Contrails ! L'effet Meredith

Summary.

• (a) Introduction (But de l'étude). --Le récent accroissement de vitesse des avions a mis en évidence la question de la traînée de refroidissement et forcé l'application du principe du refroidissement à faible vitesse. L'analyse du fonctionnement d'un système de refroidissement enfermé dans un carénage est nécessaire pour guider les recherches et la conception.

  (b) Etendue de l'étude. -- La théorie du radiateur caréné est développée et la base du calcul de la traînée est fournie.

• Les investigation couvrent également les effets de la compressibilité.

(c) Conclusions. -- Il est démontré que la puissance dépensée pour le refroidissement n'augmente pas avec la vitesse dans un système caréné correctement conçu mais que, grâce à la récupération de la chaleur, une poussée peut être obtenue à des vitesses de l'ordre de 480 km/h (300 mph).

• L'attention est attirée sur l'importance de la quantité de mouvement des gaz d'échappement aux grandes vitesses de vol.

• 1- Introduction. -- Le refroidissement des moteurs d'aviation met en oeuvre l'exposition d'une grande surface chauffée dans un courant d'air, un procédé qui entraîne une dépense de puissance en raison de la viscosité de l'air. Jusqu'à une date récente, il apparaît que ce fait impose une limite insurpassable à la vitesse des avions, car alors que le transfert de chaleur varie seulement en raison directe de la vitesse de l'air sur la surfac, la puissance dépensée varie comme le cube de cette vitesse. Ainsi même si la surface exposée est ajustée afin de satisfaire au transfert thermique requis, la dépense d'énergie augmente comme le carré de la vitesse.

  L'apparition du refroidissement par la surface de l'aile a semblé pour un temps, offrir une solution à cette difficulté en refroidissant sans ajouter une surface supplémentaire. Il y a néanmoins des raisons de penser que le transfert de chaleur augmente nécessairement la traînée de l'aile. Ceci mis à part, le Supermarine S 6 B a utilisé pratiquement toute la surface mouillée pour le refroidissement, ainsi qu'une surface additionnelle à l'intérieur de l'aile. Il semble que les prochaines augmentations de vitesse dépendront de l'élévation de température de la surface.

  Ce rapport se propose de montrer que, par un dessin convenable de systèmes de refroidissement à vitesse réduite, dans lesquels une surface (sous forme de radiateur en nid d'abeille ou de cylindres et culasses ailetés) est exposée dans un conduit interne, l'énergie dépensée pour le refroidissement n'augmente pas avec la vitesse de vol, mais au contraire, qu'elle devrait diminuer jusqu'à disparaître à une vitesse praticable au-delà de laquelle le système de refroidissement contribue à la propulsion.

  [...]

• 4- Effets de la compressibilité de l'air. -- Ils sont au nombre de quatre.

  1. (1) La température effective de l'air est accrue par l'énergie cinétique de l'écoulement général.
  2. (2) La perte de charge à la traversée du radiateur est augmentée, pour un même débit massique, par la diminution de densité due à l'échauffement de l'écoulement.
  3. (3) En altitude, la puissance nécessairement dépensée dans le radiateur varie comme l'inverse du carré de la densité, et comme l'inverse du cube de la différence de température.
  4. (4) L'énergie disponible dans le débit de refroidissement est accrue par une expansion après l'addition de chaleur.
  [...]
  • 7- Effet de la quantité de mouvement des gaz d'échappement sur la traînée d'une installation motrice. - Des propositions variées ont été faites pour utiliser l'énergie des gaz d'échappement afin d'assister l'admission du débit de refroidissement, mais à ce jour le dessin en semble peu influencé par des considérations sur la quantité de mouvement des gaz sortants.

  D'une façon générale, on peut considérer que l'effet de la quantité de mouvement est le même, qu'elle soit diffusée avec le débit de refroidissement ou non. Il faut noter cependant, que le bénéfice de la poussée peut être annullé par un accroissement conséquent de la traînée de frottement si les gaz d'échappement lèchent une surface appréciable à grande vitesse. Pour cette raison la diffusion de la quantité de mouvement dans le tunnel peut être désirable, et peut être un moyen pratique de diffuser la chaleur de l'échappement.

  La poussée découlant de l'orientation des gaz d'échappement vers l'arrière est donnée par le produit du débit massique par la vitesse de sortie, cette dernière quantité dépendant du dessin interne du système d'échappement. La puissance de propulsion est cependant aussi proportionnelle à la vitesse de vol. Il devient ainsi de plus en plus important d'utiliser cette poussée quand la vitesse de vol augmente.

  Nous n'essaierons pas ici de déterminer la puissance éventuellement disponible par ce moyen. Il est cependant suggéré, que si une proportion appréciable de l'énergie originale des gaz d'échappement peut être préservéeen en utilisant des déflecteurs convenables pour guider les gaz d'échappement dans les virages nécessaire, et en évitant les expansions non guidées, un accroissement appréciable de la puissance de propulsion des avions rapides peut être obtenu.

  • Conclusions. -- L'emploi du principe du refroidissement à faible vitesse évite la nécessité d'augmenter la puissance dépensée avec l'augmentation de vitesse pourvu que les conditions à la sortie soient ajustées en fonction de la vitesse.

    Par ailleurs les effets combinés de la compressibilité et du transfert thermique du radiateur peuvent réduire à rien la puissance nécessaire au refroidissement si la taille du radiateur est adéquate. De plus, grâce à l'utilisation de la chaleur de l'échappement une poussée appréciable peut être attendue de la présence de l'écoulement de refroidissement.

    Enfin l'importance de l'impulsion des gaz d'échappement sur un avion à grande vitesse est soulignée, bien qu'il ne soit fait aucune étude quantitative sur ce point.

  (Traduction GTH)