¿Es posible construir una hélice de pistón supersónico o un avión turbopropulsor?

Answer 1

Tl; dr: realmente lo dudo. La viabilidad de ingeniería de tal diseño sería cuestionable en el mejor de los casos, y habría pocas razones económicas para invertir en tratar de construir algo así en primer lugar.

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Advertencia: technobabble sigue.

Las hélices y las velocidades muy altas no juegan muy bien juntas.

La agencia predecesora de la NASA, el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA) realizó una gran cantidad de investigaciones innovadoras sobre aerodinámica durante un período de cuatro décadas. En particular, antes de la era del jet, exploraron los límites y límites de las hélices en el dominio subsónico alto. Si está interesado en este tema y puede soportar una escritura realmente densa, hay una monografía interesante presentada por la NASA hace casi 40 años que puede que desee consultar: La frontera de alta velocidad: Historias de casos de cuatro programas NACA, 1920 -1950 (NASA SP-445).

NACA profundizó mucho en el régimen de alta velocidad. “Después de la guerra [de la Segunda Guerra Mundial], con la creciente realidad de la turbohélice, parecía probable la posibilidad de utilizar hélices a velocidades superiores a 500 mph, ascendentes a velocidades de vuelo transónicas e incluso bajas supersónicas. Los dispositivos de secciones de cuchilla mejoradas (principalmente más delgadas) y velocidades de rotación reducidas (ángulos de cuchilla altos o relación de avance alta, V / nD) habían mantenido altas eficiencias hasta 500 mph. “(Págs. 132–133) Después de mucha experimentación en el túnel de viento,“ Los criterios aerodinámicos para el diseño de hélices transónicas o “supersónicas” con bajas pérdidas de perfil fueron claros: use las secciones de pala más delgadas posibles, puntas afiladas o de radio muy pequeño bordes y poca comba, si es que hay alguna. ”(p. 135)

¿Porque es esto importante? Aquí hay una buena cita de una publicación bastante larga de Reddit (https://www.reddit.com/r/flying/…) que explica el concepto clave mencionado aquí:

“Hay dos tipos principales de pérdidas aerodinámicas para una hélice, pérdidas inducidas y pérdida de perfil . Las pérdidas inducidas se deben a la energía cinética impartida en la estela del accesorio. Las pérdidas de perfil se deben a la viscosidad del aire que fluye sobre el perfil de la hélice, y también pueden ser causadas por efectos transónicos cerca de la punta.

“Las pérdidas inducidas dependen del tamaño del disco de la hélice y la cantidad de empuje producido (la carga del disco ) y la cantidad de palas. Las pérdidas inducidas disminuyen con el aumento del número de cuchillas.

“Las pérdidas viscosas dependen del número de Reynolds del flujo de aire sobre cada pala. Aunque el área total de la cuchilla no aumenta con más cuchillas (el cordón de la cuchilla se hace más pequeño para mantener aproximadamente la misma carga de la cuchilla ), el número de Reynolds se vuelve más pequeño debido al acorde más pequeño, lo que aumenta las pérdidas “.

Esto explica en gran medida el enigma que enfrentarían los diseñadores al tratar de construir una hélice que pudiera funcionar eficientemente (si es que lo hace) a velocidades supersónicas. Tal vez sería posible construir un accesorio con suficientes cuchillas para permitir que gire lo suficientemente lento como para minimizar la “pérdida de perfil”, pero cada una de esas cuchillas aún generaría vórtices que robarían sus bordes exteriores de elevación, y Reynolds de cada accesorio número pasaría por la luna.

En cualquier caso, la pérdida de perfil empeora progresivamente con el aumento de la velocidad; de hecho, las palas del rotor principal del helicóptero están diseñadas en torno a un “número de Mach crítico” que las RPM rotacionales y la velocidad de avance superior deben tener en cuenta para evitar que las palas se vuelvan supersónicas (lo cual es malo). Esa preocupación se produce literalmente a cientos de nudos por debajo incluso del rango transónico, y mucho menos un acercamiento a la barrera del sonido.

A pesar de lo anterior, nadie estaba cerca para decirles lo que querían hacer, no volaría (lo siento), por lo que NACA siguió adelante e invirtió en un “avión de investigación de hélices” a fines de la década de 1940 que en realidad obtuvo algunos resultados interesantes. Desde SP-445: “Tres hélices fueron probadas a velocidades de vuelo hasta ligeramente superiores a Mach 1 en el XF-88B”. Con ese avión, “La eficiencia máxima del 80 por ciento se había medido a Mach 0,95 en una delgada hélice” supersónica ” , generalmente confirmando los niveles indicados en los programas de túnel de viento de alta velocidad de Langley “(p. 136). Para un bebé de la era del jet como yo, ese es un resultado fenomenal.

Aún así, el problema con la prescripción de NACA para una hélice de alta velocidad parece ser que sería para hélices que podrían funcionar a altas velocidades, pero que probablemente serían increíblemente ineficientes a velocidades más bajas. Los motores a reacción hicieron que toda esta línea de investigación fuera discutible de todos modos. Son mucho mejores para convertir el combustible en ruido y empuje que las hélices. Como el informe de la NASA finalmente observó:

“El progreso en la tecnología de hélices de alta velocidad realizado en el programa NACA tuvo lugar en un entorno de interés cada vez menor para el usuario. En 1949, TB Rhines, de la División Hamilton Standard (Propeller) de United Aircraft, se quejó conmovedoramente de que “… varios representantes de la industria aeronáutica dan a entender que incluso si la hélice [de alta velocidad] es buena, no se quiere” (ref. 155). Todavía había esperanza de que los transportes de 500-600 mph pudieran necesitar hélices transónicas, especialmente para el largo alcance, pero con la llegada del Comet y el 707, esta aplicación también se desvaneció y el programa de hélices de alta velocidad NACA terminó con la transición a la NASA “. (pág. 138)

Answer 2

Un avión de hélice normal, no. Republic probó un turbopropulsor supersónico especialmente diseñado con el XF-84 “Thunderscreech”. Si bien puede haber sido posible en el papel, en la práctica fue un fracaso masivo. Hubo numerosos problemas de estabilidad causados ​​por los efectos slipstream y el torque. Así como problemas de motor. Casi todos los vuelos terminaron en un aterrizaje forzoso. Además eso fue un problema con el ruido. Fue el avión más ruidoso jamás construido. Las puntas de las hélices viajaban a Mach 1.2 en todo momento, creando un auge sónico constante, que causaba náuseas y convulsiones entre la tripulación de tierra, e incluso podía dejar a una persona fuera de juego. Se determinó que no había ningún beneficio y el proyecto fue descartado.

Answer 3

Recuerdo un avión de proyecto diseñado y construido por aficionados en la década de 1990 con el único propósito de ser el primer avión supersónico impulsado por motor alternativo, propulsado por hélice. No pude encontrar artículos de revistas que describieran el proyecto, pero supongo que los promotores al menos organizaron un stand en el show aéreo anual EAA Oshkosh. Otros pueden agregar a esto.

La única mención del proyecto fue en un anuncio de pago en venta en la revista / periódico Trade-a-Plane. El anuncio se publicó por unos 6 meses a un año. Creo que los vendedores vivían en algún lugar del área de San Francisco, o tal vez hacia el este hacia Sacramento.

Como recuerdo, la primera etapa del diseño fue usar el recipiente / hélice para subir a la altitud donde el motor se apagaría y la hélice se guardaría, luego se logró el vuelo supersónico controlado en una inmersión . (Sí, hacer trampa, ¿verdad?) Pero los desarrolladores originales tenían algún plan para un vuelo sostenido de nivel supersónico, aparentemente no llegaron allí.

No había imágenes (para evaluar el barrido del ala y otras características inhibidoras transónicas), no había explicaciones en el anuncio, y tenía otras cosas en mente. Pero ocasionalmente me he preguntado acerca de sus planes de propulsión. ¿Podría haber sido un ventilador canalizado dentro de un conducto divergente para mantener el flujo de aire del ventilador subsónico? ¿O una hélice externa de diámetro pequeño y cuerda ancha que de alguna manera resolvió el problema de la onda de choque?

Answer 4

No, miedo no. Es bastante complejo, pero trata de simplificar la razón principal … la hélice no podía girar lo suficientemente rápido como para mantener el empuje contra el aire relativo. El aire comenzaría a pasar el puntal más rápido de lo que el puntal podría atraparlo para empujarlo, si eso tiene sentido.

Imagina que estás remando en un bote: pones el remo en el agua y tiras, y el bote se mueve. Fácil, verdad?

Ahora ponga un motor en el bote y avance 50 mph. AHORA intente remar el bote … no puede. Pones tu remo en el agua e inmediatamente se lanza hacia atrás más rápido de lo que puedes moverlo, por lo que no tienes nada contra lo que empujar para ir más rápido.

Agregue a eso el hecho de que cuando las puntas del accesorio se vuelven supersónicas, el accesorio pierde eficiencia rápidamente … por lo que hay un límite a la velocidad con la que puede girar un accesorio y aún mover aire.

Hay más, pero esa es la explicación de nivel de entrada. 🙂

Answer 5

Un sistema simple de hélice de turbohélice para aeronaves consta de boquillas de turbina, compresor, cámara de combustión, admisión y propulsión. El aire es llevado a la entrada y comprimido por el compresor, con la adición de combustible a este aire comprimido se produce energía para el sistema de propulsión de la aeronave. Esta tecnología para proporcionar empuje con el sistema de hélice es bastante antigua y se encuentra comúnmente en aviones comerciales medianos y pequeños en el mercado. El primer motor turbopropulsor estadounidense fue el XT31 de GE y se utilizó por primera vez en el consolidado Vultee XP-81. Durante el vuelo, la hélice mantiene una velocidad del motor del 100%. Esta velocidad se puede denominar velocidad de diseño, ya que se puede obtener la máxima potencia y eficiencia. los

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Answer 6

Lo que dijo Tom …

Pero aquí hay algunos de los principales problemas para lograr que un accesorio supersónico funcione de manera efectiva.

1- Las superficies de sustentación para los perfiles subsónicos de punta / ala son muy diferentes para las supersónicas. Y no puede poner efectivamente ambos perfiles / acordes en la misma hoja.

2- La velocidad del aire a lo largo de la hoja de apoyo va de muy lenta en el centro a muy rápida en la punta. De hecho, se produce muy poco empuje en el disco interno de un accesorio. A velocidades aerodinámicas muy altas, esa área de apoyo contribuye con más resistencia que empuje. Esto sería más cierto a velocidades supersónicas.

3- Suponiendo que pueda lograr que un avión se vuelva supersónico con una hélice, la principal restricción sería en el rango de velocidad transónica donde partes del avión y la hélice son subsónicas y otras partes son supersónicas. No sé cómo podría resolver esa onda de choque que viaja en el puntal desde la punta hasta el centro, cuando, como dije en el n. ° 1, las superficies de sustentación son diferentes al supersónico.

Answer 7

No diría en esta etapa que es posible, pero la filosofía de la hélice tal como es, simplemente no es adecuada para velocidades muy altas en esa forma, ya que la punta de la hélice debe correr hacia los lados más rápido de lo que avanza la nave.

Así es como la naturaleza inteligente logra un avance rápido, cambia la filosofía de las hélices. Primero, la naturaleza tomó las aletas laterales de un pez como cualquier movimiento parecido a un remo y luego la naturaleza hace algo tan elegante que los chinos lo copiaron hace cientos de años con un remo en la parte posterior, montado en el espejo de popa. Así es como la naturaleza lo hizo antes con un plano de cola ondulado.

La naturaleza siente su camino alrededor del estado en el que se encuentra y opera de una manera que es evolutiva, ya que el estado en el que se encuentra le dice a la naturaleza o a la criatura dónde está yendo mal y cuál podría ser una mejor configuración, de ahí la evolución a nuestro alrededor. Los peces, los delfines, las ballenas y las orcas lo que hacen para viajar a 50 millas por hora, no usan remos laterales ni hélices o turbinas, orientan sus aletas de “remo lateral” hacia atrás y las llaman “colas” ya que interfieren menos con los fluidos de la cabeza que se aproximan. Estas colas o remos traseros que ahora ondulan hacia arriba y hacia abajo, hacia la izquierda y hacia la derecha con el paso correcto y a alta velocidad, su “paso” es tal que no necesitan mover sus remos más rápido que la velocidad que se mueven como el ángulo del Las colas de ballenas y peces son efectivamente remos de paso variable que no necesitan moverse mucho más rápido que la propia embarcación, la naturaleza es elegante en su solución. El fluido sobre la superficie de la hélice debe ser mucho más alto que el de la nave en movimiento, pero en las ballenas, las orcas y los delfines que se mueven a 50 millas por hora solo pueden hacerlo porque la naturaleza les dijo que es mejor impulsar su movimiento a través de un plano de cola cuyo ángulo puede ser tal que el movimiento del agua sea casi igual al de la propia embarcación, a diferencia del de una hélice o una pala de turbina. No creo que en el caso de una orca y un delfín rápido, el agua empujada hacia atrás tenga una velocidad mucho mayor que la criatura misma, ya que el plano de cola de una orca o un delfín es más como el hilo en un tuerca y tornillo donde el deslizamiento no existe mucho, por lo que diría que el plano de cola podría ser una solución para embarcaciones de alta velocidad. ¡Bueno, uno no puede usarlo porque los materiales y las inversiones necesarias para aletear la cola aún no están disponibles y necesitaríamos mucha inercia para que la cola no agite al perro!

Solo mire este video para apreciar cómo un avión de cola puede hacer que las orcas se muevan a más de 50 millas por hora y eso para mí es bastante supersónico cuando se considera la densidad del agua y el efecto de cavitación y el tamaño de una orca … y tenga en cuenta que la orca y un delfín no tienen el área de sección transversal constante de un avión y esa forma optimiza la velocidad más alta. A este respecto, la Constellation de cuatro motores era un buen diseño optimizado para su época. También es digno de mención mencionar que sería menos arrastre en una nave diseñada por Cunard, ya que tanto el plano de proa delantero como las alas principales se levantan cuando en un plano convencional el plano de cola normalmente se “arrastra” hundiendo la parte trasera del avión para mantener su nariz hacia arriba. Estos pequeños problemas serán importantes a altas velocidades.

No voy a incluirlo en este comentario, pero los lectores buscarían el diseño de las puntas y el borde delantero y posterior de las aletas de las ballenas y los peces, y que los bordes anterior y posterior del plano de cola se inclinan hacia atrás es algo que todos deberíamos haber copiado al diseñar las puntas externas de las alas y la hélice que funcionan a cualquier velocidad. Esa es la razón por la cual las ballenas y los peces pueden nadar tan rápido, que el avión de cola tiene una magia que las hélices no contienen.

Answer 8

Esto debería responder por ti …

Pregúntenos – Hélices supersónicas