Nem katonai vs. polgári, hanem szubszonikus vs. szuperszonikus képességű

Megjegyezzük, hogy a szubszonikus katonai repülőgépek ugyanazokat a hajtóműveket használják, mint a polgári gépek, még ha a nevük eltérő is lehet.

• A KC-135 eredetileg a J-57-et használta, amelyet a Boeing 707-120-asban használva JT-3C-nek hívtak. Most a CFM-56-ossal repülnek, amelyet a Boeing 737-esben és az A320-asban használnak.
• A C-5 Galaxy a GE TF39-et használja, amelyből CF6 lett, amikor egy Boeing 747-100-asba vagy egy DC-10-esbe szerelték.
• A Fairchild A-10 a GE TF34-et használja, amelyet CF34-nek hívnak, amikor olyan polgári repülőgépekbe szerelik, mint a Bombardier Challenger.

Nem, a különbségek csak akkor merülnek fel, amikor a gépet szuperszonikus repülésre tervezik. Ez egészen más megközelítést igényel a hajtómű beépítésénél:

• A szuperszonikus repülőgépek hajtóműveit a középvonalhoz közel szerelik. Ha lehetséges, egyenesen a szívócsövek mögött helyezkednek el, így a szívóáramlásnak nem kell irányt változtatnia. Az olyan kivételek, mint az SR-71, ritkák.
• A szuperszonikus repülőgépek szívónyílásai hosszabbak és éles szélűek, szemben a szubszonikus repülőgépek rövid, tompa szívónyílásaival. Emellett a legtöbbnek változó geometriája van, hogy alkalmazkodjon a szuperszonikus sebességnél nagyon eltérő áramlási viszonyokhoz.
• Mivel a szívócső feladata az, hogy lelassítsa a motorba belépő levegőt, a szuperszonikus szívócsövek nem rendelkezhetnek nagy befogadó felülettel, különben túl nagy lenne a légellenállásuk szuperszonikus repülés közben. A szuperszonikus hajtóműveknek sokkal kisebb légtömeggel kell létrehozniuk a tolóerőt, mint a tisztán szubszonikus hajtóműveknek. Felejtsük el a lopakodást, ez az igazi oka a szuperszonikus képességű hajtóművek kisebb átmérőjének.
• A szuperszonikus repülőgépek fúvókája is változtatható, ellentétben a szubszonikus repülőgépek fix fúvókájával. Ez ismét az áramlási viszonyokhoz való igazodást segíti, de ebben az esetben a fő különbség a bekapcsolt és kikapcsolt újrafűtés között van. Az utánégető hajtóművek sokkal nagyobb kilépési sebességre képesek, hogy kompenzálják kisebb átmérőjüket. Kevesebb levegőt gyorsítanak fel nagyobb sebességre, hogy hasonló tolóerőt hozzanak létre.
• Az utolsó pont említette, de megérdemel egy saját bulletet: A szuperszonikus hajtóművek utánégetőket használnak ahhoz, hogy egyáltalán elegendő tolóerővel rendelkezzenek a szuperszonikus repüléshez. A forró kipufogógázok sokkal nagyobb térfogatúak, mint a hideg szívóáram, amit a fúvóka kiszélesítésével kell befogadni.

Megjegyzendő, hogy a polgári Concorde is változó szívó- és fúvókaáramot és utánégetőket használt. Olyan hajtóművel rendelkezett, amelyet korábban a BAC TSR-2-ben, egy szuperszonikus katonai repülőgépben használtak.

A valódi különbség nem a polgári és a katonai között van, hanem a tisztán szubszonikus és a szuperszonikus képességű között. Kezdetben mindkettőt ugyanazokkal a hajtóművekkel érték el. A fent említett J-57-et használták a szuperszonikus F-100-as katonai repülőgépen is. Csak az 1960-as években váltak el ezek a vonalak, és a szubszonikus repülőgépek egyre nagyobb alacsony nyomású kompresszorfokozatokat növeltek. Ezeket ismét a szuperszonikus repülőgépeken használt nagynyomású magok hajtották meg.

Háttér

A tolóerő a légtömegáram szorozva a hajtómű repülési és fúvókafordulatszámának sebességkülönbségével. A tolóerő növelése érdekében a szubszonikus hajtóművek megpróbálják maximalizálni a tömegáramot (a bypass-arány növelésével), míg a szuperszonikus hajtóművek inkább a fúvóka sebességének növelésére támaszkodnak (az utánégetők használatával). Mivel nettó tolóerő csak akkor lehetséges, ha a kilépési sebesség nagyobb, mint a repülési sebesség, a hajtómű kilépési sebességének növekednie kell a tervezett repülési sebességgel.

A maghajtóművek nem sokban különböznek – elvégre a szívócső gondoskodik arról, hogy a levegő a repülési sebességtől függetlenül 0,4-0,5 Mach sebességgel érkezzen a hajtóműbe. A General Electric F110 (többek között az F-15 és F-16 vadászgépekbe beépített) magja lett a CFM-56 turbóventilátor magja, amelyet a Boeing 737-esben vagy az Airbus A320-asban használnak. A fő különbség az áthidalási arányukban van. Minél lassabb a tervezési sebesség, annál nagyobb lehet a bypass-arány. Nagyon alacsony fordulatszámon a nem áttételes, burkolat nélküli ventilátort egy áttételes, szabadon forgó légcsavarra cserélik, más szóval a sugárhajtómű turboproppá alakul át. A szívócső és a fúvóka azonban valóban nagyon eltérő.

Az optimális bypass-arány folyamatosan változik, de mivel a légellenállási együttható a Mach 1 átlépése után csökken, a repülőgépeket vagy 0,9-es vagy annál kisebb, vagy 1,6-os vagy annál nagyobb maximális Mach-számra tervezik. A megfelelő bypass-arányok ma szubszonikus hajtóműveknél akár 12, szuperszonikus hajtóműveknél pedig 1-nél kisebbek. Ez éles határt eredményez a hangsebességnél, és sok szuperszonikus repülésre tervezett katonai hajtómű elvesztette az utánégetőjét, és nagy ventilátorral szerelték fel, hogy a szubszonikus szállító repülőgépek hajtóművei legyenek.

A szubszonikus és szuperszonikus hajtóművek közötti különbségek annál nagyobbak, minél távolabb kerülünk a magjától. A nagynyomású kompresszor, az égéstér és a nagynyomású turbina ugyanúgy néz ki és ugyanúgy működik, de a szubszonikus hajtóművek kisnyomású kompresszora sokkal több levegőt nyel el, és sokkal nagyobb átmérőjű. A szuperszonikus hajtóművek viszont többnyire utóégetővel rendelkeznek. A legnagyobb különbség azonban a szívónyílásokban (nagyméretű, tompa ajkú pitot-szívónyílás a szubszonikus gépeknél, szemben a szuperszonikus repülésnél alkalmazott állítható tüskés vagy rámpás szívónyílással) és a fúvókában (fix a szubszonikus repülésnél, szemben a szuperszonikus repülésnél alkalmazott összetett, állítható konvergens-divergens fúvókával) van. Ennek oka a nagyon eltérő légsebesség és a szuperszonikus repüléshez szükséges sokkal nagyobb kilépési sebesség.

Nézzük meg a fenti képen látható XB-70 szívószelvényét (forrás). A befogási terület meglehetősen kicsi, majd a szívócső kiszélesedik, hogy lehetővé tegye a légáramlás lassítását. A szívószelvény ferde oldalfalai Mach 3-nál nagy légellenállást okoznak. Most gondoljunk arra, hogy a hat GE YJ-93-at még nagyobb átmérőjű hajtóművekre cserélik. A hullámellenállás növekedése a még tompább szívónyílás miatt semmissé tenné a nagyobb átömlési arány minden előnyét.

Mi kevésbé nyilvánvaló, az a tény, hogy ez a szívószelvény a hajtómű teljes tolóerejének talán a felét is létrehozza. De ez a válasz már így is túl hosszú, ezért ezt egy másik válaszra tartogatom.