¿Por qué el Tu-95 es tan eficiente a pesar de tener hélices que giran más rápido que la velocidad del sonido?

He dicho muchas, muchas veces que las hélices no son eficientes cerca de la velocidad del sonido porque es muy difícil obtener una velocidad punta superior a Mach 1.

Entonces me encontré con esto:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Es el Tu-95 "Bear" , un bombardero propulsado por hélice cuyas puntas de pala se mueven más rápido que la velocidad del sonido. Este es el único avión de hélice que he visto cuyas puntas de pala hacen esto. Incluso hubo informes de que los SONAR de los submarinos podían escucharlo desde muy lejos porque las puntas de las palas supersónicas eran muy ruidosas.

Y el avión tiene una autonomía de 15.000 km. Eso es bastante bueno, a la par de los enormes aviones comerciales de hoy.

Entonces, ¿cómo pueden las hélices ser muy ineficientes a velocidades supersónicas y, sin embargo, algo como esto se puede construir solo con la potencia de la hélice?

Editar: Aquí está el punto principal de mi pregunta: parece que "toda mi vida" me han dicho, "las hélices no son eficientes a velocidades de punta supersónicas, y esto es lo que llevó a la industria a la potencia de los aviones". Y, sin embargo, aquí está este aparente contraejemplo, el Tu-95. Como es esto posible? ¿Qué me estoy perdiendo?

Aquí hay una pregunta algo relacionada que pregunta si las palas de los helicópteros se vuelven supersónicas regularmente. Este es otro punto que he escuchado muchas veces: las aspas de los helicópteros no hacen eso porque los haría muy ineficientes. Supongo que los rotores se rigen efectivamente por las mismas leyes de eficiencia que una hélice para un avión de ala fija.

Editar: el B-52 se mencionó en comparación, así que aquí hay algunas cifras:

Modelo Capacidad de combustible [L] Peso cargado [kg] Autonomía [km] B-52 181 , 610 120 , 000 dieciséis , 230 Tu-95 95 , 000 171 , 000 15 , 000

Esto para mí dice que el Tu-95 es mucho más eficiente , porque tiene un peso significativamente mayor y una capacidad de combustible significativamente menor, pero tiene aproximadamente el mismo alcance.

FWIW, fue el sistema SOSUS de EE. UU., en.wikipedia.org/wiki/SOSUS , el que pudo detectar los "osos", no necesariamente submarinos individuales...
Largo alcance no significa necesariamente que sea eficiente. Está diseñado para ser un bombardero de largo alcance (intercontinental), por lo que tiene sentido que tenga un largo alcance. El US B-52 del mismo período tiene un alcance ligeramente mayor a 8760 nmi (16 230 km) a pesar de volar significativamente más rápido. Eso no significa que ninguno de los aviones fuera necesariamente eficiente en combustible.
@reirab Edité el OP con ese ejemplo. En todo caso, esto hace que el Tu-95 sea mucho más eficiente.
@ROIMaison gracias por mostrar cómo colocar los datos en una tabla, pero tenga más cuidado en el futuro, ya que las cifras de B-52 y Tu-95 se mezclaron. Los volví a cambiar.
Mi mención del B-52 fue solo para señalar que el alcance no implica eficiencia, por no decir que el B-52 era más eficiente.
El XF-84H Thunderscreech también tenía una hélice supersónica.
@ Compro01 Bien, eso hace 2 que yo sepa y 1 que se puso en producción.
La etiqueta del motor de pistón es errónea, ya que creo que el Tu-95 usa motores turbohélice.
El oso es extremadamente ruidoso. Comprendí que el ruido se debía a las hélices contrarrotantes. Cada pala de una hélice crea una pequeña onda de choque. Cuando tiene hélices que giran en sentido contrario, las ondas de choque de la hélice trasera se cruzan con las ondas de choque de la hélice delantera. Donde tiene 4 palas en cada apoyo, ocurren 4 de tales intersecciones, simultáneamente, 4x / revolución. Eso se suma a los niveles de ruido extremos. Un número diferente de palas entre los dos accesorios daría como resultado una amplitud más baja (sin intersecciones simultáneas) y una frecuencia más alta (posiblemente por encima del rango auditivo humano).
@ Meower68 no solo porque giran en sentido contrario, sino que las puntas producen vórtices supersónicos que ya son bastante fuertes.
Esas cifras de comparación se ven muy extrañas. Creo que la columna de 'peso cargado' intenta comparar 2 elementos diferentes: para el B-52, 120 t es el peso con carga pero sin combustible, para el Tu-95 parece ser al revés (combustible pero sin carga) . Las cifras del B-52 tampoco cuadran: solo podría transportar 181 kl de combustible si no llevara bombas. 181 kl de combustible pesan 140 t, con un peso cargado de 120 t y una carga completa de combustible terminaría muy por encima del MTOW indicado.

Respuestas (3)

Sí, las hélices tienen problemas a alta velocidad, pero si se hacen bien, aún tienen una ventaja sobre los turboventiladores a velocidades de hasta Mach 0,8. Mire las góndolas internas del motor del Tu-95: son alargadas y más gruesas detrás del borde de fuga. Esto se hizo para guardar el tren de aterrizaje en ellos, pero también para gobernar el área del avión. El Tu-95 aplica el conocimiento que se obtuvo solo en la era temprana del jet. Esto, por supuesto, también explica el ala en flecha.

A continuación, utiliza hélices contrarrotantes que giran muy lentamente (solo 750 RPM). Al tener dos hélices coaxiales que giran en dirección opuesta, se mejora la eficiencia a alta velocidad. La primera hélice hace girar previamente el flujo para que las condiciones de flujo en la segunda hélice sean más favorables para la creación de empuje.

Las puntas de las aspas del ventilador de un turboventilador moderno también se mueven a una velocidad supersónica, por lo que las hélices supersónicas del Tu-95 no crean una desventaja directa. Manteniendo bajo el grosor relativo de la hoja cerca de la punta, el aumento de la resistencia se puede mantener en niveles tolerables. Pero no se equivoque: el flujo supersónico agrega arrastre de onda, y especialmente alrededor de Mach 1, el coeficiente de arrastre de elevación cero de todo lo que se mueve a través del aire tiene un máximo. Haría que el Tu-95 fuera aún más eficiente si volara a una velocidad de crucero más baja donde las puntas de las hélices todavía son subsónicas, pero Tupolev quería llevar el diseño al número Mach de crucero más alto utilizable.

Lo que aprendiste sobre hélices y chorros no está mal, pero tampoco es un mundo en blanco y negro. Los aviones de pasajeros utilizan motores a reacción para volar a la velocidad de crucero más alta posible, pero a costa de un mayor consumo de combustible. Si se limitaran a velocidades más bajas, se podría ahorrar mucho combustible . Pero muy pocas personas reservarían estos vuelos, porque en las rutas intercontinentales tardarán mucho más. Tenga en cuenta que los turbohélices todavía se utilizan en el tráfico aéreo regional, e incluso los jets regionales tienen velocidades de vuelo más bajas que los jets intercontinentales.

Ahora a las eficiencias de los tipos de motores:

  1. Los motores de pistón son los motores de aviación más eficientes en combustible. Su inconveniente es una salida de potencia constante sobre la velocidad, por lo que el empuje es inverso a la velocidad. Esto ayuda a la aceleración en el despegue, pero limita la velocidad máxima. Un motor de pistón moderno utiliza 240 g de combustible para proporcionar 1 kW de potencia durante una hora: 240 g/kW-h. Los motores diésel utilizan tan solo 220 g/kW-h. Este número ya es cierto para el antiguo Jumo 205 , uno de los primeros motores diésel de aviación en funcionamiento hace 80 años.
  2. Los motores turbohélice son los siguientes, y su potencia aumenta un poco con respecto a la velocidad debido a la presión del ariete (lo que aumentará la presión interna en el motor en aproximadamente un 30 % a Mach 0,8). Su consumo específico de energía es de unos 300 g/kW-h, pero disminuye con el aumento de tamaño, por lo que los turbohélices más grandes se acercan a los niveles de eficiencia de los motores de pistón.
  3. Los motores a reacción son menos eficientes que ambos, pero son mejores para volar rápido y alto. Su empuje cae aún menos con la velocidad, por lo que la mejor base para expresar el consumo es el empuje, no la potencia. El consumo típico de combustible de un motor a reacción moderno ( GE-90 ) es de 30 gramos de combustible por Newton de empuje durante una hora (30 g/Nh) cuando funciona estacionario, y el doble en crucero a Mach 0,85. Los motores a reacción militares modernos alcanzan 80 g/Nh en el despegue y tienen un empuje y un consumo específico sobre la velocidad aproximadamente constantes. Dado que la mayor parte de la innovación ocurre en los turboventiladores en estos días, los turboventiladores más modernos nuevamente se acercan a los niveles de eficiencia de los motores de pistón, pero si compara el mismo estándar tecnológico, son menos eficientes que sus contemporáneos de pistón y turbohélice.

En todos los casos, el empuje se crea acelerando una masa de aire hacia atrás. La ecuación general para la eficiencia de propulsión η es

η = v ∞ v ∞ + Δ V 2 ,
dónde Δ v es el aumento de velocidad de la masa de aire debido a esa aceleración. Esta fórmula muestra que es mejor acelerar un poco una gran masa de aire que acelerar mucho una masa más pequeña. Las hélices hacen esto y por eso ofrecen la mejor eficiencia. Los turbohélices utilizan turbinas de gas menos eficientes pero más livianas para generar energía, pero conservan la hélice eficiente. Los turboventiladores civiles intentan aumentar la masa de aire aumentando su relación de derivación , y solo los militares utilizan los tipos menos eficientes con relaciones de derivación inferiores a 1, porque son la mejor opción a velocidad supersónica.

A continuación, verá un gráfico del consumo de combustible específico de empuje en condiciones de crucero de diferentes tipos de motores sobre su relación de derivación. La relación inversa es fácilmente visible.

Gráfico de consumo de combustible específico de empuje sobre la relación de derivación

Gráfico del consumo de combustible específico de empuje en lb de combustible por lb de empuje por hora de diferentes motores sobre el logaritmo de su relación de derivación ( fuente de la imagen ).

Para hacer posible una comparación entre motores de pistón y turbofan, comparemos el consumo de combustible en el despegue. La fórmula para el empuje estático de una hélice es

T 0 = PAG 2 ⋅ η PAG r o pag 2 ⋅ π ⋅ d PAG 2 ⋅ ρ 3 ,
dónde PAG es la potencia del eje, d pag el diámetro de la hélice y ρ la densidad del aire Para nuestro ejemplo, utilizamos una hélice de cuatro palas de 3,4 m de diámetro y un motor de 1111 kW de potencia. Su empuje estático es de 10.727 kN cuando asumimos condiciones atmosféricas estándar y una eficiencia del puntal del 85%. El flujo de combustible será de 266,6 kg por hora y, en relación con el empuje, será de 24,8 g/Nh o solo el 80 % del de un turboventilador moderno.

Me pregunto si incluso los entusiastas podrían adivinar qué avión usé , porque lo ofusqué usando esas unidades métricas desconocidas. Supongo que nadie discutirá que no está optimizado para vuelos rápidos, por lo que esta comparación también debería ser válida para el Tu-95, del que tengo menos datos disponibles.

Aquí sigue la expansión solicitada en las velocidades de la punta de la hélice. Gracias al excelente comentario de @JanHudec no queda mucho por decir: El diámetro de la hélice es de 5,6 m y su velocidad es de 750 RPM, por lo que la componente circunferencial es 5.6 ⋅ π ⋅ 750 / 60 = 220 metro / s . Agregue a esto la velocidad de crucero de Mach 0,67 (tomada de este sitio ; otros enumeran números bastante increíbles) en altitud, donde la velocidad del sonido es de 295 m/s. Mach 0,67 equivale allí a 197,65 m/s, y la suma de vectores da 295 m/s para las puntas de las hélices, exactamente Mach 1,0. Esto significa que la hélice es subsónica en toda su envergadura.

Pero la velocidad máxima es un poco más alta. Gracias al excelente trabajo de Ferdinand Brandner y su equipo en los años cincuenta, los motores NK-12 ya desarrollaban 12.000 caballos de fuerza en ese momento, y desde entonces su potencia se ha elevado a 14.795 HP. Esto permite una velocidad máxima de Mach 0,82, y ahora la velocidad máxima es de 327 m/s o Mach 1,08, levemente supersónica. Esto significa que el 30% exterior de la hélice experimenta un flujo supersónico.

No puedo encontrar una fuente para las cifras de rango que enumera en su pregunta. Una vez más me refiero a este sitio : Son 7.800 millas o 12.552 km a una velocidad de crucero de 400 nudos o 179 m/s, lo que equivale a Mach 0,606 en altitud, lo que da como resultado Mach 0,96 para las puntas de las hélices. Por lo tanto, parece que el mejor alcance se alcanza con las puntas de las hélices subsónicas.

Gracias por estos datos, pero ¿podría agregar más sobre la velocidad de la punta de la hélice? Edité el OP para enfatizar que las velocidades de punta supersónicas son supuestamente muy ineficientes y de ahí viene mi pregunta. Además, tenga más cuidado al editar mis datos en una tabla. El Tu-95 y el B-52 tenían figuras mezcladas; Los volví a cambiar.
@ DrZ214: No edité tu pregunta; Tenía todas las manos llenas con mi respuesta.
ups. ¿Dónde encuentro el historial de revisiones? o tengo ese privilegio todavía? Todavía soy nuevo en el sitio.
@ DrZ214 Hay un enlace al final de su pregunta que dice "editado hace x minutos/horas". Si hace clic en eso, le muestra el historial de revisión completo.
@reirab ok, gracias, supongo que seré yo quien tenga más cuidado en el futuro.
750RPM/60*2*pi=78,5 radianes por segundo. (334 m/s) / (78,5 rad/s) = radio de hélice de 4,25 m. Eso no parece correcto para la envergadura de 50,10 m aquí. en.wikipedia.org/wiki/Tupolev_Tu-95 Si 4.25m fuera correcto, el diámetro combinado de todas las hélices sería 4.25*8=34m, o 34/50.10=68% de la envergadura. Ese no parece ser el caso.
@steveverrill, presumiblemente los 334 m/s serían la magnitud total de la velocidad de las puntas de las hélices, incluido el componente delantero (¿de dónde sacaste el número? No lo veo en la respuesta ni en la wiki y no es la velocidad de sonido, que es de alrededor de 300 m/s en FL350). A una velocidad máxima de 255 m/s, la componente orbital 334 2 − 255 2 es solo 217 m/s y 217/78.5 es solo 2.76 m.
"Los motores diésel consumen tan solo 200 g/kW-h" Pfft. ¡Volkswagen puede usar mucho menos que eso! Oh espera...
@JanHudec 1. Hay muchos valores diferentes para la velocidad del sonido en los 300 bajos según las condiciones. El artículo de Wikipedia sobre la velocidad del sonido da 343,2 m/s. Es posible que haya transpuesto los dígitos por error. 2. La pregunta establece claramente que las puntas "giran" más rápido que la velocidad del sonido. Sentí que algo no cuadraba, me dio curiosidad y lo comprobé. De cualquier manera, son unos propulsores enormes.
@steveverrill, la velocidad del sonido es una función de la temperatura. A temperatura promedio (ISA) en FL350, la velocidad del sonido es de 301 m/s. No baja mucho más que eso, porque la temperatura solo disminuye hasta la tropopausa y eso no es mucho más alto. Pero, por supuesto, el punto importante es que las puntas son supersónicas cuando se agrega la velocidad de avance.
¿ Los motores de pistón son más eficientes en combustible que los motores de turbina? Eso no puede ser correcto: los motores alternativos son generalmente la mitad de eficientes que los motores de turbina. Debe estar queriendo decir algo diferente, o haber omitido alguna calificación crítica.
@feetwet: Un pistón que se mueve en un cilindro es un compresor bastante eficiente. Tal vez necesites trabajar en tus prejuicios.
Buena respuesta. Solo un comentario rápido: creo que el término preciso es puntales contrarrotantes, no contrarrotantes .
@BenSchwehn: Sí, me lo perdí. También se agregó el enlace obligatorio de Wikipedia. ¡Gracias por tu ayuda!
¿Cuánto de la ventaja de la eficiencia se debe simplemente a una velocidad de crucero más lenta?
@RobinBennett: Tienes razón, volar más lento debería ayudar independientemente de los efectos de Mach. Los detalles dependen de la carga alar y la altitud de crucero, y esperaría que la oficina de diseño de Tupolev optimizara el diseño para Mach 0,7 (la velocidad económica del Tu-114 era Mach 0,71) y agregara la capacidad de Mach 0,82 solo para volar sobre territorio hostil. A la misma altitud, una velocidad un 15 % más alta reduciría la L/D en solo un 8 %.

Esta no es una respuesta específica de Tu-95. Tenga en cuenta que una hélice produce fuerza de la misma manera que el ala de un avión. Las alas subsónicas y supersónicas producen sustentación, aunque utilizan perfiles de diseño muy diferentes. Obtendría una buena mirada de cerca a la hélice para ver cómo está diseñada el área de la punta. Puede tener forma de diamante, como un perfil aerodinámico supersónico, o puede ser muy plano, donde la función no es la elevación, sino reducir la pérdida de energía del vórtice, como la de los aviones comerciales más nuevos. Siempre que la porción supersónica de la hélice no tenga el perfil de un perfil aerodinámico subsónico, no producirá los efectos indeseables.

En realidad, no es inusual que las velocidades punta se vuelvan supersónicas. De hecho, casi todos los turboventiladores modernos lo hacen en configuraciones de alto empuje. La próxima vez que tome un avión, siéntese en un asiento junto a la ventana delante de los motores donde pueda "ver" las aspas del ventilador. Durante el despegue, escuchará un zumbido inconfundible del ventilador. Esas son las características de las velocidades de punta supersónicas. También notará que el último diseño tiene un barrido inverso repentino en las cuchillas cerca de las puntas. Eso es para mitigar los golpes.

¿Por qué el Tu-95 es tan eficiente a pesar de tener hélices que giran más rápido que la velocidad del sonido?
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