Was genau ist die Druckschubkomponente und warum existiert sie?

Tatsächlich können Abgase über Mach 1 hinaus ausgedehnt werden, was zu einem höheren Schub durch eine höhere Antriebseffizienz führt. Das Problem besteht darin, dass Druckgas expandiert wird, indem die Querschnittsfläche eingeengt wird, wenn sie niedriger als M1 ist, und sie erweitert wird, wenn sie höher als M1 ist.

Also um eine volle Expansion auf Umgebungsdruck zu erreichen$p_0$Bei Überschallausstoßgeschwindigkeit benötigen wir einen Querschnitt, der sich für alle Flugbedingungen verengt und dann erweitert. Die folgende Abbildung zeigt, wie dies bei Überschall-Kampfflugzeugen geschieht: mit einem Ejector-Jet-Auspuff.

Der Primärauslass ist in einem Rohr montiert, und das expandierende Abgas saugt einen Sekundärstrom an, der die Expansion des Primärstroms dämpft, sodass sie allmählich erfolgt. Der Sekundärstrom kann als divergierender Teil des Abgases betrachtet werden und schützt das eigentliche Metallabgas vor Nachbrennerhitze. Bei Überschall-Kampfflugzeugen sind sowohl der primäre als auch der sekundäre Auspuff einstellbar: Bild links für Unterschallgeschwindigkeit, rechts für Überschallgeschwindigkeit.

Eine Vollausdehnung ist also möglich, aber kompliziert, mit der Notwendigkeit ständig variierender Abgasdüsen.

Erstens – es ist allgemein bekannt, dass die Abgasgeschwindigkeiten von Flugzeugen leicht Überschall erreichen können, nehmen Sie zum Beispiel einen Kampfjet ... warum ist das eine Einschränkung bei Turbofan-Triebwerken?

Da die Hauptströmung des Turbofans durch den Bläser geht, der nur ein Kompressor ist, findet in dieser Strömung keine Verbrennung statt. In den meisten Fällen wird der Bypass-Fluss bei Unterschallgeschwindigkeit vollständig expandiert - wenn dies nicht der Fall wäre, wäre der Bau von insgesamt vier konzentrischen geregelten Abgasdüsen wie im obigen Bild kompliziert und schwer, bei sehr begrenztem Gewinn. Nur oberhalb von M1,5 wird es einen signifikanten Schubgewinn durch die volle Überschallausdehnung geben.

Zweitens – in Schulungsunterlagen wird oft betont, dass Sie es vermeiden sollten, an Schub zu denken, dass er auf die Umgebungsluft hinter dem Motor einwirkt / drückt, im Gegensatz zu Newtons 3. Gesetz … aber ist das nicht genau der Druck Schub ist? Es ist definiert durch Druck × die Fläche, auf die es einwirkt ...

Genau richtig!

Verstopfte Düse

Ob im Überschall- oder Unterschallbereich, der Einlass, der Kompressor und der Diffusor eines Düsentriebwerks verlangsamen die Luft auf eine langsamere Unterschallgeschwindigkeit, damit die Verbrennung stattfinden kann. Wenn die Temperatur stark ansteigt, wird ein Teil dieser Energie in Geschwindigkeit umgewandelt.

Aufgrund der hohen Verbrennungstemperatur ist die Schallgeschwindigkeit viel höher, sodass der Massenstrom auf seinem Weg zur Düse Unterschall ist; cool oder? Bei Unterschallströmung wird Luft beim Zusammendrücken schneller und ihr Druck fällt ab.

• Der ausgelegte Druckabfall an der Düse führt dazu, dass aufgrund der Druckdifferenz ein bestimmter Massenstrom durchgelassen wird.

• Lassen Sie es weiter fallen, und an der engsten Stelle der Düse, dem Hals, erreicht die Geschwindigkeit Mach 1. Jetzt wird die Strömung gedrosselt.

• Lassen Sie es weiter fallen, und es ist keine Beschleunigung mehr von Unterschall durch Drücken auf diese feste Kehle physikalisch möglich. Der Massenstrom hat sein Maximum erreicht (auch für Raketen).

(Referenz und weiterführende Literatur: Virginia Tech )

Turbofan-Düsen in Jetlinern (co-annular) tun dies aus Effizienzgründen bewusst nicht – je näher die Abgasgeschwindigkeit am Freistrahl liegt, desto effizienter ist der Antrieb. Siehe auch: Wikipedia: Antriebseffizienz § Strahltriebwerke

Jagdflugzeuge und Hochleistungsjets

Kämpfer haben zwei Tricks:

1. Heißer Auspuff und noch heißerer Auspuff durch die Verwendung eines Nachbrenners. Je heißer die Luft ist, desto schneller ist die Schallgeschwindigkeit, wodurch der Mach 1 eines Auspuffs schneller sein kann als der Mach 1 des freien Stroms. wieder geil oder?

Die Austrittstemperatur bestimmt die Schallaustrittsgeschwindigkeit, die wiederum die Austrittsgeschwindigkeit bestimmt.

— NASA: Düsendesign

2. Düsen mit variabler Geometrie: Ein sich erweiternder Hals ermöglicht einen größeren Massenstrom durch den verstopften Hals. Bei höheren Flugmachzahlen sorgt der Einlass für mehr Kompression und daher wird ein höherer Massendurchsatz möglich. Aus diesem Grund werden die Kehlen erweitert, wenn das Flugzeug schneller ist und / oder einen höheren Schub verwendet.

Druckstoß

Wegen der unterschiedlichen Betriebsbedingungen in den Festdüsen von Raketen wird neben der Impulsänderung auch der „Druckschub“ für die Schubgleichung benötigt – weder das eine noch das andere, nur dass der Druckschub für Turbinentriebwerke vernachlässigbar ist:

Die Düse eines Turbinentriebwerks ist normalerweise so ausgelegt, dass der Austrittsdruck dem freien Strom entspricht. In diesem Fall ist der Druckflächenterm in der allgemeinen Gleichung gleich Null.

— NASA: Allgemeine Schubgleichung

Es sind wirklich zwei Fragen-

1) Kompressible Strömung in Kanälen

Der erste Teil der Frage befasst sich mit der Beschleunigung einer Strömung in Kanälen auf Überschallgeschwindigkeit. Vereinfacht ausgedrückt gilt für kompressible Strömung in einem Rohr mit unterschiedlichem Durchmesser:

• Bei Unterschall beschleunigt es entlang des Rohrs, wenn sich der Durchmesser des Rohrs verringert
• Bei Überschall beschleunigt es entlang des Rohrs, wenn sich das Rohr erweitert.

Um eine Überschallströmung zu erzeugen, benötigen Sie

• ein Kanal, der sich zuerst zusammenzieht, um die Strömung am Hals auf Mach 1 zu beschleunigen,
• dann ein Kanal, der sich von dort aus erweitert, weil sonst keine weitere Beschleunigung für die Strömung stattfindet - und es bleibt bei Mach 1
• (über)kritisches Druckverhältnis, sonst beschleunigt sich die Strömung im Hals nur auf etwas unter Mach1, aber da es kein Überschall ist, verlangsamt der divergente Teil die Strömung wieder.

etwas ausführlicher, wenn Sie möchten: https://en.wikipedia.org/wiki/De_Laval_nozzle oder https://en.wikipedia.org/wiki/Choked_flow

Der nicht beschleunigbare Teil bezieht sich auf nicht divergente Düsen. Bei Überschallkonstruktionen muss die Düse angepasst werden. Dies bedeutet, dass sich die Düse idealerweise gerade so weit ausdehnen sollte, dass der statische Ausgangsdruck der atmosphärischen Umgebung entspricht. Andernfalls kommt es zu einer Über- oder Unterausdehnung mit einer Verringerung des Wirkungsgrads.

2) Impulserhaltung

Schub besteht tatsächlich aus zwei Teilen. Die Idee ist, dass beim Zeichnen eines Kontrollvolumens irgendwo die Reaktionskräfte auf dieses Kontrollvolumen wirken

• Die Reaktionskräfte gleichen die Impulsänderung in der Strömung aus
• die Summe aller Drücke auf den Oberflächen dieses Kontrollvolumens (oder mathematisch korrekter das Integral des Drucks senkrecht zur Oberfläche A des Kontrollvolumens):$\int_A p \vec{n} dA$)

Vereinfachend könnte man annehmen, dass die Druckunterschiede vor und nach dem Triebwerk - weit genug - vernachlässigbar sind und dann nur die Impulsunterschiede (Strömungsgeschwindigkeit * Dichte) den Schub liefern. Sind die Druckunterschiede aber groß genug, kann dies nicht mehr vernachlässigt werden.

Die mathematische Formulierung wird dann etwas verwickelt ... aber Sie können die Druckterme sehen.

https://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node78.html