¿La velocidad del avión impulsado por hélice está limitada por la velocidad del sonido?

Question

Mi línea de pensamiento va así:

1. Una hélice se aleja efectivamente de las moléculas de aire.
2. Lo mejor que cualquier hélice puede hacer es crear un vacío total en el frente de sí misma.
3. El máximo presión de succión de vacío que puedes conseguir es igual al opuesto de la presión atmosférica alrededor, ¿verdad?
4. La velocidad del aire que fluye hacia el espacio vacío frente a la hélice es igual a la velocidad del sonido.

Obviamente estamos extrapolando la fricción del cuerpo del avión, etc. ¿Es mi línea de pensamiento al menos parcialmente plausible?

Answer 1

No olvides que el avión se moverá hacia adelante, por lo que no depende de un relleno de vacío delante de la hélice para suministrarle aire.

Ahora me atrevo a decir que hay buenas razones de ingeniería por las que los propulsores no son eficientes e incluso impracticables para el vuelo supersónico, pero no creo que haya una razón teórica de física fundamental que los descarte.

Una hélice, desde un punto de vista teórico, no se diferencia mucho de un chorro de turbina de gas o incluso de un cohete en la medida en que simplemente "lanza cosas al revés", expulsando así el aire que lanza y siendo empujado hacia adelante por medio de la tercera ley de Newton. Si se le puede suministrar suficiente aire para lanzar hacia atrás (y creo que mi primera frase muestra que probablemente no hay escasez de suministro) y si puede impartir un impulso lo suficientemente alto al aire, entonces no hay en principio un límite a la velocidad con la que el aire es lanzado hacia atrás por la hélice. ¿Qué pasa si es lanzado hacia atrás a una velocidad superior a la del sonido? Bueno, en este caso habría un sobrepresión lo que significa que habría una acumulación de aire allí, el aire se vuelve así más denso y "rígido", y la velocidad local del sonido detrás de la hélice puede ser así mucho más alta que la del aire circundante. A medida que la hélice hace esto, el aire sufrirá un fuerte aumento de temperatura adiabática. Llevando esta idea a su extremo lógico, observe que los motores de los cohetes lanzan gas detrás de ellos a unas 10 veces la velocidad del sonido. Es simplemente una cuestión de cuánto acelera el gas, en principio no hay diferencia si esta aceleración se logra con energía química o con un gran murciélago que golpea el aire hacia atrás.

Answer 2

No físicamente, pero prácticamente existen (actualmente) mejores alternativas.

El problema de la limitación de las hélices es similar al de los helicópteros: las hélices funcionan como secciones de un ala en el sentido de que deben acelerar el flujo para funcionar; cuando estás cerca de la velocidad del sonido, esto significa que vas a provocar la formación de choques, y este problema es especialmente grave (en comparación con un turbofán, por ejemplo) ya que las hélices funcionan acelerando un poco una gran masa de flujo, lo que significa que haces que tus hélices sean muy grandes, y por extensión, la duración de tu choque aumenta; los choques dañan todo y también requieren una gran cantidad de energía para superarlos - a los aerodinamistas les gusta evitar los choques.

Editar: La información que falta aquí es que mientras mucha gente entiende que, en un tubo 1D, el flujo se acelera como área transversal disminuye hasta M=1 (conservación de la masa) - lo que es menos conocido es que como el área de la sección transversal entonces aumentos , el flujo puede continuar acelerando hasta M>1 . Esto es el resultado de la compresibilidad, entre otras cosas. Debido a esto no hay límite físico (insertar un poco de mano agitando aquí, ciertamente existe uno que no es aplicable en esta región) que no podemos superar cuando aceleramos nuestro flujo con una sección de ala, por ejemplo, un puntal. La cosa es que como siempre perdemos lentamente energía de nuestro flujo, en algún momento un flujo supersónico siempre volverá a condiciones subsónicas, lo que ocurre con un choque violento y fuerte, a través del cual una gran cantidad de energía es convertida del K.E. en calor.

Como resultado de la mejora de la comprensión en esta área, se espera que en los próximos decenios las aeronaves transónicas pasen a diseños de turbohélice con puntales contragiratorios.

Answer 3

Una hélice puede trabajar a velocidades supersónicas porque al acercarse a esas velocidades está alcanzando las moléculas de aire mientras se mueve. Así que no tienes que "esperar" a que las moléculas se muevan en el vacío que creas.

En otras palabras, el empuje de una hélice no va a cero sólo porque el avión alcance una cierta velocidad.

Pero no basta con tener empuje. Necesitas "mucho" empuje...

Answer 4

Su pregunta, tal y como está planteada, permite una respuesta rápida: No, en principio, este avión puede Otoño con una velocidad mayor que 1M.

Sin embargo, lo único que se necesita es acelerar las moléculas de aire para que ganes impulso (y velocidad). (1) En principio, no está prohibido inventar tal hélice. Pero normalmente, con un diseño clásico, tendrás serias dificultades con la eficiencia a altas velocidades de rotación.

En cuanto a la vista (2,3), debes considerar las palas de la hélice como perfiles de ala, entonces puedes jugar con la presión dinámica hacia arriba y hacia abajo. Pero olvidas que no sólo tienes una baja presión delante, sino también una alta presión detrás.

(4) Básicamente sí, pero la velocidad del sonido depende de la temperatura absoluta.

Answer 5

La respuesta a la pregunta principal es no . La razón por la que no, es porque tu razonamiento es defectuoso. Además del vacío creado delante de la hélice, está el impulso aplicado a la hélice por la reacción al aire que se aleja de la misma. Aunque la fuerza debida al vacío llega a un límite, la debida al impulso no . Sólo está limitado por la rapidez con la que el aire puede ser "empujado" hacia atrás por la hélice, sin que ésta se rompa. Así que, con una hélice de muy alta resistencia y un motor potente, debería ser posible volar a más de M1.