Por que as velocidades máximas dos motores a jato são maiores que as das hélices?

O empuxo de uma hélice é proporcional ao inverso da velocidade do ar, enquanto o empuxo de um turbojato puro é aproximadamente constante em relação à velocidade do ar na região subsônica. Isso significa que dois aviões com o mesmo empuxo estático, um movido a hélice e outro a jato, atingirão velocidades muito diferentes.

E não , os motores de pistão são mais eficiente .

Um mecanismo de pistão produz um torque constante $ \ tau $, independente da velocidade. Esse torque aciona a hélice que produz um trabalho de US $ W por unidade de tempo no ar que passa por ela. Este trabalho por unidade de tempo é de potência $ P $ e proporcional ao produto de torque e velocidade da hélice $ \ omega $, que é novamente constante sobre a velocidade do ar $ v $. O poder de impulsionar a aeronave é o produto da propulsão e da velocidade do ar e é igual à eficiência da hélice do motor $ \ eta_ {Prop} $. Quando a velocidade no ar sobe, o impulso deve diminuir proporcionalmente para que a potência permaneça constante. $$ P = \ tau \ cdot \ omega = T \ cdot v \ cdot \ eta_ {Prop} $$ $$ \ Rightarrow T \ varpropto \ frac {1} {v} $$

Os turbojatos, por outro lado, lucram com a velocidade de vôo porque a ingestão pré-comprime o ar quando ele desacelera à frente e na admissão. Essa pré-compressão eleva o nível de pressão de todo o motor, de modo que ele vê um aumento no fluxo de massa com o aumento da velocidade, produzindo maior empuxo. Esse efeito por si só aumentaria o empuxo em proporção ao quadrado da velocidade de vôo, mas o mesmo efeito que reduz o empuxo de uma hélice também atua sobre um turbojato. Esse efeito, no entanto, é menos pronunciado, porque o jet acelera menos ar para uma velocidade maior , e ambos se cancelam, aproximadamente.

Os turbofans são mais semelhantes aos motores a hélice, então aqui o impulso desce sobre a velocidade, e mais assim para maiores taxas de bypass . Os turbopropulsores estão ainda mais próximos dos propulsores movidos a pistão, de modo que seu empuxo cai ainda mais com o aumento da velocidade. Isso significa que a velocidade na qual o arrasto é igual ao empuxo cai quando você passa de turbojatos para turboventiladores, além de turbopropulsores e é menor para aeronaves a hélice movidas a pistão.

Gostaria de ilustrar visualmente por que as hélices não são adequadas para voos de alta velocidade.

Primeiro, vamos considerar uma hélice de passo variável montada em um mecanismo capaz .

Se você estudar os dois esboços que eu desenhei acima, você notará como a velocidade horizontal aumenta (imagem da direita), o direção da lança se afasta da frente, apesar do aumento do fluxo de ar e elevação local da lâmina.

Isto é o que muitos livros de texto erroneamente chamam de "dar uma mordida maior", mas como você pode ver, é a mesma mordida (ângulo de ataque).

^{Figura 11-8, Manual de Conhecimento Aeronáutico do Piloto da FAA}

Então, quanto mais rápido você pilotar uma hélice, mais baixo o seu impulso para frente, o que fará com que você não consiga ir mais rápido. O gráfico acima mostra T _A (Impulso disponível) para uma hélice diminuindo o mais rápido que o avião voa.

Outro fator é quando você voa tão rápido quanto a velocidade da ponta da hélice - digamos Mach 0,75 (um Boeing 737 Classic em cruzeiro) - o aerofólio de cada pá estará voando muito mais rápido que sua velocidade para a frente (compare a hipotenusa aos lados vertical / horizontal na imagem superior).

O fluxo de ar ao redor do aerofólio será supersônico. As asas retas (e as lâminas) não se dão bem em velocidades supersônicas (muita força desagradável).

Para uma hélice de passo fixo, digamos que derrubamos um avião com uma hélice de passo fixo de uma nave-mãe em alta velocidade, o fluxo de ar atingirá a superfície superior do disco da hélice, gerando propulsão para trás .

É melhor quando a velocidade de avanço do avião impede que o disco da hélice se aproxime da barreira do som e não faz com que o impulso seja direcionado muito para longe da frente.

Para um propulsor turbo, o fator limitante é, até certo ponto, a eficiência da hélice, não do motor. Tem havido um monte de tentativas de adereços turbo muito rápidos ao longo dos anos, com o mais rápido provável indo para o XF-84H Thunderscreach mas em todos os casos a hélice se torna o fator limitante.

Além da questão do ruído, ele simplesmente se torna mais eficiente para usar um jato nessas velocidades então, na prática, é a usina preferida. Muitos dos atuais top turboélices pré-formadoras facilmente invadir a velocidade dos jatos de luz.