Artykuły na tym blogu są nieoficjalnymi tłumaczeniami XKCD What If. Teraz również na Facebooku!

03.06.2014

Międzyplanetarna Cessna

Oryginalny artykuł: Interplanetary Cessna

Co by było, gdybyśmy spróbowali piotować zwykły ziemski samolot nad różnymi obiektami Układu Słonecznego?
— Glen Chiacchieri


Oto nasz samolot:


Cessna 172 z elektrycznym silnikiem i bateriami w skrzydłach.
Nasza Cessna jest napędzana silnikiem elektrycznym. Zbiorniki z paliwem są wypełnione bateriami litowo jonowymi mogącymi dostarczyć energii na 5-10 minut.


Cessna 172 Skyhawk, prawdopodobnie najbardziej popularny samolot na świecie.

Oto nasz pilot:


Dwoje ludzi ciągnie pilota. Pilot protestuje.


A oto co się dzieje, kiedy wypuścimy nasz samolot nad powierzchnią 32 największych obiektów w Układzie Słonecznym:


Diagram przedstawiający Cessnę na kilkudziesięciu obiektach. Na większości samolot natychmiast się rozbija.


Większość z tych ciał nie posiada atmosfery. Tam nasz samolot nie ma żadnych szans, spadnie prosto na powierzchnię. (Jeżeli wypuścimy samolot na wysokości jednego kilometra, w niektórych przpadkach samolot będzie spadał na tyle powoli, że pilot ma szanse przeżyć upadek. W przeciwieństwie do systemu podtrzymywania zycia.)


Dziewięć obiektów ma atmosferę na tyle gęstą, żeby miała znaczenie dla naszych rozważań: Ziemia — oczywiście, Mars, Wenus, cztery gazowe giganty, księżyc Saturna Tytan i Słońce.


Przyjrzyjmy się bliżej co się stanie z samolotem na każdym z nich.


Słońce: Tu nie ma niespodzianki. Jeżeli wypuścimy samolot na tyle blisko, żeby atmosfera miała znaczenie, wyparuje on w niecałą sekundę.

Mars: Aby zobaczyć co się dzieje na Marsie, sięgniemy po X-Plane.
Jest to najbardziej zaawansowany symulator lotu jaki został kiedykolwiek stworzony. Produkt 20 lat obsesyjnej pracy entuzjasty aeronautyki. Program ten symuluje przepływ powietrza nad każdym elementem samolotu w czasie lotu. To czyni go wartościowym narzędziem badawczym. Pozwala on z dużą dokładnością zasymulować nowy projekt samolotu oraz nowe środowisko.


Jeżeli zmienimy konfigurację X-Plane aby zmniejszyć grawitację, rozrzedzić atmosferę i zmniejszyć promień planety, możemy zasymulować lot na Marsie. (Chciałbym tutaj podziękować Tomowi J i innym osobom ze społeczności X-Plane za ich nieocenioną pomoc w obliczeniach aerodynamicznych w różnych atmosferach).


W ten sposób możemy się dowiedzieć, że lot na Marsie jest trudny, ale nie niemożliwy. NASA zdaje sobie z tego sprawę i rozważa badanie Marsa przy użyciu samolotów. Problem z lataniem na Marsie polega na tym, że przy tak rzadkiej atmosferze, aby uzyskać siłę nośną, musisz lecieć szybko. Żeby tylko oderwać się od powierzchni, musisz rozpędzić maszynę do prędkości bliskiej Mach 1. A kiedy już się wzniesiesz, siła bezwładności bardzo utrudni steroanie. Jeśli spróbujesz skręcić, samolot się obróci, ale dalej będzie leciał w pierwotnym kierunku. Autor X-Plane porównuje pilotowanie marsjańskiego samolotu, do pływania naddźwiękowym liniowcem transoceanicznym.


Cessna 172 nie podoła wyzwaniu. Wystartowawszy na wysokości jednego kilometra, samolot nie nabierze wystarczającej prędkości aby wyjść z lotu nurkowego i wbije się w marsjański grunt z prędkością powyżej 60 m/s (~220 km/h). Jeżeli lot rozpocznie się na wysokości pięciu kilemetrów, Cessna rozpędzi się do ponad połowy prędkości dźwięku, co wystarczy aby wejść w lot ślizgowy. Na przeżycie lądowania pilot jednak nie ma szans.


Wenus: Niestety, X-Plane nie jest w stanie zasymulować piekielnych warunków panujących blisko powierzchni planety. Jednak obliczenia pozwalają nam wyobrazić sobie jak wyglądałby lot. Dobra wiadomość: samolot latałby stosunkowo dobrze. Zła wiadomość: natychmiast stanąłby w płomieniach. Po czym przestałby latać. Po czym przestałby być samolotem.


Wenusjańska atmosfera jest ponad 60 razy gęstsza od ziemskiej, co oznacza, że aby Cessna uniosła się w powietrze, wystarczy ją rozpędzić do szybkości biegnącego człowieka. Tyle, że powietrze w którym się unosi samolot jest wystarczająco gorące, aby stopić ołów. Lakier zacząłby się topić po kilku sekundach. Samolot rozpadłby się na kawałki niedługo po tym. Poszczególne elementy spokojnie opadłyby na powierzchnię.


Znacznie lepszym pomysłem mógłby być lot ponad chmurami. O ile powierzchnia Wenus jest skrajnie nieprzyjazna, o tyle warunki panujące w górnych warstwach atmosfery przypominają ziemskie. Na wysokości 55 kilometrów, człowiek mógłby przeżyć jedynie z maską tlenową i prostym kombinezonem nurkowym. Powietrze ma temperaturę pokojową a ciśnienie jest porównywalne z tym w górach na Ziemi. Kombinezon nurkowy ma na celu ochronę przed kwasem siarkowym. (Wiem, nie jestem specjalnie przekonujący.)


Skład atmosfery nam nie pomaga, ale poza tym strefa powyżej chmur jest znakomitym środowiskiem do latania. O ile, oczywiście, samolot nie ma metalowych elementów, które nie przetrwałyby kontaktu z kwasem. A także jest zdolny przeciwstawić się huraganowi piątego stopnia. Wspominałem o sile wiatru, prawda?


Wenus to okropne miejsce.


Jowisz: Nasza Cessna nie jest w stanie latać na Jowiszu. Grawitacja jest zbyt silna. Utrzymanie stałej wysokości wymagałoby trzykrotniej większej mocy silnika niż na Ziemi. Rozpoczynając na poziomie, na którym ciśnienie atmosferyczne jest równe ziemskiemu, będziemy spadać z coraz większą prędkością na przeciw potężnym wiatrom. Lot ślizgowy zabierze nas z prędkością 275 m/s (około 1000 km/h) w gęste warstwy chmur kryształów amoniaku i lodu, aż w końcu zostaniemy zmiażdżeni przez rosnące wraz z głębokością ciśnienie. Nie napotkamy jednak żadnej powierzchni. Wnętrze Jowisza przechodzi płynnie z gazu w ciało stałe.


Saturn: Ta planeta jawi się nieco bardziej przyjazną niż Jowisz.. Słabsza siła ciążenia — porównywalna z tą na powierzchni Ziemi — i nieco gęstsza (lecz wciąż stosunkowo rzadka) atmosfera oznaczają, że Cessna będzie w stanie utrzymać się dłużej. Jednak w końcu zostanie pokonana albo przez niską temperaturę albo silny wiatr i spotka ją ten sam los co na Jowiszu.


Uran: Uran to dziwna, jednorodna, niebieskawa kula. W atmosferze panują silne wiatry i niskie temperatury. Jednak spośród gazowych olbrzymów, ta planeta jest najbardziej przyjazna Cessnie. Prawdopodobnie nasz samolot byłby w stanie się utrzymać przez jakiś czas. Ale ta jednolita, pozbawiona wszelkich wyróżniających się elementów planeta, jest potwornie nudna. Kto by chciał tam lecieć?


Neptun: Jeżeli interesują cię lodowe olbrzymy, Neptun (Motto: “Ten trochę bardziej niebieski”) jest prawdopodobnie ciekawszym celem niż Uran. Przynajmniej urozmaicają go chmury, na których pilot mógłby zawiesić wzrok w ostatnich chwilach życia, zanim zamarzłby na śmierć lub został rozerwany przez potężne turbulencje.


Tytan: Najlepsze zostawiliśmy na koniec. Tytan jest lepszym obiektem do latania niż Ziemia. Ciśnienie na powierzchni jest niewiele większe od ciśnienia na powierzchni Ziemi, ale gęstość atmosfery jest cztery razy wyższa. Ciążenie — niższe niż na Księżycu. Oznacza to, że latanie jest proste. Potrzeban moc jest tak niewielka, że Cessna mogłaby być napędzana pedałami. Co więcej, do latania wystarczyłaby tam lotnia i duże płetwy do nurkowania. Albo sztuczne skrzydła. Taki lot nie byłby bardziej męczący niż spacer.


Zła wiadomość (zawsze jest jakiś haczyk) jest taka, że na Tytanie jest zimno. 72 kelwiny to temperatura w której azot występuje w postaci cieczy. Wnioskując z danych na temat wymagań ogrzewania małego samolotu szacuję, że temperatura w kabinie malałaby w tempie około dwa stopnie na minutę.


Baterie mogłyby krótko utrzymać temperaturę, jednak ostatecznie wszystkie źródła ciepła muszą się wyczerpać i Cessna rozbije się o powierzchnię. Baterie Sondy Huygens, która lądując na Tytanie zrobiła serię fascynujących fotografii, zamarzły zaledwie kilka godzin po osiągnięciu powierzchni. Próbnik zdołał wysłać zaledwie jedno zdjęcie zrobione z powierzchni, które nota bene jest jedynym zdjęciem zrobionym z powierzchni ciała niebieskiego znajduącego się dalej od Słońca niż Mars.


Gdyśmy przywdzieli sztuczne skrzydła aby latać nad powierzchnią Tytana, powtórzylibyśmy los Ikara — skrzydła rozpadłyby się z zimna i posłały nas na pewną śmierć.


Współczesny Ikar na Tytanie.

Z drugiej strony, historia Ikara nigdy nie była dla mnie opowieścią o ograniczeniach ludzkich możliwości. To jest historia o ograniczeniach wosku jako spoiwa. Zimno Tytana to wyzwanie dla inżyniera. Odpowiednio przystosowana do zimna Cessna 172 mogła by latać na Tytanie. Być może pewnego dnia ludzie będą przemierzać niebo tego obcego globu.

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz