¿Cómo difiere la formación de estelas de un turboventilador a un turborreactor?

Parece que los motores de derivación más altos disponibles en la actualidad aumentan la ocurrencia de estelas. De Influencia de la eficiencia de propulsión en la formación de estelas de Ulrich Schumann:

El análisis termodinámico, que es el resultado de los argumentos del primer principio, implica que las aeronaves y los motores, que funcionan con una mayor eficiencia de propulsión general, liberan una fracción más pequeña del calor de combustión durante el crucero hacia el penacho de escape y, por lo tanto, provocan condiciones en el penacho que durante la mezcla alcanzan una humedad relativa más alta para la misma temperatura ambiente y, por lo tanto, forman estelas también a temperaturas ambiente más altas.

Por lo tanto, los aviones formarán estelas de condensación con mayor frecuencia cuando utilicen motores más eficientes en combustible.

Para probar la teoría, se realizó una prueba de vuelo entre dos aviones con motores de derivación baja y alta:

Para una prueba directa de la teoría, se dispuso un vuelo en formación de dos grandes aviones a reacción diferentes, ala por ala, durante un ascenso y un descenso del avión. La formación de estelas y las condiciones ambientales se observaron simultáneamente desde un avión de investigación.

Los dos aviones de formación de estelas fueron

i) un Boeing B707 equipado con cuatro motores a reacción del tipo JT3D-3B con una relación de derivación de 1,4 y

(ii) un Airbus A340-300 con cuatro motores a reacción de tipo CFM56-5C4 con relación de derivación de 6,8.

Los resultados indicaron que se formaron estelas en más casos en el caso del A340 (con motores de derivación más altos) en comparación con el B707.

Foto de un A340 con estela y B707 sin estela. Imagen de Influencia de la eficiencia de la propulsión en la formación de estelas por Ulrich Schumann

Se midieron las condiciones ambientales y se observó la formación de la estela desde un avión de investigación que volaba a menos de 1 km detrás de los dos aviones que formaban la estela. Como se documenta en varias fotos, existe un rango de altitud en el que el A340 provoca estelas mientras que el B707 no provoca ninguna.

Aunque el tamaño de la muestra es bastante pequeño, parece que los motores de alta derivación utilizados en los aviones comerciales modernos son más propensos a la formación de estelas de condensación en comparación con los turborreactores más antiguos.

Este estudio de 1993, Nuevas técnicas para el pronóstico de contrail, analizó las diferentes proporciones de desvío. El estudio muestra gráficos para cada tipo de derivación que se probó. Aquí hay dos de ellos, de derivación baja y alta:

Parece que las estelas de derivación alta se forman a temperaturas más cálidas y en un rango más amplio. Tiene sentido, el bypass alto encapsulará el escape, dándole más tiempo para condensarse antes de dispersarse, además de enfriarlo. Saturando aún más el aire con humedad.

Podemos comparar los motores a reacción 777, 747 y 707 :

Engine         Thrust     SFC           Fuel Flow    Bypass Ratio
               (lbf)      (lb/lbf hr)   (lb/hr)

GE90-85B       84,700     0.324         27.4K        8.40
CF6-80C2B1F    57,160     0.316         18.0K        5.15
JT3C-6         11,200     0.775         8.7K         0

Un 777 quema más combustible por unidad de tiempo por motor en comparación con un 747, lo mismo para un 747 en comparación con un 707.

Por lo tanto, es el efecto de mezcla más el uso de más combustible, es decir, el mayor consumo de combustible de una derivación alta equivale a más humedad que saturará el aire, con la ayuda del enfriamiento de la derivación.

De los comentarios a continuación (gracias a Peter Kämpf), podría haber un factor más que vale la pena mencionar, el hollín. Los motores modernos probablemente expulsan partículas de hollín mucho más finas, que actuarían como núcleos de condensación .

Los principales productos de la combustión de combustibles de hidrocarburos son el dióxido de carbono y el vapor de agua. A gran altura, este vapor de agua emerge en un ambiente frío, y el aumento local del vapor de agua puede elevar la humedad relativa del aire más allá del punto de saturación. Luego, el vapor se condensa en pequeñas gotas de agua que se congelan si la temperatura es lo suficientemente baja.— Wikipedia

Los hallazgos deberían brindar a los operadores militares mejores predicciones para la formación de estelas.