¿Por qué no volamos al espacio con helicópteros? ¿Cuáles son los límites prácticos de altitud?

La gente dirá que no hay aire, y por eso no podemos. Pero si leo en internet, hay aire en el espacio, mucho menos, pero aún algo.

Por ejemplo:

  • 100 kilómetros: 6   ⋅ 10 − 7 veces más aire que en la superficie;
  • 1000 kilometros: 2.5   ⋅ 10 − 14 veces más aire que en la superficie;
  • incluso en 36000 km hay algo ( 1.5   ⋅ 10 − 18 veces más aire que en la superficie o 30000 átomos por 1 decímetro cúbico).

Hablando de manera práctica: la NASA ya construyó un prototipo del helicóptero que volará en Marte, donde la atmósfera es la misma que a 30 km de altura en la Tierra.

si tomo algún software para calcular el empuje de la hélice como este Propeller Selector y calculo este ejemplo práctico muy particular. Si tomo esta hélice que cuesta 50 euros y este motor que cuesta 9 euros, entonces puedo volar hasta 30 km con solo 381 vatios de potencia a 8140 rpm. Vuela, quiero decir que producirá 1 kg de empuje, que es suficiente para sostener 29 gramos de motor, 349 gramos de hélice y digamos 500 gramos para la fuente de energía (incluso podemos usar un panel solar para ello). Los cálculos se muestran en la siguiente imagen:

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y la misma configuración volará (producirá el mismo empuje de 1 kg) en la superficie con solo 47 vatios de potencia y solo 1000 rpm.

Si sigo adelante, puedo calcular que para volar 100 km necesitaré una hélice de 25 metros (1000 pulgadas) de diámetro y apenas unos 800 vatios de potencia con una velocidad de rotación de 500 rpm.

ingrese la descripción de la imagen aquí

En general, solo necesitamos una hélice lo suficientemente grande y, debido a la presión de aire muy baja, no necesitaremos mucha potencia para que gire rápidamente. Además, podemos hacer una hélice muy delgada, porque no debería ser muy fuerte, debido también a la baja presión. Otro punto, que podemos usar diferentes hélices para diferentes altitudes, como muchos cohetes de etapas.

En última instancia, si fabricamos una hélice del tamaño de unos pocos kilómetros, teóricamente incluso podemos volar a Marte y otros planetas. Todavía hay 30000 átomos por 1 decímetro cúbico en el espacio.

ACTUALIZACIÓN 1:

Gracias a todos por los comentarios tan valiosos. Haré cálculos exactos con la hélice, el motor y el panel solar reales para ver qué tan alto podemos llegar.

Según tengo entendido, los principales problemas son el peso de la hélice + la fuente de alimentación y la resistencia del material de la hélice.

ACTUALIZACIÓN 2:

Cálculo real de helicóptero con paneles solares :)

Si tomo esta hélice real que es de 6,5 kg y 70 pulgadas de diámetro, este motor real con una potencia de 1600 W y estos paneles solares de fila con el peso con el peso de 4,5 kg para 1350 vatios (o 1 kg da 300 vatios) y agrego 50% de masa del panel solar al montaje de los mismos.

Mi cálculo con el mismo programa ( Propeller Selector ) muestra que puede volar hasta 5 km teniendo en cuenta la masa de la hélice, la masa del motor, la masa de los paneles solares, la masa del montaje del panel solar, la potencia máxima del motor, las rpm máximas de la hélice , RPM máximas del motor.

Si los paneles solares fueran 10 veces más ligeros, se podrían alcanzar los 20 km.

Hasta ahora, solo veo 2 problemas:

  1. El peso del panel solar. Si podemos hacerlo 10 veces más ligero, entonces podemos alcanzar una altitud mucho mayor.

  2. Este programa puede dar resultados erróneos para altitudes superiores a 5-10 km.

Otros problemas de los comentarios:

  • La velocidad del rotor es mayor que la velocidad de la órbita. El cálculo muestra que no es necesario y la línea Karman depende del peso del avión. Por lo tanto, si fabricamos aeronaves/aviones muy livianos a partir de material inexistente/"inventado en el futuro" (epoxi de carbono, etc.), entonces la línea de Karman será superior a 100 km.
  • Onda de choque cuando las partes de la hélice se mueven más rápido que el sonido. Un comentario fue que no es un gran problema si la densidad del aire es muy pequeña. Entonces podemos comenzar con baja velocidad en el suelo y alcanzar una hélice de alta velocidad cuando alcancemos una mayor altitud.
  • La fuerza del material. En mi última foto con hélice de 25 m (1000 pulgadas), si calculo la aceleración y la fuerza g será de 3500 g, eso sí, 10 veces más que los helicópteros normales (helicóptero Mi-26 con hélice de 32 m y 132 rpm). Pero, considerando que el pistón dentro del motor V8 de Fórmula 1 funciona con 8500 g, entonces es factible). Tal vez no lo hagan para helicópteros reales por la velocidad del sonido, pero como dije antes, no importa en altitudes elevadas.
@OrganicMarble Es muy probable que este programa no funcione bien a más de 10 km. Pero de todos modos, calculé a partir de la ley genérica de conservación del momento y da resultados similares, solo necesitamos una hélice grande e incluso 30000 átomos por 1 decímetro cúbico pueden ser aproximadamente.
Pregunta 2: ¿Las hélices funcionan fuera del régimen de flujo continuo? Específicamente, en el régimen de flujo molecular libre? Busque lo que es un número de Knudsen.
La línea Karman sería un techo duro: las puntas de las palas tendrían que viajar a una velocidad comparable a la velocidad orbital para generar cualquier sustentación.
@OrganicMarble Me imagino que su hélice comenzará a parecerse a la entrada de una bomba turbomolecular a estas presiones; una cuña simple para impartir velocidad hacia abajo
Las baterías de iones de litio tienen potencias específicas que superan los 340 W/kg según Wikipedia. 500 g de batería no son suficientes, y mucho menos 500 g de panel solar. Peor aún, 30 km * 1 kgf es aproximadamente 300 kJ; Aparentemente, las energías específicas de iones de litio rondan los 400-900 kJ/kg, por lo que está en el límite de la capacidad de energía allí, suponiendo una eficiencia perfecta (que no obtendrá).
No es lo que imaginas, pero hay un precedente para los helicópteros espaciales. en.wikipedia.org/wiki/Rotary_Rocket
Incluso si su carga útil es de solo 1 g, necesitará mucho más de 1 kg de empuje para llevar su combustible a la órbita.
"0.0000006 veces menos aire" es algo así como una doble negación. Significa que hay más aire porque el número es menor que uno.
El récord de altitud del helicóptero es de 12 km, un largo camino desde el espacio. en.wikipedia.org/wiki/Flight_altitude_record
En realidad, la sustentación del rotor de un helicóptero es casi idéntica a la sustentación del ala de un avión.
@Hobbes, por supuesto, eso se debe en parte a que los helicópteros generalmente no están diseñados para vuelos a gran altitud (si tiene una razón para ir tan alto, generalmente quiere un avión). Se podría diseñar un helicóptero para vuelos a mayor altitud; la principal limitación es obtener suficiente potencia del motor a grandes altitudes y mantener las puntas del rotor subsónicas.
"La NASA ya construyó un prototipo del helicóptero que volará en Marte, donde la atmósfera es la misma que a 30 km de altura en la Tierra". - Tienes que tener en cuenta el hecho de que la gravedad de Marte no es lo mismo que la gravedad de la Tierra.
and because of very low air pressure, we will not need a lot of power to make it rotating fastEstás vendiendo la baja presión como un punto positivo, pero es negativo. La falta de presión de aire también significa la falta de "empuje" al girar las palas. Para crear la misma cantidad de fuerza hacia arriba con una presión de aire más baja, debe hacer girar las aspas más rápido .
El punto de ir al espacio es tener una caída libre (prácticamente interminable) . Incluso si fuera posible levantar algo de carga con un helicóptero (o, de manera más realista, un globo; el récord de altitud para globos no tripulados parece ser de 53,0 km), no le daría muchos de los beneficios que tenemos de los vuelos espaciales, ¿verdad? No podría reemplazar la funcionalidad de la mayoría de los satélites. Y si pones un laboratorio espacial allí, no sería "ingrávido", por lo que habría poca investigación útil para hacer que no podrías haber hecho en la superficie.
Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .
@JeppeStigNielsen: Para ser justos, ser capaz de lanzar un cohete desde esa altitud contrarresta muchos problemas relacionados con la aerodinámica y el delta V necesarios. Desde el borde de la atmósfera, podría lanzar prácticamente cualquier forma de vehículo con una etapa de empuje considerablemente más pequeña.
@Zlelik Su segundo cálculo, que aún es muy preliminar, ha reducido drásticamente la altitud que puede alcanzar. Quiere que sus materiales sean diez veces más ligeros que los normales. Reducir el peso indicado de los paneles solares en un 90 % elimina 4 kilogramos del helicóptero. Por lo tanto, sus cargas útiles para esta versión del helicóptero, CON los futuros materiales, solo pueden pesar kilogramos y tendrán estrictos requisitos de potencia, antes de que llegue a altitudes en las que el aire no lo detenga.
Un helicóptero en el espacio es solo un ladrillo muy peligroso.
A pesar de todos los demás problemas, ¿alguien ha mencionado ya la disipación de calor? Es posible que le resulte difícil mantener sus rotores funcionando si sus componentes eléctricos se derriten cuando opera en un entorno casi vacío.
Mi mente voló cuando vi esa cifra de 100 km. un rotor de 25 metros con paso de 7 metros, girando a 500 rpm. Produjo un empuje de 1,24 kg. Para que esto funcione, debe construir su helicóptero con una fuente de energía y ESE ENORME ROTOR, con un presupuesto de masa de algo menos de 1,24 kilogramos. ¡Incluso un aerogel de ese tamaño pesaría más! Recuerde que su rotor está a una velocidad supersónica (mach 2.5). Recuerde que la punta de su rotor experimentará 3550 gravedades de fuerza centrífuga.

Respuestas (7)

Un rotor de 25 m de diámetro tiene un perímetro de alrededor de 78 metros. Con ese tamaño, a 500 rpm, las puntas del rotor superarían las 1400 mph.

A ese tipo de velocidades, a pesar de que no se necesita mucha potencia para hacer funcionar un rotor muy ligero, todavía hay una gran cantidad de fuerza involucrada que los materiales deben manejar para evitar que literalmente se rompan.

Sin mencionar que eso es Mach 2, y las ondas de choque harán cosas desagradables en su ascensor.
Esto daría una aceleración radial en la punta de unos ~34000 metro s − 2 (~ 3500 g): mejor espero que su helicóptero espacial no se salte el día del rotor.
Es normal para los helicópteros. Mira este "Bell UH-1 Iroquois" en Wikipedia. 392 rpm y hélice de 14 metros de diámetro. y funciona bien, no pasa nada. El Mil Mi-26 soviético tiene una hélice de 32 metros y 132 rpm. No estoy seguro acerca de la onda de choque en altitudes elevadas como 100 km. ¿Existirá?
@Hobbes Sería Mach 2 a nivel del suelo, pero no olvide que la velocidad del sonido cambia con la densidad del aire y la temperatura. A una altura de 100 km, la velocidad del sonido sería mucho mayor que la velocidad orbital. 100 km no es solo un "este es un número espacial" aleatorio: la línea Kármán es el límite donde ya no se puede mantener la altitud utilizando la sustentación, incluso con perfiles aerodinámicos perfectos; la velocidad requerida para que la sustentación cancele el peso es igual a la velocidad orbital a esa altitud.
@Luaan el límite práctico es, por supuesto, mucho más bajo.
@Zlelik No, las palas de los helicópteros no pueden exceder la velocidad del sonido; incluso ignorando el daño masivo que causaría, haría que perdieran toda sustentación, perdiendo el control de la nave (no olvide que mientras una pala es supersónica, la opuesta la hoja no lo es). No todo tiene una relación lineal, ya sabes, debes comprender cómo se escalan las cosas. Ni 14 m @ 392 RPM ni 32 m @ 132 RPM le dan una buena idea de cómo se comportaría 25 m @ 500 RPM.
@Luaan: la velocidad del sonido es un poco menor a 100 km que a nivel del suelo (270 m/s a 100 km, 330 m/s a nivel del suelo), consulte grc.nasa.gov/www/k-12/airplane /sonido.html
@Zlelik ¿Es normal que las palas de los helicópteros vayan más del doble de rápido que las palas de los helicópteros más rápidos del mundo? Realmente no estoy siguiendo tu lógica aquí.
@Hobbes Eso no llega a 100 km (y no tengo idea de cuán preciso se supone que es incluso a la altitud máxima que admiten), pero probablemente tenga razón en que la velocidad del sonido es menor que (o al menos similar a) nivel del suelo, ciertamente no similar a la velocidad orbital. Culpa mía. Lástima que ya no puedo editar esa parte del comentario :D
@Moyli 2 veces más rápido no es gran cosa, creo. Si fuera 10 o 100 veces más rápido, estaría de acuerdo en que no es posible, pero 2 veces es factible. También 25 metros y 500 rpm es solo un ejemplo. Creo que se pueden hacer otros cálculos con una hélice más grande, pero a menor velocidad. Necesito ver si el empuje depende del tamaño de la hélice y las rpm linealmente o no.
@Zlelik 2 veces más rápido es un gran problema en este contexto. Tan pronto como sus palas comienzan a alcanzar la velocidad del sonido, todo en su comportamiento cambia drásticamente , y cada uno de esos cambios causará graves problemas a cualquier aeronave que quiera permanecer en el aire.
@Zlelik Puedes hacer los cálculos tú mismo. 392 rpm / 60 segundos son aproximadamente 6,5 rotaciones por segundo. La punta de una hélice recorre el perímetro del círculo que barre en cada rotación. El perímetro es diameter * pide unos 44 metros. Entonces, la punta recorre 44 m 6,5 veces por segundo o 286 m/s. La velocidad del sonido al nivel del mar es de 340 m/s . En el techo de servicio del UH-1, 6000 m, son 320 m/s .
¡ Los músculos humanos solos son suficientes para vencer la gravedad! ¡Si solo construye una serie de pasos, puede SALTAR su camino a altitudes orbitales! ¡Este diseño es simple, claro y tan obvio que me sorprende que nadie lo haya probado! PUEDES SER EL PRIMERO!!!

A 100 km de altitud, se llega a la línea Karman . Esta es la altitud a la que debe volar a velocidad orbital para obtener suficiente elevación. Esta definición se basa en la ecuación de sustentación, que se aplica a todas las superficies aerodinámicas, incluida la del rotor de un helicóptero.

Entonces, en un helicóptero a 100 km de altitud, sus palas tienen que viajar a velocidad orbital (27 000 km/h o 17 000 mph) para generar suficiente sustentación.

Debido a que las aspas giran, el interior de la aspa se desplaza a menor velocidad y el exterior se desplaza a mayor velocidad. Tomando el promedio, el punto medio de sus palas tendría que girar a 27 000 km/h.

Si quieres ponerte en órbita en lugar de seguir gastando energía en el aire, tienes que volar a 27.000 km/h. Cuando haces eso, la pala que avanza se mueve a 54.000 km/h en relación con el aire. La hoja que retrocede se mueve a 0 km/h en relación con el aire. Los efectos de calentamiento por sí solos serían suficientes para derretir tus cuchillas en poco tiempo.*

No me gustaría lidiar con la aerodinámica de palas que van de 0 a 54.000 km/h dos veces por rotación, ni con las fuerzas centrífugas en el sistema del rotor.

*: en el lanzamiento de un cohete, el carenado suele desecharse a una altitud de ~100 km, cuando el efecto de calentamiento cae por debajo de 1 kW/m 2 . El cohete está muy por debajo de la velocidad orbital en ese punto (¿5000 km/h?). El calentamiento aerodinámico aumenta con el cuadrado de la velocidad, por lo que el rotor de un helicóptero estaría sujeto a 100 veces más.

Enfoque alternativo

Acercándose desde un ángulo diferente: a 100 km, la presión atmosférica es de 10 -7 bar. Por lo tanto, las palas de su rotor deben tener 10 7 veces el área para obtener la cantidad de sustentación que necesita para flotar. Su hélice tiene un área de 32"x1" (aproximadamente), a 100 km que va a 32 millones de pulgadas cuadradas = 222 000 pies cuadrados es 20 000 m 2 es una hélice más larga que un Boeing 747. No hay forma de hacer una estructura tan grande dentro de su presupuesto de peso. Podría aumentar la sustentación aumentando la velocidad, pero luego volverá a las hélices supersónicas.

Primeros principios

La sustentación de un perfil aerodinámico (cualquier perfil aerodinámico, incluido el rotor de un helicóptero) se rige por esta ecuación:

L = 1 2 ρ v 2 S C L

L es la fuerza de sustentación
ρ es la densidad del aire
v es la velocidad de la aeronave en relación con el aire
S es el área del ala de la aeronave,
C L es el coeficiente de sustentación.

Cuando pasa del nivel del suelo a 100 km, ρ se reduce de 10 5 Pa a 0,01 Pa (datos de modelos atmosféricos discutidos aquí ). Eso significa que la sustentación también se reduce por un factor de 10 7 . Tienes que compensar eso aumentando la velocidad por un factor de 10 3.5 o aumentando el área de tus alas por un factor de 10 7 , o una combinación de ambos.

Ambos inevitablemente aumentan el peso, lo que significa que necesitas más sustentación. Este es un círculo vicioso, y en altitudes muy por debajo de los 100 km, se llega a una situación en la que ningún material existente es lo suficientemente liviano para que su helicóptero funcione.

No estoy seguro de si es justo considerar los efectos de calentamiento de la resistencia del aire. La presión es muy baja allí arriba y creo que la resistencia real será igual a la que suelen resistir las cuchillas. Así como la carga aerodinámica será la misma.
¿Por qué uno tendría que tener una velocidad de avance de 25000 mph? Un helicóptero puede tener sustentación sin velocidad de avance (y si tiene esa velocidad, ya está en órbita).
El único punto de volar a esa altura es entrar en órbita, porque entonces puedes permanecer ahí arriba sin usar más combustible.
@Hobbes ver este comentario
Esta respuesta es realmente confusa. En la línea Karman, las palas deben moverse a velocidad orbital y el helicóptero puede flotar en su lugar. No van de 0 a 50k mph, las cuchillas giran a una velocidad uniforme. Cualquier cosa en órbita a esa altura sufriría el mismo efecto de calentamiento; Estoy bastante seguro de que es insignificante.
Flotar cuesta mucha energía. Si quieres pasar más de unos minutos a esa altitud, es más barato entrar en órbita. Y para prácticamente cualquier función que desee, la calidad de los datos mejora con más tiempo dedicado allí.
@PaŭloEbermann Lo que dijo Hobbes. También tenga en cuenta que los helicópteros son extremadamente malos para sobrevolar . Todavía confían en el movimiento hacia adelante para producir sustentación a un costo razonable: si no puede mantener la sustentación mientras tiene un movimiento hacia adelante comparable a la velocidad de la hoja, ni siquiera se acerca a mantener la sustentación mientras flota.
Sin descuidar los efectos de calentamiento, pero la potencia requerida para hacer girar un rotor tan rápido también es impactante a simple vista. Cada pala del rotor realiza un cambio de plano orbital de 360 ​​grados con cada revolución del rotor (ya que está a velocidad orbital).
"Esta es la altitud a la que tienes que volar a velocidad orbital para obtener suficiente sustentación". - Esto no es correcto. En la línea de Karman tienes que volar a velocidad orbital para generar sustentación lo suficientemente fuerte como para contrarrestar la gravedad. Esta es una sustentación significativamente más que suficiente; podemos ver esto ya que cuando nos estamos moviendo a la velocidad orbital, la sustentación suficiente sería 0N.

El espacio es realmente así (XKCD ¿Qué pasa si)

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En teoría, un avión podría alcanzar la mayor parte del camino al espacio, pero no podrá alcanzar velocidades orbitales.

En pocas palabras, simplemente no es práctico. Tal vez algún día un helicóptero pueda levantar un cohete a gran altura, lo que ayudaría un poco, pero realmente no es práctico. Además, un globo podría ser mejor en cualquier caso, puede ir más alto y levantar más carga útil.

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .
Esto pierde el punto de usar un helicóptero. Si puede proporcionar suficiente empuje hacia arriba, no necesita velocidad orbital. No es que crea que cualquier hélice proporcionaría dicho empuje en el espacio. Lo mismo ocurre con un avión, si todavía tiene sustentación , entonces no necesita alcanzar la órbita.
@Octopus Necesita velocidad orbital para estar en órbita , y no entrar en órbita no tiene sentido, ya que cualquier cosa útil que pueda hacer se hace en órbita.
Sería más barato usar solo un globo en cualquier caso. Aparte de la precisión, no creo que haya nada que un helicóptero pueda hacer que un globo no pueda hacer.
@Octopus 100 km es lo más alto, incluso teóricamente, a lo que podría llegar a través de una nave espacial impulsada por aire puro (Definición de la línea Karman). Eso es demasiado bajo para la mayoría de los propósitos.
@Polygnome. No es verdad. Los vehículos de Virgin Galactic salieron al espacio sin entrar en órbita. No necesitaban velocidad orbital. Si hubieran podido proporcionar empuje para contrarrestar su peso, estarían en el espacio sin velocidad orbital. Este es exactamente el concepto al que el OP está tratando de llegar. La velocidad orbital solo hace una cosa, te permite permanecer en el espacio sin ejercer energía. Todas las cosas podrían ser geoestacionarias a cualquier altitud si tuvieran suficiente empuje. ¡Eso sería muy útil!
@Octopus, el hecho de que una cosa imaginaria sería útil si fuera real no lo hace real.
@Octopus No, sería un desperdicio increíble expulsar energía constantemente ... perdería extremadamente rápidamente cualquier ventaja que crea que esta cosa imaginaria podría tener. Claro, si tuviéramos un ZPM que nos diera un poder infinito, esto podría ser útil, pero, de nuevo, si tenemos esa tecnología, entonces no necesitamos considerar cosas tan pequeñas. Creo que mi punto sigue en pie, es solo un ejercicio mental sin sentido sin ninguna aplicación real .
@Octopus, el rotor de un helicóptero sigue siendo un ala. Y cuando la física dice "X velocidad necesaria para generar sustentación", incluyen rotores de helicópteros, y probablemente los destrocen por el tecnicismo al acelerar: habrá un momento incómodo cuando la parte exterior de una pala de rotor genere sustentación, la parte interna es demasiado lento todavía...
@Polygnome es mejor que le diga a todas las personas que lanzan cohetes de sondeo suborbitales para la ciencia atmosférica y espacial ( con mucho, la mayoría de todos los lanzamientos de cohetes en la Tierra) que su trabajo no tiene sentido entonces.
@uhoh No lo son, pero estábamos hablando de reemplazar los lanzamientos orbitales, al menos en parte, con esta técnica, que simplemente no volará. o dígame al menos un área concreta donde esto sería útil (en términos de ahorro de dinero). Ciertamente, no colgará un satélite de televisión geoestacionario de una hélice, por ejemplo, la cobertura es demasiado pequeña y el peso demasiado grande.
@uhoh, no estaba hablando del OP, sino de lo que siguió a esta respuesta
Esta respuesta probablemente necesite una explicación de por qué necesita alcanzar la órbita y por qué no puede seguir subiendo para dejar la gravedad de la tierra (o por qué "no entrar en órbita no tiene sentido", o cuál es el problema de tratar de hacerlo con un helicóptero específicamente).

La hélice debe ser lo suficientemente fuerte como para no separarse por la fuerza centrífuga. Si realiza las matemáticas, encontrará que la tensión máxima en la pala de la hélice estará en la mitad de su longitud y tendrá el valor

σ = 1 4 ρ L ω 2 ,
dónde ω es la velocidad angular de la hoja (normalmente medida en radianes/segundo) y ρ es la densidad del material (generalmente medida en kilogramos por metro cúbico). Al reorganizar esto, encontramos que la resistencia específica del material de la hélice debe ser
σ ρ = L ω 2 4 .

Para una hoja de 12,5 metros de longitud que gira a 500 rpm, esto resulta ser

σ ρ ≈ 34  kN ⋅ metro / k gramo ,
que todavía está dentro del ámbito de los materiales conocidos. Sin embargo, a medida que suba, deberá aumentar el tamaño de las aspas, su velocidad de rotación o (probablemente ambos); y finalmente llegarás al punto en el que tendrás que construir las palas de tu helicóptero con unobtanium.

En Joe's House of Unobtanium, estamos SOBRECARGADOS con rotores espaciales. A precios bajos bajos bajos. ¡¡Eso es de Joe!!
+1¡Bien por una respuesta basada en ciencias y matemáticas!

OrganicMarble mencionó esto en un comentario, pero creo que también merece una respuesta, ya que la pregunta no se detiene en la línea de Karman (aproximadamente 100 km si realmente la define como la altura donde la velocidad requerida para generar sustentación excede la velocidad orbital).

En términos más simples: el hecho de que haya algunos átomos de gas presentes a cierta altura no significa que esté actuando como lo hace un gas al nivel del mar.

Parte de la razón por la que un ala (y no se equivoquen, el rotor de un helicóptero es absolutamente un ala para estos propósitos) funciona porque el aire se llena a su alrededor. El aire se precipita detrás de él porque las moléculas de aire vuelan y rebotan entre sí y llenan el espacio, por lo que puedes seguir empujando el aire hacia abajo, lo que a su vez empuja hacia arriba tu ala y todo lo que está unido a ella.

¡Esto es aerodinámicamente importante! El ala no tiene que golpear literalmente una molécula de aire para involucrarse con esa molécula, porque las moléculas están involucradas entre sí. ¡El ala o el disco del rotor pueden usar una gran cantidad de aire a su alrededor!

A medida que aumenta la altura y la presión ambiental cae (porque la gravedad arrastra el aire hacia abajo, y solo hay tanto aire alrededor para que el otro aire se pare esencialmente sobre él) ese efecto de llenado de espacio realmente ya no ocurre. Las moléculas de aire están rebotando mucho menos (su camino libre medio es más largo) y, por lo tanto, una vez que las quitas del camino, no queda nada sobre lo que empujar. Esencialmente solo interactúas con el aire que golpeas.

Todo lo que es decir esta premisa

En última instancia, si fabricamos una hélice del tamaño de unos pocos kilómetros, teóricamente incluso podemos volar a Marte y otros planetas. Todavía hay 30000 átomos por 1 decímetro cúbico en el espacio.

Está Mal. Una vez que no puede llenar el aire para que la hélice agarre, es esencialmente igual de probable que sus 30,000 átomos reboten en la parte superior que en la parte inferior. Esto no importa para algo como una bomba de vacío, porque si la molécula rebota en la parte superior eventualmente debería tener otra oportunidad de volver a la bomba al rebotar en las paredes de la cámara de vacío. Cuando estás en un espacio abierto, significa que la fuerza neta que tu hélice puede crear es cero.

Si eres un experimentador, esto es trivialmente cierto con solo observar que el transbordador espacial tenía alas gigantes e ignoró por completo la sustentación que generó mientras estaba en la órbita terrestre baja. La Estación Espacial Internacional también tiene alas gigantes (¡los paneles solares!) y en su mayoría piensa en ellas en términos de resistencia. ¡Piense en cuántos decímetros cúbicos ha cruzado la ISS en sus décadas en órbita! (La generación de sustentación para ambos es en realidad más favorable para ambos que para su helicóptero, ya que se mueven hacia los lados a velocidades increíbles, por lo que encuentran regiones donde aún no han golpeado todas las moléculas de aire disponibles).

¡Buena explicación!

No volamos al espacio con helicópteros porque no podemos. Lo haríamos si pudiéramos, créanme.

Aparte de todas las preocupaciones muy válidas planteadas por otros, la pregunta no tiene en cuenta correctamente el peso*. Tal vez su hélice de 32 pulgadas de diámetro pese 349 gramos, pero la de 10 m ciertamente no. ¡Oh, no! ¡Ahora 1 kg de empuje no lo levantará en absoluto! ¡Así que necesitas más potencia! ¡Así que necesitas más combustible/energía! Así que necesitas más empuje...

Los paneles solares no resolverán su problema. Suenan muy bien cuando no se necesita mucha potencia, pero su potencia específica (vatios por kilogramo) no se sostiene en comparación con algo como una turbina a reacción o un motor de cohete. Las baterías tampoco tienen energías específicas (julios por kilogramo) comparables a los combustibles de hidrocarburos todavía.

El récord mundial actual de altitud de helicópteros es un poco menos de 41,000 pies. En última instancia, los helicópteros simplemente no pueden poner suficiente potencia en el aire para continuar elevándose. Con el tiempo, todos alcanzaron una relación empuje-peso de 1, a pesar de que un helicóptero de turbina tiene mucha más potencia disponible que el helicóptero que está proponiendo.

¿Por qué funciona el helicóptero propuesto para Marte y el suyo no? Porque no va muy lejos. Los requisitos de potencia favorecen a un helicóptero pequeño, ya que el peso cae mucho más rápido que el empuje a medida que se reduce, pero los tiempos de vuelo de los que se habla son de unos 90 segundos (¡muy parecidos a los drones terrestres!) Así que no podría hacerlo desde una altitud equivalente al nivel del mar en la Tierra a la altitud equivalente propuesta de Marte; se quedaría sin energía antes de llegar allí.

(* Veo en los comentarios sobre otras respuestas que ha dicho que es "solo una cuestión de peso de la hélice y los paneles solares". Lo es, pero no puede hacerlos arbitrariamente livianos. No hay una ley de escala que incluso sugiera que lo harán volverse dramáticamente más ligero en las próximas dos décadas).

Gracias, una buena respuesta. Haré cálculos exactos con hélice de 32 pulgadas y paneles solares para ver qué tan alto puede llegar :)
El Marscopter tampoco necesita tanto empuje para levantar una masa dada a través de una densidad dada de aire, ya que Marte tiene una gravedad mucho menor que la Tierra.
Eso es cierto, pero también han realizado vuelos de demostración de la atmósfera de Marte en la Tierra, sin ataduras, por lo que no depende de la diferencia de gravedad. youtu.be/oOMQOqKRWjU

¡La hélice todavía pesaría mucho!

  • No desea que se doble 90 grados en la dirección del vuelo o que se doble en la dirección opuesta de la rotación, lo que requiere cierta rigidez que no es barata en términos de peso. no puede ser muy delgado.

  • También asumiría que en la base debe ser tan grueso (o similar) como su base de hélice de 81 cm al nivel del mar para soportar el peso de su avión. Supongamos una caída lineal en el espesor de las puntas. Incluso sin cálculo puedo decirte que será muy pesado.

Entonces se trata solo del peso de la hélice. Podemos usar muchas hélices, como una gruesa para la base, más tarde, a los 20 km, la eliminamos y comenzamos a usar una segunda, más delgada y más grande, etc. O tal vez en 10-20 años inventen algo lo suficientemente fuerte como para hacer un gran hélice. Esta hélice de 81 cm pesa solo 350 gramos. Muy ligero. Además, podemos traer solo partes al espacio, como construyeron la Estación Espacial Internacional, y ensamblar una hélice de 5 km allí y comenzar a volar desde allí a Marte.
@Zlelik: También necesitaría propulsor para hacer funcionar el motor, y también necesita levantarlo. Para levantar eso, necesitará una hélice más grande... la tiranía de la ecuación del cohete . Además, cada vez que piense "Encontré una manera simple de resolver un problema en el que innumerables expertos han trabajado durante décadas" , debe detenerse y pensar dónde está teniendo problemas de conocimiento vitales.
@DarkDust Es por eso que pregunté aquí, cuando encontré "una forma simple de resolver el problema". Sobre el combustible. Usemos un panel solar, entonces la energía solar es de 1000 Watt por 1m2. El panel solar tiene un 20% de eficiencia y tenemos 200 Watts de electricidad de 1m2. Luego, si hacemos un panel solar lo suficientemente ligero y una hélice lo suficientemente ligera, podemos subir y permanecer en la misma altitud (por ejemplo, 100 km) en cualquier momento. Tal vez sea solo una cuestión de peso de la hélice y los paneles solares y solo tenemos que esperar de 10 a 20 años, cuando sea lo suficientemente ligero.
@Zlelik, el panel solar más liviano que pude encontrar mientras miraba paneles portátiles llegó a alrededor de 22 gramos por vatio. Conecte eso a su motor propuesto de 29 gramos y hélice de 349 gramos, y está viendo 996 gramos de paneles solares para proporcionar los 47 vatios que dice que se requieren, algo más de los 500 gramos que puede levantar al nivel del mar. "Si lo hacemos con unobtanium, funcionará" suena bien, hasta que intentas encontrar algo de unobtanium.
Déjelos flexionar: la fuerza hacia afuera supera la sustentación que generan. Solo necesitas mantener el ángulo de ataque.
@Mark hará cálculos exactos con los paneles solares. Gracias por un buen ejemplo.
¿Por qué no volamos al espacio con helicópteros? ¿Cuáles son los límites prácticos de altitud?
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