Kann eine konvergente Düse für ein Überschallstrahltriebwerk verwendet werden?

Kurze Antwort: Ja.

Eine konvergierende Düse lässt keine Überschallgeschwindigkeiten der Verbrennungsgase zu, aber aufgrund ihrer hohen Temperatur ist ihre Schallgeschwindigkeit erheblich höher als die der umgebenden Luft. Beispielsweise beträgt bei 700 °C die Schallgeschwindigkeit in Luft 625 m/s. Da der Schub hauptsächlich durch die Differenz der Eintritts- und Austrittsgeschwindigkeiten der durch ein Triebwerk strömenden Luft bestimmt wird, ist für einen positiven Schub eine höhere Geschwindigkeit als die Fluggeschwindigkeit erforderlich. Niedrige Überschallfluggeschwindigkeiten sind mit einer konvergenten Düse durchaus möglich.

Lange Antwort: Besser nicht.

Überquert das Flugzeug die Schallmauer, steigt der Luftwiderstand nur noch langsam an, da der Luftwiderstandsbeiwert tatsächlich sinkt. Wenn das Design Überschall fliegen soll, was viele Designanpassungen impliziert, ist es sinnvoll, sich für eine höhere Überschallgeschwindigkeit zu entscheiden. dies erfordert jedoch sowohl einen einstellbaren Einlass als auch eine einstellbare konvergent-divergente Düse . Beide erhöhen die Effizienz dramatisch bei höheren Machzahlen. Der einfache Pitot-Einlass des F-16 ist gerade gut genug für Mach 1,6 (darüber wird seine Effizienz geradezu schrecklich), aber sein F-110-Motor hat immer noch eine Con-Di-Düse.

Mit einer anpassungsfähigen konvergenten Düse können die Abgase auf ihre Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden, aber nicht mehr. Eine Verengung des Strömungswegs beschleunigt die Unterschallströmung, jedoch nur auf Schallgeschwindigkeit. Erst ein divergierender Strömungsweg beschleunigt die Strömung dann weiter auf Überschallgeschwindigkeit. Eine konvergente Düse ist kürzer und leichter, bedeutet aber, dass sie mit den heißen Abgasen viel nutzbare Energie verschwendet. In den meisten Fällen wäre es effizienter, die Druckenergie der Abgase durch Beschleunigung auf Überschallgeschwindigkeit in mehr Schub umzuwandeln.

Konvergente Düsen sind nur sinnvoll, wenn das Flugzeug nur für kurze, begrenzte Überschallschläge ausgelegt ist, aber fast die gesamte Flugzeit bei Unterschallgeschwindigkeit verbringt. Beispiele sind die Northrop F-5E oder die Panavia Tornado .

Kann ein Überschalljäger eine konvergente Düse enthalten?

Es existiert tatsächlich.

Der Panavia Tornado hat eine maximale Fluggeschwindigkeit von Mach 2,2 in 9000 m Höhe und verfügt über konvergente Düsen mit variabler Geometrie (obwohl sie nur für den Nachbrenner funktionieren, während die Düse der Turbine konvergent-divergent ist):

^{Foto von Airliners.net}

Es gibt eine Denkschule, die behauptet, dass die konvergente Düse eine ineffiziente Version der konvergent-divergenten Düse ist. Die Strahlgeschwindigkeit steigt am Hals der Düse (kleinster Bereich) auf ein Maximum an und tritt dann aus der Düse aus und expandiert erneut gegen atmosphärischen Druck.

Sie werden feststellen, dass eine feste konvergente Düse nicht verwendet werden würde, da eine feste Düse jeglicher Art weniger effizient ist als eine Düse mit variabler Geometrie. Die Möglichkeit, die Düse auf den lokalen atmosphärischen Druck, die Fluggeschwindigkeit und die Motordrosseleinstellung abzustimmen, ist der Schlüssel zur effizienten Schuberzeugung.

Könnte es verwendet werden? Ja, aber die Umstände, unter denen es die beste Option ist, sind wahrscheinlich so begrenzt, dass es nie die richtige Wahl ist.

Pilot hier, sowie ein Ingenieur, der es zu einem bestimmten Zeitpunkt in seinem Leben fast bis zu einer Flugzeugzellen- und Triebwerkstechnikerlizenz geschafft hat und viel an Düsen gearbeitet hat, einschließlich im Jet Propulsion Laboratory (sehr lustig).

Wenn Sie die Düsenformen verstehen möchten, ist es eine unterhaltsame Einführung, über die Form zu lesen, die moderne Raketendüsen (und einige Strahldüsen) inspiriert hat, die de Laval-Düse .

Denken wir daran, dass wir eine HOHE GESCHWINDIGKEIT im AUSGANGSSTRAHL-AUSPUFF haben (wobei wir für den Moment die Optimierung des Luftvolumens zur Zufuhr der Verbrennung ignorieren) .

In einer SUBSONIC-Strömung bleibt die Luft komprimierbar und eine konvergierende Subsonic-Düse erhöht die Geschwindigkeit, während Druck und Temperatur abnehmen. (Es gibt hier tatsächlich ungefähr ein Dutzend Unterfälle, bei denen mich andere sicher anschreien werden, also bedenken Sie, dass P und T abnehmen, um eine unentschuldbare Vereinfachung meinerseits zu sein, um eine weitere Seite mit Erklärungen zu vermeiden.) Also für ein langsameres Auspufffinale Geschwindigkeit , eine konvergierende Düse macht durchaus Sinn.

Die ideale Situation für SUPERSONIC-Strömung ist konvergierend-divergierend (siehe wieder de Laval), da der konvergierende Teil bei isentropischer Strömung Energie bis zum Punkt der Schallgeschwindigkeit aufbaut. Dieser Schallpunkt wird dann direkt an der "Kehle" platziert, wo das Konvergieren divergierend wird und der divergierende Teil Hitze und Druck in mehr Geschwindigkeit bis zu ziemlich hohen Überschallwerten umwandelt. Beachten Sie, dass der Luftstrom eines modernen Strahltriebwerks ziemlich kompliziert ist und der "Hals" möglicherweise tief im Triebwerk liegt und überhaupt nicht wie der Hals eines Raketentriebwerks aussieht.

Aus diesen Gründen würden wir bei Unterschallflugzeugen wie Verkehrsflugzeugen und einigen Kampfjets konvergierende Enddüsen erwarten, während Überschalljets normalerweise divergierende Düsen haben. Wenn Sie eine konvergierende Düse an einem überschallfähigen Jäger sehen, schauen Sie sie sich genau an, um zu sehen, ob sie so gelenkig ist, dass sie ihre Form im Flug ändert – was ziemlich häufig vorkommt.

Abgesehen davon sind Luft- und Raumfahrtkonstrukteure sehr schlau, und das Einspritzen von Kraftstoff (Nachbrenner) kann eine nicht isoentropische Strömung verursachen, wenn sie dafür ausgelegt ist. Ich werde also nicht rausgehen und sagen, dass es keine konvergierenden Düsen-Überschalldüsenstrahlen gibt, aber zumindest wissen Sie jetzt, warum sie die Ausnahme und nicht die Regel wären :)

Bitte zögern Sie nicht, Fragen zu stellen, wenn ich etwas übersprungen habe, das angesprochen werden sollte ...

Bei einem Überschallflugzeug verlangsamt eine konvergente Düse die Strömung. Dies ist nur am Kompressor erforderlich , wo die Strömungsgeschwindigkeit langsamer sein sollte, aber danach muss die Strömung beschleunigt werden, um mehr Schub zu erhalten .

Nun kann man argumentieren, dass eine Überschallströmung, wenn sie in eine konvergierende Düse eintritt, sie auf Unterschallgeschwindigkeit (bei etwa Mach 1) beschleunigen würde, wonach die konvergierende Düse die Strömung beschleunigen würde. Dies würde jedoch niemals Mach über 1 für die Strömung erreichen, denn sobald die Strömung Mach 1 übersteigt, würde sie durch den konvergenten Teil der Düse wieder abgebremst. Die maximale Austrittsmach , die man erwarten könnte, um aus einer konvergenten Düse herauszukommen, ist also 1 (unabhängig davon, ob die Eingabe Überschall- oder Unterschall ist).

Für den Überschallflug ist es nun erforderlich , dass die Austrittsmachzahl größer als 1 ist. In solchen Fällen muss man die konvergente divergente Düse (CD-Düse) verwenden.

Wenn jemand einen Motor bauen möchte, der ein Flugzeug mit Unterschall- (oder Überschall-) Abgasgeschwindigkeit auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigen kann, dann kann man mit Sicherheit nur konvergente Düsen verwenden . Aber es gibt einen Haken:

Die Schubgleichung lautet:

Hier ist für einen Motor im freien Strom Pe ungefähr gleich P0. Für einen positiven Schub sollten also die Terme, die Ve und V0 enthalten, eine positive Antwort geben. Um also einen Motor zu schaffen, bei dem Ve < V0 ist (weil V0 die Überschallgeschwindigkeit des freien Stroms ist und Ve die Austrittsgeschwindigkeit ist, die in diesem Fall als transsonisch angenommen wird), muss man viel Me bei einem Hoch ablassen Bewertung. Dies bedeutet, dass es technisch möglich ist, einen Motor zu entwickeln, der einen Überschallflug mit transsonischer Abgasgeschwindigkeit ermöglicht, aber eine solche Konfiguration wird Sie viel Kraftstoff kosten.

Wenn Sie nun bedenken, dass die Austrittstemperatur sehr hoch ist, sagen wir etwa 1200.000, und sagen wir, die Eingangstemperatur des freien Dampfes beträgt etwa 300.000, bedeutet dies, dass die Austrittsgeschwindigkeit bei 300.000 etwa das Doppelte der Mach 1-Luftgeschwindigkeit betragen kann (ohne zu sein Überschall), dh etwa 630 mps. Wenn Sie Mach etwa 1,2 eingeben, bedeutet dies, dass Sie eine Freistromgeschwindigkeit von 380 mps (ca.) eingeben. Das bedeutet, dass Ihr Ausgang von 380 mps auf 630 mps beschleunigt wurde, nur durch eine konvergente Düse. Dafür müsste aber immer noch viel Treibstoff verbrannt werden (denn der Schub, der normalerweise benötigt wird, um ein Flugzeug mit einem Gewicht von einigen tausend Kilogramm zu fliegen, ist sehr hoch).

Daher ist es möglich, aber auf Kosten der Effizienz des Flugzeugs