Strona główna » transport » Jak wysoko może lecieć samolot? Cz.1

Jak wysoko może lecieć samolot? Cz.1

Archiwum

W pierwszym zdaniu zapewniam, że tytuł jest całkowicie zgodny z treścią, nie jest to żadna prowokacja. I nie, nie zmieniam tematu. Zostajemy przy Rewolucji Energetycznej. A co to ma wspólnego z samolotami? Całkiem sporo.

Na dziś samoloty i rezygnacja z paliw kopalnych to rzeczy całkowicie sprzeczne. Nawet biopaliwa płynne, ze swej natury ledwie półśrodek dla odstawienia paliw ropopochodnych i tak nie nadają się do zasilania silników lotniczych (zawsze mają jakieś powinowactwo do wody, która może zamarznąć w przewodach paliwowych).  Ale to mamy dziś. Jeszcze dziesięć lat temu nikt nie wyobrażał sobie, że będzie można zwyczajnie kupić samochód elektryczny o zasięgu porównywalnym z benzynowym i o niebo lepszych parametrach przyspieszenia, bezpieczeństwa i komfortu.

Najpierw podstawy- dlaczego samolot lata?

Odpowiedź- ponieważ różnica ciśnień na górnej i dolnej stronie skrzydła wytwarza siłę nośną równoważącą siłę przyciągania ziemskiego. Aby ta różnica ciśnień w ogóle mogła powstać potrzeba przepływu powietrza wokół skrzydła. Profil skrzydła załatwia różnicę prędkości przepływu po dwóch stronach, co powoduję tę różnicę ciśnień i załatwia sprawę. O ile samolot leci z wystarczająca prędkością.

Cztery linijki powyżej to jest kompletna odpowiedź na pytania „Dlaczego samolot lata?” Jeśli ktoś akurat ma 5 letniego syna, to bardzo się przyda (dopiero po przetłumaczeniu na język zrozumiały dla pięciolatka, ale cóż, nic nie jest idealne). Dla pozostałych czytelników można przedstawić konsekwencje tych podstawowych zależności.

Kluczem w całej zabawie jest pojęcie „odpowiedniej prędkości”

Chodzi o to, że masy powietrza nad i pod skrzydłem się różnią. Wystarczająco dla zrównoważenia masy samolotu.  Czyli mamy pewne przybliżenie problemu- siła nośna zależy od masy powietrza opływającego skrzydło w jednostce czasu.  To bardzo dokładnie oznacza zależność od prędkości i gęstości powietrza. Zresztą jedną i drugą liniową.

Prędkość to prędkość, taka zwykła, newtonowska, a gęstość powietrza zależy od wysokości. Przy rozważaniu pułapu samolotów można uprościć do „zależy tylko od wysokości”.  To oznacza, że aby zachować tę samą masę powietrza opływającego skrzydła musimy zwiększyć prędkość. Wszystko by było ładnie i pięknie- ciśnienie spada, prędkość rośnie, przyspieszamy, aż w końcu nasz piękny samolot rolniczy znajduje się na orbicie. Hm.. to tak nie działa?

Tak nie działa z kilku powodów. Pierwszym w kolejności jest opór powietrza. Jest. Ale przede wszystkim rośnie wraz z kwadratem prędkości. To oznacza, że razem z kwadratem prędkości rośnie siła, którą muszą dostarczyć silniki. Ze wzrostem pułapu opór maleje liniowo ze spadkiem gęstości powietrza, za to rośnie z kwadratem prędkości. Gdzieś się skończy moc każdego silnika.  Drugą konsekwencją jest to, że konstrukcja musi wytrzymać ten opór powietrza. Pomimo malejącej gęstości siła oporu i tak rośnie przy tej samej sile nośnej.

Drugi problem jest też związany z oporem powietrza, ale jest znacznie poważniejszy:

Prędkość dźwięku

Dokładniej różne dziwne rzeczy, które dzieją się z powietrze wokół tej prędkości. Nie będę tu udawał, że dokładnie wiem co się dzieje. Wiem tyle, że w okołodźwiękowym zakresie prędkości gwałtownie rośnie opór ośrodka, a dziwny opływ powietrza może z łatwością doprowadzić do destrukcji samolotu, który nie został zaprojektowany z myślą o przekraczaniu bariery dźwięku. Niestety, takie które są w ten sposób zaprojektowane mają jednocześnie dość małą powierzchnię nośną w stosunku do masy.  To oznacza małą siłę nośną, co trzeba zrównoważyć dostarczaną energią.  To oznacza po prostu potężniejsze silniki i więcej paliwa.

Zatrzymujemy się tu przy definicji samolotu, która oznacza pojazd utrzymujący się w powietrzu dzięki wyżej opisanej sile nośnej, a z drugiej strony nie zabierający ze sobą utleniacza z ziemi.

Jak widać w zamiarze wzniesienia się jak najwyżej fizyka umożliwia nam dwa podejścia. Jak właściwie wszędzie w życiu. Jedno to subtelność, szukanie doskonałości konstrukcji i efektywności energetycznej, aby uzyskać optimum aerodynamiki przy minimum masy i zużycia energii.

Jest też drugie podejście:

Na rympał

Przekroczyć barierę dźwięku, lecieć jeszcze szybciej, jeszcze wyżej, dołożyć jeszcze więcej energii, jeszcze mocniejsze silniki, ile mocy da się wyciągnąć i ile kadłub wytrzyma.

Przez dziesięciolecia ludziom przychodził do głowy tylko ten drugi pomysł, którego najznamienitszym przedstawicielem jest Lockheed SR-71 Blackbird. Prędkość 3500 km/h ułatwiała, a z drugiej strony wymuszała bardzo wysoki pułap, który oficjalnie wynosił prawie 26 km nad ziemią.  Zważywszy, że konstrukcja i idea pojazdu pochodzi z przełomu lat 50-tych i 60-tych, czyli sprzed ponad pół wieku, można zgadywać, że dziś da się to zrobić lepiej. Trochę lepiej. Musimy pamiętać, że przy metodzie na rympał potrzebujemy po pierwsze olbrzymich ilości paliwa, a po drugie musimy lecieć na wysokości na której jeszcze zastaniemy jakieś resztki tlenu. Przynajmniej tyle, aby zasilić silniki spalające gigantyczne ilości paliwa po to, aby pokonać opór powietrza. Tego nie przeskoczymy. Co najwyżej możemy zabrać więcej paliwa, mocniejsze silniki, albo paliwo o wyższej wartości kalorycznej. Ale to też gdzieś się skończy, nic lepszego niż skroplony wodór nie wymyślimy.

USAF, public domain

USAF, public domain

Koniec części pierwszej.

Reklamy

3 Komentarze

  1. Marek W. pisze:

    Hmm. Z niecierpliwością czekam na drugą część.
    Jakoś nie wyobrażam sobie jak ta „subtelna” metoda miałaby znacząco poprawić osiągi. Ew. napęd elektryczny mógłby rozwiązać problem spalania na wysokościach, ale z kolei śmigła tracą sprawność wraz z wysokością.
    Sorry jeżeli zrobiłem mały spoiler 😉

  2. Ze spoilerowaniem tu nie ma problemu. Chyba. Śmigła nie do końca tracą sprawność z wysokością. Dla wykonania pracy muszą przemielić określoną masę powietrza. A gęstość spada z wysokością. Dlatego musza przemielić większą objętość dla tej samej pracy. Czyli obracać się szybciej, a opór rośnie z kwadratem prędkości. Rozwiązania- omijamy śmigła, mamy specjalne dla małej gęstości powietrza albo dobrze pracujemy nad ich opływem. Spojrzenie, że tracą sprawność z wysokością zasłania dobre rozwiązania

  3. […] Jak wysoko może lecieć samolot? Cz.1 […]

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s

Follow rewolucja energetyczna on WordPress.com
%d blogerów lubi to: