¿Por qué los motores a reacción no pueden operar con aire supersónico y cómo lo reducen?

En una palabra

Un álabe de compresor funciona mejor en flujo subsónico. El flujo supersónico introduce fuentes de arrastre adicionales que deben evitarse si la eficiencia es importante. Por lo tanto, la admisión debe reducir la velocidad del aire a un número de Mach entre 0,4 y 0,5. Tenga en cuenta que la alta velocidad circunferencial de un aspa de ventilador grande aún significará que sus puntas funcionan alrededor de Mach 1.5, pero las etapas posteriores del compresor operarán en condiciones subsónicas.

Un scramjet es posible con combustibles con velocidades de frente de llama supersónicas y una mezcla rápida de combustible y aire. Si el motor quemara queroseno regular, la llama se apagaría como una vela si la velocidad del aire interna fuera supersónica, e incluso si los soportes de llama mantuvieran la llama en su lugar, la mayor parte de la combustión se produciría solo después de que la mezcla de aire y combustible se haya ido. el motor debido a la mezcla lenta de queroseno y aire. Al usar hidrógeno, se puede lograr una combustión estable incluso en flujo supersónico. Debido a las altas velocidades de vuelo, la compresión es posible mediante una cascada de choques, por lo que no se necesita maquinaria en movimiento en los ramjets y scramjets.

Antecedentes: Máximo calentamiento del aire

Todos los surtidores desaceleran el aire en su entrada para aumentar la presión del aire. Esta compresión calienta el aire, y para lograr una combustión que produzca empuje, se debe restringir este calentamiento. Si el aire se calienta por encima de aprox. 6000° K , agregar más energía resultará en la disociación del gas con poco aumento adicional de calor. Dado que el empuje se produce al expandir el aire a través del calentamiento, el aire quemado que ingresa al proceso de combustión ya a 6000 ° K no logrará mucho empuje. Si el aire entra en la admisión a Mach 6, no se debe desacelerar por debajo de aprox. Mach 2 para lograr la combustión con un aumento de temperatura significativo; es por eso que los scramjets se usan en vehículos hipersónicos.

Divulgación completa: el oxígeno comienza a disociarse ya entre 2000° y 4000° K, dependiendo de la presión, mientras que el nitrógeno se disociará principalmente por encima de los 8000° K. La cifra de 6000° K anterior es un compromiso aproximado para el límite donde la adición de más energía comienza a producir cada vez menos sentido. Por supuesto, incluso una temperatura de llama de 6000° K es un desafío para los materiales de la cámara de combustión, y las cerámicas con película de enfriamiento son obligatorias.

La ecuación para la temperatura de estancamiento.$T_0$de aire muestra cuán importante es la velocidad de vuelo$v$es:

$T_{\infty}$es la temperatura ambiente,$c_p$el calor específico a presión constante y$\kappa$la relación de calores específicos. Para gases de dos átomos (como el oxígeno y el nitrógeno),$\kappa$es 1.405. La temperatura aumenta con el cuadrado de la velocidad de vuelo, por lo que a Mach 2 el factor de aumento de calor sobre el ambiente es solo 3,8, mientras que a Mach 6 se convierte en 26,3. Incluso a una temperatura del aire de 220 ° K, el aire se calentará a 5800 ° K cuando se comprime idealmente en el caso de un vehículo hipersónico que viaja a Mach 6. Tenga en cuenta que los procesos de compresión reales calentarán el aire aún más debido a la fricción.

Compresión con golpes

El flujo supersónico se ralentiza por un aumento de presión a lo largo de la trayectoria del flujo. Dado que no es posible una "advertencia anticipada" de lo que se avecina, este aumento de presión es repentino: la presión salta de un valor fijo por delante a un valor fijo más alto más allá del salto. Esto se llama choque. La energía para el aumento de presión se toma de la energía cinética del aire, por lo que, pasado el choque, todos los demás parámetros (velocidad, densidad y temperatura) toman nuevos valores.

Toma de aire F-16 ( fuente de la imagen )

El choque más simple es un choque directo. Esto se puede encontrar en la cara de tomas de aire pitot como la del F-16 (ver la imagen de arriba) en vuelo supersónico. Más comunes son los choques oblicuos que se inclinan según el número de Mach del flujo libre. Suceden en los bordes de ataque y de salida, las narices del fuselaje y los cambios de contorno en general: cada vez que algo desvía el flujo de aire debido a su efecto de desplazamiento, el mecanismo para esta desviación del flujo es un choque oblicuo.

Choque recto y oblicuo (trabajo propio)

El índice 1 denota las condiciones anteriores al choque y el 2 las condiciones posteriores al choque. Para choques rectos débiles, el producto de la velocidad por delante del choque$v_1$y la velocidad más allá del choque$v_2$es igual al cuadrado de la velocidad del sonido:

La misma ecuación funciona para el componente de velocidad normal.$v_n$adelante y más allá de un choque oblicuo débil:

El ángulo de la onda de choque oblicua está determinado por el número de Mach antes del choque.

Tomas supersónicas

Se desean choques débiles, porque producen solo pequeñas pérdidas debido a la fricción. Las tomas de Pitot con sus amortiguadores rectos únicos funcionan bien a velocidades supersónicas bajas, pero incurren en mayores pérdidas a números de Mach más altos. Como regla general, una admisión de Pitot es el mejor compromiso a velocidades por debajo de Mach 1.6. Si la velocidad aerodinámica de diseño es mayor, se necesitan tomas de aire más complejas y pesadas para desacelerar el aire de manera eficiente. Esto se hace mediante una secuencia de choques oblicuos débiles y por medio de una toma de cuña. La siguiente imagen muestra la entrada del avión supersónico Concorde :

Toma de Concorde ( fuente de la imagen )

El aumento gradual del ángulo de la cuña está causando una cascada de choques oblicuos cada vez más pronunciados que desaceleraron gradualmente el aire. El objetivo del diseño es posicionar esta cascada de impactos causados ​​por la cuña en la parte superior de modo que golpeen el labio de admisión inferior. Esto se hace mediante un contorno móvil de la geometría de admisión superior y/o el labio. El objetivo es lograr una velocidad uniforme en la sección transversal de entrada y no desperdiciar nada del aire comprimido en el flujo alrededor de la entrada. Vea la imagen de la admisión del Eurofighter a continuación para ver un ejemplo de un labio de admisión móvil (que ciertamente es principalmente para aumentar el área de captura a baja velocidad y para evitar la separación del flujo incluso con un radio de labio de admisión pequeño).

Admisión de Eurofighter ( fuente de la imagen )

Una vez que el aire ha entrado en la entrada, solo es levemente supersónico y se puede desacelerar aún más con un golpe recto final en el punto más estrecho de la entrada. Después de ese punto, el contorno de admisión se ensancha gradualmente, de modo que el aire se desacelera aún más sin separación. Para lograr esto, es obligatorio un flujo muy uniforme a través del área de la toma, e incluso se debe evitar la ligera perturbación causada por la capa límite de cualquier cosa que esté por delante de la toma. Esto se logra mediante una placa divisoria que es claramente visible en las imágenes de las tomas de aire del F-16 y Eurofighter. La placa divisoria de la admisión del Eurofighter está incluso perforada para succionar allí la primera capa límite.

La desaceleración del flujo de admisión da como resultado un aumento significativo de la presión: en el caso del Concorde a Mach 2.02 de crucero, la admisión provocó un aumento de presión por un factor de más de 6, por lo que el compresor del motor tuvo que agregar "solo" un factor de 12, de manera que la presión en la cámara de combustión de los cuatro motores Olympus 593 era 80 veces mayor que la presión ambiental (ciertamente, esta presión ambiental era de solo 76 mbar en la altitud de crucero de 18 km).

Este aumento de presión significa que una toma supersónica debe construirse como un recipiente a presión, y la cara rectangular de la toma debe cambiarse rápidamente a una sección transversal redonda aguas abajo para mantener baja la masa de la estructura de la toma.

Admisiones a mayor velocidad

Ir más rápido significa que la recuperación de la presión de admisión aumenta con el cuadrado de la velocidad de vuelo: en el caso de la admisión del SR-71 a Mach 3,2, la presión en la cara del motor ya era casi 40 veces mayor que la presión ambiental. Ahora queda claro que ir más rápido que Mach 3.5 elimina la necesidad de un turbocompresor: a estas velocidades, una admisión diseñada adecuadamente puede lograr suficiente compresión por sí misma para que la combustión produzca suficiente empuje, y si se supera Mach 5, será necesario restringir la desaceleración. reducir el flujo de admisión para tener suficiente margen de temperatura para la combustión, lo que requiere un flujo supersónico en la cámara de combustión.

Para evitar ondas de choque en los álabes del compresor que dejarían inutilizable el motor debido a las grandes fluctuaciones de presión que causarían fatiga y fallos en los álabes y al alto nivel de resistencia que se desarrolla en los flujos supersónicos que tendrían el efecto de ralentizando las palas a medida que giraban. De hecho, el motor simplemente no funcionaría con un flujo supersónico entrando en él.

Además, el flujo debe reducirse lo más posible para permitir suficiente tiempo en la cámara de combustión para que el combustible se queme por completo.

Entonces... se usa una forma de cono o rampa en la entrada para crear una pequeña onda de choque frente al motor que reduce la velocidad del aire entrante a velocidades subsónicas y permite que el motor a reacción funcione de manera eficiente.

Un estatorreactor puede usar el aire comprimido porque está diseñado para hacerlo. Un excelente caso de estudio es el SR-71 Blackbird, que tenía conos de motor que se movían hacia adelante y hacia atrás en función de la velocidad/altitud, para pasar de un perfil de misión de turbina a un estatorreactor. (Dato curioso: ese avión es tan rápido que el límite de su velocidad no proviene de la potencia del motor, sino de DERRETIRSE EL AVIÓN porque va muy rápido). El SR-71 tenía "Puertas de derivación" para cerrar la turbina principal. del motor cuando se opera en un perfil estatorreactor.

Un estatorreactor , a veces denominado tubo de estufa volador o athodyd, es una forma de motor a reacción que respira aire y utiliza el movimiento hacia adelante del motor para comprimir el aire entrante sin un compresor rotativo. Los estatorreactores no pueden producir empuje a velocidades aerodinámicas cero; no pueden mover un avión desde parado. Por lo tanto, un vehículo propulsado por estatorreactor requiere un despegue asistido como un JATO para acelerarlo a una velocidad en la que comience a producir empuje. Los ramjets funcionan de manera más eficiente a velocidades supersónicas alrededor de Mach 3. Este tipo de motor puede operar hasta velocidades de Mach 6.

Un scramjet es una variante de un motor a reacción ramjet que respira aire en el que la combustión tiene lugar en un flujo de aire supersónico. Al igual que en los ramjets, un scramjet se basa en la alta velocidad del vehículo para comprimir con fuerza el aire entrante antes de la combustión, pero un ramjet desacelera el aire a velocidades subsónicas antes de la combustión, mientras que el flujo de aire en un scramjet es supersónico en todo el motor. Esto permite que el scramjet funcione de manera eficiente a velocidades extremadamente altas: las proyecciones teóricas sitúan la velocidad máxima de un scramjet entre Mach 12 y Mach 24.

Además del hecho de que más allá de esos 6000K la combustión no proporciona mucha expansión, también está el hecho de que desacelerar el flujo a subsónico aumenta la resistencia del motor porque las ondas de choque no son reversibles y, por lo tanto, la presión no se recupera en la parte posterior (imagínese un apagado). motor con flujo subsónico interno que viaja a esa velocidad, tendría una gran resistencia debido a las ondas de choque). A velocidades hipersónicas, superar ese arrastre en la parte superior del arrastre del fuselaje sería un no-no. Por eso dudo que la solución para el motor SABRE (puedes googlearlo), que tiene un flujo subsónico interno, sea factible aunque logre un alto grado de enfriamiento antes de llegar al compresor.

¿Por qué los motores a reacción no pueden operar con aire supersónico?

"Porque no ha habido ningún caso comercial para desarrollar un motor con flujo supersónico en la entrada al compresor". Las ventajas serían las mismas que condujeron a los compresores transónicos (flujo relativo supersónico sobre parte de la envergadura de los álabes) actuales, es decir, más pequeños y livianos. Los compresores con flujo relativo supersónico en toda la extensión de los álabes han sido probados en equipos de perforación a velocidades de estado estable, por ejemplo, consulte Naca RM E55A27. Los problemas que deben abordarse (hay muchos) incluirían el engrosamiento de la capa límite inducido por el impacto y la separación en los pasajes de las paletas del compresor, lo que causa una pérdida inaceptablemente alta de la energía potencialmente "útil" que el rotor del compresor está poniendo en el aire (habría demasiado aumento de temperatura y no suficiente densidad y aumento de presión) Sin embargo, pueden operar y funcionan con aire supersónico, pero solo sobre la parte exterior de las etapas delanteras del ventilador y del compresor central. Tenga en cuenta que este aire es solo supersónico en relación con las palas del rotor que giran rápidamente y se genera automáticamente dentro del motor, es decir, no se recibe como aire supersónico desde la entrada (vea la razón por la cual el aire que sale de la entrada y entra al motor es subsónico en la siguiente respuesta).

El trabajo del compresor es comprimir y, por lo tanto, el rotor, que primero tomó el aire y lo hizo girar a alta velocidad, también tiene que reducir la velocidad dentro del pasaje entre las palas del rotor que giran (y también a través de los siguientes pasajes de las paletas del estator), es decir tiene que comprimirlo si quiere llamarse compresor (no disminuir la velocidad significaría que no aumenta la presión). Los perfiles de las palas del rotor del compresor y el área divergente de los pasajes entre ellos dan lugar al tipo de ondas de choque que tienen un flujo subsónico detrás de ellas. Las ondas de choque, que son el mecanismo natural para pasar de un flujo supersónico a uno subsónico, interactúan con las capas límite de los álabes y el espesamiento y la separación del bl significan pérdidas elevadas y las pérdidas son lo que mide la eficiencia del compresor.

¿Cómo reducen los motores a reacción el aire supersónico?

La pregunta es ¿cómo funciona el motor?reducir la velocidad del aire. A menudo se dice que la admisión ralentiza el aire. Sin embargo, el aire disminuirá la velocidad de todos modos, con o sin entrada. El flujo de aire a través del motor y, por tanto, la velocidad subsónica a la entrada del compresor, se establece en primera instancia a petición del piloto, es decir, la velocidad del compresor/flujo de combustible. A velocidad supersónica, si no hay admisión, el aire se ralentiza hasta la velocidad de entrada subsónica a través de una onda de choque plana. Para mejorar la parte de la 'relación de presión general' de la eficiencia del motor, se agrega una admisión que es un compresor supersónico más eficiente que el de flujo libre, es decir, tiene características que producen una mayor elevación del ariete en la entrada del compresor y menos arrastre de derrames alrededor del fuera del motor (vea más adelante cuando no

Cuando la toma no hace su trabajo. Esto ocurrió muchas veces al volar aviones YF12 y SR71 a altas velocidades supersónicas. En una fracción de segundo, la admisión aumentaría la pérdida de presión total del aire que ingresa al compresor desde su valor de diseño bajo de alrededor del 20 % a alrededor del 70 %. La admisión había cambiado (es decir, no había comenzado) de ser una admisión supersónica eficiente a ser del tipo más ineficiente posible, es decir, una admisión de pitot con una desaceleración del aire de Mach 3 a subsónico en un paso violento en lugar de varios pasos más suaves.

El aire en la admisión se ralentiza "porque el motor tiene áreas de control dentro del motor que establecen la velocidad axial promedio del aire a través del motor (que debe ser baja para mantener las pérdidas de presión a un nivel aceptablemente bajo) y, por lo tanto, en la entrada a el motor y esta velocidad es subsónica". Las altas velocidades del aire solo ocurren donde se produce el intercambio de energía, es decir, desde los rotores del compresor al aire entrante y desde los gases de combustión salientes a la turbina, y donde el número de Mach bajo fluye en el jetpipe (es bajo para mantener las pérdidas de presión a un nivel bajo). un valor aceptable) acelera a la velocidad sónica en la garganta de la boquilla.

Las áreas de control son las áreas de la garganta de los álabes guía de la tobera de la turbina y la tobera de escape donde el número de Mach del gas es 1 y no puede ser mayor. Como se indicó en una respuesta anterior, el requisito de baja velocidad del aire a través de la cámara de combustión establece la velocidad del aire a la entrada del compresor. A partir de este flujo subsónico, el compresor puede generar su propio flujo supersónico en relación con las palas de su rotor si su turbina lo impulsa lo suficientemente rápido.