physikalische Limits von Propellerantrieben?

Hallo zusammen,

ich bin nicht allzu gut in Physik und würde mich freuen, wenn hier jemand versuchen würde mir auf verständliche Weise zu erklären, was den Propellerantrieb bei Flugzeugen physikalisch limitiert.

Ganz einfach formuliert vermute ich einfach mal, die Propeller stören die Aerodynamik so massiv, daß Geschwindigkeiten von Mach 1 einfach nicht drinn sind. Oder hat es etwas mit der Geschwindigkeit der Propellerspitzen zu tun?

Immerhin schafft die Tupolew Tu-114 mit ihren 4 Triebwerken und zusammen rund 60k PS wohl ca. 875 Km/h. Allerdings hat dieses Flugzeug wieder etwas was ich mir vom physikalischen her nicht erklären kann, nämlich wenn ich das richtig verstehe jeweils _zwei_ Propeller pro Triebwerk, welche anscheinend gegenläufig laufen. Was bewirkt dieses Konzept?

Gruß, Tom

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Tom M.
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Moin,

Tom M. schrub:

Mach 1 will in der zivilen Luftfahrt sowieso niemand fliegen, außer ein paar Träumern. Das hat zwei Gründe: Im Überschallbereich ändern sich die aerodynamischen Verhältnisse rund um das Flugzeug so, dass sich der Punkt an dem der Autfrieb wirkt, verlagert. Das Flugzeug wird bei Überschreiten der Schallgeschwindigkeit nasenlastig. Entweder gleicht man das mit aufwändiger Technik aus (Schwenkflügel oder sowas) oder formt das Flugzeug so, dass dieser Effekt nicht so stark ist (siehe die Form der Concorde, also extrem spitz). Mit zweiterer Lösung fängt man sich aber eine Menge überflüssigen Luftwiderstand ein.

So oder so bedeutet Überschallgeschwindigkeit eine Menge Spritverbrauch.

Dass der Propeller die Aerodynamik stört, würde ich nicht unbedingt so als entscheidendes Merkmal ansehen. Wenn dem so wäre, dass würden kleine Propellerflugzeuge ja nicht den Propeller ganz vorne anbauen sondern mit Druckpropeller hinten arbeiten. Das ist aber eher unüblich.

Ja. Das was ich oben über gesteigerten Luftwiderstand bei Überschall sagte, gilt auch für die Flügel des Propellers. Man wird die Blattspitzen sicher gerne am liebsten im Unterschall behalten.

Randbemerkung: Bei Überschallflugzeugen wird die Problematik der anderen Aerodynamik gelöst, indem man die Luft nicht senkrecht auf die Flügelvorderkante strömen lässt sondern unter einem Winkel. Daraus resultiert die spitze Form von Concorde und anderen. Bei Propellerflügeln kann man ähnliches machen, daraus entstehen dann Propellerblätter die Sichelform. Gibt's.

Wenn das Propellerflugzeug nun in den Bereich von Mach 1 kommt, dann haben die Blattspitzen schon fast Mach 1, fast ohne sich zu drehen. Wenn die Blattspitzen also unter Mach 1 bleiben sollen, dann muss/darf sich der Propeller mit zunehmender Geschwindigkeit immer langsamer drehen. Nicht schön, weil man ja mit zunehmender Geschwindigkeit mehr Leistung braucht und wenn man dann die Propeller immer langsamer drehen muss, wird's schwierig. Man braucht viele und oder sehr große Propeller. Große Propeller sind eine schöne Sache, aber das Flugzeug muss ja noch landen können, dabei darf der Propeller nicht auf den Boden schalgen.

Aber noch was ganz wichtiges, vielleicht das entscheidende: Wenn sich irgendwas mit Überschallgeschwindigkeit durch die Luft bewegt, erzeugt es einen Überschallknall. Das tun auch die Blattspitzen eines Propellers, nur knallen die nicht einmal sondern mit n Blättern n mal pro Umdrehung. Das ist für niemanden schön: Nicht für die Ingeniöre, die mit den daraus resultierenden Vibrationen fertig werden müssen, nicht für die Flugzeuginsassen und auch nicht für die Menschen, die in der Nähe eines Flughafens wohnen. Gerade letzteres ist derzeit das Haupt-K.O.-Kriterium gegen moderne schnelle Propellerflugzeuge: Diese dürften auf den meisten Flughäfen wegen Lärmschutzverordnungen nicht landen. Und wer kauft schon ein Flugzeug, mit dem er nirgendwo landen darf.

Ja, das ist auch ganz schön Grenzwertig.

Grundsätzlich bringt das, dass sich die Drehmomente ausgleichen. Und es spart etwas Sprit: Der Propeller drückt ja nicht nur Luft nach hinten, sondern versetzt sie auch in Rotation. In dieser Rotation steckt Energie, die von den Triebwerken aufgebracht wurde und die ungenutzt verpufft. Dass sie die Luft dreht, nutzt dem Flugzeug ja nichts. Wenn man hinter den ersten Propeller einen zweiten gegenläufigen baut, dann kann der diese Drehenergie die in der Luft steckt, teilweise recyclen. Im Idealfall bekommt man es hin, dass sich die Luft hinter dem Doppelpropeller nicht dreht. Bei Strahltriebwerken wird sowas übrigens mit fest stehenden Schaufelkränzen erreicht.

Klingt also erst mal so, als ob der Doppelpropeller eine tolle Sache ist. Aber: Immer wenn zwei Blätter aneinander vorbeilaufen, gibt es eine Druckwelle. Die Blätter laufen also nicht ruhig im Kreis sondern sind dauernden Druckstößen vom anderen Propeller ausgesetzt. Ergebnis: Vibration, Schall, Lärm,...

Es gibt auch Hubschrauber mit Doppelpropeller, aber die große Masse der Hubschrauber hat sowas nicht. Es scheint also keinen groß genügenden Vorteil zu haben, als dass man das immer so machen würde. Außerdem ist der technische Aufwand enorm. Man muss ja bedenken, dass ein moderner Propeller selbstverständlich eine Blattverstellung haben soll. Und wenn die dann auch noch für beide Propeller individuell sein soll, gibt das eine Menge komplizierte Mechanik. Und die ist anfällig, wartungsintensiv, ... teuer.

Ach ja, noch mal kurz zu Strahltriebwerken: Da knallen die Schaufeln auch mit Überschall, aber das macht nichts: Die Turbinen drehen so schnell und haben so viele Schaufeln, dass das 'Knattern' im Ultraschallbereich liegt, das hört man nicht mehr und hohe Frequenzen werden auch von der Luft nicht so gut weitergegeben (Dämpfung).

Ach ja, noch eine allgemeine Randbemerkung dazu, was man so macht und was sinnvoll ist in der Technik: Beispiel Auto, da sind uns die Zahlen geläufiger. Ich will mit ein Auto für 10000? kaufen. In der normalen Motorversion verbraucht das sagen wir mal einfach 10?/100km. Der Hersteller bietet mir aber auch eine hypermoderne Motorvariante an, fährt mit Küchenabfällen oder so, jedenfalls ein Antriebskonzept, was kein Geld kostet, absolut verbrauchsfrei. Klingt ja toll, ein Auto das umsosnst fährt. Aber diese Motorvariante kostet 10000? mehr in der Anschaffung. Ergebnis: erst nach 100000km würde sich die Anschaffung dieses sparsamen Autos für mich rechnen (an der Rechnung ist IMO ja auch der VW Lupo-3L gescheitert). Wenn ich aber wenigfahrer bin und 100000km sowieso kaum erreiche, lohnt es sich für mich wirtschaftlich nicht, dieses extrem sparsame Auto zu kaufen. Bei tollen spritsparenden aber technisch aufwändigen Propellern bei Flugzeugen oder Hubschraubern ist das ähnlich: Zwar kann ein Doppelpropeller Sprit sparen, ist aber auch teurer. Bei kleinen billigen Flugzeugen lohnt es sich wirtschaftlich nicht, sowas zu bauen. Deswegen tauchen solche exotischen Konzepte wie Doppelpropeller mit sichelförmigen Blättern und Mach 0.8 und so nur bei recht großen teuren neuen Flugzeugen auf. Für den Alltags-Normalfall lohnt es sich nicht.

Noch Fragen? :-)

CU Rollo

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Roland Damm

Roland Damm schrieb:

Könnte man bei Propeller auch machen, indem sie in einem Holzylinder laufen, an dessen Enden Leitschaufeln den Drall aus dem Luftstrom wieder herausnehmen.

Gruß, Ralf

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Ralf Teschenbaum

Gibts auch als "Impeller".

Gruß, Nick

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Nick Mueller

Am Sat, 17 Jan 2009 16:59:53 +0100 schrieb Nick Mueller:

... oder eben, im Prinzip, beim (ganz normalen) Mantelstromtirebwerk. Nur sieht man die von außen nicht.

mfg Andreas

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Andreas Mattheiss

Tach,

Roland Damm schrieb:

Es würde aber die Flugzeiten extrem verkürzen wenn man mit Mach 2 oder mehr fliegen würde. Die Probleme der höheren Geräuschentwicklung und des höheren Kraftstoffverbrauchs sind mir aber bekannt, diese sollte man erstmal versuchen weitestgehend zu lösen, bevor man ernsthaft über neue Überschall-Passagierflugzeuge nachdenkt.

Guck Dir mal die Piaggio P180 Avanti II an! ;-)

Ist denn das überhaupt machbar bei schnellen Turboprop-Flugzeugen?

Manche haben wohl über 5 Meter Propellerdurchmesser, der Propeller dreht sich wohl teils mit ca. 1000-2000 U/min. Man könnte jetzt die Geschwindigkeit der Propellerspitzen ausrechnen. Ich versuche mich mal: 2*Pi*r*Propellerdrehzahl/1000*60=v(Propellerspitze). Ich komme bei ca. 5,6m Propellerdurchmesser und 2000 U/min auf ca. 2110 Km/h, wenn ich nicht was falsch gemacht habe und der Propeller wirklich so schnell dreht.

Ein ausreichend hochbeiniges Fahrwerk muß dann her. Aber es gibt noch ein anderes Problem, hohe Geschwindigkeiten erreicht man wohl nur in großen Höhen, dort aber ist die Luft dünn und sauerstoffärmer, was den Triebwerken erheblich an Leistung raubt...

Gab es diese Debatte nicht auch bezüglich der Überflug- und Landeerlaubnis der Concorde in den USA?

Warum hat man denn ein Turboprop-Flugzeug mit diesen extremen Daten wie die Tupolew Tu-114 dann überhaupt gebaut? Sind die Turboprop-Flugzeuge bei gleicher Geschwindigkeit wie ein Jet deutlich sparsamer im Verbrauch?

[gegenläufige Propeller]

Wie kann das Flugzeug dann Vortrieb aufbauen, wenn sich die Drehmomente beider Propeller komplett ausgleichen?

Achso. Ich frage mich gerade, wie denn beide Propeller auf einer Achse von einem Triebwerk überhaupt in zwei verschiedene Richtungen angetrieben werden können...

Was ich mich auch frage ist, warum die Propellerdrehzahl bei Turboprops eigentlich so konstant ist. Entweder versteh ich das nicht, oder mein Simulator ist in der Hinsicht nicht realistisch. Jedenfalls drehen sich dort die Propeller nahezu konstant wenn ich in der Luft bin. Selbst wenn ich die Triebwerke komplett abstelle und in den Segelflug übergehe ändert sich die Propellerdrehzahl sogut wie garnicht. Kannst Du das erklären?

[...]

Die habe ich ja zwischendrinn schon versucht zu formulieren. ;-)

MfG. Tom

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Tom M.

Impeller (de.wikipedia.org/wiki/Impeller) gibt es auch, offenbar wird bei einer Luftschraube eher vom Mantelpropeller (de.wikipedia.org/wiki/Mantelpropeller) gesprochen.

Was beiden zu dem fehlt, was ich meine, sind die feststehenden Leitschaufeln, die den Drall aus der Strömung hinter dem Propeller wieder herausnehmen und in zusätzlichen Vortrieb verwandeln.

Gruß, Ralf.

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Ralf Teschenbaum

Moin,

Tom M. schrub:

Klar. Aber die Concorde hat nie Gewinne erwirtschaftet, trotz exorbitanter Ticketpreise.

Teilweise sind diese Probleme aber nicht so einfach zu lösen, weil physikalisch bedingt.

Ausnamen Regel. Flugzeuge sind im Allgemeinen auch symmetrisch gebaut...:-)

2000U/min kommt mir ganz schön viel vor bei 5m Durchmesser. Die Blattspitzen sind einer Fliehkraft von (2000*pi/30 rad/s)^2 * 2.5m = 11000g ausgesetzt (109000m/s^2) Wenn ein Rotorblatt sagen wir 50kg wiegt (es muss ja auch Hagel und Vogelschlag vertragen), dann wirkt auf die Wurzel eine Zugkraft von (2000*pi/30)^2*1.25m*50kg = ...entsprechend dem Gewicht von 27 Tonnen. Vielleicht machbar, aber nicht gerade naheliegend.

Ich würde eher glauben, dass solche Propeller viel langsamer laufen.

Irgendwann habe ich mal von einem unbemannten Forschungsflieger für große Höhen gelesen, ob das jetzt gebaut wurde oder nur eine Idee war, weiß ich nicht mehr. Da haben sie jedenfalls einen Start per Katapult eingeplant und bei der Landung war eingeplant, dass der Propeller kaputt geht und beim nächsten Flug ein neuer drangeschraubt wird. Der Antrieb sollte ein Hubkolbenmotor sein, der allerdings 3 Stufen Turboaufladung hatte. Am Boden fliegt das Ding erst mal ohne Turbolader und mit zunehmender Höhe wird dann nach und nach mehr Kompression dazugeschaltet.

Ja, erheblich.

Mit Propeller ist es viel einfacher, einen _großen_ Propeller zu bauen. Und je größer der Propeller, desto besser der Wirkungsgrad.

Die Drehmomente gleichen sich aus. Der Vortrieb addiert sich. Wirklich relevant ist das aber nur bei Hubschraubern, da gibt es ja auch welche mit Doppelrotor die dann keinen Heckrotor brauchen um das Drehmoment auszugleichen.

Naja, eine Hohlwelle mit noch einer Welle drin halt. Wie bei einer Uhr mit koaxialem Stunden- und Minutenzeiger. Einfach ist das nicht.

Ich weiß nicht, was irgendwelche Simulationsprogramme machen. Aber es ist durchaus nicht unüblich, die Propellerdrehzahl konstant zu halten. Den Schub regelt man dann über den Anstellwinkel der Propellerblätter. Und natürlich mit dem 'Gaspedal', weil der Motor ja das Drehmoment nachliefern muss, welches der Propeller braucht. Aber in Segelstellung....?

Ach übrigens: Beim Turboprop hat die Propellerdrehzahl nicht viel mit der Turbinendrehzahl zu tun, da zwischen sitzt sozusagen ein stufenloses Getriebe. Genauer läuft da ein Strahltriebwerk für sich allein und mit den Abgasen der Turbine wird eine weitere Turbine angetrieben, die dann den Propeller antreibt.

CU Rollo

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Roland Damm

Tom M. schrieb:

Hallo,

wenn man mit Mach 0,666 fliegt und zwei Stunden am Startflughafen verbringt, sechs Stunden in der Luft und eine am Zielflughafen, dann hat man mit Mach 2 stattdessen 2 + 6/3 + 1 = 5 Stunden statt 9 Stunden. Das ist dann eine extreme Verkürzung? Die reine Flugzeit ist ja für den Passagier nicht allein ausschlaggebend, wichtig ist dies gesamte Reisedauer einschliesslich der Wartezeiten an den Flughäfen.

Bye

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Uwe Hercksen

Ralf Teschenbaum schrieb:

Hallo,

es muß mit Leitschaufeln der Verbrauch auf 100 km geringer werden sonst nützt der herausgenommene Drall nichts. Leitschaufeln bringen aber auch zusätzliche Reibungsverluste.

Bye

Reply to
Uwe Hercksen

Uwe Hercksen schrieb:

Die Zubringer zu und von den Flughäfen sollten nicht übersehen werden. Da gehen locker nochmal zwei Stunden drauf.

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Christoph Müller

Moin,

Christoph Müller schrub:

Die zählen aber nur für den Kunden, nicht für die Fluggesellschaft.

Dennoch: Zustimmung. Der Bahn muss man diese Rechnug ja garnicht mehr vormachen, die haben ja schon gezeigt, dass sie sich nicht dafür interessieren.

CU Rollo

Reply to
Roland Damm

Moin,

Uwe Hercksen schrub:

Dabei kommt man sicher schnell auf das Problem, dass zumindest kurz hinter dem Propeller der Drall keineswegs zeitlich/örtlich gleichmäßig ist. Ein gegen-rotierender Propeller würde Schall erzeugen was auch Energieverlust bedeutet, feststehende Leitschaufeln sind fast nie genau da, wo man sie braucht.

Bei einem Strahltriebwerk geht das, weil man da so viele Propellerblätter hat, dass die Schwankungen klein sind. Bei so einem 2..4-Blatt-Propeller ist das nicht so einfach.

CU Rollo

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Roland Damm

Ich vermute, ohne es wirklich zu wissen, mir ist halt so, daß das auch im Wesentlichen mit dem Konti-Satz zu tun hat:

Da man in einem Rohr mit einem 'Ventilator' keine Überschallströmung erzeugen kann, ohne den Querschnitt oder die transportierte Gasmenge zu vergrößern, wird das mit einem Ventilator ohne Rohr drumrum, also ohne auch ohne Querschnittsvergrößerung der Strömung, auch nicht gehen.

Wie gesagt, ich vermute das nur ohne tiefere Kenntnis der Strömungstheorien. Aber das war mein erster Gedanke vor ein paar Tagen, als ich Deine Frage las.

Munterbleiben

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Olaf Kessler

Roland Damm schrieb:

Mich würde mal interessieren, welche Antwort die DB auf die Entwicklung der fahrerlosen Autos hat. Die einzige Antwort, die ich kenne: Kommt so schnell nicht. Kann man auch so interpretieren: "ist uns doch egal".

Die zwei Stunden, die bald für die Zubringer aufbringen muss, werden mit solchen Autos dann schon in die Bewältigung von 200 km auf der Autobahn umgesetzt sein. Da sind die meisten Reisen dann schon wieder zu Ende. Dann kommt noch das Fahrplanraster dazu - da hat so ein Fahrzeug dann weitere 50 km zurückgelegt. So ein 300 km/h schneller Zug fährt dank Stotterbetrieb von Bahnhof zu Bahnhof im Schnitt auch grade mal so um

140 km/h herum (München-Hamburg). Kann man da den Zeitvorteil eines solches Autos überhaupt noch hereinfahren? Das würde ja heißen, dass sich Bahnfahren dann erst ab ca. 1000 km lohnt. Man stelle sich mal den Flugverkehr am Boden vor - mit einer 1000 km langen Start- und Landebahn. Wie wirtschaftlich wird das noch sein?
Reply to
Christoph Müller

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Olaf Kessler schrieb:

Kann man dafür ein einleuchtendes Argument finden?

Eine "Ventilator" erzeugt im Prinzip einen Drucksprung in der durchgehenden Strömung. Mehrere Ventilatoren hintereinander in einem Rohr können also im Grundsatz einen beliebig hohen Überdruck erzeugen. Daraus sollte dann irgendwann eine hypersonische Strömung resultieren.

Der Druckspung in der Propellerebene ist normalerweise wohl relativ klein. Ein einlaufender Strömungszylinder mit einem Durchmesser >

Propellerdurchmesser wird durch den Unterdruck vor der Propellerfläche beschleunigt und auf einen Querschnitt gleich dem PD zusammengezogen, durch den weiteren Druckanstieg hinter der Propellerebene strömt die Luft dort beschleunigt ab und zieht sich dadurch noch weiter zusammen.

Wenn die Druckdifferenz zu hoch wird, dann kommt es aber vielleicht zu einer Art "Kurzschluß", die Luft strömt nicht nach hinten ab, sondern um die Propellerspitzen herum wieder nach vorne in die Unterdruckzone hinein.

Ein Jettriebwerk ist im Grunde nichts anderes als ein Rohr mit einem Ventilator drin, mit der Besonderheit, daß der Wellenantrieb über eine als Strömungsmaschine ausgeführte Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Also sollte man jedenfalls durch ein Rohr um einen Propeller drumrum jedenfalls auch einen hyperschalltauglichen Antrieb erreichen können. Wobei das Problem weniger der Schubstrahl als die Anströmung ist: Wenn das LFZ mit Überschallgeschwindigkeit fliegt, dann wird das Triebwerk im Grundsatz auch mit Überschallgeschwindigkeit angeströmt - wenn in dieser Strömung auch noch ein Miefquirl rumwirbelt, dann wird die Relativgeschwindigkeit noch größer.

Also muß man einen hyposonischen Propellerantrieb in einen Staupunkt legen. Im einfachsten Fall hätte man ein Rohr mit einer Aufweitung in der Mitte, in der der Propeller sitzt. Die einlaufende Strömung wird in der Aufweitung auf relativ zum LFZ Unterschallgeschwindigkeit abgebremst, dann erhöht der Propellerantrieb den Druck (wodurch der einfache Bernoulli übrigens nicht mehr so ohne weiteres gilt, sondern der Strömungsquerschnitt abnimmt), und anschließend wird der Strömungsquerschnitt wieder reduziert, wodurch die Emissionsgeschwindigkeit dann über die Eintrittsgeschwindigkeit hinaus ansteigt - Funktion erreicht.

Clever wäre es vielleicht, die Tragflächenvorderkante (=Staupunkt) aufzuspalten, dort Luft abzuzapfen und zu komprimieren und dann unter die Tragfläche zu leiten, so daß dadurch die Flügelumströmung verstärkt wird. Die "Düse" wäre dann die Tragflächenhinterkante.

Gruß aus Bremen Ralf

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Ralf Kusmierz
*Christoph Müller* wrote on Wed, 09-01-21 14:51:

Das kommt drauf an. Bei Transatlantikflügen oder auch schon Mallorca stellt sich die Frage nicht und bei Inlandsflügen liegt der Wert deutlich höher. Wie viel genau weiß ich allerdings nicht.

Reply to
Axel Berger

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Volker Gringmuth schrieb:

Wieviel verbraucht der Polo auf der Fahrt nach Lanzarote eigentlich insgesamt so?

Gruß aus Bremen Ralf

Reply to
Ralf Kusmierz

Moin,

Ralf Kusmierz schrub:

Höherer Druck bedeutet höhere Temperatur und damit höhere Schallgeschwindigkeit. Man kann eventuell die Ausströmgeschwindigkeit beliebig erhöhen aber dennoch nicht über die Schallgeschwindigkeit des Mediums kommen. Siehe Lavaldüse (verstanden hab' ichs allerdings auch nicht:-))

Im vereinfachten Modell ist das sowieso so: Die Strömung lässt sich durch Addition zweier Strömungsfelder darstellen. Einmal die geradlinige Strömung. Zusätzlich die Strömung, wie sie ein Propeller im 'Kurzschluss' ohne Anströmung erzeugt.

Was du da beschreibst, klingt nach RAMJet. Nur das die keinen Propeller haben sondern einfach in der Brennkammer Sprit einspritzen und dadurch das Volumen des Gases (via der Temperatur) zu erhöhen.

Das wieder klingt nach Aerospike-Triebwerk. Kann man auch mit RAMJet-Triebwerken oder SCRAMJet-Triebwerken machen (SC...: Supersonic, die Verbrennung läuft mit Überschall ab). Sowas hat die NASA doch neulich (vor 3 Jahren oder so) gestartet, soll IMO so an die Mach 7 erreicht haben.

Propeller braucht man da nicht mehr, der Staudruck komprimiert schon genügend als das es noch sinnvoll wäre, Motor und Propeller zu trennen - ein 'offener' Motor ist da viel einfacher.

CU Rollo

Reply to
Roland Damm

Moin,

Christoph Müller schrub:

Deine schon fast religiös motivierte Angst vor den wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen von fahrerlosen Autos die da kommen mögen - da hatten wir schon mal die Diskussion, dass diese Angst unbegründet ist.

Nimm doch einfach zur Kenntnis, dass es in unserer Lebenszeit keine fahrerlosen Autos geben wird. Normals kurz der Grund: Es macht wirtschaftlich für die Hersteller einfach keinen Sinn, sowas zu bauen. Ganz zu schweigen davon, dass es technisch nicht geht und es auch keine Kunde haben will.

CU Rollo

Reply to
Roland Damm

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