aerei supersonici a pistoni

[topogun]

salve a tutti potreste dirmi se esistono o sono esistiti aerei supersonici a pistoni,come da titolo ?

grazie a tutti in anticipo

[gepiro66]

No, non sono mai esistiti. I motori ad elica in generale (a pistoni o turboelica) sono aerodinamicamente incompatibili con il regime supersonico.

A velocità prossime a quella del suono, le estremità delle eliche finirebbero per raggiungere velocità transoniche innescando fenomeni aeroeslatici distruttivi.

Questo fu documnetato già su caccia della II GM lanciati in picchiate velocissime durante combattimenti o collaudi spinti.

[cama81]

si però in verità le estremità delle eliche posso raggiungere velocità supersoniche senza distruggersi materiali composi e nuove forme hanno ovviato al problema , comunque conosciuto e studiato fin dal Thunderscreech http://it.wikipedia.org/wiki/Republic_XF-84H.

 

in teoria gli aerei a elica non possono superare la velocità del suono perchè non potrebbero più ''avvitarsi '' nel aria l elica girerebbe a vuoto , in realtà si verificano molto prima problemi aerodinamici tali da distruggere l' aereo.

 

se ne è parlato se cerchi bene nel forum trovi risposte migliori delle mie

[Vultur]

Premesso che non sono un esperto in aerodinamica e che tanto meno conosco il comportamento delle pale in supersonico, io direi che un’elica è anche lei un motore, cioè un dispositivo che trasforma energia da una forma all’altra.

Il motore a pistoni trasforma l’energia chimica contenuta nei legami chimici delle molecole della benzina in energia meccanica di rotazione dell’albero motore.

Il motore elica trasforma in spinta o trazione l’energia meccanica rotatoria dell’albero motore su cui è calettata.

Tutti i processi di trasformazione sono più o meno efficienti e quindi hanno un loro rendimento.

Il rendimento dei motori a pistoni e delle eliche non è eccelso, manco oggi.

Il motore a pistoni spreca in attriti e in altre cose fino all’80% dell’energia totale che era contenuta nei legami chimici della benzina e quindi significa che solo il 20% dell’energia della benzina finisce sull’albero motore.

Di questo 20%, l’elica alla fine riesce a trasformarne effettivamente in trazione solo l’80%, il che significa che di quel 100% di energia che in origine stava nella benzina, solo un 16% viene effettivamente convertito in trazione dall’elica. Come rendimento è molto basso.

Ecco perché non penso che i motori a pistoni e le eliche siano una buona strada per andare in supersonico, sebbene ci siano stati aerei ad elica (in realtà turboelica) molto veloci, ma pur sempre subsonici (come il Tu-95 bear per esempio).

In proporzione poi, i motori a getto hanno un rapporto peso/potenza più basso di quello dei motori a pistoni, per cui risultano anche più leggeri (e quindi, a parità di peso, ancora più potenti di un motore a pistoni).

 

Le pale delle eliche, da che so io, possono girare a regimi che si avvicinano moltissimo a quelli supersonici, ma appena le pale vanno in transonico si verificano forti aumenti di resistenza dovuti a vortici i quali causano anche vibrazioni. Il tutto si traduce in un calo della trazione dell’elica (perché la trazione T è inversamente proporzionale alla velocità di volo V). Questo perché, la velocità di rotazione delle pale sul piano di rotazione dell’elica va sommata vettorialmente alla velocità di volo e la risultante di questa somma fa molto presto a diventare una velocità supersonica e oltre una certa velocità, la trazione di un’elica non solo si annulla, ma, aumentando ancora la velocità, la trazione T inizia addirittura ad assumere valori negativi, cioè l’elica invece di tirare mi inizia a spingere e ad opporsi al volo, generando resistenza e questo limita la velocità dell’aereo, per cui io non credo molto ai caccia a pistoni della seconda guerra mondiale che andavano in supersonico (a meno che l’energia cinetica fosse tale da spingere l’aereo in supersonico nonostante la spinta ormai contraria dell’elica, ma quali vibrazioni avrebbe causato tutto questo e con quali effetti? Non lo so).

 

Perché un’elica (a passo fisso) oltre una certa velocità di volo invece di produrre trazione genera resistenza?

L’elica è fatta di pale. Il profilo in sezione di ogni pala è un profilo alare; quindi una pala è un’ala e come tale essa è calettata sul mozzo con un certo angolo detto “angolo di calettamento”.

Ora per ipotesi, usiamo l’elica come una normale vite da avvitare in un asse di legno: prendiamola e con un cacciavite facciamole fare un giro completo di 360°, avvitandola nel legno. La distanza di cui questa vite mi è avanzata nel legno, alla fine di un giro completo di 360°, è definita: “Passo geometrico dell’elica” e dipende dall’angolo di calettamento.

 

 

Ma in volo non c’è solo questa vite, perché in volo c’è anche la velocità V dell’aereo che vola in avanti, cioè l’elica in volo oltre che girare si sposta anche in avanti. In questa situazione ora la distanza effettivamente percorsa in avanti dalla vite dell’elica in un giro di 360° è detta: “Avanzo” (o “Passo reale dell’elica”).

E l’avanzo è minore del passo geometrico.

La differenza tra passo geometrico e avanzo è detta: “Regresso dell’elica”.

 

Ne deriva che: Avanzo + Regresso = Passo Geometrico (è una somma algebrica).

 

Più l’aereo è veloce e più l’avanzo dell’elica cresce (mentre il regresso diminuisce).

Volando in avanti, in un aereo la velocità di rotazione delle pale può essere scomposta, in due componenti. Una è la velocità di rotazione delle pale semplicemente sul piano normale verticale dell’elica (perpendicolare alla direzione del moto del velivolo). L’altra componente è la velocità di volo dell’aereo, diretta in avanti.

Dalla somma vettoriale delle due componenti di sopra otteniamo la velocità risultante delle pale, che in volo scendono obliquamente in avanti seguendo il vettore risultante dalla somma del vettore della velocità di volo e del vettore della velocità di rotazione sul piano verticale, il quale vettore risultante indica anche il nuovo angolo in base al quale ora la corda del profilo alare delle pale colpisce l’aria: l’angolo tra corda e vettore risultante di rotazione delle pale è l’angolo di incidenza delle pale (che quindi non è l’angolo di calettamento, ma è minore).

Con l’aumentare della velocità di volo, aumenta anche il vettore della velocità risultante di rotazione delle pale e diminuisce l’angolo di incidenza.

 

 

Se supero una certa velocità, l’angolo di incidenza delle pale non solo si azzera, ma diventerà negativo, il regresso dell’elica si azzererà, l’avanzo diventerà prima pari e poi addirittura superiore al passo geometrico dell’elica e il risultato sarà che la trazione dell’elica, ormai con le pale ad angolo di incidenza negativo rispetto al vento che le investe, non genererà più trazione, ma lavorerà in senso opposto al moto dell’aereo, dando di fatto resistenza all’avanzamento: l’elica non tira più, ma spinge in dietro!

E questo limita la velocità massima di volo.

Modificato 27 Febbraio 2012 da Vultur

[Flaggy]

Beh, la trazione negativa nell’elica non è che si verifica perché alla fine tutte le eliche associate a un velivolo con prestazioni decenti sono a passo variabile. Ciò che succede prima è infatti un considerevole incremento della resistenza (il rapporto Cd/Cl dell’elica va alle stelle e il rendimento crolla) con conseguente impossibilità a incrementare ulteriormente la velocità.

L’unico contributo negativo alla trazione sarebbe quello delle sezioni vicino al mozzo, ma non a caso queste vengono carenate con un’ogiva che arriva anche a coprire il 30% del diametro dell'elica.

 

Alla fine la difficoltà sta proprio nel far coesistere regimi subsonici vicino al mozzo con regimi supersonici all’estremità, ma di fatto oggi ci si riesce con pale sottili di grande superficie e fatte girare ad elevato numero di giri (la potenza assorbita dipende dalla terza potenza del numero di giri, dalla quinta potenza del diametro e dalla prima potenza della superficie delle pale).

Le pale vengono alla fine ottimizzate per il volo di crociera e con una porzione estrema delle stesse che può andare in supersonico.

 

La forma a scimitarra delle pale più avanzate serve a ridurre il considerevole aumento di resistenza che si ha ai regimi supersonici in cui l'elica lavora e legata a fenomenti di comprimibilità e ad evitare nefaste vibrazioni un po’ come succede nei velivoli supersonici che hanno le ali a freccia.

Alla fine la variazione del passo consente di mantenere rendimenti elevati in un campo di velocità relativamente ampio, ma comunque il volo supersonico è decisamente oltre la portata di questo tipo di velivoli, perché qualsiasi sensibile aumento di velocità deve a quel punto fare i conti con un notevole aumento della potenza necessaria.

 

I casi verificatesi nella seconda guerra mondiale (anche quelli riguardanti velivoli a getto lanciati in picchiata), alla fine sono stati ricondotti tutti a condizioni di volo transoniche (l’aereo volava a velocità subsonica ma il flusso d’aria in qualche punto superava la velocità del suono causando distacchi sello strato limite e problemi di controllo delle superfici mobili) e in cui gli strumenti di misura della velocità non davano valori affidabili.

 

Il motore a turbogetto resta quello adatto al volo supersonico per via del vantaggio di avere un diffusore davanti al motore che riesce ad alimentarlo con aria a velocità subsonica anche quando il velivolo vola in supersonico.

Il primo velivolo a superare il muro del suono resta comunque l’X-1.

Modificato 27 Febbraio 2012 da Flaggy

[Vultur]

Si forse non è che sia una trazione negativa, ma è che oltre una certa velocità di volo l'elica azzera la sua trazione e continuando a girare trascinata dal moto del velivolo causa resistenza, per cui forse è questa resistenza a essere intesa come trazione negativa (eliche a passo fisso).

 

 

Dove T è la trazione e V è la velocità di volo.

Questo perchè il Regresso dell'elica e l'angolo di incidenza (non di calettamento) delle pale diminuiscono con l'aumentare della velocità dell'aereo. Se diminuisce l'angolo di incidenza, come anche per le ali, diminuisce la portanza e diminuisce la trazione dell'elica fino a zero e all'inversione.

 

Le eliche a passo variabile servono proprio per questo: conservare la migliore trazione e il miglior rendimento dell'elica alle varie velocità variando l'angolo di calettamento delle pale sul mozzo. (A parità di giri dell'elica, se aumenta V => dovrebbe aumentare l'angolo di calettamento, mantenendo così costante l'angolo di incidenza).

Alla massima velocità strutturale di volo, con l'elica a giri costanti, l'angolo di calettamento di un'elica a passo variabile dovrebbe essere massimo, così come il passo dell'elica che dovrebbe essere il passo lungo.

Modificato 27 Febbraio 2012 da Vultur

[Flaggy]

Non capisco perchè insisti col discorso sulle eliche a passo fisso.

Converrai con me che poichè il passo non è fisso e il rendimento crolla ben prima per problemi di comprimibilità e non certo di angolo di calettamento, la trazione negativa non è il vero problema del volo supersonico...

[Vultur]

Certo no, però non ho scritto solo di eliche a passo fisso.

 

Quanto segue è quel che so io. Siccome le sezioni esterne di una pala sono le più veloci, il profilo della pala stessa dovrebbe cambiare procedendo dal mozzo verso l'estremità in modo da ridurre progressivamente l'angolo di calettamento, perchè in periferia la velocità della pala è superiore a quella che ha al mozzo a l'angolo di incidenza diminuisce con la velocità; se non dicevo che erano i due angoli, chi leggeva come capiva? [O almeno spero che si capisca e di non aver sbagliato...].

L'angolo di calettamento è l'angolo che la corda del profilo alare di una pala forma con il piano verticale di rotazione dell'elica (perpendicolare al mozzo).

Siccome con l'aumento della velocità di volo, la somma vettoriale tra la velocità di volo e la velocità di rotazione delle pale fa presto a raggiungere valori (di velocità) elevatissimi e transonici, o supersonici, come dici tu si fa presto ad andare in calo di rendimento per un discorso di comprimibilità che non so cos'è, ma intuisco che sarà dovuto alle onde di compressione dell'aria che iniziano a formarsi man mano che la pala si avvicina al muro del suono.

 

Una pala è un'ala e ha un profilo alare. La portanza dipende da superficie alare e velocità. Premesso che ora parliamo di un'elica a passo veriabile e giri costanti (che cioè non variano al variare di velocità di volo e potenza erogata dalla manetta), in cui è già stato risolto il problema della diminuzione dell'angolo di incidenza ed essendo la velocità di rotazione delle pale già elevatissima, per impedire un calo di rendimento (calo di portanza?) quando per le pale si avvicina il muro del suono, l'unica è aumentare la superificie delle pale dell'elica.

 

Siccome oltre un certo limite non è affatto utile aumentare la superficie delle pale, aumentandone la lunghezza (perchè aumenterebbe la velocità di rotazione periferica peggiorando ulteriormente il calo di rendimento), allora o si fanno pale di corda più ampia (forse è questo il motivo di quella forma slargata "a scimitarra" delle pale, come su An-70), oppure si aumenta il numero delle pale. In entrambi i casi le pale sono più corte e questo conviene, ma aumenta il peso dell'elica.

Forse è questo il motivo delle due grandi controrotanti sui Kutnetsov del Tu-95/142: all'aumentare della potenza del motore, aumentando la potenza sull'albero motore, che l'elica deve trasformare in spinta (e quindi aumentando la velocità di rotazione pale), l'unica è aumentare il numero di pale e farle a corda di ampiezza comveniente.Questo per impedire il calo di rendimento quando le estremità delle pale raggiungono il muro del suono.

 

 

 

Antonov 70:

 

 

A-400m:

 

 

Le pale delle eliche a passo variabile debbono poter essere messe in bandiera, con angolo di calettamento di 90°, in modo da essere in asse con il moto e non offrire resistenza quando l'aereo vola a motore spento (plurimotori, ovviamente...).

Il numero di pale non può essere aumentato a dismisura, perchè poi se le pale sono troppo ravvicinate, si disturbano aerodinamicamente tra loro e questo porta anche qui a un calo del rendimento dell'elica, oltre a dare all'elica un peso eccessivo (da cui l'utilità dei nuovi materiali leggeri e resistenti).

L'elica più redditizia in teoria sarebbe una monopala:

 

Modificato 28 Febbraio 2012 da Vultur

[topogun]

grazie a tutti per le risposte, sempre precisi