Чем отличается формирование инверсионного следа от турбовентиляторного к турбореактивному?

Похоже, что двигатели с более высоким байпасом, доступные сегодня, увеличивают появление инверсионного следа. Из книги Ульриха Шумана «Влияние эффективности движения на образование инверсионного следа »:

Термодинамический анализ, который является результатом аргументов первого принципа, подразумевает, что самолеты и двигатели, работающие с более высоким общим КПД, выделяют меньшую долю теплоты сгорания во время крейсерского полета в выхлопной шлейф и, следовательно, создают условия шлейфа, которые во время смешивания достигают более высокой относительной влажности при той же температуре окружающей среды и, следовательно, образуют инверсионные следы также при более высоких температурах окружающей среды.

Следовательно, самолеты будут чаще формировать инверсионные следы при использовании более экономичных двигателей.

ДЛЯ проверки теории было проведено летное испытание между двумя самолетами с двигателями малой и большой двухконтурности:

Для непосредственной проверки теории был организован групповой полет двух разных больших реактивных самолетов, крыло за крылом, во время набора высоты и снижения самолета. Образование инверсионных следов и условия окружающей среды наблюдались одновременно с исследовательского самолета.

Два инверсионных самолета были

(i) Boeing B707, оснащенный четырьмя реактивными двигателями типа JT3D-3B со степенью двухконтурности 1,4 и

(ii) Airbus A340-300 с четырьмя реактивными двигателями типа CFM56-5C4 со степенью двухконтурности 6,8.

Результаты показали, что инверсионные следы образовывались чаще в случае A340 (с двигателями с большей степенью двухконтурности) по сравнению с B707.

Фотография A340 с инверсионным следом и B707 без него. Изображение из книги Ульриха Шумана «Влияние эффективности движения на образование инверсионного следа ».

Были измерены условия окружающей среды и наблюдалось формирование инверсионного следа с исследовательского самолета, летевшего менее чем в 1 км позади двух самолетов, образующих инверсионный след. Как показано на нескольких фотографиях, существует диапазон высот, в котором A340 оставляет инверсионные следы, а B707 - нет.

Хотя размер выборки довольно мал, похоже, что двигатели с большой двухконтурностью, используемые в современных коммерческих самолетах, более склонны к образованию инверсионного следа по сравнению с более старыми турбореактивными двигателями.

В этом исследовании 1993 года « Новые методы прогнозирования инверсионных следов» изучались различные коэффициенты обхода. В исследовании представлены графики для каждого протестированного типа байпаса. Вот два из них, низкий и высокий байпас:

Кажется, инверсионные следы с высоким байпасом формируются при более высоких температурах и в более широком диапазоне. Это имеет смысл, высокий байпас будет инкапсулировать выхлоп, давая ему больше времени для конденсации перед рассеиванием, а также охлаждая его. Далее насыщая воздух влагой.

Мы можем сравнить реактивные двигатели 777, 747 и 707 :

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

777 сжигает больше топлива в единицу времени на двигатель по сравнению с 747, то же самое для 747 по сравнению с 707.

Таким образом, это эффект смешивания плюс большее количество используемого топлива, т.е. более высокое сжигание топлива при высоком байпасе равняется большему количеству влаги, которая будет насыщать воздух, чему способствует охлаждение байпаса.

Судя по комментариям ниже (спасибо Peter Kämpf), стоит упомянуть еще один фактор — сажу. Современные двигатели, вероятно, выбрасывают гораздо более мелкие частицы сажи, которые действуют как ядра конденсации .

Основными продуктами сгорания углеводородного топлива являются углекислый газ и водяной пар. На больших высотах этот водяной пар выходит в холодную среду, и локальное увеличение водяного пара может поднять относительную влажность воздуха выше точки насыщения. Затем пар конденсируется в крошечные капельки воды, которые замерзают, если температура достаточно низкая.— Википедия .

Полученные данные должны дать военным операторам более точные прогнозы образования инверсионных следов.