Sim, as hélices têm problemas em alta velocidade, mas, se bem executadas, ainda têm uma vantagem sobre os turbofans em velocidades de até Mach 0.8. Observe as gôndolas internas do motor do Tu-95: elas são alongadas e mais grossas à ré do bordo de fuga. Isso foi feito para guardar o trem de pouso neles, mas também para regra de área a aeronave. O Tu-95 aplica conhecimentos adquiridos apenas no início da era do jato. Isso, é claro, também explica a asa varrida.
Em seguida, ele usa hélices contra-rotativas que giram muito lentamente (apenas 750 RPM). Com duas hélices coaxiais girando na direção oposta, a eficiência em alta velocidade é aprimorada. A primeira hélice pré-roda o fluxo, para que as condições de fluxo na segunda hélice sejam mais favoráveis à criação de empuxo.
As pontas das pás do ventilador de um turbofan moderno também se movem em velocidade supersônica, de modo que as hélices supersônicas do Tu-95 não criam uma desvantagem direta. Mantendo a espessura relativa da lâmina próxima à ponta baixa, o aumento do arrasto pode ser mantido em níveis toleráveis. Mas não se engane: o fluxo supersônico adiciona arrasto de onda e, principalmente, ao redor do Mach 1, o coeficiente de arrasto de elevação zero de tudo o que se move pelo ar tem um máximo. Isso tornaria o Tu-95 ainda mais eficiente se voasse a uma velocidade de cruzeiro mais baixa, onde as pontas da hélice ainda são subsônicas, mas Tupolev queria levar o design ao número Mach mais alto de cruzeiro utilizável.
O que você aprendeu sobre hélices e jatos não está errado, mas também não é um mundo em preto e branco. Os aviões usam motores a jato para voar na velocidade mais alta possível, mas ao custo de um maior consumo de combustível. Se eles se restringissem a velocidades mais baixas, muito combustível poderia ser economizado. Mas poucas pessoas reservariam esses voos, porque nas rotas intercontinentais elas demorariam muito mais. Observe que os turboélices ainda são usados no tráfego aéreo regional e mesmo os jatos regionais têm velocidades de vôo mais baixas do que os jatos intercontinentais.
Agora, para as eficiências dos tipos de mecanismo:
- Os motores a pistão são os motores de aviação com maior consumo de combustível. Sua desvantagem é uma constante saída de potência sobre a velocidade, de modo que o impulso é inverso à velocidade. Isso ajuda na aceleração na decolagem, mas limita a velocidade máxima. Um motor de pistão moderno utiliza o 240 g de combustível para fornecer o poder de potência de 1 durante uma hora: 240 g / kW-h. Os motores a diesel usam tão pouco quanto o 220 g / kW-h. Este número já é verdadeiro para os antigos Jumo 205, entre os primeiros motores a diesel para aviação em operação 80 anos atrás.
- Os motores turboélice são os próximos e sua potência aumenta um pouco acima da velocidade devido à pressão do aríete (o que aumentará a pressão interna no motor em aproximadamente 30% no Mach 0.8). Seu consumo específico de energia é sobre 300 g / kW-h.
- Os motores a jato são menos eficientes que os dois, mas são melhores para voar rápido e alto. Seu impulso diminui ainda menos com a velocidade; portanto, a melhor base para expressar o consumo é o impulso, não a força. O consumo típico de combustível de um motor a jato moderno (GE 90) é 30 gramas de combustível por Newton de empuxo durante uma hora (30 g / Nh) quando está parado, e o dobro do que ocorre no Mach 0.85. Moderno Militar jato motores atinja 80 g / Nh na decolagem e tenha empuxo aproximadamente constante e consumo específico sobre a velocidade.
Em todos os casos, o impulso é criado pela aceleração de uma massa de ar para trás. A equação geral para eficiência propulsiva $ \ eta $ is $$ \ eta = \ frac {v _ {\ infty}} {v _ {\ infty} + \ frac {\ Delta V} {2}}, $$ onde $ \ Delta v $ é o aumento da velocidade da massa de ar devido a essa aceleração. Esta fórmula mostra que é melhor acelerar muito uma grande massa de ar pouco mais do que uma massa menor. As hélices fazem isso e, por esse motivo, oferecem a melhor eficiência. Os turboélices usam turbinas a gás menos eficientes, porém mais leves, para gerar energia, mas retêm a hélice eficiente. Os turbofans civis tentam aumentar a massa de ar aumentando sua taxa de desvio, e apenas os militares estão usando os tipos menos eficientes com taxas de desvio abaixo do 1, porque são a melhor opção em velocidade supersônica.
Abaixo, você vê uma plotagem do consumo de combustível específico do empuxo nas condições de cruzeiro de diferentes tipos de motores sobre a razão de desvio. A relação inversa é facilmente visível.
Gráfico do consumo de combustível específico do empuxo, em lb de combustível por lb de empuxo por hora, de diferentes motores, ao longo do logaritmo da razão de desvio (imagem fonte).
Para possibilitar uma comparação entre os motores de pistão e turbofan, vamos comparar o consumo de combustível na decolagem. A fórmula para o impulso estático de uma hélice é $$ T_0 = \ sqrt [3] {P ^ 2 \ cdot \ eta_ {Prop} ^ 2 \ cdot \ pi \ cdot d_P ^ 2 \ cdot \ rho}, $$ onde $ P $ é a potência do eixo, $ d_p $ o diâmetro da hélice e $ \ rho $ a densidade do ar. Para o nosso exemplo, usamos um suporte de quatro lâminas de diâmetro 3.4 m e um motor com potência 1111 kW. Seu impulso estático é o 10.727 kN quando assumimos condições atmosféricas padrão e uma eficiência de sustentação de 85%. O fluxo de combustível será 266.6 kg por hora e, relativamente ao impulso, é 24.8 g / Nh ou apenas 80% do de um turbofan moderno.
Gostaria de saber se até os entusiastas poderiam adivinhar qual avião eu usei, porque eu ofusquei usando essas unidades métricas desconhecidas. Eu acho que ninguém vai argumentar que não é otimizado para voos rápidos, então essa comparação também vale para o Tu-95, para o qual tenho menos dados disponíveis.
A seguir, segue a expansão solicitada nas velocidades da ponta da hélice. Graças ao excelente comentário de @JanHudec, não resta muito a dizer: o diâmetro da hélice é 5.6 m e sua velocidade é 750 RPM, então o componente circunferencial é $ 5.6 \ cdot \ pi \ cdot 750 / 60 = 220 m / s $. Adicione a isso a velocidade de cruzeiro do Mach 0.67 (tirada de este sítio - outros listam números bastante incríveis) em altitude, onde a velocidade do som é 295 m / s. O Mach 0.67 equivale a 197.65 m / se a adição de vetor fornece o 295 m / s para as pontas da hélice, exatamente o Mach 1.0. Isso significa que a hélice é subsônica durante todo o seu período.
Mas a velocidade máxima é um pouco maior. Graças ao excelente trabalho de Ferdinand Brandner e sua equipe de volta nos anos cinquenta o Motores NK-12 já havia desenvolvido a potência 12,000 naquela época e, desde então, sua potência foi aumentada para a 14,795 HP. Isso permite uma velocidade máxima do Mach 0.82, e agora a velocidade da ponta sai em 327 m / s ou Mach 1.08 - levemente supersônico. Isso significa que o 30% externo da hélice experimenta fluxo supersônico.
Não consigo encontrar uma fonte para os números de intervalo listados na sua pergunta. Mais uma vez me refiro a este sítio: São milhas 7,800 ou km 12,552 a uma velocidade de cruzeiro de nós 400 ou 179 m / s, o que equivale a Mach 0.606 em altitude, resultando em Mach 0.96 para as dicas da hélice. Portanto, parece que o melhor alcance é alcançado com as pontas das hélices subsônicas.
