Может ли самолет летать или зависать, используя только струи сжатого воздуха?

"Да", но "Нет".

Для бункера ближнего действия — добираясь от А до Б на месте, где вы припарковываете транспортное средство на заправочной станции, прежде чем отправиться в свой день — сжатый газ может работать. Если поездки короткие. Если они летят, то это будут ОЧЕНЬ короткие поездки. [Покопавшись в Google, можно найти легкие автомобили/байки, работающие на сжатом воздухе, с запасом хода в несколько миль.]

Однако есть предел тому, как далеко вы можете продвинуть такую ​​технологию, и вы быстро столкнетесь с несколькими проблемами.

В конце концов вы достигнете предела сжатого газа , и вам придется добираться до хранилища жидкости, чтобы вместить больше в резервуар. Благодаря закону идеального газа и общей физике фазового перехода энергия, необходимая для ее фактического использования, резко возрастает. Когда вы пытаетесь использовать физическую энергию, хранящуюся в сжатом газе, вам требуется больший обмен тепловой энергией, чтобы газ мог сохранять расширение.

Когда вы пытаетесь расширить свой диапазон, вы сталкиваетесь с проблемой топливной тирании: чтобы нести топливо/энергию, вам нужно сжигать/использовать топливо/энергию, чтобы доставить ее туда, где вы будете использовать ее для дальнейшего движения.

Скажем, у вас есть что-то, что использует топливо X для перемещения на расстояние Y. На первый взгляд легко предположить, что 2X топлива даст вам 2Y расстояние, но вам нужно использовать топливо, чтобы нести дополнительное топливо ... Таким образом, вы добавляете больше, чем 2X, но, возможно, потребуется добавить больше мощности / тяги, чтобы фактически двигаться. столько топлива, что, в свою очередь, означает, что вам нужно больше топлива, чтобы обеспечить его, и... Ну, вы можете видеть, как это быстро начинает убегать. [Если вы этого не видите, поиграйте в Kerbal Space Program и «добавьте больше бустеров»]

Помимо этого, существуют также проблемы безопасности при работе со сжатым газом. «Тяжелые» газы могут вытеснить нормальную атмосферу и сопряжены с риском удушья. Даже обычные газы сопряжены с риском критических отказов, что может сделать их более опасными, чем традиционные виды топлива при определенной плотности энергии. Сравните риски «небольшой течи» в баке с реактивным топливом — со временем оно медленно вытекает. Даже если он горит, эта энергия неуклонно рассеивается с течением времени. Если вы взорвете баллон со сжатым газом, то природа такова, что он захочет израсходовать почти всю свою энергию за очень короткое время. [И становится еще интереснее, если сжатый газ является реактивным , так как он захочет силой вытолкнуть себя из хранилища даже при относительно небольшом сбое.]

Короче говоря, нет, это не было бы практичным транспортным средством. Конечно, это не даст вам несколько дней выносливости.

Ваш автомобиль в основном представляет собой менее эффективную (хотя и более безопасную) ракету. Ракеты используют горение для повышения давления и температуры выхлопа, а также для его выбрасывания, но после этого принцип тот же: что-то вылетает из вашего транспортного средства в одном направлении, ваше транспортное средство толкается в противоположном. Однако это означает, что вы столкнетесь, пожалуй, с самой большой проблемой в ракетостроении. Ваша тяга должна нести не только раму вашего автомобиля и его полезную нагрузку, но и все его неиспользованное топливо (или, в данном случае, невыпущенный сжатый газ).

Это приводит к ракетному уравнению Циолковского , одному из самых известных уравнений в ракетостроении, которое описывает соотношение между конечной скоростью ракеты (= как долго работают двигатели) и ее массовой долей , или какой частью ракеты топливо против структуры и полезной нагрузки. Чем дольше вы хотите гореть, тем быстрее увеличивается массовая доля топлива, пока в конце концов у вас не останется места для полезной нагрузки или даже для вашей ракеты.

В вашем случае, несмотря на то, что вы не используете свои двигатели постоянно для получения одной конечной скорости, вы все равно обременены тем, как долго вам нужно продолжать их использовать. (Это особенно верно в случае парящего транспортного средства, где вы постоянно боретесь с гравитацией. Это было бы менее верно, хотя все же заметно, в наземном транспортном средстве, которое использует только топливо при движении.) Чем дольше вы хотите, чтобы ваше транспортное средство иметь возможность путешествовать без дозаправки, больший процент от него должен быть топлива, без ограничений.

Так как же наземные транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, избегают этого? Все просто: они используют атмосферу. Автомобили поглощают кислород из воздуха для сгорания, что делает их топливо намного более экономичным по весу. Самолеты используют свойства воздуха для создания аэродинамической подъемной силы, уменьшая потребность в тяге.

Учитывая их другие технологические подвиги, вашим людям, возможно, было бы лучше всего использовать двигатели внутреннего сгорания, а затем иметь перерабатывающие заводы, улавливающие углекислый газ и другие продукты сгорания из воздуха и перерабатывающие их обратно в топливо. Для этого потребуется много энергии, но это перенесет потребность в энергии с небольшой неэффективной мобильной платформы на большую и эффективную стационарную. (В этом случае бензин или что-то другое лучше всего рассматривать как тип батареи.) Другим вариантом было бы носить с собой батареи и иметь роторы или компрессоры с электрическим приводом - в основном очень большой квадрокоптер для отдыха.

И наконец, иметь много личных автомобилей, извергающих ксенон или другие тяжелые газы повсюду, может быть не так уж безопасно. Газ тяжелее воздуха будет скапливаться в низких местах и ​​вытеснять кислород, что может легко убить человека .

Как подробно объяснили другие, вашим ограничивающим фактором является количество топлива, которое вы можете нести, поскольку существует предел того, насколько вы можете сжать газ, прежде чем вы начнете сталкиваться с проблемами. Неразрушимый резервуар не сильно поможет, так как сам газ сконденсируется в жидкость или начнет делать другие странные вещи при достаточно высоком давлении. Единственный способ сделать это дистанционно практичным — сделать свой автомобиль максимально экономичным.

Путешествуя по воздуху, вы потратите больше топлива на борьбу с гравитацией, чем на что-либо еще. Так что не борись с этим. Дирижабль или какой-нибудь аэростат может оставаться в воздухе, не расходуя топливо, поэтому вы можете использовать свое бортовое топливо для движения. Путешествие по направлению ветра могло быть почти бесплатным, хотя и не таким быстрым.

Чтобы транспортное средство, подобное этому, было практичным, вам нужно было бы использовать воздух, через который вы летите, в качестве топлива, а не носить с собой его ограниченный запас в баках. У вас могут быть электрические двигатели, которые всасывают воздух и выталкивают его через узкое сопло в задней части автомобиля. Вы не движетесь на очень высоких скоростях, но, по крайней мере, это работает.

Вам нужно понять, что энергия$E = \frac{v^2\cdot m}{2}$в то время как импульс$p = v\cdot m$.

Каждую секунду земное притяжение передает импульс$p = g\cdot m_o\cdot 1s$на любой объект массы$m_o$. Если этот объект должен оставаться в покое (парить в воздухе или лежать на земле, не имеет большого значения, пока он не движется...), он должен постоянно избавляться от этого импульса. Объект на земле делает это, передавая импульс земле, объект в воздухе должен передавать импульс воздуху.

Обратите внимание, что в последнем абзаце вообще не упоминается энергия . Важной фигурой является импульс, только .

Теперь посмотрим на два уравнения для$E$и$p$. Энергия на самом деле$E = \frac{v^2\cdot m}{2} = \frac{vp}{2} = \frac{p^2}{2m}$. То есть, если вы используете бесконечную массу, вам вообще не нужна энергия (это объект на земле, который эффективно использует всю землю, чтобы избавиться от импульса). Чем меньше масса, которую вы используете, тем больше энергии вам нужно .

Если вы используете только запасенный воздух, вы находитесь в худшем из возможных режимов: вы зря тратите гигаджоули энергии. Если вы просто удвоите количество воздуха, которое вы ускоряете, приводя в движение простую одноступенчатую турбину с помощью сжатого газа, вы уже удвоили срок службы вашего топлива ! Чем сильнее вы разгоняете наружный воздух, тем дольше хватает топлива.

Таким образом, независимо от того, насколько плотным является ваше хранилище энергии сжатого воздуха, ваши транспортные средства всегда будут всасывать воздух сверху и выбрасывать его вниз просто потому, что топлива хватит намного дольше. В принципе, вы можете предположить, что любой парящий летательный аппарат всегда будет использовать как можно большую площадь своей верхней поверхности для всасывания воздуха. Потому что использование только половины площади поверхности означает только половину срока службы вашего запаса топлива.

Кстати, это также причина, по которой вертолетам требуется больше топлива во время зависания, чем когда они летят с умеренной скоростью : зависший вертолет может взаимодействовать только с воздухом непосредственно вокруг него и над ним, который уже был ускорен его зависанием. Летающий вертолет постоянно взаимодействует со свежим воздухом в состоянии покоя и таким образом распределяет свой импульс на большее количество воздуха. Более воздушное ускорение$\Rightarrow$воздух разгоняется до более низких скоростей$\Rightarrow$потребляется меньше энергии.

Самолеты доводят это до крайности: они максимизируют количество воздуха, с которым они взаимодействуют в секунду, летая со скоростью 800 км/ч, и, таким образом, они минимизируют результирующую нисходящую скорость воздуха, который они оставляют позади. Горящее топливо в двигателе просто вращает турбину, которая использует лопасти для ускорения как можно большего количества воздуха назад, что, в свою очередь, перемещает воздушную фольгу для ускорения как можно большего количества воздуха вниз, чтобы быть максимально эффективным. Эта двойная непрямая передача — то, что делает современные воздушные самолеты такими эффективными, как они есть, позволяя им летать на полпути вокруг земли без остановки.

Я ожидаю, что кто-то скажет, что у этого есть серьезные проблемы с масштабированием, но эй, у вас есть почти бесконечная энергия, поэтому давайте поменяемся местами: вместо того, чтобы иметь кучу струй, бегущих по поверхности, пытающихся использовать сжатый воздух, давайте преобразуем поверхность в основном в гигантский стол для аэрохоккея и сделать транспорты относительно легкими с солнечными парусами. Транспорты имеют объединенные в сеть компьютеры, которые подключаются к транспортной системе, чтобы указать, куда они хотят отправиться, а затем на поверхности имеется ряд «лазеров», разбросанных по точкам, чтобы обеспечить необходимую горизонтальную тягу (аналогично предлагаемым солнечным парусам для путешествий). внутри Солнечной системы)

Работа с любыми непредвиденными последствиями удивительности этой установки остается в качестве упражнения для читателя.