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Klingt jetzt nicht so...

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  1. Re: Klingt jetzt nicht so...

    Autor: Ach 02.06.20 - 18:22

    Naja. Die Schallgeschwindigkeit fällt im schlimmsten Fall um 10%. Da würden sich im Vergleich zu aktuellen Elektrofliegern immer noch ein großer Bereich möglicher Geschwindigkeitsgewinne auftun(, und fängt die Temperatur ab 15km nicht wieder an zu steigen?).

    Derzeit bleiben Elektroflieger den Reiseflughöhen von Jets fern, womit ihnen die Effizienzvorteile dieser Höhen verloren gehen. Nur warum sollte man es dabei belassen, gerade bei der so effizienzkritischen Antriebsart? Mit dem wachsenden Interessen am Elektroflug werden solche Fragen wohl unweigerlich untersucht werden. Einfache Propeller werden dann wohl kaum noch ausreichen. Sicher müssen die mindestens Ummantelt sein oder man wechselt gleich auf richtige Düsenkonstruktionen, was aber ebensowenig einen Grund zum sein lassen darstellt.

    Ich würde sogar sagen, dass man die Zukunft der E-Fliegerei erst beschreiben kann, nachdem man überprüft hat in wie weit man mit den Eigenschaften der Stratopause zurecht kommt und sich diese in wie fern zu nutze machen kann.

  2. Re: Klingt jetzt nicht so...

    Autor: emdotjay 02.06.20 - 22:33

    Ach schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Naja. Die Schallgeschwindigkeit fällt im schlimmsten Fall um 10%. Da würden
    > sich im Vergleich zu aktuellen Elektrofliegern immer noch ein großer
    > Bereich möglicher Geschwindigkeitsgewinne auftun(, und fängt die Temperatur
    > ab 15km nicht wieder an zu steigen?).

    bis ca. 10km Höhe fällt die Temperatur ca. um 6,5°C pro 1000m, danach ist sie mehr oder weniger konstant und steigt ab ca. 25km höhe wieder (aber je nachdem wo auf der erde man sich befindet variieren die angaben deutlich). Hab jetzt nachgerechnet in der Tropopause ist die Machzahl wirklich um nur ca. 12% niedriger als am Boden.

    > Derzeit bleiben Elektroflieger den Reiseflughöhen von Jets fern, womit
    > ihnen die Effizienzvorteile dieser Höhen verloren gehen. Nur warum sollte
    > man es dabei belassen, gerade bei der so effizienzkritischen Antriebsart?
    > Mit dem wachsenden Interessen am Elektroflug werden solche Fragen wohl
    > unweigerlich untersucht werden. Einfache Propeller werden dann wohl kaum
    > noch ausreichen. Sicher müssen die mindestens Ummantelt sein oder man
    > wechselt gleich auf richtige Düsenkonstruktionen, was aber ebensowenig
    > einen Grund zum sein lassen darstellt.

    Propeller sind am effizientesten im Bereich von Ma 0.3 - 0.5(0.6) wobei die die höhere Machzahl nur mit Turbo-Prop zu erreichen sind. Die benötigte Leistung steigt kubisch mit der Geschwindidigkeit. Je höher man fliegen will umso leichter muss man sein, siehe Fokus über das U-2 Spionageflugzeug der USA. Da wurde sogar das Fahrwerk teilweise eingespart, weil sie sonst nicht die Höhe erreicht hätten.
    >
    > Ich würde sogar sagen, dass man die Zukunft der E-Fliegerei erst
    > beschreiben kann, nachdem man überprüft hat in wie weit man mit den
    > Eigenschaften der Stratopause zurecht kommt und sich diese in wie fern zu
    > nutze machen kann.

    Ja die Stratopause ist schon ein anderes Kaliber, ich mein 50km Flughöhe hat kein Flugzeug mit Luftatmenden Triebwerk jemals geschafft. Der Rekord liegt bei 27km SR-71 oder MIG25 bei 37km (im Parabel Flug)
    Dort oben ist die Luft so dünn das die Luftdichte nichtmal ausreicht um den nötigen Schub zu erzeugen. Immerhin sind dem Leichtbau auch Grenzen gesetzt.

    Ich denke dann immer Daran das wir gluck haben auf so einem kleinen Planeten zu leben. wäre er paar Mal schwerer und auch größer hätten wir vl. Pech nie eine Rakete in die Erd-Umlauf bahn schicken zu können.

    Wäre die Erde kleiner so wäre auch die Luftdichte niedriger(kleinere erdbeschelunigung -> höhere Reichweite) (geringe Luftdichte -> höhere Motorleistung notwendig)

    Es hat alles seine vor und Nachteile.

  3. Re: Klingt jetzt nicht so...

    Autor: Ach 04.06.20 - 12:25

    emdotjay schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------

    Wieder sehr klar und verständlich beschrieben, mit anschaulichen Beispielen und Details, thx. Da versteht man die Problematik auf Anhieb, die sich da ab Höhen von etwa 15 km zunehmend einstellt, und sry. für die späte Antwort. Momentan ist hier einfach eine Menge los.

    Angesichts dieser Zahlen finde ich es schon Beeindruckend, wie leichtfüßig Baloons in der Stratosphäre umher turnen :] (auch wenn schon klar ist, dass die schlichtweg leichter sind als ihre Umgebung). Aber gut, dann wissen wir ja worum es ungefähr geht. Elektrische Flugzeuge können in großen Höhen nicht nur, sie müssen sogar viel schneller fliegen. Helfen könnten ihnen möglichst große Spannweiten, jedenfalls wäre das logisch weil ; mehr Spannweite => mehr Auftrieb => geringer Geschwindigkeit.

    > Propeller sind am effizientesten im Bereich von Ma 0.3 - 0.5(0.6) wobei die die höhere
    > Machzahl nur mit Turbo-Prop zu erreichen sind.

    Ein ummantelter Antrieb hätte halt den zusätzlichen Vorteil, dass die Luft den Luftschaufel nicht länger über den Radius des Rotors entfliehen kann, man also mehr Luft die erzeugte Beschleunigung aufzwingen kann, weshalb ich befürchte, dass ein elektrisches Turbo-Prop Äquivalent ein bisschen nicht ganz ausreichen könnte.

    Noch nen Wort zu ALICE. der Flieger wirkt zwar aerodynamisch wirklich sehr ausoptimiert, berut aber trotz allem auf dem klassischen Flugzeugdesign. Wie ein Nurflügler oder z.B. die in Modellen erprobten Rumpf-Nurflügler-Hybride von Airbus und Boing mit elektrischen Antrieben harmonieren, müsste man ebenso erproben.

    Dabei heraus käme ein filigran aufgebauter Semi Nurflügler mit riesigen aber ebenso filigranen Mantelpropellern. Das Flügelflächen/Gewichtsverhältnis würde das Flugzeug in niedrigen Höhen recht langsam dahin schweben lassen, während es in Höhen von 15km und mehr, für die es optimiert ist, auf seine Reisegschwindikeit von bis zu 850 km/h beschleunigte. Kann natürlich sein, dass das alles ganz anders aussehen muss, weil man sich in der Aerodynamik sehr gerne von seiner Intuition übers Ohr hauen lässt, aber davon mal abgesehen klingt das doch schon ganz nett? :].

    > Ich denke dann immer Daran das wir gluck haben auf so einem kleinen Planeten zu
    > leben. wäre er paar Mal schwerer und auch größer hätten wir vl. Pech nie eine Rakete
    > in die Erd-Umlauf bahn schicken zu können.

    Wirst du nicht glauben, aber gerade noch vor zwei Tagen durchstriff mich der Gedanke, wie eigenartig das aus unserer Perspektive wirkte, auf einem Felsenplaneten höherer Masse, mit zwei aufrecht stehenden Kreaturen, wenn sich diese Bewohner wie wir Säuger in zwei Geschlechter aufteilten, und sich mit ihrer gedrungenen Körperform und ihren dicken, kurzen Beinen irre anziehend fände. Wobei es aus der Form Follows Function Logik wieder Ok wäre, und wenn man sich da als Mensch auf diesem Planeten mit seinem Hilfsgestell und seiner letzten Kraft aufrecht hielte, dann wüsste man schon im selben Moment, warum solche kurzen Beine in der Dynamik des Planeten sogar mehr als OK und tatsächlich ganz schön attraktiv wären.

    Ein etwas entfernterer Gedanke betrifft BH-Hersteller. Die, sobald Menschen derartige Planeten besiedelten, das Geschäft ihre Lebens machen würden, und das über eine unbestimmt Anzahl von Generation, solange eben bis sich unsere Körper an die harsche Gravitation angepasst hätten, bzw. man erfolgreich genetisch nachjustieren konnte.

    > Wäre die Erde kleiner so wäre auch die Luftdichte niedriger(kleinere Erdbeschleunigung
    > -> höhere Reichweite) (geringe Luftdichte -> höhere Motorleistung notwendig)

    Naja, du kennst die Atmosphärendichte Titans? 1,2x Erdatmosphäre, in Kombination mit 1/7 der Erdanziehung. Ein Raumfahrer könnte auf Titan schon in einem leichten Überdruckanzug überleben und relativ leicht bewegen. Würde er sich Flügel umschnallen, könnt er sich durch die Atmosphäre bewegen wie ein Vogel auf der Erde.

    Auch die Erde hatte einmal eine viel dichtere und dazu sauerstoffreichere Atmosphäre. Heute würden z.B. die großen Flugsaurier nicht mehr aufsteigen können und die riesenhaften Insekten von damals würden ersticken.

  4. Re: Klingt jetzt nicht so...

    Autor: emdotjay 05.06.20 - 16:22

    Persönlich halte ich das Blendend-Wing-Body Konzept von Boeing für das "beste" Konzept. Das ganze Flugzeug erzeugt Auftrieb.
    Es gibt einen interessanten Kennwert:
    A / A_wet [Dieser beschreibt die umspülte Fläche eines Flugzeuges und setzt es in Bezug auf die Auftriebsgenerierenden Flächen.]

    Der kleinste Wert den der Kennwert annehmen kann ist 2, nach oben gibt es keine Grenzen. Flugzeuge haben üblicher weise einen Wert von 3 oder mehr. Je kleiner dieser Wert ist umso geringer ist der parasitäre Luftwiderstand, also der Anteil der unabhängig vom Auftrieb ist.

    Angenommen ich baue ein Flugzeug, das hat seine beste Reichweite bei 180km/h, 0m Flughöhe. Genügend Antriebsleistung ist vorhanden, und es ist ein BEA, ein Battery Electric Airplane.

    Wie hoch müsste die Geschwindigkeit sein damit das Flugzeug seine beste Reichweite bei 10km Flughöhe hat?

    1) Auftriebskraft ist Constant. Daraus folgt das der Staudruck ebenfalls konstant sein muss.
    rho0 * u0^2/2 = rho1 *u1^2/2 ---> u1 = u0 * sqrt(rho0/rho1).

    Also je geringer die Dichte umso schneller muss es fliegen. (die Skalierung ist zum Glück gewurzelt)
    u1 = 180/3,6 * sqrt ( 1,247/0,44) = 50 * 1,68
    Das Flugzeug muss also ca. 68% Schneller fliegen.
    (! Wichtig: Auch die Stallgeschwindigkeit liegt 68% höher !)

    Die Machzahl steigt dann ebenfalls aber um mehr als 68%.. hier der Nachweis

    Ma0 = v0/c0 = 50 / 343 = 0,145
    Ma1 = v1/c1 = 84 / 283 = 0,297

    Ma1/Ma0 = 2,047
    (! Wichtig: Das Verhältnis der Machzahlen stieg also auf das doppelte an!)
    In dem Beispiel ist es nicht kritisch da bei 10km Höhe eine Machzahl von ca. 0.3 erreicht wurde.
    Aber man sieht am Verhältnis das schnell die eine kritische Grenze erreicht werden kann, abh. vom Profil meistens bei Ma von 0,8.

    Was bedeutet das für die Antriebsleistung. Wie wir wissen ist der Auftriebsbeiwert konstant also auch der Widerstandsbeiwert konstant. Daraus folgt das:

    P1/P0 = (v1/v0)^3 ----> P1 = P0 * (1,68)^3 = P0 * 4,75
    Die Antriebsleistung muss fast das 5 fache betragen als auf Flughöhe.

    Man sieht deutlich das die Antriebsleistung der limitierten Faktor ist (und das bei 10km Flughöhe), bei 20km oder mehr kannst du dir das selber ausrechnen, du brauchst nur die Temperatur und die Luftdichte bei der Höhe, damit die Rechnung stimmt sollte die Machzahl dann < 0,8 sein.

    PS: Die gaze Rechnung war nur für den Flugzustand gerechnet das man die höchste Reichweite hat.
    Da wurde kein Aufstieg, Abstieg, Taxiing etc. berücksichtigt. Sondern nur wie sind die Flugdaten am Boden wie in 10km Flughöhe.

  5. Re: Klingt jetzt nicht so...

    Autor: Ach 05.06.20 - 17:41

    Hallo emdotjay

    Vorweg : Ich finde die Rechnungen hoch interessant und würde die alle sehr gerne (im CAD Formel Editor) nachvollziehen, was ich aber derzeit aus zeitlichen Gründen leider nicht kann. Dafür bitte nicht böse sein(Um die Rechnung ein anderes mal nachzuholen werd ich mir allerdings den Thread verlinken)!

    Deine Ergebnisse würden also bedeuten, dass die Motoren in 10km Höhe bei 1,68facher V die 5fache Energie ziehen, das Flugzeug also 5/1,68 => knapp 3x soviel Energie pro Strekeneinheit verbraucht?

    Das hört sich schon wirklich etwas eigenartig an. Ich dachte, dass Flugzeuge in dieser Höhe effizienter fliegen. Könntest du zum Vergleich mal ermitteln, wie sich die Leistung ändern würde, wenn das Flugzeug in 0m Höhe mit 302,2km/h (180x1,68) unterwegs wäre?

  6. Re: Klingt jetzt nicht so...

    Autor: Ach 06.06.20 - 08:59

    Wenn ich den Luftwiderstand quadratisch hochrechne, der Binsenweisheit folgend, dass der Luftwiderstand quadratisch mit der Geschwindigkeit zunimmt, dann ergibt sich aus y=x^2 mit dem 1,68fachen als der Endgeschwindigkeit y=1,68^2 => y=2,8224, und das stellt eine geringerer Energiezunahme dar als die von dir errechnete Energiezunahme beim fliegen mit der gleichen Geschwindigkeit in 10km Höhe. Die von dir ermittelte Verfünffachung der Motorleistung könnte ich mir gut als Zunahme der Rotoren Drehzahl vorstellen, aber kaum als tatsächlichen Leistungszunahme.

  7. Re: Klingt jetzt nicht so...

    Autor: emdotjay 06.06.20 - 14:16

    Ach schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Hallo emdotjay
    >
    > Vorweg : Ich finde die Rechnungen hoch interessant und würde die alle sehr
    > gerne (im CAD Formel Editor) nachvollziehen, was ich aber derzeit aus
    > zeitlichen Gründen leider nicht kann. Dafür bitte nicht böse sein(Um die
    > Rechnung ein anderes mal nachzuholen werd ich mir allerdings den Thread
    > verlinken)!
    >
    > Deine Ergebnisse würden also bedeuten, dass die Motoren in 10km Höhe bei
    > 1,68facher V die 5fache Energie ziehen, das Flugzeug also 5/1,68 => knapp
    > 3x soviel Energie pro Strekeneinheit verbraucht?
    >
    > Das hört sich schon wirklich etwas eigenartig an. Ich dachte, dass
    > Flugzeuge in dieser Höhe effizienter fliegen. Könntest du zum Vergleich mal
    > ermitteln, wie sich die Leistung ändern würde, wenn das Flugzeug in 0m Höhe
    > mit 302,2km/h (180x1,68) unterwegs wäre?

    Ich will mich zuerst einmal entschuldigen, hab heute paar Formeln nochmal hergeleitet und bin auf einen Fehler drauf gekommen!

    Die Leistung P1 = P0 * sqrt(rho0/rho1) !!!! Das ergibt dann ebenfalls eine Erhöhung um 68% bei 10km Flughöhe.

    Die Erklärung dazu ist, das man für die größte Reichweite bei konstantem CL/CD fliegt, das ist äquivalent zu Luft/Drag, da der Lift konstant ist muss der Drag ebenfalls konstant sein. Also ist die Leistung "nur" Drag * velocity. Also in dem Fall "nur" 68% höher.

    Um die Energie zu ermitteln muss man die Leistung über die (Flug)-Zeit integrieren.
    oder man rechnet die benötigte Energie mit Luftwiderstand * Weg (Reichweite aus)
    E = P * t = P * s / v = D * v * s / v = D * s.

    Somit bleibt die Energie gleich, weil da die dichte geringer wird mit steigender höhe muss das Flugzeug schneller fliegen, aber die dichte wirk auf den Luftwiderstand und Auftrieb gleicher massen...

    Nochmal Entschuldigung, ich hatte das letze Mal im Kopf die Formeln umgeformt und falsch vereinfacht. Ich hatte gleiche Geschwindigkeiten vergleichen statt gleichen Auftrieb. Bei gleichen Geschwindigkeiten ändert sich für verschiedene Höhen natürlich das CL/CD und damit fliegt man nicht im gleichen Betriebspunkt.

  8. Re: Klingt jetzt nicht so...

    Autor: Ach 07.06.20 - 12:27

    Ich bin dir bis jetzt einfach nur sehr dankbar für deine mathematische Aufschlüsselung und für deine klaren Erklärungen der Problematik. Wenn man so ein Gemenge ganz und gar ungewohnter Zusammenhänge und Parameter mal einfach so frech weg miteinander kombiniert, dann gehören da Fehler einfach dazu. Genau genommen besteht am Anfang alles aus einem einzigen, alles überspannenden Fehler und das was man Entwicklung nennt definiert sich darin, jenen Fehler immer weiter zu entschlüsseln und schrittweise mit klarer Logik und Mathematik zu ersetzen :].

    Und tatsächlich läuft das ja so allmählich auf eine richtig coole Sache hinaus. Da kann man die Geschichte mit der Steigerung von Flughöhe und Geschwindigkeit via der Vergrößerung der Trag- und Rotorfläche und der Erhöhung der Schubleistung einfach so weiter treiben, bis man sich schließlich der Schallgeschwindigkeit als ultimative Grenze nähert, wobei man mit jeder Steigerung die Reichweite erhöht. Das wäre doch fantastisch, und ich denke dass es genau dieser Zusammenhang ist, der Musk in seiner Utopie leitet.

    Natürlich müsste man den Energieaufwand zum Erklimmen jener Flughöhen mit einkalkulieren. Nichtsdestotrotz bin jetzt schon gespannt, wie sich dieser derzeit noch unerwartete physikalische Effekt bemerkbar machen wird, und zwar dann, wenn die Entwicklung antriebsorientierter Flugzeugdesigns wie ALICE und die stetige Erhöhung der Energiedichte von Batterien eines nicht mehr allzufernen Tages alle dazu nötigen Grundlagen mitbringen werden.

  9. Re: Klingt jetzt nicht so...

    Autor: emdotjay 08.06.20 - 14:49

    Wenn du magst kann ich dir ein Skriptum von der TU Dresden zukommen lassen.

    Mit den Gleichungen von dort bin ich ausgekommen.

    Wie gesagt, beim Leichtbau sind wir von den Materialien am Limit, heutzutage wird mehr auf Verbundwerkstoffe gesetzt, aber das Langzeitverhalten weiß man noch nicht.

    Der Antrieb auch wenn man es schafft Hochtemperatur Supraleiter zuentwicklen, so würde die e-Motoren um eine vielfach höhere Leistungsdichte abgeben können ohne thermisch durchzugehen.
    Bei den Akkus sehe ich derzeit schwarz, ein Faktor 10 in der Energiedichte wäre wünschenswert.

    Bezüglich Energieverbrauch beim Fliegen. Die beste Reichweite hat man nunmal wenn CL/CD am höchsten ist. Und das bedeutet man ist nun mal langsamer unterwegs.

    PS: Ein Verkehrsflugzeug (z. B. Airbus A340) bringt es auf eine Gleitzahl von etwa 16 bei einer Geschwindigkeit von circa 390 km/h. Also 400km/h bei max Reichweite..
    Um die Geschwindigkeit zu erhöhen muss die Tragfläche kleiner werden allerdings wird die Stall-Geschw. dadurch höher... Kurz gesagt aerodynamisch sind wir schon am limit.

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