Hacer volar la empresa

editar: esta respuesta llega a una conclusión incorrecta porque cometí un error en mi cálculo de la masa de la nave en Newtons. Alerta de spoiler: no puedes hacer que vuele de esta manera. Sin embargo, el resto del análisis se mantiene, hasta donde yo sé. Vea el final de la publicación y los comentarios para más detalles.

Analicemos algunos números:

• Podemos usar el desplazamiento para calcular su masa:

  • El Enterprise tiene un desplazamiento de 94,781 tonnes^{[ 1 ]} a la gravedad a nivel del mar en la Tierra, lo que le da un peso de 56.900 toneladas a una gravedad de 0,6 g.

• Si bien una menor gravedad normalmente significaría una menor densidad en la atmósfera, optaremos por la densidad prescrita de +50% de la pregunta. Si bien eso haría que el aire fuera más pesado, dado que el portaaviones está sumergido en el fluido atmosférico, las fuerzas se anulan (especialmente durante el vuelo, pero podría tener algunos problemas al tratar de desconectarse de la superficie del agua; lo ignoraremos por ahora) .

levantándolo

Hay dos formas obvias de levantar un objeto del tamaño de un portaaviones en el aire: una es utilizando un enfoque de aeronave estándar (colocarlo debajo de un globo enorme) y el otro sería un enfoque VTOL ^{[ 7 ]} . Dado que otros han respondido sobre el caso de la aeronave, me quedaré con el VTOL; creo que es preferible ya que:

1. Quiere modificar una nave existente para volar
2. Le gustaría mantener la misma funcionalidad, por lo tanto, desea reutilizar las mismas instalaciones y estructuras tanto como sea posible.

Sin embargo, hacer una aeronave es probablemente mucho más simple: VTOL es más complicado y costoso, pero es genial.

• El Enterprise tiene 8 reactores, lo que da un total de 210 MW^{[ 1 ]} de potencia.
  • El portaaviones de los Vengadores se parece a una configuración Fan-in-Wing ^{[ 8 ]} y parece viable como opción para una nave de este tipo.
  • La vectorización de empuje sería una opción, pero no nos da suficiente control para usar motores orientados hacia abajo para avanzar rápidamente.
  • Aunque idealmente podríamos usar todos los ventiladores para levantar y mover, el requisito de estabilidad aquí es alto: el portaaviones, a diferencia de un helicóptero o un avión, no puede cabecear en absoluto (si lo hace, podría causar que las personas y los aviones se caigan). - los portaaviones reales atan aviones a la cubierta, pero todavía hay un margen muy pequeño para lanzar aquí). Esto significa que tendremos que usar ventiladores separados para controlar la altitud y traducir.

Veamos si nuestros reactores tienen suficiente potencia para levantar el portaaviones:

• Como estamos reutilizando los reactores existentes y la Enterprise también los usó para la propulsión, supondremos que no tenemos capacidad de combustible y que no podemos usar motores a reacción. Eso significa que estamos utilizando bastante la mecánica de helicópteros.

• Necesitamos generar un empuje superior a su peso para levantarlo, lo que significa un exceso 560 KNde empuje ( edición: esto es incorrecto, me equivoqué por 1000 debido a un error en mis unidades, en realidad es 560 MN. Ver final de esta respuesta. ). Usando esta ecuación de empuje de la hélice ^{[ 14 ]} y asumiendo:

  • densidad del aire en150%
  • 45 MWutilizado por hélice

  • diámetro del abanico igual al ancho de la embarcación:80m

    obtenemos:

    ((pi/2)⋅(80)^2⋅(1.225⋅1.5)⋅(45e6)^2)^(1/3) = 3.34 MN

    asumiendo que no he cometido un error horrible en los cálculos.

Eso nos da un solo ventilador capaz de levantar el portador con un TWR de casi 6:1. Sin embargo, no podemos usar un solo ventilador, así que lo dividiremos entre dos, cada uno con un diámetro de 50 m, para la altitud, lo que nos da un total de 4.89 MN. Tenemos que colocarlos de modo que su vector de empuje se alinee con el centro de masa de la nave, probablemente cerca del medio.

Hasta ahora estamos usando 90 MW, por lo que tenemos espacio para nuestras hélices de propulsión. Si tenemos dos de ellos, montados en la parte trasera, 10men diámetro cada uno y bombeando 25 MWa cada uno de ellos, obtenemos 565 KNempuje para cada uno, que es suficiente para mover la nave fácilmente (TWR de 2:1).

Resumiendo

Eso es un total de aproximadamente 9.8 MNempuje hacia arriba y 1.13 MNempuje hacia adelante a 140 MWla potencia, que es 2/3 de nuestra capacidad. Todavía no hemos tenido en cuenta el peso de las hélices, así que hagámoslo.

Extrapolando el tamaño del motor a reacción GE90 ^{[ 15 ]} , que es el más grande hasta el momento, llegamos a un peso de 110 kNpara cada uno de los 50mventiladores y 22 kNpara cada uno de los 10mventiladores. Ajustándose a la gravedad más baja y sumando, eso es un total de aproximadamente 160 kNpeso adicional debido a los ventiladores. En nuestra 720 kNmasa y teniendo en cuenta todos los motores, tenemos un TWR hacia arriba 13.6y hacia adelante de 1.57. Esto significa que ascenderemos muy rápido y tendremos una altitud máxima alta, pero avanzaremos con relativa lentitud.

Estos cálculos no son exactos (obviamente) y no soy un experto en este tipo de cosas, pero parece que, si está dispuesto a enfrentar el desafío de ingeniería adicional de convertirlo en un VTOL, debería ser posible en menor gravedad y mayor densidad del aire. Por supuesto, puede ajustar los tamaños para hacer un mejor uso de su poder, pero depende de lo que quiera favorecer: volar o moverse rápido.

Demitri ha encontrado un horrible error que cometí. Mi cálculo original de la masa de la nave en Newtons estaba errado en 3 órdenes de magnitud (1000), lo que significa que todo lo que sigue es prácticamente inválido. Los motores tendrían que ser unas 100 veces más potentes, incluso en condiciones de menor gravedad y mayor densidad atmosférica, para permitir que esta nave vuele. No estoy seguro de qué hacer con la respuesta, excepto que tenga en cuenta que la conclusión es incorrecta. Lo dejaré como está para que la publicación general no sea confusa.

Según las correcciones de Demitri, con la masa correcta de$558 MN$para el transportador, la potencia requerida para levantarlo es$172 GW$, que supera con creces la capacidad de los reactores del portaaviones.

Por supuesto, siempre está el portaaviones de The Avenger (que es ridículamente poco práctico pero debe mencionarse).

Alejándose de la fantasía hacia la realidad, en realidad ha habido algunas investigaciones serias del mundo real en este sentido.

http://en.wikipedia.org/wiki/Airborne_aircraft_carrier

El USS Akron (ZRS-4) y el USS Macon (ZRS-5) fueron dos aeronaves rígidas construidas para tareas de exploración para la Marina de los EE. UU. y que estuvieron operativas entre 1931 y 1933.

Tras los experimentos de lanzamiento y recuperación de pequeños aviones con el USS Los Ángeles (ZR-3), los EE. UU. diseñaron el Akron y el Macon con hangares internos capaces de albergar varios cazas biplanos Curtiss F9C Sparrowhawk. Los cazas fueron lanzados y recuperados utilizando un mecanismo de "trapecio".

Esto nos lleva a nuestro primer punto, el portaaviones se moverá lentamente y será extremadamente pesado, por lo que no se presta a un vuelo más pesado que el aire. Sin embargo, los dirigibles son excelentes para levantar grandes cargas a velocidades más lentas. Tampoco interrumpen el flujo de aire a su alrededor, por lo que serían mejores para aterrizar y despegar.

En condiciones de tierra:

El USS Enterprise pesa 94.780 toneladas.

1000 pies cúbicos de helio pueden levantar 65,82 libras.

Entonces necesitamos 2 879 975 000 pies cúbicos de helio.

El transportador en sí mide 2106 pies de largo y 1522 pies de ancho, por lo que si hacemos que el globo tenga el mismo tamaño que el transportador, obtenemos un globo de helio de 2106 pies de largo, 1522 pies de ancho y 900 pies de alto.

¡Eso es un maldito globo grande! Sin embargo, no hay un bloqueo completo para construirlo, sería costoso, lento y vulnerable, pero ciertamente podría hacerse si se invirtiera suficiente dinero.

En nuestro mundo hipotético

La gravedad es 0.6 estándar terrestre, eso hará el mismo cambio en el peso:

El USS Enterprise pesa ahora 56.868 toneladas.

La densidad atmosférica es difícil de calcular ya que el helio también se comprimirá más si aumenta la presión. Digamos que la atmósfera tiene presión terrestre pero mayor densidad. En ese caso, el helio tiene un 50 % más de potencia de elevación efectiva y 1000 pies cúbicos de helio ahora pueden levantar 98,73 libras.

Entonces ahora necesitamos 1,151,990 pies cúbicos de helio.

Eso ahora nos da un globo de helio de 2106 pies de largo, 1522 pies de ancho y 359 pies de alto.

Como pueden ver, las condiciones alteradas de su mundo hacen las cosas mucho más fáciles.

Pero, ¿qué pasa con el peso del globo?

El peso del propio gas de elevación ya está incluido en las cifras de flotabilidad, por lo que se puede descontar. La estructura del globo en sí tendrá un peso notable, pero aún será una pequeña fracción del peso del portaaviones, por lo que, si alguien estuviera diseñando esto de verdad, debería permitirse que no se produzcan grandes cambios en estas cifras que son ilustrativos de todos modos.

Sí, una versión de aeronave del USS Enterprise es práctica. Sería varias veces más grande que el Hindenburg, pero estaría al alcance de la tecnología moderna.

Las principales limitaciones serían:

• Peso. Sin una reconstrucción del 100 %, el USS Enterprise es demasiado pesado para hacer un buen diseño de góndola. Necesitaría una cantidad asombrosa de gas de elevación. Sin embargo, no es imposible, y los diseños de aeronaves modernas incorporan mejoras aerodinámicas, que podría aprovechar utilizando la abundante energía eléctrica del reactor nuclear para propulsarlo (piense en más de 100 motores a reacción modernos)
• Operaciones de aeronaves. Suponiendo que lleve la dotación completa de aviones del USS Enterprise, una parte sustancial debe dedicarse a las operaciones de aeronaves. Si reemplazó la cubierta de vuelo del Enterprise con una estructura gigantesca de Zeppelin, podría operar desde una pista en la parte superior o cambiar su avión para admitir el lanzamiento de la cuna (esto se hizo con biplanos, no estoy seguro de si funcionaría para aviones de combate modernos)
• Energía. Una gran parte de su presupuesto de peso tiene que ir al reactor nuclear y combustible para aviones para el avión.
• Alojamiento de la tripulación. no es un problema si mantiene intacta la mayor parte de la estructura original.
• Operaciones: necesitaría nuevas instalaciones de amarre masivas en todo el mundo para el mantenimiento.

Obviamente, la ruta del dirigible requiere el apoyo de un astillero completo, incluidas muchas instalaciones diseñadas a medida para el proyecto. Todo ello al alcance de la tecnología actual, aunque un poco caro.

EDITAR: Con el aumento de la densidad y la reducción de la gravedad, la aeronave propuesta sería aproximadamente 3 veces más larga que la aeronave de carga pesada del Ejército de EE. UU. propuesta, por lo que la maniobrabilidad y el acoplamiento no deberían ser tan malos:

Tendrías que cambiar la fuente de alimentación. El reactor del CVN-65 se enfría con agua usando alrededor de 50 gpm. FUENTE Esto funciona porque el transportador está sentado literalmente sobre un mar de refrigerante. Esto permite que el portaaviones reponga el agua fría y expulse el calor residual rápida y fácilmente sin tener que mantener una gran reserva de refrigerante a bordo. La necesidad del refrigerante haría que la energía nuclear fuera una mala elección para una aeronave grande como esta.

Ahora, si tiene algo como un ZPM , podría hacer los tipos de cambios que serían necesarios para que la Enterprise esté en condiciones de volar. Otro problema va a ser mantener el ascensor. Supongamos que 250 nudos serían suficientes para que la sustentación mantuviera el barco en el aire. Eso hará que la cabina de vuelo sea increíblemente peligrosa. Es probable que cualquier velocidad superior a 50-60 nudos sea inmanejable tanto para el aterrizaje como para el despegue de la aeronave, y para la tripulación que trabaja en la cubierta.

Así que vas a necesitar una capacidad de desplazamiento. Esto permitiría que la nave entre en modo casi estacionario para el trabajo en cubierta y luego reanude las velocidades de vuelo normales.

También deberá hacer que la torre de control pueda caer en la plataforma para el modo de velocidad de vuelo. Algo más interesante para los lanzamientos a toda velocidad podría ser dejar caer los aviones más como bombas, permitiendo que los aviones aceleren a la velocidad de vuelo después de que hayan sido lanzados. Esto también permitiría un despliegue mucho más rápido de un escuadrón.

Así que quieres escribir que una tripulación astuta en extrema necesidad hizo que su barco volara. Creo que es factible en 3 pasos.

1. Cortan la cubierta superior del casco, la refuerzan para que pueda soportar el peso y montan todo el equipo que necesitarían en vuelo sobre la cubierta o debajo de ella. El barco moderno se puede pelar literalmente como un huevo, ya que el casco no es la parte integral.
2. Cosen muchos globos de no sé qué material. Proporcionan calefacción a los globos.
3. Atan globos a la cubierta y consiguen algo así como una gran balsa voladora.
4. Tienen suerte de tener vientos apropiados.

Ahora, a los problemas.

• En los grandes barcos modernos, todos los accesorios en la parte superior no están conectados al escritorio, sino a la estructura interna. Tendrán que volver a soldarlo todo al escritorio.
• Energía. No solo electricidad, el barco cuenta con una red de tuberías, suministrando vapor a presión para todos los sistemas.
• Un disparo del arma principal literalmente hace que un acorazado se sacuda y se mueva en el agua de lado. En caso de volar, se mecerá violentamente.

Después de todo, creo que es factible, pero construir varios zepelines pequeños con partes de barcos sería más fácil y efectivo.

PD: ¿Cómo es que su planeta tiene una gravedad más ligera pero una atmósfera más espesa? Pensé que estas cosas están conectadas. Sin embargo, esto significa que los lugareños inventarán volar en globo casi tan pronto como navegar, lo que significa que pueden terminar con barcos elaborados. ¡Literalmente pueden saltar desde acantilados con sombrillas!

Hice un cálculo divertido que quiero compartir. Tomemos como ejemplo un barco llamado "Oasis of the Seas" . Su tonelaje bruto es de 225.282. Podemos estimar su volumen de carga como GT/0.32 = 700 000 m3 = 700 000 000 litros. Un litro de helio en la Tierra puede levantar 1 gramo de peso además de sí mismo. En su condición + calefacción digamos que es de 4 gramos. 2800 000 000 gramos hacen 2 800 toneladas de peso levantado .
Esta cantidad de elevación obtendrá la tripulación, si llenan el volumen de carga con globos calientes. Desafortunadamente, "Oasis of the seas" pesa 100.000 toneladas. Pero la tripulación se divertirá. Cambiar a hidrógeno duplicará el poder de elevación, pero eliminará la diversión.