Het is niet militair vs civiel, maar subsonisch vs supersonisch-capabel

Merk op dat subsonische militaire vliegtuigen dezelfde motoren gebruiken als civiele vliegtuigen, ook al hebben ze misschien een andere naam.

• De KC-135 gebruikte aanvankelijk de J-57 die JT-3C werd genoemd toen hij werd gebruikt in de Boeing 707-120. Nu vliegen ze met de CFM-56, die wordt gebruikt in de Boeing 737 en de A320.
• De C-5 Galaxy gebruikt de GE TF39 die CF6 werd toen hij werd gemonteerd in een Boeing 747-100 of een DC-10.
• De Fairchild A-10 gebruikt de GE TF34 die CF34 wordt genoemd toen hij werd gemonteerd in civiele vliegtuigen zoals de Bombardier Challenger.

Nee, de verschillen ontstaan alleen wanneer het vliegtuig wordt ontworpen om supersonisch te vliegen. Dit vereist een heel andere benadering van de integratie van de motor:

• Supersonische vliegtuigmotoren worden dicht bij de middellijn gemonteerd. Indien mogelijk, staan ze recht achter de inlaten, zodat de inlaatstroom niet van richting hoeft te veranderen. Uitzonderingen zoals de SR-71 zijn zeldzaam.
• Supersonische intakes zijn langer en hebben scherpe randen in tegenstelling tot de korte, stompe intakes van subsonische vliegtuigen. Ook hebben de meeste een variabele geometrie om zich aan te passen aan de zeer verschillende stromingsomstandigheden bij supersonische snelheid.
• Omdat het de taak van een inlaat is om de lucht die de motor in gaat af te remmen, kunnen supersonische inlaten geen groot vanggebied hebben, of hun morsweerstand in supersonische vlucht zou buitensporig zijn. Supersonische motoren moeten hun stuwkracht creëren met veel minder luchtmassa dan louter subsonische motoren. Vergeet stealth, dit is de echte reden voor de kleinere diameters van supersonische-motoren.
• De straalpijp van een supersonisch vliegtuig is ook variabel, in tegenstelling tot de vaste straalpijp van subsonische vliegtuigen. Ook dit helpt om het aan te passen aan de stromingsomstandigheden, maar in dit geval is het grote verschil tussen heropwarming aan en uit. Naverbrandingsmotoren zijn in staat tot veel hogere uitgangssnelheden om hun kleinere diameter te compenseren. Zij versnellen minder lucht tot een hogere snelheid om een vergelijkbare stuwkracht te creëren.
• Het laatste punt is al genoemd, maar het verdient een kogel op zich: Supersonische motoren gebruiken naverbranders om voldoende stuwkracht te hebben om überhaupt supersonisch te gaan. De hete uitlaatgassen hebben een veel groter volume dan de koude inlaatstroom die moet worden opgevangen door de straalpijp te verbreden.

Merk op dat de civiele Concorde ook een variabele inlaat en straalpijp gebruikte en naverbranders. Het had een motor die eerder werd gebruikt op de BAC TSR-2, een supersonisch militair vliegtuig.

Het echte onderscheid is niet tussen civiel en militair, maar tussen zuiver subsonisch en supersonisch-capabel. Aanvankelijk werd beide bereikt met dezelfde motoren. De genoemde J-57 werd ook gebruikt voor de supersonische militaire straaljager F-100. Pas in de jaren zestig liepen die lijnen uiteen, en kregen de subsonische toestellen steeds grotere lagedrukcompressortrappen. Deze werden weer aangedreven door de hogedrukkernen die op supersonische vliegtuigen werden gebruikt.

Achtergrond

Thrust is luchtmassastroom vermenigvuldigd met het snelheidsverschil tussen vliegsnelheid en straalpijpsnelheid van de motor. Om de stuwkracht te vergroten, proberen subsonische motoren de massastroom te maximaliseren (door de omloopverhouding te vergroten), terwijl supersonische motoren meer vertrouwen op het vergroten van de straalpijpsnelheid (door naverbranders te gebruiken). Aangezien netto stuwkracht alleen mogelijk is wanneer de uittredesnelheden hoger zijn dan de vliegsnelheid, moet de uittredesnelheid van de motor toenemen met de ontwerp-vluchtsnelheid.

De kernmotoren verschillen niet veel – per slot van rekening zal de inlaat ervoor zorgen dat de lucht de motor bereikt met een snelheid van Mach 0,4 tot 0,5, ongeacht de vliegsnelheid. De kern van de General Electric F110 (o.a. ingebouwd in de F-15 en F-16 gevechtsvliegtuigen) werd de kern van de CFM-56 turbofan die wordt gebruikt in de Boeing 737 of de Airbus A320. Het belangrijkste verschil zit in de bypassverhouding. Hoe lager de ontwerpsnelheid, hoe groter de bypass-verhouding kan worden. Bij zeer lage snelheid wordt de ongetande, omhulde ventilator ingeruild voor een getande, vrij draaiende propeller, met andere woorden, de jet verandert in een turboprop. De inlaat en de straalpijp zijn echter zeer verschillend.

De optimale bypassverhouding verandert voortdurend, maar aangezien de luchtweerstandscoëfficiënt daalt na Mach 1 te hebben overschreden, worden vliegtuigen ofwel ontworpen voor een maximum Mach-getal van 0,9 of minder, ofwel voor 1,6 en meer. De overeenkomstige omloopverhoudingen bedragen tegenwoordig tot 12 voor subsonische motoren, en minder dan 1 voor supersonische motoren. Dit levert een scherpe grens op bij de geluidssnelheid, en veel militaire motoren die voor supersonische vlucht werden ontworpen, verloren hun naverbranders en werden uitgerust met een grote ventilator om de motoren voor subsonische transportvliegtuigen te worden.

De verschillen tussen sub- en supersonische motoren worden groter naarmate men zich verder van hun kern verwijdert. Hogedrukcompressor, verbrandingskamer en hogedrukturbine zien er hetzelfde uit en werken hetzelfde, maar de lagedrukcompressor van subsonische motoren slikt veel meer lucht en heeft een veel grotere diameter. Supersonische motoren hebben op hun beurt meestal een naverbrander. Het grootste verschil zijn echter de inlaten (grote pitot-inlaat met stompe lippen voor subsonische vliegtuigen tegenover instelbare spike- of ramp-inlaten voor supersonische vlucht) en de straalpijp (vast voor subsonische vlucht tegenover een complexe, instelbare convergerende-divergerende straalpijp voor supersonische vlucht). Dit is het gevolg van de zeer verschillende luchtsnelheden en de veel hogere uittreedsnelheden die nodig zijn voor supersonische vlucht.

Kijk eens naar de inlaatsectie van de XB-70 die hierboven is afgebeeld (bron). Het inlaatgebied is vrij klein, en vervolgens wordt de inlaatbuis breder om het vertragen van de luchtstroom mogelijk te maken. De schuine zijwanden van de inlaatsectie veroorzaken veel luchtweerstand bij Mach 3. Stel nu dat de zes GE YJ-93’s worden vervangen door motoren met een nog grotere diameter. De toename van de golfweerstand als gevolg van de nog stompe inlaat zou alle voordelen van een hogere omloopverhouding teniet doen.

Wat minder voor de hand ligt is het feit dat deze inlaatsectie ook misschien de helft van de totale stuwkracht van het aandrijfsysteem creëert. Maar dit antwoord is al te lang, dus bewaar ik dit voor een ander antwoord.