Warum verwenden militärische Turbofan-Triebwerke ein niedriges Bypass-Verhältnis?

Es ist nicht militärisch vs. zivil, sondern subsonic vs. supersonic-fähig

Beachten Sie, dass Unterschall-Militärflugzeuge die gleichen Triebwerke wie Zivilflugzeuge verwenden, auch wenn ihre Namen unterschiedlich sein können.

• Die KC-135 verwendete ursprünglich die J-57 , die in der Boeing 707-120 als JT-3C bezeichnet wurde . Jetzt fliegen sie die CFM-56 , die auf der Boeing 737 und der A320 eingesetzt wird.
• Die C-5 Galaxy verwendet den GE TF39 , der zum CF6 wurde, wenn er an einer Boeing 747-100 oder einer DC-10 montiert wurde .
• Die Fairchild A-10 verwendet das GE TF34 , das CF34 genannt wird, wenn es an Zivilflugzeugen wie der Bombardier Challenger montiert ist .

Nein, die Unterschiede treten nur auf, wenn das Flugzeug für den Überschallflug ausgelegt ist. Dies erfordert eine ganz andere Herangehensweise an die Integration des Motors:

• Überschallflugzeugtriebwerke sind in der Nähe der Mittellinie montiert. Sie befinden sich möglichst direkt hinter den Einlässen, sodass der Ansaugstrom nicht umgelenkt werden muss. Ausnahmen wie der SR-71 sind selten.
• Überschalleinlässe sind länger und haben scharfe Kanten im Gegensatz zu den kurzen, stumpfen Einlässen von Unterschallflugzeugen. Außerdem verfügen die meisten über eine variable Geometrie zur Anpassung an die sehr unterschiedlichen Strömungsverhältnisse bei Überschallgeschwindigkeit.
• Da es die Aufgabe eines Einlasses ist, die in den Motor eintretende Luft zu verlangsamen , können Überschalleinlässe keinen großen Erfassungsbereich haben, oder ihr Überlaufwiderstand im Überschallflug wäre übermäßig. Überschalltriebwerke müssen ihren Schub mit viel weniger Luftmasse erzeugen als reine Unterschalltriebwerke. Vergessen Sie Stealth, das ist der wahre Grund für die kleineren Durchmesser von überschallfähigen Motoren.
• Die Düse eines Überschallflugzeugs ist im Gegensatz zur festen Düse eines Unterschallflugzeugs ebenfalls variabel. Dies hilft wiederum bei der Anpassung an die Strömungsverhältnisse, aber in diesem Fall besteht der Hauptunterschied zwischen Reheat ein und aus. Nachverbrennungsmotoren können viel höhere Austrittsgeschwindigkeiten erreichen, um ihren kleineren Durchmesser auszugleichen. Sie beschleunigen weniger Luft auf eine höhere Geschwindigkeit, um einen vergleichbaren Schub zu erzeugen.
• Der letzte Punkt erwähnte es, aber es verdient eine eigene Kugel: Überschallmotoren verwenden Nachbrenner, um genug Schub zu haben, um überhaupt Überschall zu machen. Die heißen Abgase haben ein viel größeres Volumen als der kalte Ansaugstrom, der durch Aufweiten der Düse aufgenommen werden muss.

Beachten Sie, dass die zivile Concorde auch einen variablen Einlass und eine variable Düse sowie Nachbrenner verwendete. Es hatte einen Motor, der zuvor im BAC TSR-2 , einem Überschall-Militärflugzeug, verwendet wurde.

Die wirkliche Unterscheidung ist nicht zwischen zivil und militärisch, sondern zwischen rein subschall- und überschallfähig. Beides wurde zunächst mit den gleichen Motoren erreicht. Die oben erwähnte J-57 wurde auch im Überschall - Militärjet F-100 eingesetzt. Erst in den 1960er Jahren trennten sich diese Linien und die Unterschallflugzeuge bekamen immer größere Niederdruck-Verdichterstufen. Diese wurden wiederum von den Hochdruckkernen angetrieben, die in Überschallflugzeugen verwendet wurden.

Hintergrund

Schub ist Luftmassenstrom multipliziert mit der Drehzahldifferenz zwischen Flug- und Düsendrehzahl des Triebwerks. Um den Schub zu erhöhen, versuchen Unterschallmotoren, den Massenstrom zu maximieren (durch Erhöhen des Bypass-Verhältnisses), während Überschallmotoren mehr auf die Erhöhung der Düsengeschwindigkeit angewiesen sind (durch Verwendung von Nachbrennern). Da der Nettoschub nur möglich ist, wenn die Austrittsgeschwindigkeiten höher als die Fluggeschwindigkeit sind, muss die Austrittsgeschwindigkeit des Triebwerks mit der Auslegungsfluggeschwindigkeit zunehmen.

Die Kerntriebwerke unterscheiden sich kaum – schließlich soll der Ansaugtrakt dafür sorgen, dass Luft unabhängig von der Fluggeschwindigkeit mit einer Geschwindigkeit von Mach 0,4 bis 0,5 das Triebwerk erreicht. Aus dem Kern des General Electric F110 (unter anderem in den F-15- und F-16-Jägern verbaut) wurde der Kern des CFM-56-Turbofans, der in der Boeing 737 oder dem Airbus A320 zum Einsatz kommt. Der Hauptunterschied liegt in ihrem Bypass-Verhältnis. Je langsamer die Entwurfsgeschwindigkeit ist, desto größer kann das Bypass-Verhältnis werden. Bei sehr niedriger Drehzahl wird der getriebelose, ummantelte Fan gegen einen getriebenen, frei drehenden Propeller ausgetauscht, das heißt, der Jet verwandelt sich in einen Turboprop. Der Einlass und die Düse sind jedoch in der Tat sehr unterschiedlich.

Das optimale Nebenstromverhältnis ändert sich kontinuierlich, aber da der Luftwiderstandsbeiwert nach dem Überqueren von Mach 1 abfällt, sind Flugzeuge entweder für eine maximale Machzahl von 0,9 oder weniger oder 1,6 und mehr ausgelegt. Die entsprechenden Bypass-Verhältnisse betragen heute bis zu 12 für Unterschallmotoren und weniger als 1 für Überschallmotoren. Dies erzeugt eine scharfe Grenze bei Schallgeschwindigkeit, und viele Militärtriebwerke, die für Überschallflüge ausgelegt sind, verloren ihre Nachbrenner und wurden mit einem großen Lüfter ausgestattet, um Triebwerke für Unterschalltransportflugzeuge zu werden.

Die Unterschiede zwischen Unter- und Überschalltriebwerken werden größer, je weiter man sich von ihrem Kern entfernt. Hochdruckverdichter, Brennkammer und Hochdruckturbine sehen und funktionieren gleich, aber der Niederdruckverdichter von Unterschallmotoren schluckt viel mehr Luft und hat einen viel größeren Durchmesser. Überschalltriebwerke wiederum haben meistens einen Nachbrenner. Der größte Unterschied sind jedoch die Einlässe (großer Pitot-Einlass mit stumpfen Lippen für Unterschallflugzeuge im Vergleich zu einstellbaren Spitzen- oder Rampeneinlässen für Überschallflüge) und die Düse (fest für Unterschallflüge im Vergleich zu einer komplexen, einstellbaren konvergent-divergenten Düse für Überschallflüge) . Dies liegt an den sehr unterschiedlichen Luftgeschwindigkeiten und den viel höheren Austrittsgeschwindigkeiten, die für den Überschallflug erforderlich sind.

Schauen Sie sich den oben abgebildeten Einlassabschnitt des XB-70 an ( Quelle ). Der Erfassungsbereich ist ziemlich klein, und dann erweitert sich das Ansaugrohr, um die Verlangsamung des Luftstroms zu ermöglichen. Die geneigten Seitenwände des Ansaugtrakts verursachen bei Mach 3 viel Luftwiderstand. Jetzt denke, die sechs GE YJ-93 werden durch Motoren mit noch größerem Durchmesser ersetzt. Die Erhöhung des Wellenwiderstands durch den noch stumpferen Einlass würde alle Vorteile eines höheren Bypass-Verhältnisses zunichte machen.

Weniger offensichtlich ist die Tatsache, dass dieser Einlassabschnitt auch vielleicht die Hälfte des Gesamtschubs des Antriebssystems erzeugt. Aber diese Antwort ist schon zu lang, also hebe ich mir das für eine andere Antwort auf.

Denn die Prioritäten bei Militärflugzeugen (Triebwerken) sind andere. Es stimmt zwar, dass die Turbofans mit hohem Bypass einen besseren Kraftstoffverbrauch (im Reiseflug) haben und weniger laut sind, aber die Low-Bypass-Triebwerke bieten erhebliche Vorteile, wenn wir ihre beabsichtigte Verwendung in Kampfflugzeugen berücksichtigen, wie zum Beispiel:

• Die Reaktion der Low-Bypass-Turbofans auf Drosselklappenanpassungen ist im Vergleich zu den High-Bypass-Turbofans schneller; die Trägheit wird geringer und es wird weniger Luftmasse involviert (zur Erhöhung der Geschwindigkeit) - Dies ist während des Kampfes wichtig, wenn sich die Schubanforderungen schnell ändern.

• Sie haben weniger Stirnfläche, wodurch der erzeugte Luftwiderstand verringert wird. Für Flugzeuge, von denen erwartet wird, dass sie mit Überschallgeschwindigkeit fliegen, ist dies, wie kurz auch immer, wichtig.

• Besseres Schub-Gewichts-Verhältnis – 6:1 in Trent 1000 gegenüber 9:1 F119 (verwendet in F-22 Raptor) – Auch wenn der tatsächliche Schub, der von den Low-Bypass-Turbofans erzeugt wird, geringer ist, erzeugen sie mehr Schub pro kg Motor, was bedeutet, dass der Motor kompakter in der Größe sein kann.

• Die Low-Bypass-Turbofans sind bei höheren Drehzahlen effizienter als die High-Bypass-Turbofans.

• Die geringere Größe der Low-Bypass-Turbofans bedeutet, dass das Flugzeug unauffälliger gemacht werden kann, indem die Triebwerke im Rumpf „vergraben“ werden, was im Falle von High-Bypass-Turbofans so gut wie unmöglich ist.