Um bico convergente pode ser usado para um motor a jato supersônico?

Resposta curta: Sim.

Um bico convergente não permitirá velocidades de saída supersônicas dos gases de combustão, mas devido a sua alta temperatura, sua velocidade de som é consideravelmente maior que a do ar ambiente. Por exemplo, a 700 ° C, a velocidade do som no ar é de 625 m / s. Como o empuxo é determinado principalmente pela diferença nas velocidades de entrada e saída do fluxo de ar através de um motor, uma velocidade maior do que a velocidade de vôo é necessária para o empuxo positivo. Baixas velocidades de vôo supersônico são totalmente possíveis com um bico convergente.

Longa resposta: melhor não.

Quando a aeronave cruza a barreira do som, o arrasto só aumenta lentamente, pois o coeficiente de arrasto diminui. Se o design é feito para voar supersicamente, o que implica muitas adaptações de projeto, faz sentido ir para uma velocidade supersônica mais alta; no entanto, isso requer um entrada ajustável e um bocal convergente-divergente ajustável . Ambos aumentam a eficiência, dramaticamente, para números mais altos de Mach. O simples consumo de pitot do F-16 é bom o suficiente para Mach 1.6, mas ainda assim seu motor F-110 tem um bocal con-di.

Com um bocal convergente adaptável, os gases de escape podem ser acelerados até a velocidade do som, mas não mais. Um estreitamento do caminho do fluxo acelerará o fluxo subsônico, mas apenas para a velocidade do som. Somente um caminho de fluxo divergente acelerará o fluxo ainda mais até a velocidade supersônica. Um bico convergente será mais curto e mais leve, mas significa jogar fora uma boa quantidade de energia utilizável com os gases de escape quentes. Na maioria dos casos, seria mais eficiente converter a energia térmica dos gases de escape em mais velocidade, acelerando-os para uma velocidade supersônica.

Os bicos convergentes só fazem sentido se a aeronave for projetada apenas para traços supersônicos curtos e limitados, mas gastará quase todo o tempo de vôo em velocidades subsônicas. Exemplos são os Northrop F-5E ou o Panavia Tornado .

Can a supersonic fighter incorporate a convergent nozzle?

Na verdade existe.

O Panavia Tornado tem velocidade máxima de Mach 2,2 a 9000m de altitude e tem geometria variável bocais convergentes (embora trabalhem apenas para o pós-combustor, enquanto o bico da turbina é convergente-divergente):

^{Foto de Airliners.net}

Existe uma escola de pensamento que afirma que o bico convergente é uma versão ineficiente do bocal convergente-divergente. A velocidade do jato subirá até um máximo na garganta do bocal (menor área) e, em seguida, sairá do bocal e se expandirá novamente contra a pressão atmosférica.

Você descobrirá que um bico convergente fixo não será usado porque um bocal fixo de qualquer tipo será menos eficiente do que um bocal de geometria variável. A capacidade de ajustar o bocal para pressão atmosférica local, velocidade no ar e ajuste do acelerador do motor é fundamental para a geração eficiente de empuxo.

Poderia ser usado? sim No entanto, as circunstâncias em que é a melhor opção provavelmente são tão limitadas a ponto de nunca fazer a escolha certa.

Piloto aqui, assim como um engenheiro que fez a maior parte do caminho para uma licença de técnico de fuselagem e fuselagem em um ponto da vida e trabalhou muito em bicos, incluindo no Laboratório de propulsão a jato (muito divertido).

Se você quiser entender as formas dos bicos, uma introdução divertida é ler sobre a forma que inspirou bicos modernos de foguetes (e alguns jatos), o bocal de Laval .

Vamos ter em mente que o que queremos (ignorando no momento a otimização do volume de ar para alimentar a combustão) é ALTA VELOCIDADE no EXAUSTOR DO JATO DE SAÍDA .

Em um fluxo SUBSONIC o ar permanece compressível e um bico subsônico convergente aumenta a velocidade enquanto a pressão e a temperatura diminuem. (Há, na verdade, cerca de uma dúzia de subcasos aqui que tenho certeza que os outros gritarão comigo, então considere que P e T diminuem para ser uma simplificação indesculpável da minha parte para evitar outra página de explicação.) velocidade final de escape mais lenta , um bico convergente faz todo o sentido.

A situação ideal para o fluxo SUPERSÔNICO está convergindo-divergindo (veja o de Laval novamente) porque, para fluxo isentrópico, a porção convergente acumula energia até o ponto de a velocidade sônica. Este ponto sonoro é então colocado à direita na "garganta" onde a convergência torna-se divergente e a parte divergente transforma calor e pressão em mais velocidade até valores razoavelmente altos de supersônico. Note que um motor a jato moderno é bastante complicado no fluxo de ar e a "garganta" pode estar no fundo do motor e não se parecer com uma garganta de motor de foguete.

Por estas razões, esperamos ver bicos finais convergentes em aeronaves subsônicas, como aviões de passageiros e alguns jatos de combate, enquanto jatos supersônicos geralmente têm bicos divergentes. Se você vir um bico convergente em um caça supersônico capaz de olhar atentamente para ver se ele está articulado para mudar de forma em vôo - o que é muito comum.

Por favor, sinta-se à vontade para postar perguntas se eu pulei algo que deveria ser endereçado ...

Para um avião supersônico, um bico convergente com desacelerar o fluxo. Isso é necessário somente no compressor , onde a velocidade do fluxo deve ser mais lenta, mas depois disso para obter mais empuxo, o fluxo precisa ser acelerado .

Agora, pode-se argumentar que, se um fluxo supersônico entra em um bico convergente, ele aceleraria a velocidade tão subsônica (em torno de Mach 1), após o qual o bico convergente aceleraria o fluxo. Mas isso nunca alcançaria nenhum Mach acima de 1 para o fluxo, porque assim que o fluxo superasse Mach 1, ele seria desacelerado novamente pela parte convergente do bocal. Portanto, a saída máxima Mach que se espera de um bocal convergente é 1 (seja a entrada supersônica ou subsônica).

Agora, para o vôo supersônico, é necessário que o número de saída do mach seja maior que 1. Nesses casos, é necessário usar o Bico Divergente Convergente (Bico C-D).

Se alguém quiser construir um motor que possa acelerar um avião para velocidades supersônicas com a velocidade de escape subsônica (ou transônica), então com certeza pode-se usar bicos convergentes somente . Mas , há um problema:

A equação de empuxo é:

Aqui para um motor em fluxo livre, Pe é aproximadamente igual a P0. Portanto, para um impulso positivo, os termos contendo Ve e V0 devem dar uma resposta positiva. Então, para criar um motor onde ve < V0 (porque V0 é a velocidade de fluxo livre que é supersônica, e a velocidade de saída Ve é suposta ser transônica neste caso), é preciso descarregar muito de Mim a uma taxa alta. Isso significa que é tecnicamente possível criar um motor que ofereça vôo supersônico na velocidade de escape transônica, mas essa configuração custará muito combustível.

Agora, se você considerar que a temperatura de saída é muito alta, digamos cerca de 1200k, e digamos que a temperatura de entrada do vapor livre é de cerca de 300k, isso significa que a velocidade de escape pode ser de aproximadamente duas vezes. Mach 1 velocidade do ar a 300k (sem ser supersônico), ou seja, cerca de 630 mps. Se você introduzir mach é aproximadamente 1.2, isso é transmitido para a entrada da velocidade de freestream de 380 mps (apx). Isso significa que sua saída acelerou para 630 mps a partir de 380 mps, apenas por meio de um bico convergente. Mas isso ainda exigiria muito combustível para ser queimado (porque o empuxo necessário geralmente para pilotar um avião com alguns milhares de quilogramas de peso é muito alto).

Portanto, é possível, mas às custas da eficiência da aeronave