¿Por qué los jets de un solo motor no sufren severos efectos giroscópicos?

Bueno, los motores a reacción tienen efectos giroscópicos. Es una preocupación importante en el diseño de la turbomaquinaria. Cuando el avión cabecea/guiñada, el momento giroscópico resultante hace que el compresor y las palas de la turbina se acerquen a la carcasa. Si es excesivo, esto puede hacer que las cuchillas rocen la carcasa, lo que provoca una pérdida de rendimiento.

En cuanto a por qué el avión no se ve afectado por el momento giroscópico de los motores, comparemos algunos números.

Tome un avión típico de la era de la Primera Guerra Mundial, como el Vickers FB19 impulsado por un Le Rhone 9J . El motor tiene una masa de 146 kg, la mayoría de los cuales es giratorio y produce 110 CV. El avión tiene una masa máxima de despegue de 675 kg, que incluye el motor. La masa giratoria es una fracción bastante considerable (~20%) de la masa del avión. Por lo tanto, el efecto giroscópico del motor tiene un gran impacto en la maniobrabilidad.

Ahora compare eso con un F16 impulsado por un motor GE F110 . El carrete de alta presión del motor tiene una masa del orden de 200 kg (el motor completo pesa unos 2000 kg y el carrete giratorio de alta velocidad es aproximadamente el 10% de eso... lo siento, no tengo una referencia específica). La masa máxima de despegue del avión es de unos 19.200 kg. La masa giratoria es solo el 1% de la masa total del avión. Entonces el efecto giroscópico no es tan importante. es decir, comparado con el momento requerido para girar el avión, el momento giroscópico no es grande.

Además, para ser más precisos, el momento giroscópico no es realmente proporcional a la masa, sino al momento de inercia de la masa, que es proporcional al cuadrado del radio. Gran parte de la masa giratoria de un motor rotativo antiguo tenía un radio bastante alto, mientras que gran parte de la masa giratoria del rotor de un motor a reacción tiene un radio bastante bajo. Aunque no he hecho los cálculos, creo que el carrete de un motor de avión de combate moderno probablemente tenga un momento de inercia más bajo que un motor rotativo de la Primera Guerra Mundial, a pesar de la mayor masa.

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En respuesta al comentario de J Walters, permítanme tratar de hacer esto un poco más preciso. El momento requerido para realizar una aceleración angular es$M=I\alpha$, donde$I$es el momento de inercia. Supongamos que el plano es una barra (largo >> ancho o alto). Eso no es totalmente correcto, pero es bueno para una aproximación de orden de magnitud. Entonces a partir de esta fórmula ,$I=(1/12)mL^2$. Entonces, para el FB19, el momento de inercia es$(1/12)(675)(5.54^2)=1726 kg-m^2$. Para el F16,$(1/12)(19200)(15.06^2)=362885 kg-m^2$. Entonces, comparando estos dos, el momento que la superficie de control debe aplicar para girar el avión (a una aceleración angular dada) es 200 veces mayor para el F16.

Ahora, veamos los momentos debido al efecto giroscópico. El momento giroscópico es$M=J \Phi \times \Omega$, donde$\Phi$es la velocidad angular de la maniobra de la aeronave y$\Omega$es la velocidad angular de giro del motor, y$J$es el momento polar de inercia. Dije antes que esperaba$J$para que el F16 sea realmente más bajo debido a un radio más bajo, pero supongamos que son iguales. El Le Rhone gira a 1.350 RPM. No lo sé exactamente, pero sé que la velocidad máxima del carrete de alta presión F110 está entre 15,000 y 20,000 rpm. Entonces, el momento giroscópico es de 10 a 15 veces mayor para el F16.

Y como señaló Peter Kampf, las fuerzas aerodinámicas también aumentan. El FB19 tenía una velocidad máxima de aproximadamente 100 mph, mientras que el F16 puede alcanzar las 900 mph al nivel del mar. De la excelente serie de la NASA , escala de elevación y arrastre con velocidad al cuadrado. Entonces, las fuerzas aerodinámicas son 81 veces más altas para el F16.

Entonces, en resumen, sí, el momento giroscópico es un orden de magnitud mayor en el F16. Pero todo lo demás con lo que el avión tiene que lidiar durante las maniobras (el momento de inercia del propio avión, las fuerzas aerodinámicas), son dos órdenes de magnitud superiores. Entonces, las fuerzas giroscópicas son menos relevantes en comparación.

El par producido por los motores de pistón también fue un problema para los aviones militares en la primera y la segunda guerra mundial, especialmente cuando los motores funcionaban a plena potencia, como durante el despegue, cuando podía dar lugar a que el avión tuviera tendencia a desviarse. En los aviones bimotores, los diseñadores a menudo contrarrestaron el problema haciendo que los dos motores y las hélices giraran en direcciones opuestas (contrarrotación).

Los motores de pistón rotativo tienen un diámetro considerable y la mayor parte de la masa (las culatas en particular) se concentra en la periferia. Por lo tanto, el momento de inercia de esa masa giratoria es bastante alto, y los efectos giroscópicos también son mucho mayores que en el caso de una masa con un diámetro menor y una distribución de masas no tan extrema. Ese es el caso del compresor rotativo y los álabes de la turbina. Es cierto que aquí la velocidad angular es mucho mayor, pero no es tan importante como la distancia del elemento de masa al centro de rotación, que es al cuadrado ...

El efecto de torque no proviene de la masa giratoria de metal, sino de la hélice que muerde el aire para producir empuje, produciendo una reacción opuesta e igual a la que observó Sir Issac Newton... la misma razón por la que un helicóptero necesita un rotor de cola para contrarrestar el par del rotor principal, que también funciona desviando el aire mientras produce un par en la dirección opuesta. Es la resistencia del aire a la hélice/rotor lo que produce la mayor parte del par, no el efecto giroscópico del metal giratorio.

Todos los aviones de hélice experimentan esto, aunque el efecto no es tan pronunciado en un Cessna 152 con 110 hp como en un FG1D Corsair o Hawker Tempest con 3000 hp. Con los cazas más grandes de la Segunda Guerra Mundial, la aplicación descuidada de potencia podría volcar el avión debido a la aplicación repentina de torque, mientras que cualquier efecto de torque en un 152 es prácticamente imperceptible debido a la baja potencia.

Hubo un caza de la Segunda Guerra Mundial que no tenía este efecto de torsión... el P38, con dos motores y hélices que giraban en direcciones opuestas, anulando el efecto de torsión. Una táctica común de los pilotos de P38 atacados por la parte trasera era girar a la izquierda. Los cazas de un solo motor no podían igualar su velocidad de balanceo en esa dirección debido al efecto de torsión de su motor único y hélice. El pobre rendimiento a gran altitud del P38 lo llevó a quedar marginado en el teatro europeo, mientras que fue bastante popular en el teatro del Pacífico, donde el combate tendía a ocurrir a altitudes mucho más bajas.

El Dornier 335, con sus motores delanteros y traseros, también habría estado libre del efecto de torque ya que las hélices giraban en direcciones opuestas, solo que nunca tuvo una producción completa y solo vio un uso de combate muy breve.

Las turbinas en los aviones de combate modernos no producen casi el efecto de torque porque la mayor parte de su empuje proviene del gas caliente que se expulsa hacia la parte trasera desde la turbina o el postquemador, lo que produce poco (turbina) o ningún par rotacional (postquemador). La mayoría de los cazas modernos tienen turboventiladores de derivación baja para una mejor eficiencia, pero aún obtienen la mayor parte de su empuje del escape, no de la turbina delantera.