Как высоко могут летать винтовые самолеты?

Это вопрос источника энергии (и аспирации двигателя в случае двигателей с воздушным дыханием), нагрузки на крыло и аэродинамической эффективности. С современными технологиями предел составляет около 100 000 футов (30 км), что доказано Pathfinder и особенно Helios . Сомневаюсь, что с реально пригодным самолетом можно сделать гораздо больше.

Сначала аэродинамика: высотный фактор$c_l \cdot Ma^2$сообщает вам, какую подъемную силу можно создать при заданном числе Маха полета, а нагрузка на крыло затем дает вам минимальную плотность для продолжительного полета. 0,4 - хорошее значение для дозвука.$c_l \cdot Ma^2$, и 30 кг/м$^2$допустимая нагрузка на крыло для полета на 30 км. Смотрите этот ответ для более подробной информации.

Если источнику энергии нужен окружающий воздух (поршневой двигатель), то самолету нужны трехступенчатые компрессоры или турбонагнетатели, которые были протестированы на высоте до 20 км и должны быть пригодны для 24 км. Это привередливые устройства; Boeing Condor редко летал на максимальной мощности, потому что ступени турбокомпрессоров колебались в чередующейся последовательности скачков. Один этап мчался вперед, вызывая скачок другого, который вызывал первый скачок и освобождал другой, чтобы мчаться вперед, и так далее.

Выше примерно 24 км солнечно-электрические двигатели выглядят лучшим вариантом в настоящее время. Во всех случаях вы можете летать только на дозвуковых скоростях, поэтому минимальная практическая нагрузка на крыло будет ограничивать максимальную высоту. Такие летательные аппараты, как Helios, уже очень хрупкие, поэтому их можно запускать только в безветренную погоду, и они рискуют быть унесенными высотным ветром. Полезная нагрузка минимальна, и в зависимости от того, что самолет должен делать, кроме высоких полетов, вы получите ограничение на максимальную высоту от 24 до 30 км.

Выход на орбиту в винтовом аппарате совершенно иллюзорен. На больших высотах недостаточно материи, чтобы оттолкнуться от нее, и теоретический диаметр пропеллера будет измеряться в километрах (или милях, если вы предпочитаете эту единицу измерения). Структурная масса была бы запредельной. Кроме того, тяга винта обратно пропорциональна скорости полета, и нет возможности разогнаться винтом до космической скорости. Тяга будет всего лишь ошибкой округления от нуля до 7,9 км/с.

Эта скорость необходима, чтобы избежать земного притяжения, пролетая вокруг нее достаточно быстро, чтобы центростремительная сила равнялась весу самолета и называется орбитальной скоростью. Чем выше становится орбита, тем больше энергии требуется для ее достижения. Чтобы получить достаточно энергии, винтовой летательный аппарат разгоняется в атмосфере до скорости, немного превышающей желаемую орбитальную скорость, а затем преобразует эту кинетическую энергию в потенциальную, чтобы подняться по траектории по крайней мере на 100 км, международно признанную высоту. где начинается космический полет. Обратите внимание, что эта фаза полета требует перевернутого полета, если ускорение занимает некоторое время. Максимальное число Маха полета должно быть, может быть, 12 или даже 15, так что этот маневр вообще возможен.

Вкратце: выход на орбиту с пропеллером? Забудь это!

Орион P3 сделал 45 018 в 1971 году.

Они готовятся к полету на Марсе , так что проблема больше в мощности для вращения винта, чем в способности винта создавать тягу. Захватывающие достижения в области солнечной энергии сделали практичными полеты на очень большой высоте, о чем свидетельствует размах крыльев 247 футов, 1-тонный Helios на высоте 98 000 футов.

Пилотируемые воздушные шары достигли высоты 125 000 футов, но марсианские ветры могли обеспокоить конструкторов. Helios все еще мог бы существовать, если бы у них были старомодные проволочные распорки для крыльев, но экономия веса и лобового сопротивления имеет решающее значение для достижения максимальной высоты.

Одним из аспектов, благоприятствующих марсианскому полету , является молекулярная масса CO2, которая при 44 примерно на 50% больше массы земной преимущественно азотно-кислородной атмосферы. Хотя чрезвычайно тонкая, но более тяжелая марсианская атмосфера CO2 увеличивает величину «подъемной силы», которую создает движущийся аэродинамический профиль, изгибая или отклоняя его при любом заданном «воздушном» давлении.