¿Para qué sirven los dos círculos rojos en las alas del avión?
Antes de la Segunda Guerra Mundial, todos los aviones funcionaban con motores de pistón. Este motor no puede generar potencia de avance por sí solo y necesita impulsar una hélice que gire en el aire para impulsar la aeronave hacia adelante. Esta combinación de motor de pistón y hélice ha sido un método fijo de propulsión para aviones y pocos lo han cuestionado.
A finales de la década de 1930, especialmente durante la Segunda Guerra Mundial, debido a las necesidades de la guerra, el rendimiento de los aviones se desarrolló rápidamente, con velocidades de vuelo que alcanzaban los 700-800 km/h y altitudes que superaban los 10.000 metros. . Sin embargo, de repente se descubrió que los aviones de hélice parecían haber llegado a su límite, incluso si los ingenieros aumentaron la potencia del motor de 1.000 kilovatios a 2.000 kilovatios o incluso 30.000 metros.
El problema está en la hélice. Cuando el avión alcanza una velocidad de 800 kilómetros por hora, la punta de la hélice en realidad se acerca a la velocidad del sonido porque ha estado girando a gran velocidad. La consecuencia directa de este campo de flujo transónico es una fuerte disminución en la eficiencia y el empuje de la hélice. Al mismo tiempo, la hélice tiene una gran superficie de barlovento, lo que aporta mayor resistencia. Además, a medida que aumenta la altitud de vuelo y la atmósfera se vuelve más delgada, la potencia del motor de pistón también disminuirá drásticamente. Estos factores combinados determinan que el modelo de motor de pistón + propulsión de hélice haya llegado a su fin. Para mejorar aún más el rendimiento de los vuelos, fue necesario adoptar un nuevo método de propulsión y surgieron los motores a reacción.
Todo el mundo conoce el principio de la propulsión a chorro. Según la tercera ley de Newton, todas las fuerzas que actúan sobre un objeto tienen una reacción igual y opuesta. Cuando un motor a reacción está en funcionamiento, se aspira una gran cantidad de aire desde la parte delantera, se quema y luego se expulsa a alta velocidad. Durante este proceso, el motor ejerce una fuerza sobre el gas para acelerarlo hacia atrás, y el gas también le da al motor una fuerza de reacción para empujar el avión hacia adelante. De hecho, este principio se aplica en la práctica desde hace mucho tiempo. Los petardos que tocamos vuelan hacia el cielo por la reacción del gas de pólvora expulsado por la cola.
Ya en 1913, el ingeniero francés Rennes Loran obtuvo una patente para un motor a reacción, pero era un motor ramjet que no podía funcionar a las bajas velocidades de la época y carecía de la potencia térmica necesaria a alta temperatura. -materiales resistentes. Frank Whittle recibió su primera patente de motor de turbina de gas en 1930, pero no fue hasta 11 años después que su motor realizó su primer vuelo. El motor de Whittle formó la base del moderno motor turborreactor.
La estructura de un motor turborreactor moderno consta de una entrada, un compresor, una cámara de combustión, una turbina y una tobera. Entre la turbina y la tobera de un avión de combate hay un postquemador. El motor turborreactor también es un tipo de motor térmico y debe seguir el principio de trabajo del motor térmico: entrada de energía a alta presión y liberación de energía a baja presión. Por lo tanto, desde la perspectiva del principio de generación de energía de salida, los motores a reacción y los motores de pistón son iguales y requieren cuatro etapas de entrada de aire, sobrealimentación, combustión y escape. La diferencia es que en un motor de pistón estas cuatro etapas se realizan secuencialmente en tiempo compartido, mientras que en un motor a reacción son continuas. El gas fluye secuencialmente a través de varias partes del motor a reacción, correspondientes a las cuatro posiciones de trabajo del motor de pistón.
El aire entra primero por la entrada de aire del motor. Cuando un avión está volando, se puede considerar como un flujo de aire que fluye hacia el motor a velocidad de vuelo. Debido a que la velocidad de vuelo de la aeronave cambia, la velocidad del flujo entrante del compresor está dentro de un cierto rango, por lo que la función de la entrada de aire es ajustar el flujo futuro a la velocidad adecuada a través del tubo ajustable. Durante el vuelo supersónico, la velocidad del flujo de aire delante y dentro de la entrada se reduce a velocidad subsónica. En este momento, el estancamiento del flujo de aire puede aumentar la presión diez veces o incluso docenas de veces, lo que excede en gran medida el impulso múltiple en el compresor. , produciendo así un motor estatorreactor A que se basa únicamente en la velocidad de apisonamiento sin compresor.
El compresor detrás de la entrada de aire se utiliza específicamente para aumentar la presión del flujo de aire. Cuando el aire fluye a través del compresor, las aspas del compresor trabajan en el flujo de aire, lo que hace que aumenten la presión y la temperatura del flujo de aire. A velocidades subsónicas, el compresor es el componente principal para la presurización del flujo de aire.
El gas a alta temperatura y alta presión que sale de la cámara de combustión fluye a través de una turbina montada en el mismo eje que el compresor. Parte del gas puede expandirse en la turbina y convertirse en energía mecánica para impulsar la rotación del compresor. En un motor turborreactor, el trabajo realizado por la expansión del flujo de aire en la turbina es exactamente igual al trabajo consumido por el compresor para comprimir el aire y al trabajo requerido por los accesorios de la transmisión para superar la fricción. Después de la combustión, la energía del gas delante de la turbina aumenta considerablemente, por lo que la relación de expansión en la turbina es mucho menor que la relación de compresión en el compresor.
La presión y la temperatura en la salida de la turbina son mucho más altas que la presión y la temperatura en la entrada del compresor, y el empuje del motor proviene de esta parte de la energía del gas.
El gas a alta temperatura y alta presión que fluye fuera de la turbina continúa expandiéndose en la boquilla de cola y se descarga hacia atrás desde la boquilla a alta velocidad a lo largo del eje del motor. Esta velocidad es mucho mayor que la velocidad del flujo de aire que ingresa al motor, lo que hace que el motor obtenga un empuje de reacción.
En general, cuanto mayor es la temperatura del flujo de aire que sale de la cámara de combustión, mayor será el aporte de energía y mayor será el empuje del motor. Sin embargo, debido a las limitaciones de los materiales de las turbinas, actualmente sólo puede alcanzar unos 65.438+0.650 K. Los aviones de combate modernos a veces necesitan aumentar el empuje durante un corto período de tiempo y luego agregar un postquemador detrás de la turbina para inyectar combustible de modo que los gases no quemados se mezclen con el combustible inyectado para volver a quemarlo. Dado que el postquemador no tiene piezas giratorias, la temperatura puede alcanzar los 2000 K, lo que puede aumentar el empuje del motor hasta aproximadamente 1,5 veces. Su desventaja es que el consumo de combustible aumenta considerablemente y la temperatura excesiva también afecta la vida útil del motor. Por lo tanto, el postquemador del motor es generalmente limitado. Solo dura más de diez segundos en altitudes bajas. Se usa principalmente para despegue o combate. Puede conducirse durante mucho tiempo en altitudes elevadas.
Con el desarrollo de la tecnología de turbinas de gas para aviación, la gente ha desarrollado varios motores a reacción, como motores ramjet y motores de impulsos, basados en motores turborreactores y de acuerdo con diferentes tecnologías de sobrealimentación según diferentes energías de salida, incluidos los motores turbofan; motores turbohélice, motores turboeje y motores de ventilador de hélice.
Aunque los motores a reacción tienen un mayor consumo de combustible que los motores de pistón a bajas velocidades, su excelente rendimiento a alta velocidad les permite reemplazar rápidamente a estos últimos y convertirse en la corriente principal de los motores aeroespaciales.