¿Qué es exactamente el componente de empuje de presión y por qué existe?

De hecho, los gases de escape se pueden expandir más allá de Mach 1, y hacerlo dará como resultado un mayor empuje debido a una mayor eficiencia de propulsión. El problema es que el gas presurizado se expande al contraer el área de la sección transversal cuando es inferior a M1 y al expandirla cuando es superior a M1.

Entonces, para lograr una expansión completa a la presión ambiental$p_0$a una velocidad de escape supersónica, necesitamos una sección transversal que se estreche y luego se expanda para todas las circunstancias de vuelo. La siguiente figura ilustra cómo se hace esto en aviones de combate supersónicos: con un escape de chorro eyector.

El escape primario está montado dentro de una tubería, y los gases de escape en expansión succionan un flujo secundario, que amortigua la expansión del flujo primario para que se produzca gradualmente. El flujo secundario se puede considerar como la parte divergente del escape y protege el escape de metal real del calor del postquemador. En los aviones de combate supersónicos, los escapes primario y secundario son ajustables: la imagen de la izquierda es para velocidad subsónica y la de la derecha para velocidad supersónica.

Por lo tanto, la expansión total es posible pero complicada, con la necesidad de variar constantemente las boquillas de escape.

En primer lugar, es bien sabido que las velocidades de los gases de escape de los aviones pueden volverse supersónicas fácilmente, tomemos un avión de combate, por ejemplo... ¿por qué es esto una restricción en los motores turboventiladores?

Debido a que el flujo principal del turboventilador es a través del ventilador, que es solo un compresor, no se produce combustión en este flujo. En la mayoría de las circunstancias, el flujo de derivación se expande por completo a velocidades subsónicas; si no fuera el caso, construir un total de cuatro boquillas de escape reguladas concéntricas como en la imagen de arriba sería complicado y pesado, con una ganancia muy limitada. Solo por encima de M1.5 habrá una ganancia de empuje significativa de la expansión supersónica completa.

En segundo lugar, a menudo se enfatiza en el material de capacitación que debe evitar pensar que el empuje actúa sobre el aire ambiental detrás del motor, en lugar de pensar en términos de la tercera ley de Newton... pero ¿no es eso exactamente lo que la presión el empuje es? Está definido por la presión × el área sobre la que está actuando...

¡Exactamente correcto!

Boquilla obstruida

Ya sea que vuele supersónico o subsónico, la admisión, el compresor y el difusor de un motor a reacción reducen la velocidad del aire a una velocidad subsónica lenta para que pueda tener lugar la combustión. Cuando la temperatura aumenta bruscamente, parte de esta energía se convierte en velocidad.

Debido a la alta temperatura de combustión, la velocidad del sonido es mucho mayor, por lo que el flujo másico en su camino hacia la tobera es subsónico; ¿guay, verdad? En el flujo subsónico, a medida que se comprime el aire, se acelera y su presión cae.

• La caída de presión diseñada en la boquilla da como resultado que pase un cierto flujo másico debido a la diferencia de presión.

• Déjalo caer más, y en la parte más angosta de la boquilla, la garganta, la velocidad alcanza Mach 1. Ahora el flujo está obstruido.

• Déjalo caer más, y no es físicamente posible más aceleración de subsónico a través de apretar esa garganta fija . La tasa de flujo másico ha alcanzado su máximo (incluso para cohetes).

(Referencia y lectura adicional: Virginia Tech )

Las boquillas de los turboventiladores en los aviones de pasajeros (coanulares) ni siquiera hacen eso, a propósito por razones de eficiencia: cuanto más cerca está la velocidad de escape de la corriente libre, más eficiente es la propulsión. También, ver: Wikipedia: Eficiencia propulsiva § Motores a reacción

Cazas y aviones de alto rendimiento

Los luchadores tienen dos trucos:

1. Escape más caliente, e incluso escape más caliente usando un dispositivo de poscombustión. Cuanto más caliente está el aire, más rápida es la velocidad del sonido, lo que permite que el Mach 1 de un escape sea más rápido que el Mach 1 de flujo libre; genial otra vez verdad?

La temperatura de salida determina la velocidad de salida del sonido, que determina la velocidad de salida.

— NASA: Diseño de boquillas

2. Boquillas de geometría variable: una garganta en expansión permite más flujo de masa a través de la garganta obstruida. A números de Mach de vuelo más altos, la entrada proporciona más compresión y, por lo tanto, se hace posible una mayor tasa de flujo másico. Es por eso que las gargantas se ensanchan cuando el avión es más rápido y/o usa mayor empuje.

Empuje de presión

Debido a las diferentes condiciones de operación en las toberas fijas de los cohetes, se necesita "empuje de presión" para la ecuación de empuje, junto con el cambio en el momento; no es uno u otro, es solo que el empuje de presión es insignificante para los motores de turbina:

La tobera de un motor de turbina generalmente está diseñada para hacer que la presión de salida sea igual a la corriente libre. En ese caso, el término del área de presión en la ecuación general es igual a cero.

— NASA: Ecuación de empuje general

en realidad son dos preguntas-

1) Caudal compresible en conductos

La primera parte de la pregunta aborda cómo acelerar un flujo en conductos a velocidades supersónicas. En términos simples, para flujo comprimible en una tubería con diámetro variable:

• cuando es subsónico, acelera a lo largo de la tubería, cuando el diámetro de la tubería se reduce
• cuando es supersónico, acelera a lo largo de la tubería, cuando la tubería se ensancha.

Para producir un flujo supersónico, necesitas

• un conducto que primero se contrae, para acelerar el flujo a Mach 1 en la garganta,
• luego, un conducto que se expande desde allí, porque de lo contrario no se producirá una mayor aceleración del flujo, y permanecerá en Mach 1
• relación de presión (super)crítica, de lo contrario, el flujo simplemente se acelerará a algo por debajo de Mach1 en la garganta, pero como no es supersónico, la parte divergente desacelerará el flujo nuevamente.

un poco más en profundidad, si quieres: https://en.wikipedia.org/wiki/De_Laval_nozzle , o https://en.wikipedia.org/wiki/Choked_flow

La parte que no se puede acelerar más se refiere a toberas no divergentes. Para los diseños supersónicos, hay una parte sobre la adaptación de la boquilla, lo que significa que, idealmente, la boquilla debería expandirse lo suficiente para que la presión estática de salida coincida con el ambiente atmosférico; de lo contrario, obtendrá una expansión excesiva o insuficiente con una reducción de la eficiencia.

2) Conservación del impulso

De hecho, el empuje consta de dos partes. La idea es que al dibujar un volumen de control en algún lugar, las fuerzas de reacción en este volumen de control son

• Las fuerzas de reacción se equilibran con el cambio de cantidad de movimiento en el flujo.
• la suma de todas las presiones sobre las superficies de ese volumen de control (o matemáticamente más correcto, la integral de la presión normal a la superficie del volumen de control A:$\int_A p \vec{n} dA$)

Como simplificación, podríamos suponer que las diferencias en las presiones antes y después del motor, lo suficientemente lejos, son insignificantes, y luego solo las diferencias en el impulso (velocidad de la corriente * densidad) proporcionan el empuje. Pero si las diferencias de presión son lo suficientemente grandes, esto ya no se puede despreciar.

La formulación matemática se complica un poco, entonces... pero puedes ver los términos de presión.

https://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node78.html