¿Qué tan eficientes en combustible son las aeronaves?

Unos 90 metros por kilogramo de carbón. Con una autonomía de 5.700 km.

O, unos 150 metros por kilogramo de propano. Con una autonomía de 9.900 km.

Una góndola de 50' es bastante grande. Es del tamaño de la góndola del Graf Zeppelin .

El uso de carbón como combustible no es del todo impráctico, pero crea problemas con el cambio de peso a medida que se quema el combustible. El Graf Zeppelin usó Blau Gas (casi tan denso como el aire normal) para alimentar sus motores y evitar este problema.

El Graf Zeppelin tenía una autonomía de 16.500 km y transportaba 65.000 kg de combustible. Entonces alcanzó alrededor de 0,25 km/kg. La mejor manera de convertir esto en energía de vapor sería averiguar la energía en 65.000 kg de gas Blau y equipararla con la misma masa de carbón.

Eficiencia energética

Desafortunadamente, no puedo encontrar los valores para el gas Blau, pero es bastante similar al propano, así que usaré el valor de 50,3 MJ/kg para el propano y 29 MJ/kg para el carbón.

De esto podemos ver que este Zeppelin hizo alrededor de 5 metros por megajulio. No es muy justo suponer la misma eficiencia de conversión para el carbón, pero si lo hiciéramos, el Zeppelin podría recorrer unos 9.500 km con 65.000 kg de carbón. Lo más probable es que solo el 60% del carbón se pueda convertir en energía para su uso en la propulsión, lo que da un alcance un poco más realista de 5.700 km a 0,087 km/kg. Hay muchas suposiciones apiladas aquí, por lo que podemos ser generosos y redondear eso a unos 90 metros por kilogramo de carbón.

El agua utilizada para la generación de vapor podría provenir del mismo depósito utilizado como lastre, por lo que no debería ser muy diferente. El vapor deberá recondensarse para conservarlo como lastre.

¿Por qué usar Carbón?

Como puede ver aquí, probablemente sería una idea mucho mejor simplemente usar el combustible original para algunas máquinas de vapor en lugar de carbón. Luego puede tomar la eficiencia original de cualquier aeronave que desee y reducirla aproximadamente a la mitad para convertirla en energía de vapor.

Depende de cómo lo vueles.

Si vuela una aeronave como un avión, terminará con eficiencias similares a las descritas por varias de las otras respuestas aquí. Sin embargo, hay dos factores que se pueden utilizar en un dirigible para aumentar drásticamente la distancia que se puede recorrer antes de necesitar repostar:

• Los dirigibles no necesitan gastar energía para mantenerse en el aire
• Los dirigibles pueden controlar su flotabilidad (hasta cierto punto).

Estos dos factores nos permiten hacer dos cosas: usar las corrientes de viento predominantes para movernos y deslizarnos bajo la gravedad.

Moverse usando las corrientes de viento

Si sus aeronaves están dispuestas a enrutarse en función de las corrientes de aire, pueden usarlas para flotar sin necesidad de consumir energía. Por ejemplo, los dirigibles que viajan entre EE. UU. y Europa pueden usar los vientos alisios cuando se dirigen a las Américas y los vientos predominantes del oeste cuando se dirigen a Europa.

Por supuesto, como puede ver en un mapa de los patrones de viento de la Tierra, estos vientos no apuntan directamente de este a oeste:

Esto significa que no tenemos un viaje gratis, pero aún podemos beneficiarnos del uso de los vientos, siempre que los vientos apunten a menos de un ángulo de 45 grados de su destino deseado. (En este ángulo, la cantidad de viaje que necesita hacer para mantenerse en el rumbo sería igual a la cantidad que el viento lo empujaría). El ahorro de combustible al seguir los vientos de esta manera depende del ángulo del viento. Si sus vientos apuntan lejos de su destino en un ángulo de 10 grados, por ejemplo, solo necesitará 1/8 del combustible que necesitaría con aire en calma.

Si desea que sus aeronaves realicen viajes de ida y vuelta, tendrá que volar de una banda aérea a otra, o desmontar su aeronave y enviarla en tren (o en barco) a su nuevo destino de despegue. Por supuesto, puedes evitar esto si sigues en la misma dirección. El mundo es redondo, así que eventualmente podrás volver a donde empezaste sin tener que luchar contra el viento.

Deslizándose bajo la gravedad

Si nuestras aeronaves tienen una forma tal que son capaces de generar una fuerza horizontal a partir de una fuerza vertical aplicada a la aeronave por el aire circundante, es decir, si tienen formas similares a las de un perfil aerodinámico, podrán generar un movimiento hacia adelante. basado en el deslizamiento. Una aeronave puede "deslizarse" cayendo hacia arriba o hacia abajo cambiando su densidad y luego convirtiendo ese movimiento de caída en un movimiento hacia adelante usando un ala. En muchos casos, el propio cuerpo de la aeronave puede formar el ala en lo que comúnmente se conoce como aeronave híbrida.

En el caso más simple, una aeronave amarrada se puede llenar con helio hasta el punto en que flota y luego se libera, momento en el cual flotará hacia arriba (mientras se desliza hacia adelante) hasta que tenga una flotabilidad neutra. Al llegar al vértice de su ascenso, la aeronave puede comenzar a liberar el exceso de gas para comenzar su descenso, deslizándose nuevamente hacia adelante en función de las fuerzas aerodinámicas. Bajo el mar, este mismo concepto se ha utilizado con éxito para crear planeadores submarinos.

Si bien este tipo de configuración solo permitiría un vuelo de distancia limitada (basado en la cantidad de helio que podría liberarse de manera segura sin estrellarse), no requeriría ningún tipo de combustible. Para vuelos más largos, las aeronaves podrían depender de un compresor de vapor para cambiar su volumen y, en consecuencia, su densidad. Esto, o el uso de térmicas para ganar sustentación, podría permitir que una aeronave amplíe significativamente sus tiempos de viaje, sin depender de los patrones de viento locales.

Además de los temas ya mencionados de viajar con o contra el viento, intentaré cubrir el tema de la autonomía basada en el carbón como combustible en comparación con el Zeppelin .

Supongo que la longitud deseada de la cabina de unos 50 pies requiere una aeronave de dimensiones comparables a uno de los primeros modelos de pasajeros posteriores a la Primera Guerra Mundial: el LZ 120 . El barco tiene una eslora de 121 m y una autonomía de 1.700 km funcionando con sus cuatro motores Maybach a máxima velocidad (unos 130 km/h). Tiene un peso en vacío de 13.646 kg y puede levantar hasta 9.593 kg. Omita por el momento que utiliza hidrógeno en lugar de helio, lo que sin embargo aumenta su capacidad de elevación.

Así, correr 1.700 km a 130 km/h supone unas 13 horas de viaje. Desafortunadamente no puedo encontrar ninguna referencia a la cantidad de combustible que lleva. De esta página, por lo tanto, tomo 250 kg/h de consumo de combustible para el LZ127 (un modelo más nuevo). Utilizando esto como una estimación muy aproximada, muestra una carga de combustible de 3250 kg, lo que suena bastante razonable y deja alrededor de 6000 kg de capacidad de elevación para pasajeros y carga.

El LZ120 funciona con gasolina, digamos con un calor de combustión de 20 000 BTU/lb. El carbón en cambio ofrece 8.000 (lignito) y 14.000 (antracita). Lo cual es desafortunado ya que ofrece menos energía por peso que la aeronave tiene que transportar. Supongamos también que los motores del LZ120 tienen una eficiencia del 30 % (mi estimación, podría ser incluso menor) mientras que el motor a vapor tendrá una eficiencia del 15 % (lo cual es bastante alto para un motor a vapor). Esto también duplica el peso del combustible.

Estos hechos por sí solos reducen el alcance de un dirigible propulsado por vapor alimentado con carbón al 35% de uno impulsado por gasolina. La autonomía resultante sería de unos 600 km.

Sin embargo, una advertencia: estos cálculos simplificados no tienen en cuenta el peso adicional de los motores ni el agua adicional que será necesaria para operar una máquina de vapor. Esos podrían ser realmente un factor decisivo.

Yo diría que dependerá de las alas predominantes y de la ruta... ya que la aeronave simplemente "flota", el viento la mueve donde quiere (como un globo).

En altitudes altas, las corrientes de viento son bastante constantes (de hecho, los aviones comerciales pueden tener diferentes rutas de A a B que de B a A para beneficiarse de eso). Haz que el capitán y el "viejo lobo de aire" sepa cómo se comportan las corrientes de aire y dale tiempo para trazar la ruta más económica, se puede dejar flotando hasta que deba atracar por falta de comida, agua o combustible para calefacción.

Alternativamente, haga que deba llegar "lo antes posible" a una ciudad, y la ruta más corta es contra el viento, y consumirá más energía que un suburbano.