To nie jest wojskowe vs cywilne, ale poddźwiękowe vs naddźwiękowe

Zauważ, że poddźwiękowe samoloty wojskowe używają tych samych silników co samoloty cywilne, nawet jeśli ich nazwy mogą być inne.

• KC-135 początkowo używał J-57, który nazywał się JT-3C, gdy był używany w Boeingach 707-120. Teraz używają CFM-56, który jest używany w Boeingach 737 i A320.
• C-5 Galaxy używa GE TF39, który stał się CF6, gdy został zamontowany w Boeingach 747-100 lub DC-10.
• Firchild A-10 używa GE TF34, który jest nazywany CF34, gdy jest montowany w samolotach cywilnych, takich jak Bombardier Challenger.

Nie, różnice pojawiają się tylko wtedy, gdy samolot jest przeznaczony do lotów naddźwiękowych. Wymaga to zupełnie innego podejścia do integracji silnika:

• Silniki samolotów naddźwiękowych są montowane blisko linii środkowej. Jeśli to możliwe, znajdują się one prosto za wlotami, więc przepływ wlotowy nie musi zmieniać kierunku. Wyjątki takie jak SR-71 są rzadkie.
• Supersoniczne wloty są dłuższe i mają ostre krawędzie w przeciwieństwie do krótkich, tępych wlotów samolotów poddźwiękowych. Ponadto większość z nich ma zmienną geometrię, aby dostosować się do bardzo różnych warunków przepływu przy prędkościach naddźwiękowych.
• Ponieważ zadaniem wlotu jest spowolnienie powietrza wchodzącego do silnika, wloty naddźwiękowe nie mogą mieć dużego obszaru przechwytywania, w przeciwnym razie ich opór w locie naddźwiękowym byłby nadmierny. Silniki naddźwiękowe muszą wytwarzać ciąg przy znacznie mniejszej masie powietrza niż silniki czysto poddźwiękowe. Zapomnij o stealth, to jest prawdziwy powód mniejszych średnic silników naddźwiękowych.
• Dysza samolotu naddźwiękowego jest również zmienna, w przeciwieństwie do stałej dyszy samolotu poddźwiękowego. To znowu pomaga dostosować ją do warunków przepływu, ale w tym przypadku główna różnica jest pomiędzy włączonym i wyłączonym dogrzewaniem. Silniki dopalające mogą osiągać znacznie większe prędkości wylotowe, co rekompensuje ich mniejszą średnicę. Przyspieszają mniej powietrza do większej prędkości, aby wytworzyć porównywalny ciąg.
• Ostatni punkt wspomniał o tym, ale zasługuje na własną kulę: Silniki naddźwiękowe używają dopalaczy, aby mieć wystarczającą siłę ciągu, aby w ogóle iść naddźwiękowo. Gorące gazy spalinowe mają znacznie większą objętość niż zimny strumień wlotowy, co musi być uwzględnione przez poszerzenie dyszy.

Zauważ, że cywilny Concorde także używał zmiennego wlotu i dyszy oraz dopalaczy. Miał silnik, który wcześniej był używany w BAC TSR-2, naddźwiękowym samolocie wojskowym.

Prawdziwe rozróżnienie nie jest między cywilnym i wojskowym, ale między czysto poddźwiękowym i naddźwiękowym. Początkowo obie te zdolności były osiągane za pomocą tych samych silników. Wspomniany wyżej J-57 był również używany w naddźwiękowym odrzutowcu wojskowym F-100. Dopiero w latach 60-tych linie te rozeszły się, a w samolotach poddźwiękowych pojawiły się coraz większe stopnie sprężarek niskiego ciśnienia. Były one ponownie napędzane przez wysokociśnieniowe rdzenie, które były używane w samolotach naddźwiękowych.

Tło

Siła ciągu to masowy przepływ powietrza pomnożony przez różnicę prędkości pomiędzy lotem a prędkością dyszy silnika. Aby zwiększyć ciąg, silniki poddźwiękowe starają się zmaksymalizować przepływ masy (poprzez zwiększenie współczynnika obejścia), podczas gdy silniki naddźwiękowe polegają bardziej na zwiększeniu prędkości dyszy (poprzez użycie dopalaczy). Ponieważ ciąg netto jest możliwy tylko wtedy, gdy prędkości wylotowe są wyższe niż prędkość lotu, prędkość wylotowa silnika musi wzrastać wraz z projektowaną prędkością lotu.

Silniki rdzeniowe nie różnią się zbytnio – w końcu wlot zapewni, że powietrze dotrze do silnika z prędkością Mach 0,4 do 0,5, niezależnie od prędkości lotu. Rdzeń silnika General Electric F110 (montowanego m.in. w myśliwcach F-15 i F-16) stał się rdzeniem turbowentylatora CFM-56, który jest stosowany w Boeingu 737 czy Airbusie A320. Główna różnica polega na ich współczynniku obejścia. Im niższa prędkość projektowa, tym większy może być współczynnik obejścia. Przy bardzo niskich prędkościach obrotowych nie zazębiony, osłonięty wentylator zostaje zamieniony na zazębione, swobodnie obracające się śmigło, innymi słowy, odrzutowiec zmienia się w turbośmigło. Wlot i dysza są jednak bardzo różne.

Optymalny współczynnik obejścia zmienia się ciągle, ale ponieważ współczynnik oporu spada po przekroczeniu Mach 1, samoloty są albo projektowane dla maksymalnej liczby Macha 0,9 lub mniej, albo 1,6 i więcej. Odpowiednie współczynniki obejścia wynoszą obecnie do 12 dla silników poddźwiękowych i mniej niż 1 dla silników naddźwiękowych. W ten sposób powstaje ostra granica prędkości dźwięku, a wiele silników wojskowych zaprojektowanych do lotów naddźwiękowych straciło dopalacze i zostało wyposażonych w duży wentylator, aby stać się silnikami dla poddźwiękowych samolotów transportowych.

Różnice między silnikami pod- i naddźwiękowymi rosną tym bardziej, im bardziej oddalamy się od ich rdzenia. Sprężarka wysokiego ciśnienia, komora spalania i turbina wysokiego ciśnienia wyglądają i działają tak samo, ale sprężarka niskiego ciśnienia w silnikach poddźwiękowych połyka dużo więcej powietrza i ma dużo większą średnicę. Silniki naddźwiękowe z kolei posiadają najczęściej dopalacz. Największą różnicę stanowią jednak wloty (duży wlot pitota z tępymi wargami dla samolotów poddźwiękowych w porównaniu z regulowanymi wlotami szpilkowymi lub rampowymi dla lotów naddźwiękowych) oraz dysza (stała dla lotów poddźwiękowych w porównaniu ze złożoną, regulowaną dyszą konwergentno-rozbieżną dla lotów naddźwiękowych). Wynika to z bardzo różnych prędkości powietrza i znacznie wyższych prędkości wylotowych wymaganych dla lotu naddźwiękowego.

Spójrz na sekcję wlotową XB-70 przedstawioną powyżej (źródło). Obszar przechwytywania jest dość mały, a następnie rura wlotowa rozszerza się, aby umożliwić spowolnienie przepływu powietrza. Pochylone ściany boczne sekcji wlotowej powodują duży opór przy Mach 3. Teraz pomyślmy, że sześć GE YJ-93 zostało zastąpionych silnikami o jeszcze większej średnicy. Wzrost oporu falowego spowodowany jeszcze bardziej stępionym wlotem zniwelowałby wszystkie zalety wyższego współczynnika obejścia.

Mniej oczywisty jest fakt, że ta sekcja wlotowa wytwarza także może połowę całkowitego ciągu układu napędowego. Ale ta odpowiedź jest już zbyt długa, więc zachowam to na inną odpowiedź.