Warum leiden einmotorige Jets nicht unter starken Kreiseleffekten?

Strahltriebwerke haben Kreiseleffekte. Dies ist ein Hauptanliegen bei der Konstruktion der Turbomaschinen. Wenn das Flugzeug nickt/giert, bewirkt das resultierende Kreiselmoment, dass sich die Verdichter- und Turbinenschaufeln näher an das Gehäuse heranbewegen. Wenn dies zu stark ist, können die Klingen am Gehäuse reiben, was zu Leistungsverlust führt.

Warum das Flugzeug nicht vom Kreiselmoment der Triebwerke beeinflusst wird, vergleichen wir ein paar Zahlen.

Nehmen Sie ein typisches Flugzeug aus der Zeit des Ersten Weltkriegs wie die Vickers FB19 , die von einer Le Rhone 9J angetrieben wird . Der Motor hat eine Masse von 146 kg, wovon sich der Großteil dreht und 110 PS leistet. Das Flugzeug hat eine maximale Startmasse von 675 kg, einschließlich des Motors. Die rotierende Masse ist ein ziemlich beträchtlicher Bruchteil (~20%) der Masse des Flugzeugs. Daher hat der Kreiseleffekt des Motors einen großen Einfluss auf die Manövrierfähigkeit.

Vergleichen Sie das jetzt mit einem F16 , der von einem GE F110-Motor angetrieben wird . Die Hochdruckspule des Motors hat eine Masse in der Größenordnung von 200 kg (der gesamte Motor wiegt ungefähr 2000 kg und die Hochgeschwindigkeitsspule macht ungefähr 10% davon aus ... tut mir leid, ich habe keine spezifische Referenz). Die maximale Startmasse des Flugzeugs beträgt etwa 19.200 kg. Die rotierende Masse beträgt nur 1% der Gesamtmasse des Flugzeugs. Der Kreiseleffekt ist also nicht so wichtig. dh verglichen mit dem Moment, das benötigt wird, um das Flugzeug selbst zu drehen, ist das Kreiselmoment nicht groß.

Genauer gesagt ist das Kreiselmoment nicht wirklich proportional zur Masse, sondern zum Massenträgheitsmoment, das proportional zum Quadrat des Radius ist. Ein Großteil der rotierenden Masse eines älteren Rotationsmotors befand sich auf einem ziemlich hohen Radius, während ein Großteil der rotierenden Masse eines Strahltriebwerksrotors auf einem ziemlich niedrigen Radius lag. Obwohl ich die Berechnungen nicht durchgeführt habe, vermute ich, dass eine Spule eines modernen Kampfflugzeugtriebwerks trotz der höheren Masse wahrscheinlich ein geringeres Trägheitsmoment hat als ein Wankelmotor aus dem Ersten Weltkrieg.

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Als Antwort auf den Kommentar von J. Walters möchte ich versuchen, dies etwas genauer zu machen. Das Moment, das erforderlich ist, um eine Winkelbeschleunigung auszuführen, ist$M=I\alpha$, wo$I$ist das Trägheitsmoment. Nehmen wir an, das Flugzeug ist ein Stab (Länge >> Breite oder Höhe). Das ist nicht ganz richtig, aber es ist gut für eine Annäherung an die Größenordnung. Dann aus dieser Formel$I=(1/12)mL^2$. Also für den FB19 ist das Trägheitsmoment$(1/12)(675)(5.54^2)=1726 kg-m^2$. Für den F16,$(1/12)(19200)(15.06^2)=362885 kg-m^2$. Wenn man diese beiden vergleicht, ist der Moment, den die Steuerfläche aufbringen muss, um das Flugzeug zu drehen (bei einer bestimmten Winkelbeschleunigung), beim F16 200-mal höher.

Betrachten wir nun die Momente aufgrund des Kreiseleffekts. Das Kreiselmoment ist$M=J \Phi \times \Omega$, wo$\Phi$ist die Winkelgeschwindigkeit des Flugzeugmanövers und$\Omega$die Drehwinkelgeschwindigkeit des Motors ist, und$J$ist das polare Trägheitsmoment. Ich sagte vorher, dass ich erwartet hatte$J$dass der F16 aufgrund des geringeren Radius tatsächlich niedriger ist, aber nehmen wir einfach an, dass sie gleich sind. Die Le Rhone dreht sich mit 1.350 U/min. Ich weiß es nicht genau, aber ich weiß, dass die Höchstgeschwindigkeit der F110-Hochdruckspule zwischen 15.000 und 20.000 U / min liegt. Das Kreiselmoment ist also beim F16 ca. 10 - 15x höher.

Und wie Peter Kampf betonte, steigen auch die aerodynamischen Kräfte. Der FB19 hatte eine Höchstgeschwindigkeit von etwa 100 mph, während der F16 auf Meereshöhe 900 mph erreichen kann. Aus der ausgezeichneten Serie der NASA , sowohl Auftriebs- als auch Widerstandsskala mit quadrierter Geschwindigkeit. Die aerodynamischen Kräfte sind also beim F16 81x höher.

Also zusammenfassend ja, das Kreiselmoment ist beim F16 um eine Größenordnung größer. Aber alles andere, was das Flugzeug während der Manöver zu bewältigen hat (das Trägheitsmoment des Flugzeugs selbst, aerodynamische Kräfte), ist zwei Größenordnungen höher. Die Kreiselkräfte sind also im Vergleich weniger relevant.

Das von Kolbenmotoren erzeugte Drehmoment war auch für Militärflugzeuge im Ersten und Zweiten Weltkrieg ein Problem, insbesondere wenn die Motoren mit voller Leistung liefen, wie beim Start, wenn dies zu einer Tendenz des Flugzeugs zum Gieren führen konnte. Bei zweimotorigen Flugzeugen begegneten Konstrukteure dem Problem häufig dadurch, dass sich die beiden Motoren und Propeller in entgegengesetzte Richtungen drehten (Gegenrotation).

Rotationskolbenmotoren haben einen beträchtlichen Durchmesser, und die meiste Masse (insbesondere die Zylinderköpfe) ist in der Peripherie konzentriert. Damit ist das Trägheitsmoment dieser rotierenden Masse recht hoch und auch die Kreiseleffekte sind viel höher als bei einer Masse mit kleinerem Durchmesser und nicht so extremer Massenverteilung. Das ist der Fall bei den rotierenden Kompressor- und Turbinenschaufeln. Die Winkelgeschwindigkeit ist hier zwar viel höher, aber sie ist nicht so wichtig wie der Abstand des Massenelements vom Rotationszentrum, also im Quadrat ...

Der Drehmomenteffekt kommt nicht von der sich drehenden Metallmasse, sondern vom Propeller, der in die Luft beißt, um Schub zu erzeugen, und eine entgegengesetzte und gleiche Reaktion hervorruft, wie Sir Issac Newton beobachtete ... aus demselben Grund braucht ein Hubschrauber einen Heckrotor wirken dem Drehmoment des Hauptrotors entgegen, der ebenfalls Luft umlenkt und gleichzeitig ein Drehmoment in die entgegengesetzte Richtung erzeugt. Es ist der Luftwiderstand zum Propeller / Rotor, der den Großteil des Drehmoments erzeugt, nicht der Kreiseleffekt des sich drehenden Metalls.

Alle Propellerflugzeuge erleben dies, obwohl der Effekt bei einer Cessna 152 mit 110 PS nicht annähernd so ausgeprägt ist wie bei einer FG1D Corsair oder Hawker Tempest mit 3000 PS. Bei größeren Jägern aus dem 2. Weltkrieg könnte eine unvorsichtige Kraftanwendung das Flugzeug durch die plötzliche Anwendung von Drehmoment umkippen, während jeder Drehmomenteffekt in einer 152 aufgrund der geringen Leistung so gut wie unbemerkt ist.

Es gab ein Kampfflugzeug aus dem 2. Weltkrieg, das diesen Drehmomenteffekt nicht hatte ... die P38 mit zwei Motoren und Propellern, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehten und den Drehmomenteffekt aufhoben. Eine übliche Taktik von P38-Piloten, die von hinten angegriffen wurden, bestand darin, nach links zu rollen. Einmotorige Jäger konnten ihre Rollrate in dieser Richtung aufgrund des Drehmomenteffekts ihres einmotorigen Motors und ihrer Stütze nicht erreichen. Die schlechte Leistung der P38 in großer Höhe führte dazu, dass sie im europäischen Kriegsschauplatz an den Rand gedrängt wurde, während sie im pazifischen Kriegsschauplatz recht beliebt war, wo der Kampf in der Regel in viel geringeren Höhen stattfand.

Die Dornier 335 mit ihren vorderen und hinteren Motoren wäre auch frei von Drehmomenteffekten gewesen, da sich die Propeller in entgegengesetzte Richtungen drehten, nur dass sie nie die volle Produktion leistete und nur sehr kurz im Kampf eingesetzt wurde.

Turbinen in modernen Jägern erzeugen nicht annähernd den Drehmomenteffekt, da der größte Teil ihres Schubs von heißem Gas herrührt, das nach hinten aus der Turbine oder dem Nachbrenner ausgestoßen wird, was ein geringes (Turbine) bis kein (Nachbrenner) Drehmoment erzeugt. Die meisten modernen Jäger haben Turbofans mit niedrigem Bypass für eine bessere Effizienz, aber sie beziehen den Großteil ihres Schubs immer noch aus dem Auspuff und nicht aus der vorderen Turbine.