Что представляет собой линия AeroVironment Helios Kárman?

Если это правда, что NASA/AeroVironment Helios поддерживал горизонтальный полет на высоте 96 000 футов над уровнем моря при максимальной воздушной скорости 23,5 узла (43,5 км/ч), я предполагаю, что он должен иметь очень большую высоту Кармана, высоту, на которой он должен был бы летать. на орбитальной скорости (15 100 уз), чтобы не свалиться. Напротив, SR-71 Blackbird, например, не мог даже летать со скоростью 23,5 узла вблизи уровня моря. Есть ли способ выяснить линию Кармана Гелиоса или любого другого самолета в этом отношении? Известен только X-2 , длина которого составляет 57 миль (91,7 км), согласно расчетам самого фон Кармана. X-2 летал со скоростью 2000 миль в час (3200 км/ч или 1740 узлов).

На мой взгляд, это действительно лучше подходит для Space.SE.
Это не должно перемещаться в Space.SE, потому что речь идет об аэродинамике: насколько тонким должен быть воздух, чтобы Гелиосу потребовалось 15 100 узлов, чтобы получить достаточную подъемную силу, чтобы поддерживать себя; тогда, насколько это высоко. Однако это может быть для вымышленного Helios, потому что его солнечные батареи могут не давать достаточно энергии, а его пропеллеры могут развалиться при таком количестве оборотов в минуту.
Я всегда чувствовал, что принцип линии Кармана несколько ошибочен; на орбитальной скорости объект может поддерживать высоту без какой-либо аэродинамической жизни, поэтому немного ниже этой скорости ему потребуется лишь небольшая подъемная сила. Мое понимание принципа линии Кармана заключается в том, что это высота, на которой самолет не может создать достаточную подъемную силу, чтобы поддерживать свой стационарный вес, что, конечно же, не требуется при движении на оптимальной орбитальной скорости. В случае с Гелиосом ситуация более ясна, так как самолет движется со скоростью намного ниже орбитальной.
Планер Mach Limited.

Ответы (3)

Между двумя самолетами нет разных линий Кармана. Линия Кармана начинается на высоте ~ 62 мили (327 362 фута) над уровнем моря, на высоте, которую не может достичь ни один самолет. Кроме того, у Aerovironment Helios нагрузка на крыло составляла 0,69 фунт-сила/фут^2, тогда как у Blackbird нагрузка на крыло составляла 84 фунт-сила/фут^2. Таким образом, я совсем не удивлен, что Blackbird не может поддерживать горизонтальный полет со скоростью 23 KIAS, а Helios может.

62 мили на самом деле являются округлением 100-километровой (62,14 миль / 328 100 футов) линии FAI, которую они установили как «линию Кармана». На самом деле, линия индивидуальна для каждого самолета и зависит от других факторов. Сам фон Карман определил для X-2 91,7 км (57 миль), как заявлено. Это теоретические значения, потому что ясно, что ни один самолет не может лететь горизонтально на таких высотах, только космический шаттл и «Буран» могут при входе в атмосферу.
@Betternottell X-15 поднялся почти на 315 000 футов.
@Betternottell Нет, линия не отличается для каждого самолета. Проверьте вики : « Линия Кармана (или линия фон Кармана) — это попытка определить границу между атмосферой Земли и космическим пространством ». Далее в статье можно прочитать, что он использовал X-2 для иллюстрации примера разделения подъемной силы и силы Кеплера. Он не сказал, что расчет относится только к Х-2, это действительно единая линия для всех самолетов.
@Koyovis Нет, это зависит от скорости сваливания на высоте каждого самолета.
@Betternottell Эх, нет. Как можно наглядно вычленить из любой статьи на эту тему.
@Koyovis Когда говорят о линии Кармана, они обычно имеют в виду ровно 100 км (62,14 мили), число, установленное FAI.
Вы тут все не правы. Вы путаете предопределенную линию Кармана с попыткой фон Кармана рассчитать максимальную теоретическую высоту, на которой может летать самолет. Как указано в статье в вики, это две совершенно разные вещи.
@Betternottell, ваши последние два комментария кажутся диаметрально противоположными…
@MichaelHall Во втором комментарии я написал о том, что FAI называет «линией Кармана». Нет ни одной линии Кармана, так как она зависит от скорости сваливания рассматриваемого самолета. Фон Карман определил для X-2 значение 57 миль (92 км), в то время как значение 100 км было составлено FAI. Им нужно было красивое круглое число, поэтому они округлили, но в неправильном направлении, так как должны были округлить до 90, а не до 100 км. Или следовало бы использовать морские мили (50 морских миль), что было бы ближе всего.
У вас есть ссылка на ваше утверждение, что это зависит от скорости сваливания? Потому что я новичок в этом термине, но он не соответствует здравому смыслу в контексте определения, которое я прочитал. И здесь есть люди, чьи ответы я уважаю, которые с вами не согласны…

Ограничения крылатых самолетов намного ниже линии Кармана из-за гораздо более низкой плотности воздуха и расточительного переноса веса крыла на такие высоты, в дополнение к практическим проблемам с устойчивым движением.

Подъемная сила = Плотность × Площадь × Коэффициент подъемной силы × Скорость 2

Площадь удержания и коэффициент подъемной силы постоянны (до лучшего угла атаки), грубое сравнение плотности со скоростью 2 становится возможным генерировать Lift = Weight для различных высот.

Скорость 2 = к/плотность

Поскольку IAS Гелиоса известен, давайте подставим некоторые числа плотности и скорости, начиная с плотности на уровне моря.

Уровень моря: 23 узла 2 (ТАС) = 12574/23,77 (МСФО = ТАС)

10000 футов: 27 узлов 2 = 12574/17,56

50000 футов: 59 узлов 2 = 12574/3,64

150000 футов: 583 узла 2 = 12574/0,037

250000 футов: 4398 узлов 2 = 12574/0,00065

Хотя может показаться заманчивым думать, что на очень большой высоте вам может понадобиться только небольшая подъемная сила, эта мысль отходит на второй план, когда вы понимаете, что большая часть тяги в полете на очень высокой скорости связана с преодолением сопротивления . На скорости 4000+ узлов, как это сделал Х-15 , еще находясь в атмосфере, выделяется большое количество тепла, очень похожее на метеорит. Лучше превзойти это и следовать суборбитальному баллистическому пути.

Удивительно, но над большей частью атмосферы все объекты будут иметь очень одинаковую высоту по линии Кармана, потому что на этих высотах аэродинамические силы очень малы, а скорости, необходимые для их создания, приближаются к орбитальной скорости (теоретически). Однако точная точка, где начинается «космос», является спорной, поскольку спутники на более высокой орбите все еще испытывают значительное атмосферное сопротивление. 1 .

Чтобы приблизиться к линии Кармана, самолет должен преодолеть звуковые и тепловые «барьеры», если он надеется продержаться долго. Гелиос не делал ни того, ни другого, но отлично справился с дозвуковой скоростью полета .

1 см. ссылку Кармана в разделе «Альтернативы определению FAI».

Что значит "выше этого"? Если вы находитесь достаточно высоко/достаточно далеко от Земли, воздух слишком разрежен, чтобы вызвать нагрев. Суборбитальная баллистическая траектория — это любая парабола, перигей которой находится внутри Земли. Откуда вы взяли, что истинная скорость полета Гелиоса 400 узлов; разве Википедия не упомянула бы об этом? Вы находитесь над большей частью атмосферы, когда вы находитесь выше 18 000 футов (5,5 км) над уровнем моря, кстати, но на самом деле вы имеете в виду мезосферу / более низкие высоты термосферы.
@Betternottell хорошо, вы правы, это не обязательно должно быть суборбитальным, оно может быть орбитальным или полететь на Марс. Но представление о том, что самолет имел какое-либо дело, не соответствует физике подъемного полета. Линия Кармана является теоретической, экстраполированной из нескольких (очень опасных) полетов X-2, которые даже близко не приближались в 1950-х годах. На той высоте, на которой он летал, его было трудно контролировать. X-15 действительно достигал 100 км, но для управления ему требовались ракетные двигатели. Helios TAS легко вычисляется с помощью онлайн-калькулятора TAS. Погугли это.
Я знаю, но как вы думаете, почему Википедия упомянула бы ИАС только на рекордной высоте? Если в нем упоминается максимальная воздушная скорость, то, вероятно, он будет включать скорости на уровне моря, где IAS совпадает с TAS. Я имею в виду Гелиос с земли (около уровня моря), а не с воздуха.
@Betternottell, несколько драматично выделить его IAS, тем более что НАСА использовало множество солнечных электрических опор, установленных на крыле (что очень помогло решить проблему с устойчивым движением на этих высотах). Действительно удивительный самолет (еще один потерянный полет в ветреный день!).

введите описание изображения здеськартинка с вики

Helios — это медленно движущийся самолет, в то время как соображения, касающиеся линии Кармана, относятся к очень быстро движущимся самолетам. Из этой ссылки:

... линия Кармана определяется путем расчета того, на какой высоте атмосфера Земли становится слишком слабой, чтобы поддерживать полет. На линии Кармана атмосфера слишком разреженная, чтобы поддерживать полет, и самолет должен лететь быстро, чтобы оставаться в воздухе. Линия Кармана расположена выше гомопаузы, и выше этой точки атмосферные газы плохо перемешаны.

Таким образом, линия Кармана — это линия орбитальной скорости, при которой подъемная сила практически не зависит от аэродинамики. Орбитальные скорости очень велики , а высокая скорость - это не то, на что способен Гелиос, он может оставаться в воздухе только за счет аэродинамической подъемной силы. Дискуссии о Гелиосе и линии Кармана несовместимы.

введите описание изображения здесь

Орбитальная скорость любого самолета или вращающегося объекта на любой высоте зависит исключительно от его максимальной скорости. Учитывая упрощенную ситуацию (однородная сферическая земля и т. д.) на приведенном выше рисунке, центробежная сила F с должна быть равна силе тяжести F г :

Ф с "=" м ⋅ В 2 р "=" м ⋅ В 2 р + час

Ф г "=" м ⋅ г час "=" м ⋅ г 0 ⋅ ( р р + час ) 2

С р = радиус земли, час = высота, г час = гравитация на высоте

Приравнивание двух уравнений и вычисление для нескольких высот приводит к:

введите описание изображения здесь

Ни один самолет не может летать так быстро, даже SR-71 или X-2, которые разгонялись до 1000 м/с на высоте 24 000 м. Они требуют аэродинамической подъемной силы!

Таким образом, линия Кармана не зависит от самолета, это граница, на которой аэродинамический полет больше невозможен для любого самолета. С этого сайта:

Линия Кармана основана на физической реальности в том смысле, что она примерно обозначает высоту, на которой традиционные самолеты больше не могут эффективно летать. Все, что движется выше линии Кармана, нуждается в двигательной установке, которая не опирается на подъемную силу, создаваемую земной атмосферой — воздух просто слишком разрежен на такой высоте. Другими словами, на линии Кармана меняются физические законы, управляющие способностью корабля летать.

Вы думали, я думал, что Гелиос или SR-71 могут выйти на орбиту? Я написал "придется", а не "придется". Я спрашиваю о высоте, на которой он должен был бы достичь орбитальной скорости, на что Гелиос не способен.
@Betternottell X-2 тоже. Он был использован только в качестве примера для иллюстрации.
Правильно, я делаю то же самое здесь, так что не заявляйте, что я думаю, что они могут достичь орбиты.
@Koyovis, возможно, максимальная высота Гелиоса могла быть ограничена доступной мощностью, так как крыло, возможно, могло лететь немного выше, оставаясь под Маха. Надеюсь, построят еще один.
Что представляет собой линия AeroVironment Helios Kárman?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v