Wie unterscheidet sich die Kondensstreifenbildung von Turbofan zu Turbojet?

Luftwaffen und Geheimdienste sind in der Tat daran interessiert, vorherzusagen, ob Kondensstreifen (Kondensstreifen) während des Flugbetriebs sichtbar sein werden oder nicht.

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Foto: C-CYOW bei Photobucket

Unter den bestehenden Vorhersagealgorithmen wird Applemans Methode, die 1953 entwickelt wurde, häufig zitiert, selbst wenn genauere oder verfeinerte Algorithmen wie JETRAX existieren .

Das Prinzip der Vorhersage von Kondensstreifen mit einem Appleman-Diagramm (Nasa) basiert auf Luftsättigungseigenschaften:

Zunächst waren sich die Wissenschaftler nicht sicher, wie Kondensstreifen entstehen. Wir wissen jetzt, dass es sich um eine Art Mischwolke handelt, ähnlich der Wolke, die sich manchmal an einem kalten Wintertag aus Ihrem Atem bildet.

Appleman zeigte, dass, wenn die Luft außerhalb des Flugzeugs kalt genug und feucht genug ist, die Mischung aus Düsenabgas und Luft eine Wolke bilden würde.

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Appleman-Diagramm mit einem anderen Layout

Seit 1953 haben zivile Turbofans Turbojets mit verschiedenen Luftbypassverhältnissen ersetzt. Wie wirkt sich dieser Austausch auf das Auftreten von Kondensstreifen aus?

  • Verringert oder verstärkt Turbofan das Auftreten von Kondensstreifen?
  • Spielt das Bypass-Verhältnis eine Rolle?
Es könnte interessant sein, auch kolbengetriebene Flugzeuge in die Mischung aufzunehmen, da sie im Zweiten Weltkrieg ziemlich viele Kondensstreifen hinterlassen haben.
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Antworten (2)

Es scheint, dass die heute verfügbaren Motoren mit höherem Bypass das Auftreten von Kondensstreifen erhöhen. Aus Einfluss des Antriebswirkungsgrades auf die Kondensstreifenbildung von Ulrich Schumann:

Die thermodynamische Analyse, die das Ergebnis von First-Principle-Argumenten ist, impliziert, dass Flugzeuge und Triebwerke, die mit einem höheren Gesamtantriebswirkungsgrad arbeiten, einen kleineren Anteil der Verbrennungswärme während des Reiseflugs in die Abgasfahne freisetzen und daher Schwadenbedingungen verursachen, die während des Mischens auftreten erreichen bei gleicher Umgebungstemperatur eine höhere relative Luftfeuchtigkeit und bilden daher auch bei höheren Umgebungstemperaturen Kondensstreifen.

Daher bilden Flugzeuge häufiger Kondensstreifen, wenn sie treibstoffeffizientere Triebwerke verwenden.

Um die Theorie zu testen, wurde ein Flugtest zwischen zwei Flugzeugen mit Low- und High-Bypass-Triebwerken durchgeführt:

Für einen direkten Test der Theorie wurde ein Formationsflug von zwei verschiedenen großen Strahlflugzeugen angeordnet, Flügel für Flügel, während eines Steig- und eines Sinkflugs des Flugzeugs. Kondensstreifenbildung und Umgebungsbedingungen wurden gleichzeitig von einem Forschungsflugzeug aus beobachtet.

Die beiden kondensstreifenbildenden Flugzeuge waren

(i) eine Boeing B707, ausgestattet mit vier Strahltriebwerken des Typs JT3D-3B mit einem Bypass-Verhältnis von 1,4 und

(ii) ein Airbus A340-300 mit vier Strahltriebwerken des Typs CFM56-5C4 mit einem Bypass-Verhältnis von 6,8.

Die Ergebnisse zeigten, dass beim A340 (mit höheren Bypass-Triebwerken) im Vergleich zum B707 häufiger Kondensstreifen gebildet wurden.

Kondensstreifen

Foto eines A340 mit Kondensstreifen und B707 ohne Kondensstreifen. Bild aus Einfluss der Antriebseffizienz auf die Kondensstreifenbildung von Ulrich Schumann

Von einem Forschungsflugzeug aus, das weniger als 1 km hinter den beiden kondensstreifenbildenden Flugzeugen flog, wurden die Umgebungsbedingungen gemessen und die Kondensstreifenbildung beobachtet. Wie auf mehreren Fotos dokumentiert, existiert ein Höhenbereich, in dem die A340 Kondensstreifen verursacht, während die B707 keine verursacht.

Obwohl die Stichprobengröße ziemlich klein ist, scheint es, dass die in modernen Verkehrsflugzeugen verwendeten High-Bypass-Triebwerke im Vergleich zu den älteren Turbojets anfälliger für Kondensstreifenbildung sind.

@mins Kondensstreifen entstehen, wenn sich die warmen, ungesättigten Motorabgase mit der kalten Umgebungsluft vermischen. Wichtig ist hier das Verhältnis von Feuchtigkeit zu Wärme, die dem Kielwasser zugeführt wird. Dies ist der kritische Faktor, der darüber entscheidet, wann sich Kondensstreifen bilden.

Diese Studie aus dem Jahr 1993 – New Techniques for Contrail Forecasting – untersuchte die verschiedenen Bypass-Verhältnisse. Die Studie zeigt Diagramme für jeden getesteten Bypass-Typ. Hier sind zwei davon, Low- und High-Bypass:

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Es scheint, dass sich die High-Bypass-Kondensstreifen bei wärmeren Temperaturen und einem größeren Bereich bilden. Es ist sinnvoll, dass der High-Bypass das Abgas einkapselt, ihm mehr Zeit zum Kondensieren gibt, bevor es sich verteilt, und es kühlt. Weitere Sättigung der Luft mit Feuchtigkeit.

Wir können die Düsentriebwerke 777, 747 und 707 vergleichen :

Engine         Thrust     SFC           Fuel Flow    Bypass Ratio
               (lbf)      (lb/lbf hr)   (lb/hr)

GE90-85B       84,700     0.324         27.4K        8.40
CF6-80C2B1F    57,160     0.316         18.0K        5.15
JT3C-6         11,200     0.775         8.7K         0

Eine 777 verbrennt mehr Treibstoff pro Zeiteinheit pro Triebwerk im Vergleich zu einer 747, dasselbe gilt für eine 747 im Vergleich zu einer 707.

Es ist also der Mischeffekt plus mehr Kraftstoffverbrauch, dh die höhere Kraftstoffverbrennung eines High-Bypass entspricht mehr Feuchtigkeit, die die Luft sättigt, unterstützt durch die Bypass-Kühlung.

Aus den Kommentaren unten (Danke an Peter Kämpf) könnte noch ein weiterer erwähnenswerter Faktor hervorgehen, nämlich Ruß. Moderne Motoren stoßen wahrscheinlich viel feinere Rußpartikel aus, die wie Kondensationskeime wirken würden .

Die Hauptprodukte der Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoff sind Kohlendioxid und Wasserdampf. In großen Höhen tritt dieser Wasserdampf in eine kalte Umgebung aus, und die lokale Zunahme des Wasserdampfs kann die relative Luftfeuchtigkeit der Luft über den Sättigungspunkt hinaus erhöhen. Der Dampf kondensiert dann zu winzigen Wassertröpfchen, die gefrieren, wenn die Temperatur niedrig genug ist. – Wikipedia

Die Ergebnisse sollten Militärbetreibern bessere Vorhersagen für die Bildung von Kondensstreifen geben.

Wäre die Menge an Ruß, die durch die unvollständige Kraftstoffverbrennung entsteht, ein wichtiger Faktor? Die Rußproduktion konnte in den 1960er Jahren stark reduziert werden, gerade als Hochbypass-Motoren eingeführt wurden.
Ja, Sie brauchen Kondensationskerne , damit sich Dampf in Tröpfchen verwandeln kann, und die alten Brenner waren großartig darin, diese zu liefern. Rauchfreie Brennkammern sollten besser zur Unterdrückung von Kondensstreifen geeignet sein. Die älteren Motoren verbrannten den Kraftstoff nicht besser, im Gegenteil.
Nein, ohne etwas Nicht-Gasförmiges erhält man nur übersättigte Luft, aber kein flüssiges Wasser. Aus Wikipedia : Übersättigung von Wasser ist in der oberen Troposphäre tatsächlich sehr verbreitet und tritt zwischen 20 % und 40 % der Zeit auf.
Das war kein Rätsel: Ohne etwas, das die Kondensation auslöst, kann gasförmige Feuchtigkeit allein keine Kondensstreifen erzeugen. Das Hinzufügen von festen Partikeln wie Ruß hilft ungemein, das Ganze in Gang zu bringen, sobald genügend Wasserdampf in der Nähe ist. Und ältere Motoren produzierten viel mehr Ruß als die neueren mit hohem Bypass.
Genau das überrascht mich. Vielleicht bestand der Ruß alter Motoren aus weniger, größeren Partikeln und der Ruß neuerer Konstruktionen ist aufgrund der kleineren Partikelgröße weniger sichtbar. Sagen die Studien nichts über den Kondensationsprozess?
Wie unterscheidet sich die Kondensstreifenbildung von Turbofan zu Turbojet?
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