¿Por qué los motores turboventiladores militares utilizan una relación de derivación baja?

No es militar contra civil, sino subsónico contra supersónico.

Tenga en cuenta que los aviones militares subsónicos usan los mismos motores que los aviones civiles, incluso si sus nombres pueden ser diferentes.

• El KC-135 usó inicialmente el J-57 que se llamó JT-3C cuando se usó en el Boeing 707-120 . Ahora vuelan el CFM-56 , que se usa en el Boeing 737 y el A320.
• El C-5 Galaxy usa el GE TF39 que se convirtió en el CF6 cuando se montó en un Boeing 747-100 o un DC-10 .
• El Fairchild A-10 usa el GE TF34, que se llama CF34 cuando se monta en aviones civiles como el Bombardier Challenger .

No, las diferencias surgen solo cuando el avión está diseñado para volar supersónico. Esto requiere un enfoque muy diferente para la integración del motor:

• Los motores de aviones supersónicos están montados cerca de la línea central. Si es posible, están directamente detrás de las tomas, por lo que el flujo de entrada no necesita cambiar de dirección. Las excepciones como el SR-71 son raras.
• Las tomas supersónicas son más largas y tienen bordes afilados en comparación con las tomas cortas y romas de los aviones subsónicos. Además, la mayoría tiene una geometría variable para adaptarse a las muy diferentes condiciones de flujo a velocidad supersónica.
• Dado que el trabajo de una toma es reducir la velocidad del aire que ingresa al motor , las tomas supersónicas no pueden tener un área de captura grande, o su arrastre de derrame en vuelo supersónico sería excesivo. Los motores supersónicos necesitan crear su impulso con mucha menos masa de aire que los motores puramente subsónicos. Olvídese del sigilo, esta es la verdadera razón de los diámetros más pequeños de los motores con capacidad supersónica.
• La tobera de un avión supersónico también es variable, en contraste con la tobera fija de un avión subsónico. De nuevo, esto ayuda a ajustarlo a las condiciones de flujo, pero en este caso la principal diferencia es entre encender y apagar el recalentamiento. Los motores de poscombustión son capaces de velocidades de salida mucho más altas para compensar su diámetro más pequeño. Aceleran menos aire a una velocidad más alta para crear un empuje comparable.
• El último punto lo mencionó, pero merece una viñeta propia: los motores supersónicos usan postquemadores para tener suficiente empuje para volverse supersónicos. Los gases de escape calientes tienen un volumen mucho mayor que el flujo de admisión frío que debe acomodarse ensanchando la boquilla.

Tenga en cuenta que el Concorde civil también usó una entrada y una boquilla variables y dispositivos de poscombustión. Tenía un motor que se usó antes en el BAC TSR-2 , un avión militar supersónico.

La distinción real no es entre civil y militar, sino entre capacidad puramente subsónica y supersónica. Inicialmente, ambos se lograron con los mismos motores. El J-57 mencionado anteriormente también se usó en el jet militar supersónico F-100 . Solo en la década de 1960 esas líneas divergieron y los aviones subsónicos desarrollaron etapas de compresores de baja presión cada vez más grandes. Estos fueron nuevamente impulsados ​​​​por los núcleos de alta presión que se usaron en aviones supersónicos.

Fondo

El empuje es el flujo de masa de aire multiplicado por la diferencia de velocidad entre el vuelo y la velocidad de la boquilla del motor. Para aumentar el empuje, los motores subsónicos intentan maximizar el flujo de masa (aumentando la relación de derivación), mientras que los motores supersónicos se basan más en aumentar la velocidad de la boquilla (mediante el uso de postquemadores). Dado que el empuje neto solo es posible cuando las velocidades de salida son superiores a la velocidad de vuelo, la velocidad de salida del motor debe aumentar con la velocidad de vuelo de diseño.

Los motores principales no difieren mucho; después de todo, la admisión se asegurará de que el aire llegue al motor a una velocidad de Mach 0,4 a 0,5 , independientemente de la velocidad de vuelo. El núcleo del General Electric F110 (instalado en los cazas F-15 y F-16, entre otros) pasó a ser el núcleo del turboventilador CFM-56 que se utiliza en el Boeing 737 o el Airbus A320. La principal diferencia está en su relación de derivación. Cuanto más lenta sea la velocidad de diseño, mayor será la relación de derivación. A muy baja velocidad, el ventilador envuelto sin engranajes se cambia por una hélice de giro libre con engranajes, en otras palabras, el jet cambia a un turbohélice. Sin embargo, la entrada y la boquilla son muy diferentes.

La relación de derivación óptima cambia continuamente, pero dado que el coeficiente de arrastre cae después de cruzar Mach 1, los aviones están diseñados para un número de Mach máximo de 0,9 o menos, o 1,6 y superior. Las relaciones de derivación correspondientes en la actualidad son de hasta 12 para motores subsónicos y de menos de 1 para motores supersónicos. Esto produce un límite nítido a la velocidad del sonido, y muchos motores militares diseñados para vuelos supersónicos perdieron sus postquemadores y se equiparon con un gran ventilador para convertirse en motores para aviones de transporte subsónico.

Las diferencias entre los motores subsónicos y supersónicos aumentan cuanto más te alejas de su núcleo. El compresor de alta presión, la cámara de combustión y la turbina de alta presión se ven y funcionan igual, pero el compresor de baja presión de los motores subsónicos traga mucho más aire y tiene un diámetro mucho mayor. Los motores supersónicos, a su vez, en su mayoría tienen un dispositivo de poscombustión. La mayor diferencia, sin embargo, son las tomas (toma pitot grande con labios romos para aeronaves subsónicas versus tomas de punta o rampa ajustables para vuelo supersónico) y la boquilla (fija para vuelo subsónico versus una boquilla convergente-divergente compleja y ajustable para vuelo supersónico) . Esto se debe a las muy diferentes velocidades del aire y las velocidades de salida mucho más altas requeridas para el vuelo supersónico.

Mire la sección de admisión del XB-70 que se muestra arriba ( fuente ). El área de captura es bastante pequeña, y luego el tubo de admisión se ensancha para permitir la desaceleración del flujo de aire. Las paredes laterales inclinadas de la sección de admisión causan mucha resistencia a Mach 3. Ahora piense que los seis GE YJ-93 son reemplazados por motores con un diámetro aún mayor. El aumento en la resistencia de las olas debido a la entrada aún más contundente anularía todas las ventajas de una relación de derivación más alta.

Lo que es menos obvio es el hecho de que esta sección de admisión también crea quizás la mitad del empuje total del sistema de propulsión. Pero esta respuesta ya es demasiado larga, así que la guardo para otra respuesta.

Porque las prioridades para los aviones militares (motores) son diferentes. Si bien es cierto que los turboventiladores de alto bypass tienen una mejor economía de combustible (en crucero) y son menos ruidosos, los motores de bajo bypass ofrecen ventajas significativas cuando tenemos en cuenta su uso previsto en aviones de combate, tales como:

• La respuesta de los turboventiladores de derivación baja a los ajustes del acelerador es más rápida en comparación con los turboventiladores de derivación alta; la inercia es menor y hay menos masa de aire involucrada (para aumentar la velocidad). Esto es importante durante el combate, cuando los requisitos de empuje cambian rápidamente.

• Tienen menos área frontal, lo que reduce el arrastre producido. Para los aviones que se espera que vuelen a velocidades supersónicas, aunque sea brevemente, esto es importante.

• Mejor relación empuje/peso: 6:1 en Trent 1000 Vs 9:1 F119 (usado en F-22 Raptor) - Incluso si el empuje real producido por los turboventiladores de derivación baja es menor, producen más empuje por kg de motor, lo que significa que el motor puede ser más compacto en tamaño.

• Los turboventiladores de derivación baja son más eficientes a velocidades más altas en comparación con los turboventiladores de derivación alta.

• El menor tamaño de los turboventiladores de derivación baja significa que la aeronave puede hacerse más sigilosa "enterrando" los motores en el fuselaje, lo que es casi imposible en el caso de los turboventiladores de derivación alta.