Eficiencia propulsora
En ingeniería aeroespacial, en relación con el diseño de aeronaves, cohetes y nave espacial,
es la eficiencia con la que la energía contenida en el combustible de un vehículo se convierte en energía cinética del vehículo, para acelerarlo, o para sustituir las pérdidas debidas a la resistencia aerodinámica o a la gravedad.
La eficiencia del ciclo se expresa como el porcentaje de la energía térmica del combustible que se convierte en energía mecánica en el motor, y la eficiencia propulsiva se expresa como la proporción de la energía mecánica realmente utilizada para propulsar la aeronave.
La eficiencia propulsora es siempre inferior a uno, porque la conservación del momento requiere que el escape tenga parte de la energía cinética, y el mecanismo propulsor (ya sea hélice, escape de chorro o ventilador canalizado) nunca es perfectamente eficiente.
En un motor, la eficiencia se define como la relación entre el trabajo útil realizado y la energía gastada.
Matemáticamente, esto se debe a que en los procesos reversibles, el depósito frío ganaría la misma cantidad de entropía que la pérdida por el depósito caliente (es decir,
es la temperatura absoluta de la fuente caliente y
la del sumidero frío, normalmente medida en kelvins.
La eficiencia propulsiva se define como la relación entre el trabajo realizado sobre el fluido y la potencia propulsiva, es decir, el empuje por la velocidad del vehículo.
): El trabajo realizado por el motor al flujo, por otra parte, es el cambio en la energía cinética por tiempo.
Esto no tiene en cuenta la eficiencia del motor utilizado para generar la potencia, ni de la hélice, ventilador u otro mecanismo utilizado para acelerar el aire.
Se refiere simplemente al trabajo realizado al flujo, por cualquier medio, y puede expresarse como la diferencia entre el flujo de energía cinética entrante y la energía cinética agotada:
Sin embargo, la ecuación general ya muestra que la eficiencia propulsiva mejora cuando se utilizan flujos de masas grandes y velocidades pequeñas en comparación con flujos de masas pequeñas y velocidades grandes, ya que los términos al cuadrado en el denominador crecen más rápido que los términos no al cuadrado.
Las pérdidas modelizadas por la eficiencia propulsiva se explican por el hecho de que cualquier modo de aeropropulsión deja tras de sí un chorro que se mueve en dirección opuesta a la del vehículo.
El flujo de energía cinética en este chorro es
Esto anula el flujo de masa y conduce a: Para los motores a reacción puros, en particular con postcombustión, se puede ganar una pequeña cantidad de precisión al no suponer que el flujo másico de admisión y escape son iguales, ya que el gas de escape también contiene la masa añadida del combustible inyectado.
En la mayoría de los casos, esto no se tiene en cuenta, ya que no supone una diferencia significativa en la eficacia propulsora calculada.
), también podemos obtener la eficacia propulsora en función del empuje específico (
Esta es la razón por la que los motores turbofan son más eficientes que los simples motores a reacción a velocidades subsónicas.
de un motor cohete suele ser elevada debido a las altas temperaturas y presiones de combustión, y a la larga tobera convergente-divergente utilizada.
Varía ligeramente con la altitud debido a los cambios en la presión atmosférica, pero puede llegar al 70%.
La mayor parte del resto se pierde en forma de calor en el escape.
Esto también permite a los cohetes superar la velocidad de su escape.
[5] Al igual que ocurre con los motores a reacción, en teoría, la coincidencia de la velocidad de escape y la velocidad del vehículo proporciona una eficiencia óptima.
Sin embargo, en la práctica, esto resulta en un impulso específico muy bajo, causando pérdidas mucho mayores debido a la necesidad de exponencialmente mayores masas de propulsante.
A diferencia de los motores canalizados, los cohetes dan empuje incluso cuando las dos velocidades son iguales.
En 1903, Konstantin Tsiolkovsky discutió la eficiencia propulsora media de un cohete, que denominó la utilización (utilizatsiya), la "porción del trabajo total del material explosivo transferido al cohete" en contraposición al gas de escape.
El cálculo es algo diferente para los motores alternativos y turbohélice que dependen de una hélice para la propulsión, ya que su rendimiento se expresa normalmente en términos de potencia en lugar de empuje.
es la potencia del motor en caballos de vapor, convertida a foot-pounds/second multiplicando por 550.
Dado que consumo específico de combustible es Cp = h/Pe y H = 20 052 BTU/lb para gasolina, la ecuación se simplifica a: expresado en porcentaje.
