Por que os motores turbofan militares usam uma baixa taxa de derivação?

Porque as prioridades para aeronaves militares (motores) são diferentes. Embora seja verdade que os turbofans de bypass alto têm melhor economia de combustível (em cruzeiro) e são menos barulhentos, os motores de bypass baixo oferecem vantagens significativas quando levamos em consideração o uso pretendido em aeronaves de combate, como:

• A resposta dos turbofans de bypass baixo aos ajustes do acelerador é mais rápida em comparação com os turbofans de bypass alto; a inércia é cada vez menor e envolve massa de ar (para aumentar a velocidade) - Isso é importante durante o combate, quando os requisitos de empuxo mudam rapidamente.

• Eles têm menos área frontal, reduzindo o arrasto produzido. Para aeronaves que esperam voar em velocidades supersônicas, ainda que brevemente, isso é importante.

• Melhor relação empuxo / peso - 6: 1 no Trent 1000 vs. 9: 1 F119 (usado no F-22 Raptor) - Mesmo que o empuxo real produzido pelos turbofans de bypass baixo seja menor, eles produzem mais empuxo por kg de motor, o que significa que o motor pode ser mais compacto.

• Os turbofans de bypass baixo são mais eficientes em velocidades mais altas em comparação com os turbofans de bypass alto.

• O tamanho menor dos turbofans de baixo desvio significa que a aeronave pode ser mais furtiva 'enterrando' os motores na fuselagem, o que é praticamente impossível no caso de turbofans de alto desvio.

Não é militar vs civil, mas subsônico vs supersônico

Observe que aeronaves militares subsônicas usam os mesmos motores que aeronaves civis, mesmo que seus nomes possam ser diferentes.

• O KC-135 usado inicialmente o J-57 chamado JT-3C quando usado no Boeing 707-120. Agora eles voam no CFM-56, que é usado no Boeing 737 e no A320.
• O C-5 Galaxy utiliza o GE TF39 que se tornou o CF6 quando montado em um Boeing 747-100 ou um DC-10.
• O Fairchild A-10 utiliza o GE TF34 que é chamado CF34 quando montado em aeronaves civis como o Bombardier Challenger.

Não, as diferenças surgem apenas quando a aeronave é projetada para voar supersônica. Isso requer uma abordagem muito diferente para a integração do mecanismo:

• Motores de aeronaves supersônicas são montados perto da linha central. Se possível, eles estão diretamente atrás das entradas, para que o fluxo de entrada não precise mudar de direção. Exceções como o SR-71 são raras.
• As entradas supersônicas são mais longas e têm arestas vivas, em oposição às entradas curtas e bruscas de aeronaves subsônicas. Além disso, a maioria possui uma geometria variável para se adaptar às diferentes condições de fluxo na velocidade supersônica.
• Uma vez que é o trabalho de uma ingestão para diminuir a velocidade do ar entrando no motor, as entradas supersônicas não podem ter uma grande área de captura ou o arrasto de derramamento em voo supersônico seria excessivo. Os motores supersônicos precisam criar seu impulso com muito menos massa de ar do que os motores puramente subsônicos. Esqueça discrição, este é o real razão para os diâmetros menores dos motores com capacidade supersônica.
• O bico de uma aeronave supersônica também é variável, em contraste com o bico fixo de aeronave subsônica. Isso novamente ajuda a ajustá-lo às condições de fluxo, mas, neste caso, a principal diferença é entre o reaquecimento ligado e desligado. Os motores de pós-combustão são capazes de velocidades de saída muito mais altas para compensar seu diâmetro menor. Eles aceleram menos ar a uma velocidade mais alta para criar um impulso comparável.
• O último ponto mencionou, mas merece uma bala própria: os motores supersônicos usam pós-combustores para ter impulso suficiente para se tornarem supersônicos. Os gases de escape quentes têm um volume muito maior do que o fluxo de entrada de frio que precisa ser acomodado pela ampliação do bico.

Note que o civil concórdia também utilizou uma ingestão variável, bico e pós-queima. Ele tinha um motor usado no BAC TSR-2 antes, um avião militar supersônico.

A verdadeira distinção não é entre civis e militares, mas entre puramente subsônico e supersônico. Inicialmente, ambos foram alcançados com os mesmos motores. O J-57 mencionado acima também foi usado no supersônico Visto F-100 jato militar. Somente nos 1960s essas linhas divergiram e a aeronave subsônica cresceu cada vez mais nos estágios do compressor de baixa pressão. Estes foram novamente conduzidos pelos núcleos de alta pressão que foram usados ​​em aeronaves supersônicas.

fundo

O impulso é o fluxo mássico do ar multiplicado pela diferença de velocidade entre a velocidade de vôo e o bico do motor. Para aumentar o empuxo, os motores subsônicos tentam maximizar o fluxo de massa (aumentando a taxa de desvio), enquanto os motores supersônicos dependem mais do aumento da velocidade do bico (usando pós-queimadores). Como o empuxo líquido só é possível quando as velocidades de saída são maiores que a velocidade de vôo, a velocidade de saída do motor precisa aumentar com a velocidade de vôo projetada.

Os motores principais não diferem muito - afinal, a entrada garantirá que o ar chegue ao motor a uma velocidade de Mach 0.4 a 0.5, independentemente da velocidade do voo. O núcleo do General Electric F110 (instalado nos caças F-15 e F-16, entre outros) tornou-se o núcleo do turbofan CFM-56, usado no Boeing 737 ou no Airbus A320. A principal diferença está na taxa de desvio. Quanto menor a velocidade do projeto, maior a taxa de derivação. A uma velocidade muito baixa, o ventilador não-engrenado e coberto é trocado por uma hélice de engrenagem livre, ou seja, o jato muda para um turboélice. A entrada e o bico, no entanto, são muito diferentes.

A taxa ideal de desvio muda continuamente, mas como o coeficiente de arrasto cai após cruzar o Mach 1, os aviões são projetados para um número máximo de Mach de 0.9 ou menos, ou 1.6 e acima. Atualmente, as taxas de desvio correspondentes são de até 12 para motores subsônicos e inferiores a 1 para motores supersônicos. Isso produz um limite nítido na velocidade do som, e muitos motores militares projetados para vôos supersônicos perderam o pós-combustão e foram equipados com um grande ventilador para se tornarem os motores de aeronaves de transporte subsônicas.

As diferenças entre os motores sub e supersônicos aumentam quanto mais você se afasta do núcleo. O compressor de alta pressão, a câmara de combustão e a turbina de alta pressão têm a mesma aparência, mas o compressor de baixa pressão dos motores subsônicos engole muito mais ar e tem um diâmetro muito maior. Os motores supersônicos, por sua vez, têm principalmente um pós-combustor. A maior diferença, no entanto, são as entradas (grande ingestão de pitot com lábios sem corte para aeronave subsônica versus ajustável entradas de pico ou rampa para vôo supersônico) e o bico (fixo para vôo subsônico versus um complexo, bocal convergente-divergente ajustável para voo supersônico). Isso se deve às velocidades do ar muito diferentes e às velocidades de saída muito mais altas necessárias para o vôo supersônico.

Veja a seção de admissão do XB-70 na foto acima (fonte) A área de captura é bastante pequena e, em seguida, o tubo de entrada se alarga para permitir a diminuição do fluxo de ar. As paredes laterais inclinadas da seção de admissão causam uma grande quantidade de arraste para Mach 3. Agora pense os seis GE YJ-93s são substituídos por motores com diâmetro ainda maior. O aumento do arrasto de onda devido à ingestão ainda mais baixa cancelaria todas as vantagens de uma maior taxa de derivação.

O que é menos óbvio é o fato de que essa seção de admissão também cria talvez metade da pressão geral do sistema de propulsão. Mas essa resposta já é muito longa, então guardo isso para outra resposta.