¿Hay un límite a la altitud posible para los jets eléctricos?

Así que estaba pensando en la idea del jet eléctrico supersónico de Elon Musk. Suponiendo que tengamos baterías suficientemente densas en energía, ¿dónde estarían los límites en términos de velocidad y altitud?

Su lógica parece ser: la propulsión eléctrica (¿ventilador?) No necesita oxígeno -> puede ir más alto -> menos fricción -> necesita menos potencia y empuje para mantener la velocidad del aire en comparación con el jet tradicional

Pregunta: ¿hay algún tipo de límite de altitud y TAS? Quiero decir, supongamos que el Concorde se actualizaría con baterías y ventiladores eléctricos. En lugar de mach 2 navegando a 18300 metros, suponga que subiría a 30 km, o incluso a 40 km. La densidad del aire a 18,3 km es de 0,115 kg/m^3, a 30 km es de 0,018 kg/m^3 ya 40 km es de 0,0039 kg/m^3.

Entonces 0.0039 / 0.115 = 3.4%. Lo que significa que la resistencia a 40 km sería solo del 3,4 % en comparación con 18,3 km. ¿Significaría eso que el requisito de potencia o empuje para mantener Mach 2 sería solo del 3,4%? ¿O la resistencia inducida se vuelve significativa en ese punto? ¿O tal vez incluso se detendría en mach 2 si volara a 40 km de altura?

Quiero decir, de alguna manera debe haber límites, de lo contrario, ¿podríamos volar más y más alto y volar con 0 empuje y aún mantener mach 2 (sin hablar de vuelos espaciales aquí)?

Bueno, también necesitas sustentación, que también se reduce al aumentar la altitud.
Bueno, la sustentación depende de la presión dinámica en la misma medida que la resistencia, por lo que, en teoría, a casi cualquier altitud, a medida que aumenta la velocidad a la misma presión dinámica que produciría la resistencia que tiene el poder (empuje) para superar, tienen la misma cantidad de Lift, ¿no?
Otra consideración es que a medida que sube más alto y más rápido, la elevación requerida disminuye debido a la fuerza centrífuga. Obviamente, justo fuera de la atmósfera, a 200 millas de altura, la velocidad orbital es de aproximadamente 18,000 mph. Por lo tanto, las velocidades aerodinámicas en un porcentaje significativo de eso obtendrán los beneficios de alguna reducción en la sustentación requerida. (en un grado que depende de la velocidad y la dirección en la que viaje, con o en contra de la rotación hacia el este de la tierra)
Si elimina la limitación de la batería, la próxima limitación probablemente sea el peso. A alta velocidad y gran altitud, el motor probablemente sería un chorro con alta velocidad de escape, donde el chorro caliente (por ejemplo, turborreactor, estatorreactor y turboventilador de derivación baja) tiene una clara ventaja de peso sobre el chorro frío (por ejemplo, chorro eléctrico). En mi opinión, si desea que se implemente un viaje supersónico bajo en carbono con una cantidad razonable de tiempo y dinero, Hyperloop sería un poco más práctico o combustible de hidrógeno.
¿La limitación real no es la cantidad de empuje que puede generar un ventilador o una hélice? Lo cual va a depender de la densidad del medio: considere la diferencia de tamaño entre las hélices de un avión y un barco que generan el mismo empuje.

Respuestas (1)

Que la propulsión eléctrica no necesite oxígeno es de poca ayuda para volar alto. La composición de la atmósfera no cambia demasiado con la altitud, por lo que es la baja densidad atmosférica la que limita la altitud máxima. Tuvimos esta discusión antes y, de hecho, la propulsión solar-eléctrica ayudó a alcanzar altitudes récord: el AeroVironment Helios estableció un récord de 29.524 m que será difícil de romper.

La velocidad supersónica ayuda a volar alto, mientras que los diseños subsónicos corren hacia la esquina del ataúd , el vuelo supersónico ayuda a mantener una alta presión dinámica incluso en altitud . Sin embargo, los requisitos de energía para hacerlo requerirán una densidad de energía de las baterías varias magnitudes por encima de lo que es posible actualmente. Si solo quiere ir rápido, el límite actual con propulsión eléctrica y suposiciones ya bastante generosas está en algún lugar alrededor de Mach 2.

Volar más alto no reduce el requisito de empuje ya que se debe generar la misma sustentación. La mejor relación sustentación/resistencia se logra en vuelo subsónico . Volverse supersónico significa cruzar un pico de resistencia , pero más allá de eso, la máxima relación sustentación/resistencia está muy por debajo de la velocidad subsónica y vuelve a disminuir al aumentar el número de Mach .

El Sr. Musk está claramente fuera de su competencia cuando afirma que los aviones eléctricos supersónicos son viables, incluso con el progreso en la tecnología de baterías que se espera en las próximas décadas.

Lo busqué un poco y la información disponible parece muy vaga. La idea principal parece ser que es VTOL. Supongo que incluso cuando es supersónico, se eleva principalmente por empuje vectorial. Y que es más "potencialmente supersónico debido a la alta potencia del motor y la baja resistencia" que "realmente tiene el rango para que lo supersónico tenga sentido". Supongo que "supersónico" es principalmente porque suena genial. Parece bastante incidental al concepto principal de todos modos.
@VilleNiemi: Electric VTOL es aún más desafiante: el único concepto remotamente realista que conozco es de Volocopter, y hay bastantes por ahí.
Sí, pero todos los artículos eran específicos sobre VTOL. No creo que sea posible a menos que el rango previsto sea corto. Lo que haría irrelevante el rendimiento supersónico.
Supongo que lo que me cuesta entender es lo siguiente: digamos que en un Cessna 150 navego a 100 nudos IAS al nivel del mar (ISA). Entonces la TAS sería también de 100 nudos. Pero cuando subo y la IAS se mantiene a 100 nudos, la TAS aumenta cada vez más porque el aire es menos denso y el avión puede volar más rápido por el aire hasta encontrar la misma resistencia que en SL. Entonces el avión todavía "piensa" que está volando a 100 nudos aunque ya es más rápido. ¿Por qué no sería lo mismo para un avión supersónico como el Concorde? ¿Es diferente debido a algún tipo de efectos supersónicos?
@ user15864: En vuelo subsónico es, de hecho, como usted dice (aparte de los efectos relacionados con la densidad, como menos amortiguación y los efectos relacionados con la temperatura, como más fricción y más eficiencia del motor térmico), pero cuando se acerca a la velocidad del sonido un surge un nuevo tipo de arrastre que estropeará la imagen.
Vale la pena reconocer que muchas de las cosas que están haciendo SpaceX y Tesla también se decretaron como imposibles o muy improbables hace varias décadas. Eso no es garantía de que tendrá éxito en este esfuerzo, pero vale la pena señalarlo.
@enderland: McDonnel-Douglas demostró cohetes reutilizables hace un cuarto de siglo . Sin embargo, el acogedor duopolio de cohetes en los EE. UU. no vio la necesidad de avanzar a una versión orbital. Al contratar a los mejores ingenieros de ambos, SpaceX no tuvo ningún problema para construir realmente la cosa real. Con Tesla, Musk compró una empresa que se tomaba en serio hacer bien los vehículos eléctricos, con mucha capacidad de batería (lo que evitaba su competencia). En ambos, Musk mostró buen juicio de ingeniería. No lo hace con los aviones, sin embargo.
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