La pregunta que estoy tratando de responder parece simple: ¿qué tan difícil sería volar en un planeta con menor gravedad pero también una atmósfera más delgada en comparación con la Tierra? Si la respuesta pudiera indicarme cuán diferente sería un avión diseñado para volar allí.
Conozco la presión atmosférica, la composición atmosférica (y, por tanto, la masa molar) y la temperatura en la superficie del planeta hipotético. Sin embargo, tengo un problema con la determinación de los coeficientes de sustentación y arrastre. El sitio de la NASA dice que estos coeficientes dependen de la viscosidad y la compresibilidad del aire, la forma de la aeronave y el ángulo de ataque. Mi primer pensamiento fue separar la parte de los coeficientes que depende del avión de los parámetros atmosféricos. Sin embargo, tengo problemas para encontrar una fórmula para ello. Esta página dice que para ciertas condiciones el coeficiente de sustentación es
La relación L/D y Mars Aircraft pueden ser relevantes.
Además, ¿puedo suponer que la sustentación para arrastrar, o la sustentación máxima para arrastrar, es la misma en cualquier atmósfera y, de ser así, en qué condiciones?
La física no debería ser diferente en otros planetas, por lo que se aplican las mismas leyes que en la Tierra. Solo los resultados de una optimización pueden parecer desconocidos. Consulte aquí para obtener una respuesta sobre Aviation SE en un avión solar de Marte.
La ecuación de pendiente de elevación que encontró solo es válida para cuerpos delgados, como fuselajes y tanques de combustible, y una vez que la envergadura del ala se convierte en una fracción considerable de longitud, se necesitarán ecuaciones más complicadas y también se deben considerar los efectos del número de Mach. Ver aquí para una respuesta más elaborada .
Generalmente, volar como en la tierra significaría que la relación de presión dinámica y masa es la misma. Entonces usaría el mismo avión que en la Tierra (siempre que la atmósfera del otro planeta contenga suficiente oxígeno, pero no demasiado, para que el motor funcione).
Presión dinámica es el producto del cuadrado de la velocidad aerodinámica y densidad del aire :
La sustentación es la presión dinámica multiplicada por el área del ala y coeficiente de elevación y debe ser igual al peso, que es el producto de la masa y la aceleración gravitatoria local :
El coeficiente de sustentación es una medida de cuánta sustentación puede crear un área de ala determinada y puede alcanzar valores de hasta 3 en el caso de un avión de pasajeros que aterriza. Luego, el ala usa todo tipo de dispositivos de alta sustentación (slats, flaps ranurados), y una vez que se guardan, el coeficiente de sustentación de un avión comercial es de aproximadamente 0,5. Para las aeronaves de observación, se requiere menos velocidad y un coeficiente de sustentación normal para ellas sería de 1,2. No veo ninguna razón por la que este número deba ser diferente solo porque la atmósfera es diferente.
El número más importante sería el número de Reynolds. . Es la relación entre las fuerzas de inercia y las viscosas en un flujo y se ve afectada por las dimensiones de su avión (en la tierra usamos la cuerda del ala ) y la densidad y viscosidad dinámica de la atmósfera de vuestro planeta.
Los números de Reynolds más bajos se traducirán en un mayor arrastre por fricción, lo que deprime la relación máxima de elevación a arrastre que se puede lograr. Los planeadores vuelan con números de Reynolds entre 1.000.000 y 3.000.000 y los aviones pueden alcanzar fácilmente los 50.000.000. Cuando necesite optimizar para una atmósfera más pegajosa, sus alas se volverán menos delgadas que en la tierra, porque agrandará la cuerda del ala. mantener arriba.
Una vez que necesita velocidad para levantar el peso, el número de Mach podría llegar a ser importante. Generalmente, el vuelo subsónico es el más eficiente y tiene un límite natural en . Esto es lo que se puede lograr con la tecnología actual. La velocidad del sonido en un gas es principalmente una función de la temperatura: Mach 1 en Marte es 238 m/s.
La primera parte de un avión que alcanza un límite de Mach son las puntas de las hélices. Tal vez necesite tener varias hélices pequeñas de giro lento en lugar de una hélice grande que haga sonar la bocina, lo que proporcionaría la mejor eficiencia siempre que sus puntas estén muy por debajo de Mach 1.
Por último, necesita saber el número de átomos por molécula de gas. El aire está dominado por moléculas de dos átomos, pero tal vez su planeta tenga una atmósfera como la Tierra primitiva con mucho dióxido de carbono. Esto afectará la proporción de calores específicos. - esto significa que la tasa de calentamiento y enfriamiento con compresión y expansión del gas puede ser diferente que en la tierra. Esto entrará en juego cuando te acerques o superes Mach 1.
Este sitio es un recurso increíble.
Según mi propio conocimiento, los aviones pueden volar con una amplia gama de pesos (gravedades), a una amplia gama de altitudes (densidades), a una amplia gama de velocidades.
Una cosa a tener en cuenta es la esquina del ataúd , donde la velocidad de pérdida (la velocidad mínima a la que un ala puede soportar la carga colocada sobre ella) se acerca al número de Mach crítico. (La velocidad del sonido disminuye con la temperatura). Una forma de evitar esto es hacer la transición al vuelo supersónico.
La superficie de Marte es 0.095 PSI. El dron volador más alto de la Tierra voló a 13000 pies con hélices especializadas. El PSI de 13000 pies en la tierra es 2.39 PSI. La temperatura de 5.5 F. La temperatura se encuentra a 13000 pies. Esta es la calculadora que usé.
https://www.mide.com/aire-presion-en-la-altitud-calculadora
La calculadora se detiene en 20000 metros. O 20 km arriba. Temperatura menos 50c. Todavía manteniendo un PSI de .25. Esto está muy por debajo de la altitud que tendría Marte si fuera equivalente a la Tierra. Es decir, 20 km en la atmósfera de la Tierra tiene una densidad de aire mucho mayor que la atmósfera de la superficie de Marte.
La calculadora de elevación de la NASA que vi era solo una ecuación molesta. Esta Calculadora es mucho más completa. https://www.omnicalulator.com/physics/lift-coficient
Es poco probable que Ingenuity sea capaz de elevarse en Marte. No he terminado todos mis cálculos. Incluso con una gravedad de .89 de la Tierra. Palas de fibra de carbono de 4x2×2 pies. Con un peso de 1,4 kg. Con 2500 RPM.
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Shiolle
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