Normalmente, os jatos não podem operar quando o fluxo de ar de admissão é supersônico em relação ao motor. Porque isto é assim? Além disso, por que os scramjets são capazes de usar ar supersônico?
Para diminuir a velocidade do ar para velocidades subsônicas, o ar passa por uma onda de choque (se bem entendi). Como isso diminui a velocidade do ar?
Para evitar ondas de choque nas pás do compressor, o que tornaria o motor inutilizável por causa das flutuações de pressão muito grandes que causariam fadiga e falha das pás e por causa do alto nível de arrasto desenvolvido nos fluxos supersônicos que teriam o efeito de desacelerando as lâminas enquanto giravam. De fato, o motor simplesmente não funcionava com um fluxo supersônico.
Além disso, o fluxo precisa ser diminuído o máximo possível para permitir tempo suficiente na câmara de combustão para que o combustível queime completamente.
Então ... um formato de cone ou rampa na entrada é usado para criar uma pequena onda de choque na frente do motor, diminuindo a velocidade do ar que entra para velocidades subsônicas e permitindo que o motor a jato opere com eficiência.
Um ramjet é capaz de usar o ar comprimido porque foi projetado para isso. Um excelente estudo de caso é o SR-71 Blackbird, que possuía cones de motor que se moviam para frente e para trás com base na velocidade / altitude, para fazer a transição de uma turbina para um perfil de missão ramjet. (Curiosidade: esse avião é tão rápido que o limite de sua velocidade não vem da potência do motor, mas de Derretendo o avião porque está indo muito rápido.) O SR-71 tinha "portas de derivação" para fechar a turbina principal do motor ao operar com um perfil de jato de ram.
A ramjet às vezes chamado de stovepipe voador ou athodyd, é uma forma de motor a jato de respiração que usa o movimento para frente do motor para comprimir o ar que entra sem um compressor rotativo. Ramjets não podem produzir empuxo com velocidade zero; eles não podem mover uma aeronave parado. Um veículo movido a jato de ram, portanto, requer uma decolagem assistida como um JATO para acelerá-lo a uma velocidade em que começa a produzir empuxo. Os ramjets funcionam com mais eficiência em velocidades supersônicas em torno do Mach 3. Este tipo de motor pode operar até velocidades de Mach 6.
A scramjet é uma variante de um motor de jato de ar ramjet no qual a combustão ocorre no fluxo de ar supersônico. Como nos ramjets, um jato de scram conta com alta velocidade do veículo para comprimir com força o ar que entra antes da combustão, mas um jato de ram desacelera o ar para velocidades subsônicas antes da combustão, enquanto o fluxo de ar em um jato de scram é supersônico em todo o motor. Isso permite que o scramjet opere com eficiência a velocidades extremamente altas: projeções teóricas colocam a velocidade máxima de um scramjet entre o Mach 12 e o Mach 24.
Em poucas palavras
Uma lâmina de compressor funciona melhor em fluxo subsônico. O fluxo supersônico introduz fontes de arrasto adicionais que devem ser evitadas se a eficiência for importante. Assim, a entrada precisa diminuir a velocidade do ar para um número Mach entre 0.4 e 0.5. Observe que a alta velocidade circunferencial de uma grande lâmina de ventilador ainda significa que suas pontas funcionam em torno do Mach 1.5, mas os estágios subsequentes do compressor operam em condições subsônicas.
É possível um scramjet com combustíveis com combustível supersônico velocidades dianteiras da chama e rápida mistura de combustível e ar. Se o motor queimar querosene comum, a chama seria soprada como uma vela se a velocidade do ar interna fosse supersônica e, mesmo que porta-chamas Para manter a chama no lugar, a maior parte da combustão ocorreria somente após a mistura combustível-ar ter deixado o motor devido à lenta mistura de querosene e ar. Usando hidrogênio, uma combustão estável pode ser alcançada mesmo em fluxo supersônico. Devido às altas velocidades de vôo, a compressão é possível por uma cascata de choques, de modo que nenhuma turbomáquina móvel é necessária em jatos e jatos de ar.
Antecedentes: Aquecimento máximo do ar
Todos os jatos desaceleram o ar na entrada para aumentar a pressão do ar. Essa compressão aquece o ar e, para alcançar uma combustão que produz empuxo, esse aquecimento deve ser restrito. Se o ar for aquecido acima de aprox. 6,000 ° K, adicionar mais energia resultará na dissociação do gás com pouco mais aumento de calor. Como o impulso é produzido pela expansão do ar através do aquecimento, a queima de ar que entra no processo de combustão já no 6,000 ° K não alcançará muito impulso. Se o ar entrar na entrada do Mach 6, não deve ser desacelerado abaixo de aprox. O Mach 2 ainda consegue combustão com um aumento significativo de temperatura - é por isso que os scramjets são usados em veículos hipersônicos.
Divulgação completa: O oxigênio já começa a se dissociar entre 2,000 ° e 4,000 ° K, dependendo da pressão, enquanto o nitrogênio se dissocia principalmente acima de 8,000 ° K. A figura de 6,000 ° K acima é um compromisso aproximado para o limite, onde a adição de mais energia começa a gerar menos e menos sentido. Obviamente, mesmo uma temperatura de chama 6,000 ° K é um desafio para os materiais da câmara de combustão e a cerâmica com resfriamento de filme são obrigatórios.
A equação da temperatura de estagnação $ T_0 $ do ar mostra a importância da velocidade de vôo $ v $: $$ T_0 = T _ {\ infty} \ cdot \ frac {v ^ 2} {c_p} = T _ {\ infty} \ cdot \ left (1 + \ frac {\ kappa - 1} {2} \ cdot Ma ^ 2 \ right) $$
$ T _ {\ infty} $ é a temperatura ambiente, $ c_p $ o calor específico a pressão constante e $ \ kappa $ a proporção de aquecimentos específicos. Para gases atômicos (como oxigênio e nitrogênio), $ \ kappa $ é 1.405. A temperatura aumenta com o quadrado da velocidade de vôo, portanto, no Mach 2, o fator de aumento de calor sobre a temperatura ambiente é apenas 3.8, enquanto no Mach 6 isso se torna 26.3. Mesmo na temperatura do ar 220 ° K, o ar será aquecido até 5,800 ° K quando for idealmente comprimido no caso de um veículo hipersônico viajando no Mach 6. Observe que os processos reais de compressão aquecem o ar ainda mais devido ao atrito.
Compressão com choques
O fluxo supersônico é abrandado por um aumento de pressão ao longo do caminho do fluxo. Como nenhum "aviso prévio" do que está por vir é possível, esse aumento de pressão é repentino: a pressão salta de um valor fixo à frente para um valor fixo mais alto após o salto. Isso é chamado de choque. A energia para o aumento da pressão é retirada da energia cinética do ar; portanto, após o choque, todos os outros parâmetros (velocidade, densidade e temperatura) assumem novos valores.
Entrada de ar F-16 (foto fonte)
O choque mais simples é um choque direto. Isso pode ser encontrado na face de entradas de pitot como a do F-16 (veja a figura acima) em voo supersônico. Mais comuns são os choques oblíquos, que são inclinados de acordo com o número Mach do fluxo livre. Elas acontecem nas bordas dianteira e traseira, nariz da fuselagem e alterações de contorno em geral: sempre que algo dobra o fluxo de ar devido ao seu efeito de deslocamento, o mecanismo para essa dobra do caminho do fluxo é um choque oblíquo.
choque reto e oblíquo (trabalho próprio)
O índice 1 denota condições antes do choque e 2 aquelas a jusante do choque. Para choques retos fracos, o produto da velocidade à frente do choque $ v_1 $ e a velocidade após o choque $ v_2 $ é igual ao quadrado da velocidade do som: $$ v_1 \ cdot v_2 = a ^ 2 $$ If $ Ma_1> 1 $, então $ Ma_2 $ deve ser menor que 1, para que o fluxo seja sempre desacelerado para a velocidade subsônica por um choque direto.
A mesma equação funciona para o componente de velocidade normal $ v_n $ à frente e após um choque oblíquo fraco: $$ v_ {1n} \ cdot v_ {2n} = a ^ 2 $$ Observe que o componente tangencial $ v_t $ não é afetado pelo choque! Somente o componente normal é reduzido. Agora a velocidade $ v_2 $ ainda é supersônica, mas inferior a $ v_1 $, portanto, um choque oblíquo fraco produz um aumento modesto de pressão, densidade e temperatura.
O ângulo da onda de choque oblíqua é determinado pelo número Mach antes do choque.
Entradas supersônicas
Choques fracos são desejados, porque produzem apenas pequenas perdas devido ao atrito. A ingestão de Pitot com seus choques simples e retos funciona bem em baixas velocidades supersônicas, mas incorre em perdas maiores com números Mach mais altos. Como regra geral, uma ingestão de pitot é o melhor compromisso a velocidades abaixo do Mach 1.6. Se a velocidade do ar projetada for maior, são necessárias entradas mais complexas e pesadas para desacelerar o ar com eficiência. Isso é feito por uma sequência de choques fracos e oblíquos e por meio de uma entrada em cunha. A figura abaixo mostra a ingestão de líquidos supersônicos concórdia avião:
Entrada Concorde (foto fonte)
Aumentar gradualmente o ângulo da cunha está causando uma cascata de choques oblíquos e sempre mais íngremes, que desaceleram gradualmente o ar. O objetivo do projeto é posicionar essa cascata de choques causados pela cunha no topo, de modo que eles atinjam o lábio inferior. Isso é feito por um contorno móvel da geometria de entrada superior e / ou do lábio. O objetivo é atingir uma velocidade uniforme sobre a seção transversal da entrada e não desperdiçar parte do ar comprimido no fluxo ao redor da entrada. Veja a imagem da entrada do Eurofighter abaixo para obter um exemplo de um lábio móvel de admissão (que reconhecidamente é principalmente para aumentar a área de captura em baixa velocidade e para evitar a separação do fluxo mesmo com um pequeno raio do lábio de entrada).
Entrada de Eurofighter (foto fonte)
Quando o ar entra na entrada, ele é levemente supersônico e pode ser desacelerado ainda mais por um choque final e reto no ponto mais estreito da entrada. Após esse ponto, o contorno da entrada é gradualmente ampliado, de modo que o ar desacelera ainda mais sem separação. Para conseguir isso, é obrigatório um fluxo muito uniforme na área de admissão, e mesmo a leve perturbação causada pela camada limite de qualquer coisa que esteja à frente da ingestão deve ser evitada. Isso é conseguido por uma placa divisória que é claramente visível nas fotos das entradas F-16 e Eurofighter. A placa divisória da entrada do Eurofighter é perfurada até para sugar a camada limite inicial lá.
A desaceleração do fluxo de admissão resulta em um aumento significativo da pressão: no caso do Concorde no cruzeiro Mach 2.02, a admissão causou um aumento de pressão em um fator maior que o 6; portanto, o compressor do motor teve que adicionar "apenas" um fator de 12, de modo que a pressão na câmara de combustão dos quatro Olympus 593 motores era 80 vezes a pressão ambiente (reconhecidamente, essa pressão ambiente era de apenas 76 mbar na altitude de cruzeiro de 18 km).
Esse aumento de pressão significa que uma entrada supersônica deve ser construída como um vaso de pressão, e a face retangular da entrada deve ser rapidamente alterada para uma seção transversal redonda a jusante para manter baixa a massa da estrutura de entrada.
Ingestão a alta velocidade
Ir mais rápido significa que a recuperação da pressão de admissão aumenta com o quadrado da velocidade de vôo: no caso da entrada de SR-71 no Mach 3.2, a pressão na face do motor já era quase 40 vezes maior que a pressão ambiente. Agora fica claro que ir mais rápido do que o Mach 3.5 elimina a necessidade de um turbocompressor: A essas velocidades, uma admissão adequadamente projetada pode atingir compressão suficiente por si só para que a combustão produza empuxo suficiente, e ultrapassar o Mach 5 precisará ser restringido ao diminuir a velocidade abaixe o fluxo de entrada para ter margem de temperatura suficiente para a combustão, exigindo fluxo supersônico na câmara de combustão.
Além do fato de que, além desses, a combustão do 6000K não fornece muita expansão, também é o fato de que a desaceleração do fluxo para subsônico aumenta o arrasto do motor, porque as ondas de choque não são reversíveis e, portanto, a pressão não é recuperada na parte traseira (imagine um desligamento) motor com fluxo subsônico interno viajando a essa velocidade, teria um arrasto elevado devido a ondas de choque). Em velocidades hipersônicas, superar esse arrasto em cima do arrasto da estrutura da aeronave seria um não-não. É por isso que duvido que a solução para o mecanismo SABRE (você pode pesquisá-lo no Google), que possui um fluxo subsônico interno, seja possível mesmo que atinja um alto grau de resfriamento antes de atingir o compressor.
Why can't jet engines operate with supersonic air?
"Como não houve um caso comercial para desenvolver um motor com fluxo supersônico na entrada do compressor". As vantagens seriam as mesmas que levaram aos compressores transônicos de hoje (fluxo relativo supersônico sobre parte da extensão da lâmina), ou seja, menores e mais leves. Compressores com fluxo relativo supersônico ao longo de toda a extensão da lâmina foram testados na velocidade de estado estacionário, por exemplo, consulte Naca RM E55A27. Os problemas a serem resolvidos (existem muitos) incluiriam espessamento e separação da camada limite induzida por choque nas passagens da lâmina do compressor, o que causa inaceitavelmente alta perda da energia potencialmente "útil" que o rotor do compressor está colocando no ar (haveria aumento de temperatura excessivo e aumento insuficiente de densidade e pressão) No entanto, eles podem operar com ar supersônico, mas apenas na parte externa dos estágios frontais do ventilador e do compressor do núcleo. Observe que esse ar é apenas supersônico em relação às pás do rotor de giro rápido e é gerado automaticamente dentro do motor, ou seja, não é recebido como ar supersônico da entrada (veja o motivo pelo qual a saída de ar na entrada e a entrada no motor é subsônica na resposta a seguir).
O trabalho do compressor é comprimir e, assim, o rotor, depois de pegar o ar e girá-lo em alta velocidade, também precisa desacelerá-lo na passagem entre as pás do rotor giratório (e também nas seguintes passagens das palhetas do estator), ou seja, ele precisa compactá-lo se quiser ser chamado de compressor (não diminuir a velocidade significaria nenhum aumento de pressão). Os perfis das pás do rotor do compressor e a área divergente das passagens entre eles dão origem ao tipo de ondas de choque que têm fluxo subsônico por trás deles. As ondas de choque, que são o mecanismo natural para passar do fluxo supersônico ao subsônico, interagem com as camadas limite da lâmina e o espessamento e separação do bl significa que são necessárias altas perdas e perdas para medir a eficiência do compressor. Portanto, tudo deve ser feito com o máximo de delicadeza possível para minimizar os efeitos da separação BL e isso significa limitar o número Mach do ar em relação às lâminas a valores supersônicos baixos e estes ocorrem onde a velocidade da lâmina é mais alta, ou seja, na dicas.
How do jet engines slow supersonic air down?
A pergunta pergunta como o motor abrandar o ar. Costuma-se dizer que a entrada retarda o ar. No entanto, o ar vai diminuir de qualquer maneira, com ou sem ingestão. O fluxo de ar através do motor e, portanto, a velocidade subsônica na entrada do compressor, é definido em primeira instância por solicitação do piloto, ou seja, velocidade do compressor / fluxo de combustível. Na velocidade supersônica, se não houver entrada, o ar diminui para a velocidade de entrada subsônica através de uma onda de choque plana. Para melhorar a parte da "relação da pressão geral" da eficiência do motor, é adicionada uma entrada, que é um compressor supersônico mais eficiente do que o fluxo livre, ou seja, possui recursos que produzem um aumento mais alto da ram na entrada do compressor e menos arrasto de derramamento ao redor do motor. fora do motor (veja mais tarde, quando isso não acontecer) Esse requisito é extremo em altas velocidades supersônicas e é a razão para rampas / cones / modelagem de lábio antes da entrada e mais rampas / cones / camada limite de sangria / modelagem de dutos dentro da entrada.
Quando a ingestão não faz seu trabalho. Isso ocorreu muitas vezes ao pilotar aeronaves YF12 e SR71 em altas velocidades supersônicas. Em uma fração de segundo, a entrada aumentaria a perda total de pressão do ar que entra no compressor de seu baixo valor de projeto de cerca de 20% para cerca de 70%. A ingestão havia mudado (isto é, não iniciada) de uma ingestão supersônica eficiente para o tipo mais ineficiente possível, ou seja, uma ingestão de pitot com a desaceleração do ar de Mach 3 para subsônica em um passo violento, em vez de um número mais suave.
O ar na admissão diminui "porque o motor tem áreas de controle dentro do motor que definem a velocidade axial média do ar através do motor (que deve ser baixa para manter as perdas de pressão em um nível aceitável baixo) e, portanto, na entrada em o motor e essa velocidade é subsônica ". As altas velocidades do ar ocorrem apenas onde a troca de energia está ocorrendo, ou seja, dos rotores do compressor ao ar que entra e dos gases de combustão que saem para a turbina, e onde o baixo número de Mach flui no tubo de injeção (é baixo para manter as perdas de pressão um valor aceitável) acelera à velocidade sônica na garganta do bico.
As áreas de controle são as áreas da garganta das palhetas guia dos bicos da turbina e o bocal de exaustão em que o número Mach de gás é 1 e não pode subir mais. Conforme declarado em uma resposta anterior, o requisito de baixa velocidade do ar através do combustor define a velocidade do ar na entrada do compressor. A partir desse fluxo subsônico, o compressor pode gerar seu próprio fluxo supersônico em relação às pás do rotor, se for acionado com rapidez suficiente pela turbina.
