Почему доступная тяга постоянна в зависимости от скорости для турбореактивных двигателей, когда она зависит от скорости для турбовинтовых двигателей?

Турбовинтовые и турбореактивные двигатели — или, в более широком смысле, реактивные двигатели — создают тягу несколько по-разному.

Прежде всего, давайте обратимся к способу создания тяги. Согласно 2-му и 3-му законам Ньютона, сила равна ускорению, умноженному на массу, и действие (ускорение воздуха) вызывает противоположную реакцию. После исключения переменных (математику легко найти), тяга пропорциональна T=v*m' (m'=массовый расход), а мощность, передаваемая воздуху, пропорциональна P=v^2*m' /2. Все скорости указаны в системе отсчета самолета.

Теперь перейдем к тому, как двигатели производят эту тягу. Реактивный двигатель сначала замедляет набегающий воздух до почти нулевой скорости, создавая сопротивление, затем разгоняет его до постоянной скорости, превышающей начальную, создавая тягу. И v, и m' для реактивного двигателя изменяются по всей огибающей, но они изменяются гораздо медленнее, чем скорость самолета. Двигатель тратит примерно одинаковое количество мощности на единицу тяги при любой скорости.

Пропеллер вообще не тормозит воздух. Он лишь немного ускоряет поступающий воздух. Это преобразует мощность P в скорость v. Теперь, как указано выше, P~v^2. Если вы столкнулись с воздухом, движущимся со скоростью 0 м/с, вам потребуется 5 кДж/кг, чтобы разогнать его до 100 м/с. Если воздух уже движется со скоростью 100 м/с, вам потребуется 15 кДж/кг, чтобы разогнать его до 200 м/с.

В результате пропеллеры сталкиваются с меньшим сопротивлением при низкой скорости полета, поэтому они получают большую тягу на лошадиную силу, чем медленнее самолет. Это позволяет им выталкивать больше воздуха или выталкивать его быстрее, создавая большую тягу. Для винтов с фиксированным шагом это работает за счет увеличения дельта-V и меньшего сопротивления. Высокопроизводительные турбовинтовые двигатели, как правило, имеют пропеллеры с переменным шагом, которые будут отрегулированы так, чтобы проталкивать больше воздуха (медленнее) при низкой скорости полета или меньше (но быстрее) при высокой скорости полета.

Турбореактивные двигатели, сочетающие в себе воздушный винт фиксированного шага с сердечником турбореактивного двигателя, находятся где-то посередине. Они теряют некоторую эффективность и некоторую тягу по мере увеличения скорости, как пропеллеры, но их кривая намного более плавная и в этом отношении ближе к турбореактивным двигателям.

Вышеизложенное является крайним упрощением (как и кривая тяги реактивного самолета в вопросе), которого достаточно, чтобы понять идею. Фактическая тяга реактивного самолета также нелинейна, что было рассмотрено в другом вопросе: как (и почему) тяга двигателя изменяется в зависимости от скорости полета?

Предположение, что полезная тяга ТРД постоянна, неверно. Предполагается, что оно постоянно (для простоты инженерами по летно-техническим характеристикам и обычно справедливо для низких дозвуковых скоростей), но в действительности характеристики непостоянны и также меняются с высотой. Лучше всего это видно на простом моделировании турбореактивного двигателя. На следующем графике показана полезная тяга как функция числа Маха. Это ясно показывает, что чистая тяга не зависит от скорости:

Вход в турбореактивный двигатель замедляет поток и создает оптимальные условия для создания выхлопной струи. Турбовинтовой двигатель полагается на добавление энергии к набегающему потоку воздуха, поскольку по мере увеличения скорости планера можно добавить меньше энергии для ускорения потока.

Есть несколько эффектов, которые в сочетании делают постоянную тягу хорошим приближением к дозвуковой скорости.

Тяга создается за счет ускорения рабочей массы в противоположном направлении. Чистая тяга - это разница между импульсом воздуха, идущего к двигателю, и комбинированным импульсом сгоревшего топлива и воздуха, выходящего из двигателя (и воздушного винта, если он установлен), полученная по прошествии времени. Поскольку этот импульс является произведением массы и скорости, вы можете либо разогнать большую массу за счет небольшой разницы скоростей, как это делает пропеллер, либо небольшую массу за счет большой разницы скоростей, как это делает турбореактивный двигатель.

При более быстром полете входной импульс пропеллера быстро увеличивается по сравнению с выходным импульсом, поэтому тяга уменьшается обратно пропорционально скорости . С другой стороны, высокая выходная скорость турбореактивного двигателя приводит лишь к небольшому увеличению входного импульса по сравнению с выходным импульсом при увеличении скорости.

Но если бы это было все, то даже тяга ТРД падала бы при увеличении скорости. Но есть и второй эффект, который позволяет увеличить тягу со скоростью. С квадратом скорости, если быть точным. Это эффект тарана , который помогает предварительно сжимать воздух, поступающий в двигатель. На дозвуковой скорости это почти компенсирует потерю тяги: на низкой скорости растущий входной импульс позволяет немного снизить тягу, но на более высокой дозвуковой скорости эффект тарана становится больше и снова увеличивает тягу, так что постоянная тяга становится хорошей. приближение. Однако на сверхзвуковой скорости эффект тарана становится преобладающим, и тяга растет пропорционально квадрату скорости — до тех пор, пока абсолютное внутреннее давление не станет слишком высоким, чтобы двигатель пришлось дросселировать (или самолету нужно было лететь выше).) или ударные потери на впуске становятся слишком большими и тяга снова падает.