Straalpijpen

Na de belasting van de turbine zit er nog een fortuin aan druk en hitte in het gas — en er is maar één uitweg. In de straalpijp wordt dat allemaal uiteindelijk omgezet in wat les 1 vroeg: snelheid. Het lijkt het simpelste onderdeel van de motor — een gevormde pijp, meestal zonder bewegende delen — maar hier wordt de stuwkrachtvergelijking daadwerkelijk uitbetaald.

Knijpen voor snelheid

De subsone regel is les 2 van Aerodynamica die hier gewoon aan het werk gaat: knijp een stroming samen en ze versnelt. Een convergerend kanaal ruilt druk van het gas in voor snelheid — de druk daalt, de snelheid schiet omhoog, en de impuls van die snelle uitlaatstroom is de stuwkracht. Maar de truc heeft een plafond: een convergerende straalpijp kan het gas alleen versnellen tot de geluidssnelheid in de keel, en niet verder — de stroming raakt dan verstikt. Nieuws van verderop (zoals de lage druk buiten) reist met de geluidssnelheid, dus zodra de keel sonisch draait, kan niets van buitenaf de stroming nog overhalen om sneller te gaan. Straalpijpen van lijnvliegtuigen blijven vrolijk op of onder deze grens.

Voorbij het plafond: de zandloper

Raketten en supersone straaljagers hebben uitlaatgas nodig dat veel sneller is dan het geluid — en de ontsnapping uit die verstikking is een van de mooiste ompolingen in de stromingsleer. Zodra een stroming supersoon is, keren de regels zich om: het kanaal verwijden maakt de stroming juist sneller, niet trager (het gas ruilt zijn resterende druk en hitte in voor snelheid terwijl het uitzet). Het antwoord is dus een zandloper: eerst vernauwen tot sonisch in de keel, dan divergeren — de convergent–divergente (de Laval-)straalpijp, die het uitlaatgas voorbij de vernauwing versnelt tot Mach 2, 3, 5. Elke raketmond die je ooit hebt gezien heeft precies die vorm; jachtvliegtuigen hebben een verstelbare versie, met bewegende kleppen die de zandloper voor elke vluchtfase van vorm laten veranderen.

De kleine lettertjes van stuwkracht

Twee eerlijke voetnoten maken het plaatje compleet. Ten eerste: verlaat het gas de straalpijp nog boven de omgevingsdruk (gebruikelijk bij verstikte motoren), dan levert die restdruk op het uitlaatoppervlak extra stuwkracht — de volledige vergelijking luidt $F = \dot{m}\,\Delta v + (p_e - p_0)A_e$. Ten tweede is de straalpijp een precisie-instrument vermomd als pijp: is de uitlaat te klein, dan stuwt het gas terug de motor in (druk, temperatuur en pompmarge lijden er allemaal onder); is hij te groot, dan gaat er stuwkracht verloren. Bij jachtvliegtuigen ademen de verstelbare kleppen zichtbaar mee met de gashendel — de motor verandert daarmee letterlijk de vorm van zijn laatste woord tegen de atmosfeer. En in de volgende les blijkt de grootste stuwkrachttruc van allemaal te zitten in het nauwelijks verwarmen van het grootste deel van de lucht.