¿Se puede tener un motor Hybrid Turboprop-Jet?

Para comenzar, escribo esto para obtener información sobre los vehículos en una historia, por lo que busco más posibilidades teóricas, a menos que haya ejemplos del mundo real.

Los antecedentes y mi comprensión actual: los turbohélices tienen un gran empuje de extremo bajo y son más eficientes para VTOL y vuelos a baja velocidad con la desventaja del vuelo a baja altitud. Los motores a reacción, incluso yendo tan lejos como los Scramjets, son para vuelos más rápidos y de mayor altitud.

El objetivo es crear una nave de descenso típica de ciencia ficción que pueda aterrizar en superficies no preparadas y volar al espacio donde otro propulsor a bordo propulsará la nave en el espacio (a menos que haya un motor híbrido realmente diverso que pueda hacer ese trabajo).

Entonces, los puntos clave son la parte del aterrizaje y la gran altitud. Sé que es posible tomar algo como el V-22 Osprey y cambiar los turbopropulsores (Proprotors) por otro motor de mayor empuje, pero con la desventaja de que quemarás y destruirás cualquier superficie no preparada en la que aterrices.

La pregunta simple: ¿es posible tener un motor turbohélice que esencialmente cambie a otra forma de motor a reacción para vuelos más rápidos y de mayor altitud?

Esta es probablemente una pregunta mucho más teórica de lo que este sitio en particular está acostumbrado, por lo que soy bueno con cualquier información útil.

Gracias

¿Quieres ciencia ficción dura (todo es físicamente posible con las leyes de la física tal como las conocemos)? ¿Es VTOL un requisito difícil o es bueno tenerlo? ¿ Cuánto vuelo realmente horizontal necesitas hacer? ¿Es simplemente descender del espacio a un sitio y luego volver directamente al espacio, o quieres despegar, volar y aterrizar varias veces? Además, si no obtiene respuestas aquí, Worldbuilding.SE puede ser un buen recurso para preguntas sobre historias.
Ya que es ciencia ficción, haz que las hélices del V-22 se plieguen hacia adelante (alejándose del motor), luego retíralas hacia el centro del carrete para sacarlas del camino para "otros" métodos de propulsión.
Una idea que tuve fue plegar las hélices hacia atrás, luego me pregunté si la mecánica interna del Turbohélice podría "cambiarse" para convertirse en un motor a reacción en pleno vuelo.
@DanielK algo difícil, o al menos teóricamente posible con el uso de materiales futuros. La nave de descenso se usaría para muchos vuelos suborbitales (atmosféricos) con la capacidad de convertirse esencialmente en un avión espacial para regresar a su respetada estación espacial / nave estelar naval. Por lo tanto, todavía tendrían que ser aerodinámicamente sólidos. Así que nada como la nave de descenso en The Expanse. Una buena comparación sería como Pelican en Halo.
Una pregunta clave a responder es cuánto oxígeno y presión hay en el aire que se supone que debe volar el motor. ¿Estás asumiendo la atmósfera de la Tierra? Y el segundo punto es ¿cuál es la velocidad inicial (la velocidad de la nave nodriza)?
@mins sí, asumo la atmósfera terrestre. En cuanto a la nave nodriza, al menos a velocidad orbital. Así que allá arriba entre 8 y 10 km/s+.
¿Está suponiendo que puede repostar en tierra entre vuelos suborbitales? ¿O el 100% del combustible que necesita para todos los vuelos tendrá que ser transportado cuando baje inicialmente?
¿Has oído hablar del Cohete Rotatorio? Es un híbrido loco de un helicóptero y un cohete que la gente hizo un esfuerzo bastante serio en la construcción. Explicación y algunas imágenes de vuelos de prueba tripulados: youtube.com/watch?v=OIuGfXp-Ok8

Respuestas (3)

TLDR: Casi imposible con la tecnología actual según entiendo la pregunta.

Creo que te estás enfocando en la parte equivocada del problema. Turboprop vs turbofan es cambio de bolsillo en comparación con la cantidad de combustible de cohete requerida para llegar a la órbita. Pongámosle algunos números.

Asumo la siguiente misión 1) Salir de órbita terrestre baja, 2) aterrizar (potencialmente asistido por paracaídas), 3) un rango de 10,000 km para un vuelo muy largo o varios vuelos cortos, utilizando despegue vertical 4) regresar a orbita. Suponiendo además que todo el combustible para toda la misión está a bordo en el paso 1.

Vamos a empezar por el final y trabajar hacia atrás.

Primero necesitamos saber la masa del vehículo. Supongo que, basado en el "buque de descenso típico de ciencia ficción", el peso real del vehículo podría ser similar al de un caza F-35. Tomemos el peso vacío de 13,290 kg (también similar al águila pescadora v-22 que mencionaste). Algunas películas de ciencia ficción representan un "barco de descenso" con una tripulación de docenas, por lo que en realidad podría estar en el extremo inferior, pero comencemos aquí. ¿Cuánto combustible para cohetes necesitamos para volver a poner en órbita ese tipo de vehículo?

Asumiendo que el delta-v requerido es de alrededor de 11 200 m/s , asumiendo un impulso deportivo específico de 470 s (el mejor cohete absoluto que se enumera en esta tabla) , y utilizando la ecuación del cohete , se obtiene el combustible requerido como 150 000 kg. A modo de comparación, eso es aproximadamente el peso operativo vacío de un Boeing 777. Ahora, eso suponiendo que comience desde el suelo y use el cohete todo el camino. Por supuesto, si usa los motores a reacción para arrancar y despegar durante el vuelo, necesitará un poco menos de combustible, pero no es tanto como podría pensar. Elon Musk cree que solo se trata de un 5% de ahorro . Mantengamos la cifra de 150.000 kg.

Ahora, necesitamos hacer volar algo con el peso de un B777 un poco. Para el B777, una carga de combustible de 100.000 kg es suficiente para obtener una autonomía de alrededor de 10.000 km .

Así que ahora nuestro vehículo más combustible es de 250.000 kg. Para hacer un despegue vertical, necesitaría un enorme empuje de 2,5 MN, que en términos de motores a reacción es de alrededor de cinco GE9x con un empuje máximo de despegue (que, por cierto, son de unos 10 000 kg cada uno, por lo que ahora nuestro vehículo está muy por encima de lo que inicialmente supusimos). peso, ¡lo que significa que necesitamos aún más combustible!)

Eso ya es un vehículo tremendo. Y ni siquiera hemos hablado de cómo hacer que esta cosa sobreviva al reingreso sin quemarse. Necesitarías un escudo térmico masivo, que solo agregaría aún más peso. Yo llamaría a esto imposible con la tecnología actual.

Entonces, para modificarlo para que funcione, debe hacer uno o más de los siguientes

  • Reduzca masivamente la masa final. es decir, hacer que el objeto final se parezca más a una diminuta cápsula de comando Apolo que a una "típica nave de lanzamiento de ciencia ficción".
  • Repostar en tierra antes de cada vuelo y antes de volver a la órbita.
  • Renunciar a VTOL
  • reducir el rango de vuelo
  • renunciar a la ciencia ficción dura e inventar un motor de cohete mágico con un impulso específico tremendamente mejor que la tecnología actual.
Impresionante respuesta, gracias por eso. Supuse que sería prácticamente imposible. Y por el bien de la historia, he contemplado algo así como un Sky Hook desde la nave en órbita. Eso parece un poco lento para la configuración futura. Para dar un poco más de perspectiva, ya que creo que resolvió la imposibilidad: el escenario es de unos 600 años en el futuro, donde el viaje interplanetario es de unos pocos días solo con unidades de antorcha similares a la unidad Expanses Epstein. La idea con la que estoy jugando es llevar la nave a una altitud lo suficientemente alta como para encender los propulsores de fusión y llegar al espacio de esa manera.
Bueno, si va a seguir la ruta de los "propulsores de fusión" y las "unidades de Epstein", no creo que me preocupe demasiado si un turboventilador es un poco menos eficiente que un turbohélice a bajas velocidades. Eso es como decir que tienes un Ferrari que puede ir a 150 mph, pero solo si primero lo remolcas a la carretera con algunos caballos de tiro, y te preguntas qué tipo de caballo sería el más eficiente para remolcar. Simplemente diga que tiene algo así como un motor a reacción, pero consume energía de su "reactor de fusión" en lugar de combustible para aviones.
o para decirlo de otra manera, la razón por la que nos preocupamos por la diferencia de eficiencia entre un turbopropulsor y un turborreactor es porque el combustible para aviones es caro y pesado. La energía específica del combustible para aviones es de unos 40 MJ/kg. La energía específica de la fusión del hidrógeno es de 640 000 000 MJ/kg, es decir, alrededor de 16 millones de veces más energía por kg que el combustible para aviones. Podría volar un B777 de Nueva York a Tokio con aproximadamente 6 gramos de hidrógeno si tiene fusión disponible. Entonces, una vez que tenga fusión, turbohélice vs turborreactor pregunta si necesita 6 gramos de hidrógeno u 8 gramos. No es un gran trato.
Eso es justo. Supongo que mi pregunta era más un aspecto mecánico sobre si un motor que funciona con una hélice también podría hacer funcionar un motor a reacción y comprimir el aire y usarlo como propulsor en el vuelo atmosférico. La siguiente fase que necesito averiguar es a qué altura podría usarse un motor de fusión sin efectos desastrosos.
Supongo que no estoy seguro de lo que quieres decir con motor de fusión. Si tiene un reactor de fusión, úselo para generar electricidad y luego use esa electricidad para hacer girar un motor eléctrico conectado a un gran ventilador o hélice. Un cuadricóptero alimentado por fusión funcionaría bien al nivel del mar hasta donde el aire se vuelve bastante delgado.
He leído que la mejor manera de usar un reactor de fusión para un motor es usar el calor en lugar de la electricidad. Pero cuando digo propulsor de fusión, al que me refiero es básicamente una pastilla de combustible de fusión (deuterio-helio 3 en este caso) que se dispara por la parte posterior del propulsor donde una serie de láseres de confinamiento inercial encienden la pastilla y el propulsor/nave es propulsado por esta explosión. Una versión más avanzada y micro del proyecto Orion. El beneficio de este sistema es que mantiene todo el calor fuera del recipiente, lo cual es importante ya que estamos hablando de millones de grados.

Cualquier disposición de VTOL generará una gran cantidad de explosión en la superficie de aterrizaje, por lo que una solución práctica y lista para usar sería el turborreactor híbrido Pratt & Whitney J58/ram jet para que despegue del suelo y lo lleve al espacio cercano a alrededor de Mach 3, antes cambiando a cohetes.

Aunque es posible montar una hélice en este tipo de motor y plegarla, la resistencia y las turbulencias (en el aire de admisión) pueden hacer que no sea práctico. Es mejor volar algunas cosas con el turborreactor (excelentes efectos especiales de película). El turbohélice también expulsará gases calientes, a una velocidad ligeramente menor.

Otro enfoque puede ser una versión VTOL del avión de tierra al espacio británico Skylon . Tal vez en su libro realmente llegue a producción.

Pero para aterrizajes verticales, puede funcionar mejor complementar los turborreactores con cohetes . Luego terminas con algo más parecido a lo que está trabajando Elon Musk con jets y un poco más de alas.

Aunque estos "híbridos" son un concepto popular de ciencia ficción, en realidad solo una pequeña parte del vuelo orbital está más allá de la atmósfera. Una vez pasado el punto de elevación o consumo de oxígeno para el empuje, los chorros, las alas y las hélices se convierten en un peso muerto.

El F-35 Lightning tiene un enfoque de VTOL que es similar al que está solicitando. Hay una hélice (estrictamente hablando, un ventilador con conductos) que apunta directamente hacia arriba en el medio del fuselaje y tiene puertas que se abren por encima y por debajo. Está propulsado por el motor a reacción y se utiliza durante el despegue y aterrizaje vertical.

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