Strona główna » Bez kategorii » Jak wysoko może lecieć samolot? Cz.2

Jak wysoko może lecieć samolot? Cz.2

Archiwum

Część pierwszą można znaleźć tu

Do tego, aby jakikolwiek samolot mógł polecieć naprawdę szybko i wysoko brakuje jeszcze jednej rzeczy, mianowicie dobrych silników.

Problem polega na tym, że we wszystkich dzisiejszych silnikach atmosferycznych (czyli nie rakietowych) spalanie zachodzi przy poddźwiękowym przepływie powietrza. To nie znaczy, że nie ma możliwości lotów naddźwiękowych. One oczywiście są. Z SR 71 na czele.  Ale to znaczy, że powietrze wpadając do komory silnika najpierw jest spowalniane poniżej prędkości dźwięku, a dopiero potem wtryskiwane jest paliwo i następuje zapłon.

Spalanie w prędkościach naddźwiękowych jest jak najbardziej możliwe. Co najmniej nie są znane powody dla których miałoby to być niemożliwe.  Przynajmniej prowadzący pierwsze eksperymenty NASA i któryś z australijskich uniwerków twierdzą, że mają działające silniki o spalaniu naddźwiękowym. Do ich codziennej użyteczności na pewno jest jeszcze bardzo daleko, ale teoretycznie są.

A o jakim silniku mówimy? W swych założeniach konstrukcyjnych — debilnie prostym. W szczegółach i wymaganiach materiałowych — takim, którego jeszcze właściwie nie ma. Zacznijmy od zwykłego silnika odrzutowego, tak naprawdę najbardziej skomplikowanego. Działa on tak, że sprężarka spręża powietrze, zwiększając jego ciśnienie, a razem z tym temperaturę. Sprężone powietrze trafia do komory spalania, gdzie jest wystarczająco gorące, aby wtryśnięte paliwo wybuchło. Żadna filozofia, tak samo działa każdy diesel — wzrost temperatury powyżej temperatury zapłonu paliwa przez sprężanie i następnie wtrysk. W konstrukcji silnika zwanej ramjet jest tak samo, tylko sprężanie następuje samym ciśnieniem powietrza wpadającego do silnika. To wymaga odpowiedniej prędkości minimalnej. Teoretycznie proste, w sumie praktycznie też. Przy sprężaniu spada prędkość, przy poddźwiękowej wszystko odbywa się w miarę normalnie. Przynajmniej z punktu widzenia fizyków i inżynierów. Następnie, dokładnie jak w dieslu, do sprężonego powietrza wtryskiwane jest paliwo, następuje wybuch i rozprężanie, które na zasadzie reakcji odpycha na samolot od spalin wylatujących z tyłu.

Nam potrzeba jednak trochę innego silnika. Zasadniczo takiego samego, ale spalanie musi zachodzić bez spowalniania wpadającego powietrza do prędkości poddźwiękowych. Jako, że powietrze za wlotem do silnika i tak musi być spowolnione przy sprężaniu, to taki silnik zwyczajnie nie zapali poniżej prędkości 4-5 machów. To znaczy nie spręży powietrza wystarczająco, aby nastąpił zapłon paliwa. A następnie musi działać tak, aby cały czas wpływała do niego zbliżoną ilość tlenu w tym samym czasie. To oznacza, zupełnie logicznie zwiększanie wysokości wraz z prędkością. Mniejsza gęstość powietrza, ale większa prędkość, czyli tyle samo powietrza wpadnie na sekundę. Ale jednocześnie przy większej prędkości czas przelotu powietrza przez silnik będzie coraz krótszy, pozostawiając coraz mniej czasu na kompletne spalanie.

To nam potencjalnie umożliwia fantastyczną wysokość. Ale właściwie jaką?

Przyjmijmy, że zbudujemy następny SR-71 z nowych, lepszych materiałów. Rozpędzi się jakoś do tych 4500 km/h, gdzie nasz scramjet może zapalić i rozpędzić się dalej. Nawet jeśli zachowujemy tę samą masę powietrza wlatującego, to i tak przy zwiększaniu prędkości skraca się czas samej reakcji spalania. Jak długi czas jest realny, czyli do jakiej prędkości w ogóle może działać scramjet? Nie wiadomo. Jest to gdzieś pomiędzy 8 a 15 machów. Najprawdopodobniej.  Ja się nie będę tu wtrącał w dyskusje fachowców bo nie mam pojęcia. Oni prawdopodobnie tez nie, więc przyjmę wielkość 9500 km/h.  Bardzo wygodnie, bo jest to trzykrotność maksymalnej prędkości SR-71. Stąd pozostaje wziąć maksymalny pułap ego samolotu, sprawdzić ciśnienie, podzielić je przez 3 i odczytać wysokość. Wynik to około 35,5 km nad ziemią. Tyle mamy przy potencjalnym zastosowaniu technologii, która jest na ledwo laboratoryjnym poziomie. A jeśli uda się pociągnąć w okolice 15 machów? W takim razie nasz maksymalny pułap wyniesie gdzieś pomiędzy 39 a 40 km nad powierzchnią Ziemi. Nieźle, o ile od tej prędkości nasz samolot się nie rozpadnie. Co akurat jest już dość prawdopodobne. Tak czy inaczej to jest granica, nawet teoretyczna, metody na rympał. Lepiej się nie da. A nawet tego jeszcze się nie da bez silnika z przepływem naddźwiękowym, którego także nie mamy. Przynajmniej dopóki rozważamy start z powierzchni ziemi.  Ale chyba właśnie tak rozważamy?

A drugie podejście?

Przy drugiej metodzie myślimy inaczej. Nie próbujemy przekroczyć prędkości dźwięku, nawet nie zbliżamy się do niej za bardzo. Ta sama CIA, która użytkowała SR-71, posiadała na stanie także U-2. Samolot zbudowany według drugiej filozofii. Poddźwiękowy, doskonały aerodynamicznie, z małym silnikiem i zaawansowaną elektroniką. Właściwie motoszybowiec. Maksymalny pułap — powyżej 21 km. Ale to bardzo daleko od końca możliwości tego podejścia. Rekord wysokości lotu samolotu w locie poziomym należy do bezzałogowego samolotu o nazwie Helios. Wynosi on 29,5 km nad ziemią.

helios samolot

Jak widać na zdjęciu pojazd ten wygląda dziwnie, ale dokładnie tak powinien wyglądać. Jeśli mówimy o ekstremalnym pułapie, to jednocześnie mówimy o znikomym ciśnieniu, czyli też ilości tlenu. Możemy to załatwić sprężając dzięki samej prędkości, ale jeśli z niej rezygnujemy, to pozostaje też zapomnieć o napędzie wymagającym tlenu.

Tu dochodzimy do prawdziwej rewolucji, zresztą widocznej na zdjęciu. Trzeba po prostu użyć silników elektrycznych i fotowoltaiki. Niestety, ilości energii jaką może dostarczyć fotowoltaika jest dość żałosna w porównaniu do zwykłych potrzeb samolotu. Nic nie szkodzi, można te potrzeby zmniejszyć. Potrzeba jedynie zwiększyć siłę nośną, zmniejszyć masę i zmniejszyć opór powietrza. To pierwsze załatwiają po prostu dłuższe skrzydła, ostatnie mniejsza prędkość, a masa to masa. Aby lecieć z mniejszą prędkością, potrzebna jest odpowiednia siła nośna (a to niespodzianka), czyli dłuższe skrzydła.

Dłuższe skrzydła oznaczają większe obciążenia, co przy ograniczeniach masy zmusza nas do zaawansowanego projektowania i materiałach o doskonałym stosunku wytrzymałości do masy. Na szczęście przy małych prędkościach nie musimy się praktycznie w ogóle przejmować odpornością na temperatury. To otwiera nam szeroko drzwi do hurtowni chemicznej, gdzie możemy zakupić różne żywice i włókna z których powstają polimery kompozytowe. Od byle czego do zrobienia turystycznego kajaka, do bardzo ciekawych rzeczy, z których możemy zrobić leciutki i wytrzymały samolot. Może nie kupimy tego w każdym miasteczku, ale przynajmniej wiadomo gdzie szukać.

W taki sposób otrzymujemy czego potrzebujemy. Wiadomo, że nie przekroczymy prędkości dźwięku i nie powinniśmy się do niej za bardzo zbliżać. Z drugiej strony lecąc wyżej gęstość powietrza spada, więc spada też nasza siła nośna. Stąd aby utrzymać się w powietrzu musi rosnąć prędkość. Ale w tej koncepcji mamy nieprzekraczalny limit około 0,9 macha.

Prędkość dźwięku w powietrzu jest zależna od temperatury. Im zimniejsze, tym mniejsza. To właściwie sprowadza całe zadanie do spojrzenia na wykres zależności temperatury powietrza od wysokości. A wykres ten wygląda tak, że w miarę wzrostu wysokości temperatura spada. Ale tylko do tropopauzy, czyli warstwy pomiędzy troposferą a stratosferą. Jest to około 9-12 km nad poziomem morza, czyli tam gdzie zwykle latają samoloty. Temperatura jest w miarę stała, około -50 st.C. Następnie, przez całą stratosferę, wraz ze wzrostem wysokości temperatura rośnie, aż do stratopauzy, na wysokości 50-55 km n.p.m. Tam wynosi ona znów niewiele poniżej 0 st. C. Później znów spada do już trzycyfrowych wielkości poniżej zera, aż atmosfera gdzieś powyżej mezosfery zaczyna się kończyć. Następnie znów rośnie, ale to ma związek bardziej z energetycznością pojedynczych cząsteczek, niż realną temperaturą atmosfery.

To nas sprowadza do konkluzji, że nasz samolot może wznosić się przez całą stratosferę, gęstość atmosfery spada, ale prędkość dźwięku rośnie, co nas nieco przesuwa w dobrą stronę. Powyżej prędkość dźwięku spada razem z gęstością i to będzie już bariera nie do przeskoczenia.

Dlatego można śmiało powiedzieć, że taka lekka, napędzana energią słoneczną konstrukcja maksymalnie może wznieść się do stratopauzy. Ale.. w tej części atmosfery gęstość powietrza wynosi około 1/1000 tego co na poziomie morza. To oznacza, że aby zachować tę sama siłę nośną nasz samolot msi lecieć 1000 razy szybciej. I jednocześnie nie przekroczyć prędkości dźwięku, a nawet zbytnio się nie zbliżyć.  To oznacza maksymalną prędkość w granicach 1000-1100 km/h Czyli minimalna prędkość na poziomie morza musi wynosić co najwyżej 1,1 km/h. Tak, sporo mniej niż powolny spacer. To oznacza konstrukcję ekstremalnie wrażliwą na każdy podmuch wiatru, ale trudno.Takie są koszta ekstremalnej inżynierii. Zresztą w stratosferze podmuchów wiatru już nie ma.

Dalej można się zastanowić- jeśli już mamy możliwość wzlotu na wysokość 50 km, zapewne też wyniesienia ładunku, to może by na tej wysokości spróbować uruchomić scramjeta? Tak skonfigurowanego, aby jakoś zapalił na wysokości 50 km i potem mógł się jeszcze wznieść zwiększając prędkość.  Tu śmiało możemy założyć pułap 70 km i prędkość 15 machów. To oznacza pokonanie 2/3 drogi i prędkości na orbitę za pomocą tlenu z atmosfery, a nawet zaoszczędzenia sporej części paliwa na wznoszeniu za pomocą energii słonecznej. Czyli zmniejszenie masy lub zwiększenie ładunku użytecznego na orbitę.  Szacując na oko bym twierdził, że potrzeba by było zaledwie połowę masy na paliwo i utleniacz w takiej konfiguracji, czyli hybryda scramjet-rakieta wystrzeliwana z wysokości 50 km potrzebowałaby zaledwie pół tony paliwa na pół tony masy pojazdu + ładunek. Brzmi mało zachęcająco, ale to jest olbrzymi skok w porównaniu do dzisiejszych realiów, gdzie promy kosmiczne osiągają zawrotna wysokość 1,5% swojej masy startowej jako ładunek użyteczny, czyli na pół tony ładunku potrzeba jakieś 35 ton paliwa, nie licząc całej reszty.

I to by było na tyle. Nawet doszliśmy do całkiem precyzyjnych odpowiedzi.

Przy okazji — znacznie łatwiej byłoby osiągnąc ten maksymalny teoretyczny pułap startując od razu z miejsca o znacząco mniejszej gęstości powietrza. To zmniejszy wymagania co do wytrzymałości konstrukcji. Na przykład przy starcie z wysokości 16 km, do stratopauzy potrzebujemy pokonać jedynie dwa rzędy gęstości powietrza, a nie trzy. A na wysokość 16 km już może nas wynieść właściwie cokolwiek. Od balonu do tresowanej kaczki nepalskiej. Z tym ostatnim może trochę przesadziłem… Ale co zasady będziemy potrzebować konstrukcji, śmigieł i całej reszty, która będzie projektowana zamiast dla ciśnień 100-0,1 kPa, to dla 10-0,1 kPa.  Znacznie prostsze, choć potem pojawia się pytanie o powrót i ewentualnie konieczne w locie połączenie z pojazdem usztywniającym konstrukcję na czas powrotu przez troposferę. Nic prostego, ale tez nic niemożliwego.

P.S.

Jak ktoś ma czas/ochotę/licealistów lub studentów do wykonania zadań domowych to może większość tych rzeczy przeliczyć według bardzo prostych wzorów.  Naprężeń w konstrukcji samolotu tak łatwo się nie wyliczy, ale ilość dostępnego tlenu to masa razy prędkość. Z tego zwykłymi wzorami na spalanie możemy wyliczyć ile energii da się uzyskać i czy ta ilość energii jakoś może się zgadzać z potrzebami samolotu. Dla prędkości naddźwiękowych możemy przyjąć doskonałość aerodynamiczną=2.

Jeśli ktoś będzie mieć ochotę przeliczyć jak powinien wyglądać taki superlekki samolocik solarny, to proponuję przyjąć doskonałość=30, a sprawność fotowoltaiki na 20% albo z jakimś dodatkowym obciążeniem wagi na 40%. Ja nie mam w najbliższym czasie planów budowy niczego takiego, zwłaszcza naddźwiękowego, więc tego nie zrobiłem. I nie mam szczególnego zamiaru. Za to powieszę, jak ktoś to zrobi…

Reklamy

5 Komentarzy

  1. brysio pisze:

    Jedno pytanie. Jaki to ma sens w transporcie innym niz kosmiczny? Na moje amatorskie oko to nie będzie się stykać, finansowo, organizacyjnie i technicznie (a może nawet i czasowo), nawet w transporcie na trasie Europa Australia.

  2. Elektryczne o wysokim pułapie- jako drony do zastępowania satelitów. Scramjety- pewnie masz rację. Ale ja chciałem po prostu odpowiedzieć sobie na takie pytanie.

  3. Marek W. pisze:

    Czyli jednak w dobrą stronę kombinowałem 😉

    Z tym, że obawiam się, że coś co jest technicznie wykonalne może być nieopłacalne.

    Widziałbym jeszcze tak naprawdę jeden najważniejszy problem – sprzęt mający uzyskać siłę nośną w maksymalnie rozrzedzonym powietrzu – jak pisałeś przy ciśnieniach rzędu 0,1 – 10 kPa na poziomie morza będzie miotany najlżejszym podmuchem wiatru.
    Mam trochę doświadczenia w lataniu podobnie delikatnym, nastawionym na uzyskanie jak największej siły nośnej sprzętem – paralotnią – niespodziewane podmuchy 4-5 m/s potrafią dobrze człowiekiem potrząsnąć, a sytuacje kiedy wiatru nie ma wcale (powietrze stoi nieruchomo) praktycznie się nie zdarzają.
    Nawet na wysokości przelotowej współczesnych samolotów zdarzają się gwałtowne ruchy powietrza (trafiłeś kiedyś na turbulencje?).

    W praktyce wg mnie największym problemem byłoby wyholowanie tego sprzętu z hangaru i wywindowanie na te kilkanaście kilometrów w górę tak aby uciec ze strefy w której mamy jeszcze jakąś pogodę.

    Pozdrawiam,

  4. Przecież to jest kolejna opowieść z gatunku odległego S-F, a bardziej fiction. Najpierw trzeba w ogóle opanować podtrzymanie fuzji, potem jakoś to przerabiać na energię, a potem dopiero okaże się, czy w ogóle jest możliwy napęd pojazdów w ten sposób. Teraz to po prostu bajka.

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: