¿Por qué el empuje disponible es constante con la velocidad de los motores turborreactores, cuando varía con la velocidad de los motores turbohélice?

Los turbopropulsores y los turborreactores, o más ampliamente, los jets, producen empuje de formas algo diferentes.

En primer lugar, abordemos la forma en que se produce el empuje. Según la segunda y tercera leyes de Newton, la fuerza es igual a la aceleración por la masa, y una acción (acelerar el aire) produce una reacción opuesta. Después de cancelar las variables (las matemáticas son fáciles de encontrar), el empuje es proporcional a T=v*m' (m'=caudal másico) y la potencia transferida al aire es proporcional a P=v^2*m' /2. Todas las velocidades están en el marco de referencia del avión.

Ahora veamos cómo los motores producen este empuje. Un motor a reacción primero desacelera el aire entrante a una velocidad cercana a cero, generando resistencia, luego lo acelera a una velocidad constante, más alta que la inicial, produciendo empuje. Tanto v como m' para un motor a reacción varían a lo largo de la envolvente, pero cambian mucho más lentamente que la velocidad del avión. El motor gasta aproximadamente la misma cantidad de potencia por unidad de empuje a cualquier velocidad.

Una hélice no desacelera el aire en absoluto. Solo acelera el aire entrante en cierta cantidad. Esto convierte la potencia P en velocidad v. Ahora, según lo anterior, P~v^2. Si encuentra aire moviéndose a 0 m/s, necesita 5 kJ/kg para acelerarlo a 100 m/s. Si el aire ya se mueve a 100 m/s, necesitas 15 kJ/kg para llegar a 200 m/s.

El resultado es que las hélices encuentran menos resistencia a baja velocidad, por lo que obtienen más empuje por caballo de fuerza cuanto más lento es el avión. Esto les permite empujar más aire o empujarlo más rápido, produciendo más empuje. Para hélices de paso fijo, esto funciona al producir más aire delta-V y menos resistencia. Los turbohélices de alto rendimiento tienden a tener hélices de paso variable, que se ajustarán para empujar más aire (más lento) a baja velocidad, o menos (pero más rápido) a alta velocidad.

Los turboventiladores, que combinan una hélice con conductos de paso fijo con un núcleo de turborreactor, están un poco en el medio. Pierden algo de eficiencia y algo de empuje a medida que ganan más velocidad, como las hélices, pero su curva es mucho más suave y más cercana a los turborreactores en este sentido.

Lo anterior es una simplificación extrema (como lo es la curva de empuje del chorro en la pregunta), lo suficiente como para transmitir la idea. El empuje real del avión tampoco es lineal, lo que se ha abordado en otra pregunta: ¿Cómo (y por qué) cambia el empuje del motor con la velocidad del aire?

Suponer que el empuje neto de un turborreactor es constante no es correcto. Se supone que es constante (para simplificar los ingenieros de rendimiento de la aeronave y generalmente válido para velocidades subsónicas bajas), pero en realidad, el rendimiento no es constante y también varía con la altitud. Esto se muestra mejor mediante una simple simulación de un motor turborreactor. El siguiente gráfico muestra el empuje neto en función del número de Mach. Muestra claramente que el empuje neto no es constante con la velocidad:

La entrada del turborreactor ralentiza el flujo y crea las condiciones óptimas para producir el chorro de escape. Un turbohélice se basa en agregar energía al aire libre, a medida que aumenta la velocidad de la estructura del avión, se puede agregar menos energía para acelerar el flujo.

Hay varios efectos que en combinación hacen que el empuje constante sea una buena aproximación a una velocidad subsónica.

El empuje se crea acelerando una masa de trabajo en dirección opuesta. El empuje neto es la diferencia entre el impulso del aire que fluye hacia el motor y el impulso combinado del combustible quemado y el aire que sale del motor (y la hélice, si la hay), derivada después del tiempo. Dado que ese impulso es el producto de la masa y la velocidad, puede acelerar una gran masa por una pequeña diferencia de velocidad, como lo hace una hélice, o una pequeña masa por una gran diferencia de velocidad, como lo hace un turborreactor.

Cuando se vuela más rápido, el impulso de entrada de una hélice crece rápidamente en relación con el impulso de salida, por lo que el empuje disminuye con la inversa de la velocidad . Por otro lado, la alta velocidad de salida de un turborreactor produce solo un pequeño aumento del impulso de entrada en relación con el impulso de salida mientras aumenta la velocidad.

Pero si eso fuera todo, incluso el empuje de un motor turborreactor disminuiría cuando aumenta la velocidad. Pero hay un segundo efecto que ayuda a que el empuje crezca con la velocidad. Con el cuadrado de la velocidad, para ser precisos. Ese es el efecto ram que ayuda a precomprimir el aire que ingresa al motor. A velocidades subsónicas, esto casi compensa la pérdida de empuje: a baja velocidad, el impulso de entrada creciente hace que el empuje caiga un poco, pero a velocidades subsónicas más altas, el efecto del ariete se vuelve más grande y aumenta el empuje nuevamente, de modo que un empuje constante se convierte en un buen aproximación. Sin embargo, a velocidad supersónica , el efecto del ariete se vuelve dominante y el empuje crece con la velocidad al cuadrado, hasta que la presión interna absoluta se vuelve demasiado alta, por lo que se debe acelerar el motor (o la aeronave necesita volar más alto).) o las pérdidas por impacto en la admisión se vuelven demasiado grandes y el empuje vuelve a caer.