¿Se puede usar una boquilla convergente para un motor a reacción supersónico?

Respuesta corta: Sí.

Una tobera convergente no permitirá velocidades de salida supersónicas de los gases de combustión, pero debido a su alta temperatura su velocidad de sonido es considerablemente mayor que la del aire circundante. Por ejemplo, a 700°C la velocidad del sonido en el aire es de 625 m/s. Dado que el empuje está determinado principalmente por la diferencia en las velocidades de entrada y salida del aire que fluye a través de un motor, se requiere una velocidad mayor que la velocidad de vuelo para un empuje positivo. Las velocidades de vuelo supersónicas bajas son totalmente posibles con una tobera convergente.

Respuesta larga: Mejor no.

Una vez que el avión cruza la barrera del sonido, la resistencia aumenta lentamente, ya que el coeficiente de resistencia desciende. Si el diseño está destinado a volar supersónicamente, lo que implica muchas adaptaciones de diseño, tiene sentido optar por una velocidad supersónica más alta; sin embargo, esto requiere una entrada ajustable y una boquilla convergente-divergente ajustable . Ambos aumentan la eficiencia, de manera espectacular a números de Mach más altos. La entrada de pitot simple del F-16 es lo suficientemente buena para Mach 1.6 (por encima de eso, su eficiencia se vuelve absolutamente horrible), pero aún así su motor F-110 tiene una boquilla con-di.

Con una tobera convergente adaptable, los gases de escape pueden acelerarse hasta la velocidad del sonido, pero no más. Un estrechamiento de la trayectoria del flujo acelerará el flujo subsónico, pero solo a la velocidad del sonido. Solo una trayectoria de flujo divergente acelerará el flujo aún más a una velocidad supersónica. Una tobera convergente será más corta y liviana, pero significa desperdiciar una gran cantidad de energía utilizable con los gases de escape calientes. En la mayoría de los casos, sería más eficiente convertir la energía de presión de los gases de escape en más empuje acelerándolos a una velocidad supersónica.

Las toberas convergentes solo tienen sentido si la aeronave está diseñada solo para carreras supersónicas cortas y limitadas, pero pasará casi todo el tiempo de vuelo a velocidades subsónicas. Ejemplos son el Northrop F-5E o el Panavia Tornado .

¿Puede un caza supersónico incorporar una tobera convergente?

En realidad existe.

El Panavia Tornado tiene una velocidad aérea máxima de Mach 2.2 a 9000m de altitud y tiene toberas convergentes de geometría variable (aunque funcionan solo para el postquemador, mientras que la tobera de la turbina es convergente-divergente):

^{Foto de Airliners.net}

Hay una escuela de pensamiento que sostiene que la tobera convergente es una versión ineficiente de la tobera convergente-divergente. La velocidad del chorro aumentará hasta un máximo en la garganta de la boquilla (área más pequeña) y luego saldrá de la boquilla y se expandirá nuevamente contra la presión atmosférica.

Encontrará que no se usaría una boquilla convergente fija porque una boquilla fija de cualquier tipo será menos eficiente que una boquilla de geometría variable. La capacidad de ajustar la tobera para la presión atmosférica local, la velocidad del aire y la configuración del acelerador del motor es clave para la generación eficiente de empuje.

¿Se podría usar? Sí. Sin embargo, las circunstancias en las que es la mejor opción son probablemente tan limitadas que nunca hacen que sea la elección correcta.

Piloto aquí, así como un ingeniero que logró la mayor parte del camino hacia una licencia de técnico de Airframe and Powerplant en un momento de la vida y trabajó mucho en boquillas, incluso en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (muy divertido).

Si desea comprender las formas de las boquillas, una introducción divertida es leer acerca de la forma que inspiró las boquillas modernas de cohetes (y algunos chorros), la boquilla de Laval .

Tengamos en cuenta que lo que queremos (despreciando por el momento la optimización del volumen de aire para alimentar la combustión) es ALTA VELOCIDAD en el ESCAPE DEL CHORRO DE SALIDA .

En un flujo SUBSÓNICO, el aire permanece comprimible y una tobera subsónica convergente aumenta la velocidad mientras que la presión y la temperatura disminuyen. (En realidad, hay alrededor de una docena de subcasos aquí que estoy seguro de que otros me gritarán, así que considere que P y T disminuyen como una simplificación imperdonable de mi parte para evitar otra página de explicación). Entonces, para un final de escape más lento velocidad , una boquilla convergente tiene mucho sentido.

La situación ideal para el flujo SUPERSONICO es convergente-divergente (ver de Laval nuevamente) porque, para el flujo isoentrópico, la porción convergente acumula energía hasta el punto de la velocidad sónica. Luego, este punto sónico se coloca justo en la "garganta", donde la convergencia se vuelve divergente y la parte divergente convierte el calor y la presión en más velocidad hasta valores supersónicos bastante altos. Tenga en cuenta que un motor a reacción moderno es bastante complicado en el flujo de aire y la "garganta" puede estar muy adentro del motor y no parecerse en absoluto a la garganta de un motor de cohete.

Por estas razones, esperaríamos ver toberas finales convergentes en aviones subsónicos como aviones comerciales y algunos aviones de combate, mientras que los jets supersónicos suelen tener toberas divergentes. Si ve una tobera convergente en un caza con capacidad supersónica, mírela detenidamente para ver si está articulada para cambiar de forma en vuelo , lo cual es bastante común.

Habiendo dicho todo eso, los diseñadores aeroespaciales son muy inteligentes y la inyección de combustible (postquemadores) puede causar un flujo no isoentrópico si está diseñado para ello. Así que no saldré y diré que no hay chorros de boquilla supersónica de boquilla convergente, pero al menos ahora sabes por qué serían la excepción y no la regla :)

Por favor, siéntase libre de publicar preguntas si omití algo que debería abordarse...

Para un avión supersónico, una tobera convergente desacelera el flujo. Esto se requiere solo en el compresor , donde la velocidad del flujo debe ser más lenta, pero después de eso, para obtener más empuje, el flujo debe acelerarse .

Ahora, se puede argumentar que si un flujo supersónico ingresa a una tobera convergente, aceleraría a una velocidad tan subsónica (a aproximadamente Mach 1) después de lo cual la tobera convergente aceleraría el flujo. Pero esto nunca lograría un Mach por encima de 1 para el flujo, porque tan pronto como el flujo supere el Mach 1, la parte convergente de la boquilla lo desaceleraría una vez más. Por lo tanto, el Mach de salida máximo que uno podría esperar obtener de una tobera convergente es 1 (ya sea que la entrada sea supersónica o subsónica).

Ahora, para el vuelo supersónico, es necesario que el número de mach de salida sea mayor que 1. En tales casos, uno tiene que usar la Tobera Divergente Convergente (Tobera CD).

Si alguien desea construir un motor que pueda acelerar un avión a velocidades supersónicas con una velocidad de escape subsónica (o transónica), entonces seguramente solo puede usar toberas convergentes . Pero , hay una trampa:

La ecuación de empuje es:

Aquí, para un motor en flujo libre, Pe es aproximadamente igual a P0. Entonces, para un empuje positivo, los términos que contienen Ve y V0 deberían dar una respuesta positiva. Entonces, para crear un motor donde Ve < V0 (porque V0 es la velocidad de flujo libre que es supersónica, y Ve es la velocidad de salida que se supone que es transónica en este caso), uno tiene que ventilar una gran cantidad de Me a un nivel alto. índice. Esto significará que es técnicamente posible crear un motor que proporcione un vuelo supersónico a una velocidad de escape transónica, pero esa configuración le costará mucho combustible.

Ahora, si considera que la temperatura de salida es muy alta, digamos alrededor de 1200k, y digamos que la temperatura de entrada del vapor libre es de aproximadamente 300k, eso significa que la velocidad de escape puede ser aproximadamente el doble de Mach 1 velocidad del aire a 300k (sin ser supersónico), es decir, unos 630 mps. Si ingresa mach es de aproximadamente 1.2, eso se traduce en una velocidad de flujo libre de entrada de 380 mps (apx). Esto significa que su salida se aceleró de 380 mps a 630 mps, solo por medio de una tobera convergente. Pero esto aún requeriría una gran cantidad de combustible para quemar (porque el empuje requerido generalmente para volar un avión de unos pocos miles de kilogramos de peso es muy alto).

Por lo tanto, es posible, pero a expensas de la eficiencia de la aeronave.