Non è militare contro civile, ma subsonico contro supersonico-capace

Nota che gli aerei militari subsonici usano gli stessi motori degli aerei civili, anche se i loro nomi possono essere diversi.

• Il KC-135 usava inizialmente il J-57 che era chiamato JT-3C quando era usato nel Boeing 707-120. Ora volano con il CFM-56, che è usato sul Boeing 737 e l’A320.
• Il C-5 Galaxy usa il GE TF39 che è diventato il CF6 quando è montato su un Boeing 747-100 o un DC-10.
• Il Fairchild A-10 usa il GE TF34 che è chiamato CF34 quando è montato su aerei civili come il Bombardier Challenger.

No, le differenze sorgono solo quando l’aereo è progettato per volare supersonico. Questo richiede un approccio molto diverso all’integrazione del motore:

• I motori degli aerei supersonici sono montati vicino alla linea centrale. Se possibile, sono dritti dietro le prese, così il flusso di aspirazione non ha bisogno di cambiare direzione. Eccezioni come l’SR-71 sono rare.
• Le prese d’aria supersoniche sono più lunghe e hanno spigoli vivi in contrasto con le prese corte e smussate degli aerei subsonici. Inoltre, la maggior parte ha una geometria variabile per adattarsi alle condizioni di flusso molto diverse alla velocità supersonica.
• Siccome il compito di una presa è quello di rallentare l’aria che entra nel motore, le prese supersoniche non possono avere una grande area di cattura, o la loro resistenza alla caduta nel volo supersonico sarebbe eccessiva. I motori supersonici devono creare la loro spinta con molta meno massa d’aria dei motori puramente subsonici. Dimenticate lo stealth, questa è la vera ragione dei diametri più piccoli dei motori supersonici.
• L’ugello di un aereo supersonico è anche variabile, in contrasto con l’ugello fisso degli aerei subsonici. Questo aiuta di nuovo ad adattarlo alle condizioni del flusso, ma in questo caso la differenza principale è tra il riscaldamento acceso e quello spento. I motori a postcombustione sono capaci di velocità di uscita molto più alte per compensare il loro diametro più piccolo. Accelerano meno aria a una velocità più alta per creare una spinta comparabile.
• L’ultimo punto l’ha menzionato, ma merita un proiettile tutto suo: I motori supersonici usano postbruciatori per avere abbastanza spinta per andare in supersonico. I gas di scarico caldi hanno un volume molto più grande del flusso di aspirazione fredda che deve essere adattato allargando l’ugello.

Nota che il Concorde civile usava anche un’aspirazione e un ugello variabile e postbruciatori. Aveva un motore che era stato usato prima sul BAC TSR-2, un aereo militare supersonico.

La vera distinzione non è tra civile e militare, ma tra puramente subsonico e supersonico-capace. Inizialmente, entrambi sono stati ottenuti con gli stessi motori. Il J-57 di cui sopra è stato utilizzato anche sul jet militare supersonico F-100. Solo negli anni ’60 queste linee divergevano, e i velivoli subsonici avevano stadi di compressione a bassa pressione sempre più grandi. Questi erano di nuovo azionati dai nuclei ad alta pressione che erano usati sugli aerei supersonici.

Sfondo

La spinta è il flusso di massa d’aria moltiplicato per la differenza di velocità tra il volo e la velocità dell’ugello del motore. Per aumentare la spinta, i motori subsonici cercano di massimizzare il flusso di massa (aumentando il rapporto di bypass), mentre i motori supersonici si basano maggiormente sull’aumento della velocità dell’ugello (utilizzando i postbruciatori). Poiché la spinta netta è possibile solo quando la velocità di uscita è superiore alla velocità di volo, la velocità di uscita del motore deve aumentare con la velocità di volo di progetto.

I motori core non differiscono molto – dopo tutto, l’aspirazione farà in modo che l’aria raggiunga il motore ad una velocità di Mach 0,4-0,5, indipendentemente dalla velocità di volo. Il nucleo del General Electric F110 (installato nei caccia F-15 e F-16, tra gli altri) è diventato il nucleo del turbofan CFM-56 che è usato nel Boeing 737 o nell’Airbus A320. La differenza principale è nel loro rapporto di bypass. Più lenta è la velocità di progetto, più grande può diventare il rapporto di bypass. A velocità molto basse, la ventola senza ingranaggi e coperta è sostituita da un’elica con ingranaggi e a rotazione libera, in altre parole, il jet si trasforma in un turboprop. La presa e l’ugello, tuttavia, sono davvero molto diversi.

Il rapporto di bypass ottimale cambia continuamente, ma poiché il coefficiente di resistenza scende dopo aver superato Mach 1, gli aerei sono progettati o per un numero massimo di Mach di 0,9 o meno, o 1,6 e oltre. I rapporti di bypass corrispondenti oggi sono fino a 12 per i motori subsonici, e meno di 1 per i motori supersonici. Questo produce un confine netto alla velocità del suono, e molti motori militari progettati per il volo supersonico hanno perso i loro postbruciatori e sono stati dotati di una grande ventola per diventare i motori per aerei da trasporto subsonici.

Le differenze tra i motori sub e supersonici diventano più grandi quanto più ci si allontana dal loro nucleo. Il compressore ad alta pressione, la camera di combustione e la turbina ad alta pressione sembrano e funzionano allo stesso modo, ma il compressore a bassa pressione dei motori subsonici inghiotte molta più aria e ha un diametro molto più grande. I motori supersonici a loro volta hanno per lo più un postbruciatore. La più grande differenza, tuttavia, sono le prese d’aria (grande presa di pitot con labbra smussate per i velivoli subsonici contro prese a punta o a rampa regolabili per il volo supersonico) e l’ugello (fisso per il volo subsonico contro un ugello convergente-divergente complesso e regolabile per il volo supersonico). Questo è dovuto alle diverse velocità dell’aria e alle velocità di uscita molto più alte richieste per il volo supersonico.

Guarda la sezione di aspirazione dell’XB-70 nella foto sopra (fonte). L’area di cattura è piuttosto piccola, e poi il tubo di aspirazione si allarga per permettere il rallentamento del flusso d’aria. Le pareti laterali inclinate della sezione di aspirazione causano molta resistenza a Mach 3. Ora pensate che i sei GE YJ-93 sono sostituiti da motori con un diametro ancora maggiore. L’aumento della resistenza dell’onda dovuta all’aspirazione ancora più smussata annullerebbe tutti i vantaggi di un rapporto di bypass più alto.

Quello che è meno ovvio è il fatto che questa sezione di aspirazione crea anche forse la metà della spinta complessiva del sistema di propulsione. Ma questa risposta è già troppo lunga, quindi la conservo per un’altra risposta.