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Supercrociera

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Ciao a tutti,

vorrei sapere cosa succede quando si oltrepassa la barriera del suono. Come cambia la resistenza aerodinamica? Che caratteristiche devono avere gli aerei per viaggiare in supercrociera? Ho notato che la spinta non è poi così importante, dato che il Gripen accreditato di tale capacità (anche armato) ha un motore "normale". Dipende tutto dall'ala?

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Attenzione che per certe domande in merito al volo supersonico c’è già una discussione e probabilmente puoi trovare lì le risposte che cerchi.

Sono poche pagine e ti consiglio di leggerla. Se poi hai altre domande siamo qui.

https://www.aereimilitari.org/forum/topic/657-muro-del-suono/

Per quanto riguarda la supercrociera nello specifico, in realtà la spinta del motore conta parecchio e di sicuro più di quanto non faccia l’ala che nei velivoli dotati di supercrociera non è che si distingua perticolarmente da quella di un velivolo supersonico “standard”.

Il fatto che il Gripen mantenga velocità supersoniche senza inserire il postbruciatore e senza avere chissà che rapporto spinta/peso si giustifica con alcune considerazioni.

La prima è che ha un motore moderno (l’F414 ha in se soluzioni del defunto YF120 pensato per quello che poi diventò l’F-22) con un basso rapporto di diluizione e quindi con una spinta a secco comunque elevata rispetto a quella massima ottenibile con postcombustione inserita: il flusso di bypass non aggiunge moltissimo ossigeno ancora da bruciare dietro la turbina, ma il motore ha una sezione frontale ridotta (che non guasta perché si installa in una fusoliera altrettanto sottile) e ha una elevata potenza specifica.

La seconda considerazione è che il Gripen NG non fa nulla di straordinario, visto che mantenere velocità supersoniche senza postbruciatore è una cosa che si fa da decenni e che già il Lightning (quello degli anni sessanta, non l’F-35…) otteneva...anche se con un raggio d'azione ridicolo a causa della modesta capacità dei serbatoi e dei motori che bevevano come spugne.

La terza considerazione è che…quella non è una vera supercrociera.

So che ci sia l’abitudine di definirla tale, ma se lo chiedi agli americani l’unico aereo ad averla è l’F-22.

Il motivo è presto detto. Ciò che fanno un po’ tutti i velivoli supersonici moderni è in effetti inserire il postbruciatore per superare il picco di resistenza nella delicata e altrimenti lunga fase transonica e poi disinserirlo per mantenere una velocità blandamente supersonica (mach 1.1-1.3) per qualche tempo.

Nel caso del Gripen NG, rispetto al Gripen di prima generazione, si è aumentata la frazione di carburante riprogettando completamente la sezione centrale di fusoliera, ma resta un velivolo molto piccolo che deve fare i conti con l’autonomia quando si lancia in sprint velocistici.

Il ben più grosso F-22 invece ha motori a bassissimo rapporto di diluizione ottimizzati per il volo supersonico (non molto parchi nei consumi in campo subsonico) che gli danno una spinta brutale a secco, con cui il velivolo può superare facilmente il cosiddetto muro del suono, fino a raggiungere e superare mach 1.5 e mantenere tale andatura a lungo grazie alla buona (anche se non eccelsa) capacità dei serbatoi interni e all’assenza di qualsiasi carico esterno a sporcarne l’aerodinamica (pur portando al suo interno l’armamento di missione completo di 8 missili).

Se al contrario un velivolo è costretto a inserire il postbruciatore nell’accelerazione transonica e a continuare a consumare prezioso carburante per mantenere un regime di volo per il quale i motori non sono ottimizzati e l’aerodinamica è sporcata da carichi esterni, ecco che quel velivolo non sarà poi così speciale.

Modificato da Flaggy

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Quindi il Gripen, come gli altri (eccetto l'F22), deve azionare il postbruciatore per riuscire a passare in regime supersonico? Per questo motivo secondo gli americani l'unico vero caccia da supercrociera è l'F22?

Considerazione: è possibile che in futuro il postbruciatore venga eliminato, dato che si ottengono spinte a secco notevoli?

Modificato da Filo

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Un aereo come il Gripen, non solo deve inserire il postbruciatore per superare mach 1 (benchè si potrebbe sintetizzare così), ma a ruota ne consegue che sia blandamente supersonico e che non riesca a mantenere le elevate velocità in modo efficiente o comunque prolungato.

Il tutto è un po' sfumato, ma stringi stringi si può dire che l'F-22 usi il postbruciatore quando è richiesto di accelerare brutalmente, mentre per andare abbondantemente in supersonico sfrutta la spinta a secco perchè il postbruciatore è e resta uno strumento per un utilizzo breve, visto che i consumi aumentano spaventosamente nell'inserirlo: per qualsiasi supersonico le velocità intorno a mach 2 sono eventi rarissimi e buone solo per i discorsi da bar, ma almeno per l'F-22 sono consolidate velocità di crociera in quota abbondantemente sopra mach 1.5 in configurazione armata che per altri sono solo dei timidi spunti da full AB.

Grafici come quello sotto mostano il picco del coefficiente di resistenza a cavallo di mach 1, che spiega come chi a fatica mantiene mach 1.1-1.2 senza AB, deve necessariamente inserirlo per superare mach 1.

Al contrario, chi lo supera agevolmente, poi può raggiungere mach 1.5 senza mai accendere il postbruciatore, pur considerando che, al di là di quel che faccia il coefficiente di resistenza, la resistenza resta proporzionale al quadrato della velocità e quindi è molto più alta in supersonico.

Qualitive_variation_of_cd_with_mach_numb

Ciò a cui ovviamente si tende idealmente, anche se i tempi non sono assolutamente maturi per farlo, è certamente l'eliminazione del postbruciatore, che per quanti sforzi si faccia resta inefficiente, perchè butta secchiate di carburante allo scarico e a valle della camera di combustione e della turbina (fuori dal core del motore quindi), con l'aggravante che i relativi ugelli e stabilizzatori di fiamma sono lì, a rompere le scatole a valle della turbina in mezzo al flusso di scarico e ad aumentare i consumi anche quanto il postbruciatore non è inserito.

Il problema è che bruciare l'ossigeno di cui ancora sono ricchi i gas di scarico e magari deviare il flusso di bypass in camera di combustione tamite ciclo variabile per andare a raccattare altro ossigeno, non fa che aumentare considerevolmente la temperatura dei gas combusti e a quel punto il motore non è in grado di reggere perchè le parti rotanti finirebbero distrutte (in buona compagnia di quel che ci sta intorno).

Oggi si è arrivati ad almeno 1500 gradi in turbina, ma si sta pensando a materiali con cui ci si possa spingere fino a 2000.

In un'affare che fa 20000 giri al minuto ed è sottoposto a sollecitazioni meccaniche spaventose, raggiungere simili temperature è una cosa da far drizzare i capelli e ci fa capire perchè il postbruciatore venga ancora largamente utilizzato per spremere più spinta possibile da un motore.

Modificato da Flaggy

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 Il grafico indica che la resistenza non resta proporzionale al quadrato della velocità e che dopo il picco attorno a Mach 1 decresce bruscamente, giusto? Per quale motivo esiste questo fenomeno?

Perchè costruire aerei tanto veloci se poi realmente servono velocità attorno a Mach 1,4 (ho letto che in pratica non si supera mai questa soglia)?

Solo l'F22 è così performante? I dati riferiti a Su35, Eurofighter e Rafale sono quindi esagerati?

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2 ore fa, Filo ha scritto:

 Il grafico indica che la resistenza non resta proporzionale al quadrato della velocità e che dopo il picco attorno a Mach 1 decresce bruscamente, giusto? Per quale motivo esiste questo fenomeno?

 

No, il grafico non mostra affatto che la resistenza non resta proporzionale al quadrato della velocità (ci resta eccome!), ma solo che un fattore che concorre a determinarla (il coefficiente di resistenza) varia col numero di mach e i motivi di quel picco del Cr te li devi andare a leggere nella discussione che ti avevo segnalato!!!

La resistenza è sempre:

R = 1/2  Cr  densità  V^2  S

Quindi raddoppia se raddoppia il coefficiente di resistenza Cr e quadruplica se raddoppia la velocità, ma il suo andamento è una combinazione dell'andamento dei fattori che concorrono al suo calcolo.
 

Quote

Perchè costruire aerei tanto veloci se poi realmente servono velocità attorno a Mach 1,4 (ho letto che in pratica non si supera mai questa soglia)?

 

Bella domanda e infatti a ben guardare si è smesso di farlo: mai notato che gli ultimi velivoli tendenzialmente non hanno prese d’aria a geometria variabile o materiali resistenti ad alte temperature e che di fatto sono autolimitati a mach 1.8-2 quando non di meno? Andare tanto veloci impone sempre compromessi, complessità, pesi e costi che non sono giustificati se in configurazione da combattimento l’aereo all’atto pratico non ci va.

La sbornia della corsa al sempre più veloce è finita da almeno 40 anni e ora si preferisce avere velocità consistenti (ma non strabilianti) per lungo tempo e soprattutto in configurazione armata e non da scheda tecnica.

Detto questo, muoversi con disinvoltura a tali velocità non estreme comunque non significa che il velivolo in condizioni ideali non possa fare molto meglio, per quanto raramente ci vada.

 

Quote

Solo l'F22 è così performante? I dati riferiti a Su35, Eurofighter e Rafale sono quindi esagerati?

 

Non è che siano esagerati: come ho scritto sempre in tutte le salse quelli delle schede sono valori massimi in condizioni ideali (solitamente poco realistiche in combattimento). Prova a vedere quanto consuma e a che velocità massima va un’auto con il portabiciclette sul tetto…Poi prendi una grossa station wagon e le biciclette infilale nel bagagliaio.

Quale delle due performerà come scritto su Quattroruote?

Si dice che l’EF-2000 possa raggiungere mach 1.3 senza AB con un serbatoio e qualche missile?

Bene, seguendo lo stesso approccio allora mach 1.5 del Raptor lo dovremmo definire un valore "prudenziale", perchè se è per quello si dice che l’F-22 ad alta quota possa raggiungere velocità ben superiori a mach 1.7, che l’EF-2000 si scorda anche con l’AB inserito.

https://www.af.mil/News/Article-Display/Article/135233/general-jumper-qualifies-in-fa-22-raptor/

Modificato da Flaggy

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Come la mettiamo col MiG 31che ha una supercrociera da Mach 2,35? Intendo, andiamo ben oltre i limiti di cui si parla sopra

Modificato da Bruno58

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L'aereo, come l'SR-71 o l' XB-70 (che facevano molto meglio) é  progettato per volare a lungo (quindi in crociera), ma con i posbruciarori accesi.

Modificato da Flaggy

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Per avere un'idea sul consumo di un caccia qualcuno potrebbe scrivere qualche dato certo? Elencando le tonnellate di carburante imbarcato e l'autonomia con o senza postbruciatore. Il cherosene che usano è uguale a quello degli aerei civili?

Modificato da Filo

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Dati certi in merito all’autonomia di un velivolo temo sia difficile averli, un po’ perché le variabili sono tante, un po’ perché sono dati sensibili.

Le caratteristiche di volo un velivolo sono più assimilabili a complessi grafici (noti e comprensibili a pochi addetti ai lavori) piuttosto che a tabelle con quattro dati in croce che si vedono sulle riviste specializzate.

Si può però farsi un’idea grossolana.

Partiamo dall’assunto che per un motore di solito si fornisce (se si ha la cortesia di farlo) il valore di consumo specifico, cioè i kg di carburante consumati per fornire un kg di spinta per la durata di un’ora.

Ergo, moltiplicando la spinta impostata per il valore di consumo specifico, si ottiene il consumo orario e sapendo quanto carburante c’è nei serbatoi puoi sapere quanto l’aereo sta per aria mantenendo quella spinta (in linea teorica perché un velivolo non mantiene mai la stessa spinta per tutta la durata del volo dal decollo all’atterraggio).

Da ricordare poi che i valori di consumo specifico forniti per un motore dotato di postbruciatore sono due: uno per la gamma di potenze dal minimo al full military e il secondo (molto più alto) con AB inserito.

Premesso ciò facciamo un esempio, sia chiaro, di valore solo indicativo e senza la pretesa di precisione!

L’F-16C, un velivolo classico piuttosto diffuso nella motorizzazione General Electric F110-GE-100.

Il consumo specifico (SFC) del motore dry è 0,745  kg/kg h che in sostanza significa che per produrre un kg di spinta nel corso di un’ora il velivolo brucia poco meno di un litro di JP8 (densità media 0.84 kg/L).

Col postbruciatore inserito le cose cambiano un tantino, perché tale motore si beve 1,971 kg (2.3 litri) di carburante ogni kg di spinta (in effetti è un po' assetato con AB inserito...Altri fanno di meglio).

Ergo, siccome la spinta full military dell’F-16 così motorizzato è di 7530kg (in realtà questo è il valore al banco dinamometrico e non certo in volo a una determinata quota e velocità…) ne consegue che il velivolo in un’ora consuma: 7530x0.745=5610kg=6680L di carburante (1.86 litri al secondo…).

Non affaticarti a fare ricerche: un’ora a tale regime (che senza carichi esterni consente probabilmente all’aereo di essere blandamente supersonico) l’F-16 non se la può permettere, perché i suoi serbatoi interni contengono solo 4000 litri che a quel regime del motore fa fuori in poco più di 35 minuti.

Inserendo il postbruciatore, come preannunciato cambia la musica…in peggio!

Il motore è accreditato di 12700kg si spinta al banco, quindi:

12700x1.971=25032kg=29800L di carburante

Sono 8.3 litri al secondo…Oltre il quadruplo del consumo in full military….

Cioè la spinta che in quota consente al velivolo in configurazione pulita di raggiungere la velocità che compare nelle schede tecniche (mach 2) è capace di svuotare i serbatoi interni nel giro di 8 minuti dopo manco 300km percorsi…

Peccato che il velivolo con quel carburante deve anche rullare, decollare, salire in quota, accelerare fino a mach 2, rallentare, scendere, atterrare e rullare fino al parcheggio (possibilmente tenendosi una riserva...), quindi col cavolo che riesce a volare a mach 2 per 8 minuti col solo carburante interno.

Come premesso sono calcoli solo indicativi e grossolani, ma servono a capire come mai aerei come l'F-16 vadano sempre in giro coi serbatoi esterni e inoltre ci fanno capire quanto la supercrociera sia preziosa per aumentare la persistenza in combattimento e quanto comunque anch’essa causi un notevole consumo (benchè molto piu basso di quello con AB inserito), perché questo è proporzionale alla spinta e per andare in supercruise il motore è comunque spremuto.

Ecco allora che in un velivolo con capacità di supercrociera, il motore deve essere ottimizzato per garantire un’elevata spinta a secco che consenta di oltrepassare il picco di resistenza intorno a mach 1 (anche se questo vuol dire basso BPR e consumi non proprio brillantissimi in subsonico) e deve avere una consistente capacità di carburante, perché di carburante ne va via parecchio, più di quanto ce ne sia nelle poco adatte cellule dei velivoli di quarta generazione.

In ogni caso il velivolo è meglio che in zona di operazioni ci arrivi in subsonico e col motore ben sotto il valore full military.

Se vuoi giocare a fare dei conti simili per altri aerei,  in questo vecchio sito trovi i dati di consumo e di spinta per tanti motori.

Quanto al cherosene utilizzato, no, non è lo stesso fra civili e militari, benché siano formulazioni simili.

L’USAF ad esempio si è standardizzata sul JP-8, oggi molto comune in ambito militare (prima aveva il JP-4), la US Navy usa il similare, ma meno infiammabile JP-5, mentre i civili…Beh, insomma, sempre la pappa pronta? Fai una ricerca, no?

https://en.wikipedia.org/wiki/Jet_fuel

Modificato da Flaggy

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