragen versuche, ist: " Wie schnell können Sie ungefähr [in einer bestimmten Höhe] fahren, wenn Sie nur die aerodynamischen Lasten berücksichtigen?" (Ich werde in einer separaten Frage auf die Heizung eingehen.) Ich weiß, dass dies eine weit gefasste Frage ist (verschiedene Designs, Massenbudget, was haben Sie), weshalb ich sie nicht gestellt habe. Ich versuche, ein Gefühl für eine gemeinsame Obergrenze für einen Jäger oder Hochleistungsbomber zu bekommen.
@HephaestusAetnaean: Es gibt keine wirkliche Grenze. Verwenden Sie Flügel mit niedrigem Seitenverhältnis aus massivem Stahl, und Sie können den maximalen dynamischen Druck erheblich erhöhen. Wenn das immer noch nicht steif genug ist, machen Sie die Flügel aus Diamant oder verwenden Sie ein dickeres Tragflächenprofil. Die praktischen Grenzen liegen nahe bei dem, was Sie in Ihrer Liste angeben, nämlich etwa 100.000 N/m² oder 1 bar.
Genau danach habe ich gesucht. Vielen Dank! Ich habe tatsächlich die meisten Ihrer Antworten gelesen/überflogen, und sie waren unglaublich hilfreich. Was machst du, wenn ich fragen darf? Und was verwenden Sie für Ihre Quellen zur Aerodynamik?
Hoppla. Zustimmen und abstimmen vergessen! Nochmals vielen Dank, Peter!
@HephaestusAetnaean: Was mache ich? Arbeite gerade an einem IoT-Ding. Habe zwei Jahrzehnte in der Luft- und Raumfahrt gearbeitet und war zu angewidert, um weiterzumachen. Korruption, Eitelkeit und Idiotie waren mir zu viel, obwohl ich mit vielen guten Leuten zusammengearbeitet habe.

War früher Kampfpilot in der F-111 und der F-105. Sie haben die höchste Q-Grenze, auf die ich gestoßen bin oder über die ich gelesen habe. (Für uns hohe Geschwindigkeit an Deck) Diese Grenze liegt bei 810 Knoten/Mach 1,2 unten. Beide Flugzeuge konnten diese Fluggeschwindigkeit aufrechterhalten, ich habe es persönlich in der F105 unter dem Meeresspiegel im Death Valley getan. Anbei sind die Fluggeschwindigkeitsbegrenzungen der Technischen Anordnung:

F105 Fluggeschwindigkeitsbegrenzung

F111F Fluggeschwindigkeitsbegrenzung

Ich glaube nicht, dass die B-1B zu diesen Geschwindigkeiten fähig ist, es gab alle möglichen zusätzlichen Limits, die ihr auferlegt wurden. Moderne Kämpfer sind für dieses Regime nicht mehr ausgelegt.

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