¿Por qué un estatorreactor produce empuje neto hacia adelante?

Entonces, todas las explicaciones (no técnicas) de los estatorreactores que he visto hablan sobre cómo la admisión se ralentiza y presuriza el aire entrante antes de la combustión, pero luego da por sentado el hecho de que la quema de combustible debería producir un empuje neto. ¿Por qué? ¿Por qué los gases en expansión creados por la combustión (a través de gases y calor agregados) no crean una fuerza tan grande en la dirección hacia adelante como hacia atrás?

Fuente de la imagen: Wikiwand Estatorreactor

La clave de esta idea es lograr mucha velocidad de avance, mucho más que un avión comercial. Los estatorreactores no pueden lanzarse por sí mismos, pero una vez que son lanzados, generalmente por cohetes, comienzan un ciclo de tomar aire en la parte delantera y usar el movimiento hacia adelante del vehículo para comprimir ese aire, luego agregan combustible para producir calor y presión, lo que resulta en una velocidad de escape más alta que la velocidad de admisión.

El diseño de la boquilla en la parte trasera del vehículo ayuda a que el flujo de aire a través del vehículo se mueva de manera eficiente, al igual que las boquillas de escape en los motores de cohetes.

Los estatorreactores funcionan mejor a un régimen de velocidad de alrededor de Mach 3 (3675 km/h). Este tipo de motor puede operar hasta velocidades de Mach 6 (7.350 km/h), más allá de eso se necesita un diseño Scramjet .

Para responder a su comentario, la idea es que una vez que alcance la velocidad , en lugar de compararlo con condiciones estáticas, el flujo de aire se incline naturalmente y sea alentado tanto por bloqueos en la parte delantera como por el diseño de la boquilla en la parte trasera, para pasar a través del vehículo.

Los estatorreactores enfrentan el mismo problema que el Concorde, se debe usar una rampa o un difusor para reducir la velocidad del aire entrante supersónico a velocidades subsónicas dentro de la cámara de combustión.

Si observa el diagrama anterior, este dispositivo también actúa para, al menos parcialmente, evitar que los gases a una presión relativamente baja regresen a la entrada, donde la velocidad del aire es mucho mayor. Entonces, como ha reducido la velocidad del gas dentro de la cámara de combustión, es mucho más probable que salga por la boquilla que se mueva contra el flujo de aire supersónico que está en la garganta de la entrada.

La boquilla trasera está diseñada para mejorar la eficiencia de los gases que salen. Para un estatorreactor que opera a velocidades subsubsónicas, su flujo de escape se acelera a través de una tobera convergente. Para un número de Mach de vuelo supersónico, la aceleración es asistida por una tobera convergente-divergente (De Lavel).

Su funcionamiento se basa en las diferentes propiedades de los gases que fluyen a velocidades subsónicas y supersónicas. La velocidad de un flujo subsónico de gas aumentará si la tubería que lo transporta se estrecha debido a que la tasa de flujo másico es constante. En un flujo subsónico, el gas es comprimible y el sonido se propagará a través de él. En la "garganta", donde el área de la sección transversal es mínima, la velocidad del gas localmente se vuelve sónica (número de Mach = 1,0), una condición denominada flujo obstruido. A medida que aumenta el área de la sección transversal de la boquilla, el gas comienza a expandirse y el flujo de gas aumenta a velocidades supersónicas, donde una onda de sonido no [ énfasis mío] se propagará hacia atrás a través del gas como se ve en el marco de referencia de la boquilla ( número de Mach > 1,0).

Fuente de la imagen y extracto anterior de boquillas convergentes-divergentes :

Estoy seguro de que ya lo sabe, así que disculpe por eso, pero para aquellos que no lo saben, la primera idea similar a un estatorreactor fue el pulso a reacción, el misil V1, que tenía persianas de admisión, como válvulas, que detenían el escape de aire desde el frente. . Sus sistemas de energía fueron diseñados para operar de manera intermitente, a diferencia del estatorreactor de operación continua sobre el que está preguntando.

El aire entrante se ralentiza y se comprime debido a su velocidad en relación con el motor y la forma de la entrada. Para frenarlo, se debe aplicar una fuerza al aire. Esta fuerza proviene en parte del hardware de entrada y en parte del aire a alta presión en la cámara de combustión. Es este aire entrante el que crea la presión en la cámara de combustión en primer lugar, por lo tanto, la fuerza del aire entrante y lento en la entrada siempre se equilibra con la fuerza de la presión en la cámara de combustión, cuando está en un estado estable. Esto también significa que un estatorreactor no puede arrancar desde parado, sino que debe acelerarse por algún otro medio.

A diferencia de un motor de cilindro, la combustión en un motor a reacción ocurre a una presión constante, pero el volumen del gas que se quema aumenta mucho. Es este aumento de volumen lo que proporciona el empuje neto hacia adelante.

El gas a alta presión en la cámara de combustión también ejerce una fuerza sobre el gas que sale por el escape. Aquí no hay aire entrante, por lo que esta fuerza funciona para acelerar el gas caliente que sale por la parte trasera del motor. El escape comprimido luego se expande en la boquilla de expansión, lo que lo acelera aún más. (El trabajo de la boquilla de expansión es concentrar los gases de escape en un haz que apunta hacia atrás. Cuanto más rápido retrocede el escape, más fuerza de reacción empuja el motor hacia adelante).

Mientras que las presiones sobre la entrada y sobre el escape son más o menos simétricas, los volúmenes no lo son, ni tampoco lo son los tamaños y áreas superficiales de los conductos y boquillas. El aire que se desacelera en la entrada ejerce una fuerza de arrastre sobre el motor, y el escape que se expande por la boquilla de escape ejerce una fuerza de empuje hacia adelante sobre el motor. Como fuerza = presión × área, la fuerza de avance en el área de superficie más grande de la boquilla de escape es mucho mayor que la fuerza de arrastre en la entrada, por lo que el resultado es un empuje neto. Otro resultado es que el aire caliente (que tiene un volumen mayor pero aún tiene casi la misma masa) sale del motor mucho más rápido de lo que se mueve el aire de admisión. Esto asegura que se conserve el impulso.

Si intentara hacer funcionar un estatorreactor en reversa, no funcionaría. Estaría comprimiendo una gran cantidad de aire a través del conducto de escape grande (suponiendo que el escape funcione de manera efectiva como un compresor de ariete, lo que probablemente no sea el caso). Luego, el volumen más grande del aire calentado tendría que pasar por el conducto de entrada más estrecho, que no encajaría. La presión en la cámara de combustión y el escape que apunta hacia adelante aumentarían, hasta que la onda de choque (que normalmente ocurre dentro del motor) es expulsada del motor y la mayor parte del aire es empujada alrededor del motor. En ese punto, tiene un 'motor' con un chorro de escape pequeño y una resistencia muy grande, y no produciría un empuje neto. De hecho, produciría menos arrastre general si se detuviera la combustión, ya que una masa de aire más grande (más densa) cabría a través de la entrada y, por lo tanto, sería necesario empujar menos aire alrededor del motor. Por lo tanto, el aumento de volumen y los tamaños de boquillas/conductos que coinciden con los volúmenes de gas son esenciales para el funcionamiento de un estatorreactor.

Por cierto, un análisis similar funciona para motores a reacción regulares. Ahí tienes un compresor y una turbina en un solo eje. Los compresores y las turbinas son básicamente lo mismo. Si gira todo el conjunto en sentido inverso, la turbina funcionaría como compresor y el compresor como turbina, con los gases fluyendo en sentido inverso. La razón por la que todo el conjunto gira en la dirección 'hacia adelante' es nuevamente que la turbina es más grande y utiliza el mayor volumen de gases de escape.

Otra forma de formular su pregunta podría ser cómo determinar cuánto aire fluye a través del motor en lugar de a su alrededor.

Súper Sonic comenzó

Bajo el funcionamiento normal del estatorreactor, esto es bastante fácil de calcular. Podemos multiplicar el caudal volumétrico por la densidad:

Dónde$\dot m$es el caudal másico,$\rho$es densidad,$V$es la velocidad,$A$es el área de la sección transversal y el subíndice$_1$indica que esas cantidades están en la entrada.

Cuando se enciende el estatorreactor, el aire entrante ingresa a la entrada a gran velocidad, es decir, no tiene la posibilidad de reducir la velocidad, por lo que todas las cantidades en la entrada ($_1$) son los mismos que el freestream ($_0$):

Dónde$V_0$es la velocidad de corriente libre y es igual a la velocidad del vehículo, y$\rho_0$es simplemente la densidad del aire atmosférico.

Así que ahora la pregunta es por qué la combustión no cambia esto. Así que echemos un vistazo a lo que sucede aguas abajo.

La entrada comienza nuestra convergencia, para flujos supersónicos esto se ralentiza y aumenta la presión. En algún momento llega a un punto más estrecho y luego comienza a expandirse nuevamente. En algún lugar a lo largo de esta expansión hay una onda expansiva. Aquí el flujo cambia repentinamente de supersónico a subsónico. Esto hace que la presión suba pero la energía útil disminuya. El canal de flujo continúa expandiéndose, pero ahora, dado que el flujo es subsónico, también aumenta la presión y disminuye la velocidad. Entonces el quemador calienta el aire. Volveremos a esto en un minuto. Más abajo tenemos la tobera convergente divergente. Durante la porción convergente, la velocidad del aire vuelve a subir hasta exactamente la velocidad del sonido. Luego, en el lado divergente, continúa acelerando hasta que una onda de choque o (idealmente) sale por el extremo de la boquilla.

Ahora, ¿qué sucede si arrojamos más combustible? ¿Se empujará contra la corriente? o simplemente aguas abajo?

La respuesta es que empujará en ambas direcciones. La presión y la temperatura en el quemador aumentan. En el lado de aguas abajo, el aumento de la temperatura y la presión luchan para disminuir y aumentar, respectivamente, el caudal másico a través de la boquilla. Sin embargo, los efectos se cancelan y el flujo másico permanece igual. Pero está a una presión más alta que permite un mayor empuje.

En el lado de aguas arriba, el aumento de la presión impulsa la onda de choque más aguas arriba, lo que genera una expansión más subsónica y menos supersónica. Estos cambios actúan para aumentar la presión aguas abajo y, por lo tanto, la onda de choque puede moverse aguas arriba hasta que se logre el aumento de la presión del quemador.

Pero, ¿y si seguimos añadiendo calor? Eventualmente, a medida que la onda de choque continúa moviéndose río arriba, alcanzará ese punto más estrecho. Ahora, si se mueve más río arriba, dará menos compresión supersónica y más compresión subsónica. Ambos efectos reducirían la presión aguas abajo en lugar de aumentarla, por lo que mover la onda de choque ya no puede volver a equilibrar el aumento de presión, por lo que la onda de choque es empujada violentamente hacia adelante por el frente de la entrada. Esto se llama unstart .

Entonces, lo que evita que el aumento de la presión del quemador se propague hacia la entrada y reduzca el flujo es la onda de choque en el área de expansión antes del quemador.