Может ли у вас быть гибридный турбовинтовой реактивный двигатель?

Для начала я пишу это, чтобы получить информацию о транспортных средствах в истории, поэтому я больше ищу теоретические возможности, если нет реальных примеров.

Предыстория и мое текущее понимание: Турбовинтовые двигатели имеют большую тягу на низких оборотах и ​​более эффективны для вертикального взлета и посадки и полета на малой воздушной скорости с недостатком полета на малой высоте. Реактивные двигатели, даже такие, как Scramjets, предназначены для более быстрых полетов и полетов на большей высоте.

Цель состоит в том, чтобы создать типичный научно-фантастический десантный корабль, который может приземлиться на неподготовленную поверхность и полететь в космос, где другой двигатель на борту будет продвигать корабль в космосе (если только не будет действительно разнообразного гибридного двигателя, который мог бы выполнить эту работу).

Таким образом, ключевыми выводами являются посадочная часть и большая высота. Я знаю, что можно взять что-то вроде V-22 Osprey и заменить турбовинтовые двигатели (Proprotors) на другой двигатель с большей тягой, но с другой стороны, вы сожжете и уничтожите любую неподготовленную поверхность, на которую приземлитесь.

Простой вопрос: возможно ли иметь турбовинтовой двигатель, который по существу переходит на другую форму реактивного двигателя для большей высоты и более быстрых полетов?

Это, вероятно, гораздо больше теоретический вопрос, чем этот конкретный сайт, поэтому я хорошо разбираюсь в любой полезной информации.

Спасибо

Вы хотите жесткую научную фантастику (на самом деле все физически возможно с известными нам законами физики)? Является ли VTOL жестким требованием или приятно иметь? Сколько на самом деле горизонтального полета вам нужно сделать? Это просто спуститься из космоса на одну площадку, а затем обратно в космос, или вы хотите взлететь, облететь и приземлиться несколько раз? Кроме того, если вы не получили ответов здесь, Worldbuilding.SE может быть хорошим ресурсом для вопросов по истории.
Поскольку это научная фантастика, винты V-22 складываются вперед (от двигателя), а затем убираются в центр катушки, чтобы убрать их с пути для «других» методов движения.
Одна из идей, которые у меня были, состояла в том, чтобы сложить пропеллеры назад, а затем я подумал, можно ли внутреннюю механику турбовинтового двигателя «переключить», чтобы он стал реактивным двигателем в полете.
@DanielK несколько сложно или, по крайней мере, теоретически возможно с использованием будущих материалов. Десантный корабль будет использоваться для многих суборбитальных (атмосферных) полетов с возможностью по существу стать космическим самолетом, чтобы вернуться на свой уважаемый военно-морской звездолет / космическую станцию. Так что они все равно должны быть аэродинамически прочными. Так что ничего подобного челноку в The Expanse. Хорошим сравнением будет Пеликан в Halo.
Ключевой вопрос, на который нужно ответить, заключается в том, сколько кислорода и давления в воздухе, на котором должен летать двигатель. Вы предполагаете атмосферу Земли? И второй момент - какова начальная скорость (скорость корабля-носителя)?
@mins да, я предполагаю атмосферу Земли. Что касается корабля-базы, то хотя бы на орбитальной скорости. Так что там от 8 до 10 км/с +.
Вы предполагаете, что сможете дозаправляться на земле между суборбитальными полетами? Или 100% топлива, которое вам нужно для всех полетов, будет перевозиться при первой посадке?
Вы слышали о роторной ракете? Это сумасшедший гибрид вертолета и ракеты, над созданием которого люди приложили довольно серьезные усилия. Объяснение и некоторые кадры пилотируемых испытательных полетов: youtube.com/watch?v=OIuGfXp-Ok8

Ответы (3)

TLDR: Насколько я понимаю вопрос, с современными технологиями практически невозможно.

Я думаю, что вы фокусируетесь на неправильной части проблемы. Турбовинтовой двигатель против турбовентиляторного — это мелочь по сравнению с количеством ракетного топлива, необходимого для выхода на орбиту. Приведем несколько цифр.

Я предполагаю следующую миссию: 1) сход с низкой околоземной орбиты, 2) посадка (возможно с помощью парашюта), 3) дальность полета 10 000 км для одного очень длительного полета или нескольких коротких с использованием вертикального взлета 4) возвращение в орбита. Далее предполагается, что все топливо для всей миссии находится на борту на шаге 1.

Начнем с конца и будем работать в обратном порядке.

Сначала нам нужно узнать массу автомобиля. Я предполагаю, основываясь на «типичном десантном корабле из научной фантастики», что фактический вес машины может быть подобен истребителю F-35. Возьмем вес пустого 13 290 кг (тоже аналогичный упомянутому вами v-22 osprey). В некоторых научно-фантастических фильмах «десантный корабль» изображается с командой из десятков человек, так что на самом деле это может быть низко, но давайте начнем с этого. Сколько ракетного топлива нам нужно, чтобы вернуть такой аппарат на орбиту?

Предполагая, что требуемая дельта-v составляет около 11 200 м / с , принимая во внимание спортивный удельный импульс 470 с (абсолютно лучшая ракета, указанная в этой таблице) , и используя уравнение ракеты , получаем требуемое топливо как 150 000 кг. Для сравнения, это примерно пустой эксплуатационный вес Боинга 777. Предположим, что вы начинаете с земли и используете ракету на всем пути. Конечно, если вы используете реактивные двигатели для старта и старта в полете, вам потребуется немного меньше топлива, но не так много, как вы думаете. Илон Маск считает, что это всего около 5% экономии . Давайте просто сохраним цифру в 150 000 кг.

Теперь нам нужно немного полетать на чем-то весом с B777. Для B777 запаса топлива в 100 000 кг достаточно, чтобы проехать около 10 000 км ,

Итак, теперь наша машина плюс топливо составляет 250 000 кг. Чтобы совершить вертикальный взлет, вам потребуется колоссальная тяга 2,5 МН, что в пересчете на реактивный двигатель составляет около пяти GE9x при максимальной взлетной тяге (которые, кстати, составляют около 10 000 кг каждый, так что теперь наша машина намного превосходит первоначально предполагаемую). веса, а значит нужно еще больше топлива!)

Это уже потрясающий автомобиль. И мы даже не говорили о том, как заставить эту штуку пережить повторный вход в атмосферу и не сгореть. Вам понадобится массивный теплозащитный экран, который только добавит еще больше веса. Я бы назвал это невозможным с современными технологиями.

Поэтому, чтобы изменить его, чтобы он работал, вам нужно будет выполнить одно или несколько из следующих действий.

  • Массово урезать конечную массу. т.е. сделать финальную вещь более похожей на крошечную командную капсулу Аполлона, чем на «типичный научно-фантастический десантный корабль».
  • Заправляйтесь на земле перед каждым полетом и перед возвращением на орбиту.
  • Отказаться от вертикального взлета и посадки
  • сократить дальность полета
  • отказаться от научной фантастики и изобрести волшебный ракетный двигатель с гораздо лучшим удельным импульсом, чем современные технологии.
Потрясающий ответ, спасибо за это. Я полагал, что это будет практически невозможно. И ради истории я созерцал что-то вроде Sky Hook с орбитального корабля. Это кажется немного медленным для будущего сеттинга. Чтобы дать больше перспективы, поскольку я думаю, что вы решили невозможность: действие происходит примерно на 600 лет в будущем, где межпланетное путешествие занимает несколько дней только с факельными двигателями, подобными приводу Эпштейна Expanses. Идея, над которой я работаю, состоит в том, чтобы поднять корабль на достаточно большую высоту, чтобы включить термоядерные двигатели и таким образом выйти в космос.
Что ж, если вы собираетесь пойти по пути «термоядерных двигателей» и «двигателей Эпштейна», я не думаю, что буду слишком сильно беспокоиться о том, что турбовентиляторный двигатель немного менее эффективен, чем турбовинтовой, на низких скоростях. Это все равно, что сказать, что у вас есть Ferrari, которая может разогнаться до 150 миль в час, но только если вы сначала отбуксируете ее на шоссе с несколькими тягловыми лошадьми, и вам интересно, какая лошадь будет наиболее эффективной для буксировки. Просто скажите, что у вас есть что-то вроде реактивного двигателя, но он использует энергию вашего «реактора синтеза» вместо топлива для реактивных двигателей.
или, другими словами, причина, по которой нас волнует разница в эффективности между турбовинтовым и турбореактивным двигателем, заключается в том, что реактивное топливо дорогое и тяжелое. Удельная энергия реактивного топлива составляет около 40 МДж/кг. Удельная энергия синтеза водорода составляет 640 000 000 МДж/кг, что примерно в 16 миллионов раз больше энергии на кг, чем у реактивного топлива. Вы можете лететь на B777 из Нью-Йорка в Токио примерно на 6 граммах водорода, если у вас есть термоядерный синтез. Итак, когда у вас есть термоядерный синтез, турбовинтовой или турбореактивный двигатель спрашивает, нужно ли вам 6 граммов водорода или 8 граммов. Не ахти какое дело.
Это честно. Я предполагаю, что мой вопрос был скорее механическим аспектом: может ли двигатель с пропеллером также запускать реактивный двигатель, сжимать воздух и использовать его в качестве топлива в полете в атмосфере. Следующий этап, который мне нужно выяснить, это то, на какой высоте можно использовать термоядерный двигатель без катастрофических последствий.
Думаю, я не уверен, что вы имеете в виду под термоядерным двигателем. Если у вас есть термоядерный реактор, используйте его для выработки электричества, а затем используйте это электричество для вращения электродвигателя, подключенного к большому вентилятору или пропеллеру. Квадрокоптер с термоядерным двигателем прекрасно работал бы на уровне моря, там, где воздух становится довольно разреженным.
Я читал, что лучший способ использовать термоядерный реактор для двигателя — использовать тепло вместо электричества. Но когда я говорю о термоядерном двигателе, я имею в виду в основном шарик термоядерного топлива (в данном случае дейтерий-гелий 3), который выбрасывается из задней части двигателя, где серия лазеров инерционного удержания воспламеняет шарик и двигатель/корабль приводится в движение этим взрывом. Более продвинутая и микроверсия проекта Орион. Преимущество этой системы в том, что она удерживает все тепло вне сосуда, что важно, поскольку речь идет о миллионах градусов.

Любая компоновка вертикального взлета и посадки создаст много взрывной волны на посадочной поверхности, поэтому практичным, готовым решением будет гибридный турбореактивный / прямоточный реактивный двигатель Pratt & Whitney J58, который доставит вас от земли и в ближний космос на скорости около 3 Маха, прежде чем переход на ракеты.

Хотя на двигатель этого типа можно установить опору и сложить ее, сопротивление и турбулентность (во всасываемом воздухе) могут сделать это непрактичным. Лучше кое-что взорвать турбореактивным двигателем (отличные спецэффекты в кино). Турбовинтовой двигатель также будет выбрасывать горячие газы с несколько меньшей скоростью.

Другим подходом может быть версия вертикального взлета и посадки британского наземно-космического самолета Skylon . Возможно, в вашей книге это действительно попадает в производство.

Но для вертикальной посадки лучше всего дополнить турбореактивные двигатели реактивными снарядами . Затем вы получаете что-то более похожее на то, над чем работает Илон Маск, с реактивными двигателями и немного большим количеством крыльев.

Хотя эти «гибриды» представляют собой популярную научно-фантастическую концепцию, на самом деле лишь небольшая часть даже орбитального полета находится за пределами атмосферы. Пройдя точку подъема или потребления кислорода для тяги, реактивные двигатели, крылья и пропеллеры становятся мертвым грузом.

У F-35 Lightning подход к вертикальному взлету и посадке аналогичен тому, что вы запрашиваете. Пропеллер (строго говоря, канальный вентилятор) направлен прямо в середину фюзеляжа и имеет открывающиеся сверху и снизу дверцы. Он приводится в действие реактивным двигателем и используется при вертикальном взлете и посадке.

Может ли у вас быть гибридный турбовинтовой реактивный двигатель?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v