Конфигурация толкателя

Wright Flyer — самолет-толкач, спроектированный в 1903 году.

В авиационной и технике военно- морской конфигурация толкача — это термин, используемый для описания трансмиссии воздушного или водного транспорта с двигательной установкой после двигателя (двигателей). В этом отличие от более традиционной конфигурации трактора , в которой они располагаются спереди.

Хотя этот термин чаще всего применяется к самолетам, наиболее распространенным примером пропеллера является обычный подвесной мотор для небольшой лодки.

«Конфигурация толкателя» описывает конкретное (пропеллер или канальный вентилятор ) тяговое устройство, прикрепленное к летательному аппарату, будь то аэростаты ( дирижабль ) или аэродины (самолет, экраноплан , парамотор , винтокрылый аппарат ) или другие типы, такие как суда на воздушной подушке , аэролодки с винтовыми двигателями. и снегоходы .

История

1871 г. Планофор

Farman MF.11 классической конфигурации Farman с двигателем между хвостовой балкой.

Автожир Buhl A-1 , первый автожир-толкач.

Послевоенный Convair B-36 был необычен по своим размерам, эпохе, количеству двигателей и сочетанию винтовой и реактивной силовой установки с шестью радиально -поршневыми и четырьмя реактивными двигателями.

Типичный для многих БПЛА , General Atomics MQ-9 Reaper имеет пропеллер в крайнем хвостовом оперении.

NAL Saras с толкателями, установленными на гондолах по обе стороны задней части фюзеляжа.

«Планофор» с резиновым двигателем, разработанный Альфонсом Пено в 1871 году, был первой успешной моделью самолета с толкающим винтом.

Многие ранние самолеты (особенно бипланы) были «толкателями», в том числе Wright Flyer (1903 г.), Santos-Dumont 14-bis (1906 г.), Voisin-Farman I (1907 г.) и Curtiss Model D, использовавшийся Юджином Эли для первый корабль приземлился 18 января 1911 года. Анри Фармана Толкач Фарман III и его преемники были настолько влиятельны в Британии, что толкачи вообще стал известен как «тип Фармана». Другие ранние конфигурации толкателя были вариациями на эту тему.

Классический толкатель «Фармана» имел пропеллер, «установленный (сразу) за основной несущей поверхностью», а двигатель был прикреплен к нижнему крылу или между крыльями, непосредственно перед винтом в коротком фюзеляже (в котором также находился пилот), называемом гондола ​ . Основная сложность конструкции толкача такого типа заключалась в креплении хвостового оперения (хвостового оперения). Он должен был располагаться в том же месте, что и на самолете-тягаче, но его опорная конструкция должна была избегать пропеллера.

Самые ранние образцы толкачей основывались на утке, но это имело серьезные аэродинамические последствия, которые первые конструкторы не смогли решить. Обычно хвостовое оперение устанавливалось на сложной проволочной конструкции, создававшей большое сопротивление. Задолго до начала Первой мировой войны это сопротивление было признано лишь одним из факторов, которые гарантировали, что толкатель типа Фармана будет иметь худшие характеристики по сравнению с трактором аналогичного типа .

Армия США запретила толкающие самолеты в конце 1914 года после того, как несколько пилотов погибли в катастрофах самолетов этого типа. Таким образом, примерно с 1912 года подавляющее большинство новых конструкций сухопутных самолетов США представляли собой тягачи-бипланы, а толкачи всех типов стали считаться старомодными по обе стороны Атлантики. Однако новые конструкции толкачей продолжали разрабатываться вплоть до перемирия, например Vickers Vampire , хотя лишь немногие из них поступили на вооружение после 1916 года.

Однако, по крайней мере, до конца 1916 года толкачи (такие как истребитель Airco DH.2 ) по-прежнему отдавались предпочтение самолетам-носителям в Британском королевском летном корпусе , поскольку орудие, стреляющее вперед, можно было использовать, не встречая препятствий со стороны дуга пропеллера. С успешным внедрением для механизма Фоккера синхронизации стрельбы пулемета с лопастями движущегося винта , за которым быстро последовало широкое внедрение синхронизирующих механизмов всеми участниками боевых действий в 1916 и 1917 годах, конфигурация тягача стала почти универсальной, а толкатели стали составлять лишь крошечное меньшинство новых конструкций самолетов, у которых была конкретная причина для использования этой конструкции.

И британцы, и французы продолжали использовать бомбардировщики толкающей конфигурации, хотя до 1917 года не было явного предпочтения ни тому, ни другому. К таким самолетам относились (помимо продукции компании Farman) бомбардировщики Voisin (построено 3200 штук), Vickers FB5 «Gunbus ", и Королевский авиазавод FE2 ; однако даже они были переведены на тренировочные роли, прежде чем полностью исчезли. Вероятно, последним истребителем, использовавшим толкающую конфигурацию Фармана, был артиллерийский истребитель Vickers Type 161 COW 1931 года выпуска.

Во время длительного затмения конфигурации толкающие винты продолжали использоваться в самолетах, которые получали небольшую выгоду от установки и могли быть построены как тягачи. -бипланы Летающие лодки в течение некоторого времени часто оснащались двигателями, расположенными над фюзеляжем, чтобы обеспечить максимальный зазор от воды, часто приводя в движение толкающие винты, чтобы избежать брызг и связанных с этим опасностей, удерживая их на достаточном расстоянии от кабины. Supermarine Walrus был поздним примером такой компоновки.

Так называемая компоновка «тяни/тяни» , сочетающая конфигурации тягача и толкача, то есть когда один или несколько гребных винтов обращены вперед, а один или несколько других обращены назад, была еще одной идеей, которая время от времени продолжает использоваться как средство уменьшение асимметричных последствий отказа подвесного двигателя, например, на Farman F.222 , но за счет значительного снижения эффективности задних гребных винтов, которые часто были меньшего размера и в результате прикреплялись к двигателям меньшей мощности.

К концу 1930-х годов широкое внедрение конструкции цельнометаллической напряженной обшивки самолетов означало, по крайней мере теоретически, что аэродинамические проблемы, которые ограничивали характеристики толкачей (да и любой нетрадиционной компоновки), были уменьшены; однако любое улучшение, повышающее характеристики толкача, также повышает характеристики обычных самолетов, и они оставались редкостью в оперативной эксплуатации, поэтому разрыв сократился, но был полностью закрыт.

Во время Второй мировой войны большинство крупных держав проводили эксперименты с истребителями-толкачами. Трудности оставались, в частности, то, что пилот, вынужденный катапультироваться из толкача, мог пройти через дугу винта. Это означало, что из всех рассматриваемых типов в серийное производство пошел только относительно обычный шведский SAAB 21 1943 года. Другие проблемы, связанные с аэродинамикой компоновок «утка», применявшихся на большинстве толкачей, оказались более трудноразрешимыми. Для этого самолета было (по силе) спроектировано одно из первых в мире катапультных кресел , которое позже вновь появилось с реактивным двигателем .

Самым большим самолетом- толкачом был Convair B-36 «Миротворец» 1946 года, который также был самым большим бомбардировщиком, когда-либо эксплуатировавшимся Соединенными Штатами . Он имел шесть 28-цилиндровых Pratt & Whitney Wasp Major радиальных двигателей мощностью 3800 л.с. (2800 кВт) , установленных в крыле, каждый из которых приводил в движение толкающий винт, расположенный за задней кромкой крыла, а также четыре реактивных двигателя.

Аэродинамика Спэрроу Хоук II

Хотя подавляющее большинство винтовых самолетов продолжают использовать тягачную конфигурацию, в последние годы наблюдается некоторое возрождение интереса к конструкциям толкачей: в легких самодельных самолетах, таких как Берта Рутана » конструкции «утка , с 1975 года появились сверхлегкие самолеты, такие как Quad City Challenger (1983), гибкие крылья, парамоторы , парашюты с приводом и автожиры . Эта конфигурация также часто используется для беспилотных летательных аппаратов из-за требований к передней части фюзеляжа, свободной от каких-либо помех от двигателя.

Aero Dynamics Sparrow Hawk был еще одним самодельным самолетом, построенным в основном в 1990-х годах.

Конфигурации

Дирижабли — старейший тип самолетов-толкачей, восходящий к новаторскому дирижаблю француза Анри Жиффара, построенному в 1852 году.

См. Также: Список самолетов-толкачей по конфигурации.

Самолеты-толкачи были построены во многих различных конфигурациях. В подавляющем большинстве самолетов пропеллер или пропеллеры по-прежнему расположены сразу за задней кромкой «основной несущей поверхности» или под крылом (парамоторы), а двигатель расположен позади места экипажа.

Gallaudet D-4 с толкающим винтом, вращающимся вокруг хвостовой части фюзеляжа

Самолеты традиционной компоновки имеют хвостовое оперение ( оперение ) для стабилизации и управления. Воздушный винт может располагаться близко к двигателю, как и у обычного прямого привода:

• Воздушный винт может располагаться впереди хвостового оперения: внутри каркаса ( Farman III ), на одной линии с фюзеляжем ( RFB Fantrainer ), между хвостовыми балками ( Cessna Skymaster ), над фюзеляжем на крыле ( Quad City Challenger ), на мотогондоле или осевой. капсула ( Lake Buccaneer ) или соосно вокруг задней части фюзеляжа ( Gallaudet D-4 ).
• Воздушный винт может располагаться за вертикальным оперением, под горизонтальным оперением ( Prescott Pusher ).
• Двигатели и воздушные винты могут располагаться на крыльях ( Piaggio P.180 Avanti ) или на боковых гондолах ( Embraer/FMA CBA 123 Vector). ).

Rhein Flugzeugbau RW 3 Multoplan с гребным винтом между рулем направления и килем

Двигатель может быть закопан в переднем удаленном месте, при этом гребной винт будет приводиться в движение приводным валом или ремнем:

• Пропеллер может располагаться впереди хвостового оперения, за крылом ( Eipper Quicksilver ) или внутри планера ( Rhein Flugzeugbau RW 3 Multoplan ).
• Внутри хвостового оперения может располагаться воздушный винт, крестообразный или канальный ( Марвелетт ).
• Воздушный винт может располагаться сзади, за обычным хвостовым оперением ( Беде БД-5 ).
• Пропеллер может располагаться над фюзеляжем, как на многих небольших летающих лодках ( озеро Бакканир ).

Прародитель большого количества толкачей-уток, экспериментальный Miles M.35 Libellula располагал двигателем в задней части фюзеляжа.

В конструкции «утка » крыло меньшего размера расположено впереди основного крыла самолета. В этом классе в основном используется прямой привод, либо одномоторный осевой гребной винт, или двухмоторные с симметричной компоновкой, или линейная компоновка (тяни-толкай), как у Rutan Voyager .

Lippisch Delta 1 Бесхвостый толкатель

В бесхвостых самолетах, таких как Lippisch Delta 1 и Westland-Hill Pterodactyl типов I и IV, горизонтальные стабилизаторы в задней части самолета отсутствуют. Летающие крылья , такие как Northrop YB-35, представляют собой бесхвостый самолет без четко выраженного фюзеляжа. В этих установках двигатели либо устанавливаются в гондолах или фюзеляже на бесхвостых самолетах, либо закапываются в крыло на летающих крыльях, приводя в движение воздушные винты за задней кромкой крыла, часто с помощью удлинительного вала.

Почти без исключения летательные аппараты с гибким крылом , парамоторы и парашюты с приводом используют конфигурацию толкателя.

Бомбардировщик Voisin III , самая многочисленная конструкция-толкач, построено 3200 самолетов.

Другие суда с толкачей движутся по ровным поверхностям, земле, воде, снегу или льду. Тягу обеспечивают гребные винты и канальные вентиляторы, расположенные в задней части машины. К ним относятся:

• Судно на воздушной подушке , поднимаемое на воздушной подушке, типа 58 пассажиров SR.N6 .
• Аэролодки , плоскодонные суда, глиссирующие по воде.
• Аэросани , также известные как аэросани, винтовые сани или винтовые снегоходы .

В самолетах

Преимущества

Приводной вал толкающего двигателя при нормальной работе находится в состоянии сжатия. что оказывает на него меньшую нагрузку, чем натяжение в конфигурации трактора.

Практические требования

Сверхлегкий самолет Flexwing с двигателем и пропеллером за спиной пилота

Размещение кабины перед крылом для балансировки веса двигателя(ов) в кормовой части улучшает обзорность для экипажа. В военных самолетах переднее вооружение можно было использовать проще, поскольку орудию не требовалась синхронизация с винтом, хотя риск попадания стреляных гильз в опоры сзади несколько нивелировал это преимущество.

Самолеты, в которых двигатель находится рядом с пилотом или очень близко к нему (например, парамоторы, парашюты с приводом, автожиры и велосипеды с гибким крылом), размещают двигатель позади пилота, чтобы свести к минимуму опасность для рук и ног пилота. Эти два фактора означают, что эта конфигурация широко использовалась на ранних боевых самолетах и ​​остается популярной сегодня среди сверхлегких самолетов , беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и радиоуправляемых самолетов .

Аэродинамика

Толкатель может иметь более короткий фюзеляж и, следовательно, уменьшенную как смачиваемую площадь фюзеляжа, так и его вес.

В отличие от тракторной схемы толкающий винт в конце фюзеляжа является стабилизирующим. Толкачу требуется меньше стабилизирующего участка вертикального оперения. и, следовательно, оказывает меньший эффект флюгера ; при разбеге он обычно менее чувствителен к боковому ветру.

Когда внутри спутного потока нет хвоста, в отличие от тягача, вокруг фюзеляжа нет вращающегося винта, вызывающего боковую силу на киле. При взлете пилоту-толкачу «утка» не нужно использовать руль направления, чтобы сбалансировать этот момент.

Эффективность можно повысить, установив пропеллер позади фюзеляжа, поскольку он активирует пограничный слой , образующийся на корпусе, и уменьшает сопротивление формы , сохраняя поток прикрепленным к фюзеляжу. Однако обычно это незначительный выигрыш по сравнению с пагубным влиянием планера на эффективность воздушного винта.

Сопротивление профиля крыла может быть уменьшено за счет отсутствия омывания винтов над любой секцией крыла.

Безопасность

Двигатель установлен за кабиной экипажа и пассажирскими отсеками, поэтому утечки топлива и охлаждающей жидкости будут выходить за самолетом, а любой пожар в двигателе будет направлен за самолетом. Точно так же отказ винта с меньшей вероятностью создаст прямую угрозу для экипажа.

Система канальных вентиляторов с толкателем обеспечивает дополнительную функцию безопасности, заключающуюся в помещении вращающегося вентилятора в канале, что делает ее привлекательным вариантом для различных усовершенствованных конфигураций БПЛА или для небольших/личных летательных аппаратов или для моделей самолетов.

Недостатки

Конструктивные и весовые соображения

Истребитель SAAB J 21 с толкающим винтом, установленным между двумя балками фюзеляжа.

Конструкция толкача с оперением позади винта конструктивно сложнее аналогичного типа тягача. Повышенный вес и лобовое сопротивление ухудшают производительность по сравнению с трактором аналогичного типа. Современные аэродинамические знания и методы строительства могут уменьшить, но никогда не устранить эту разницу. Для удаленного или заглубленного двигателя требуется приводной вал и связанные с ним подшипники, опоры и средства контроля крутильных вибраций, что увеличивает вес и сложность.

Центр тяжести и особенности шасси.

Для поддержания безопасного положения центра тяжести (ЦТ) существует ограничение на то, насколько далеко назад может быть установлен двигатель. Переднее расположение экипажа может сбалансировать вес двигателя и поможет определить центр тяжести. Поскольку для безопасной эксплуатации расположение центра тяжести должно находиться в определенных пределах, распределение нагрузки необходимо оценивать перед каждым полетом.

Из-за, как правило, высокой линии тяги, необходимой для дорожного просвета винта, отрицательных моментов тангажа (вниз), а также в некоторых случаях отсутствия омывания винта над хвостом, для взлета может потребоваться более высокая скорость и более длинный крен по сравнению с самолетом-тягачом. . Ответ Рутана . на эту проблему состоит в том, чтобы опустить носовую часть самолета в состоянии покоя так, чтобы пустой центр тяжести оказался впереди основных колес В автожирах высокая тяга приводит к возникновению опасности управления, известной как опрокидывание мощности .

Аэродинамические соображения

Летающая лодка-толкач Supermarine Walrus представляет собой типичную летающую лодку с двигателем, установленным высоко, чтобы избежать брызг; однако изменение дроссельной заслонки затем вызывает изменение шага.

Из-за, как правило, большой линии тяги, обеспечивающей дорожный просвет, толкающая компоновка с низким крылом может испытывать изменения шага, вызванные изменением мощности, также известные как связь шага/мощности. Гидросамолеты-толкачи с особенно большой тягой и хвостовым колесом могут обнаружить, что вертикальное оперение скрыто от воздушного потока, что серьезно снижает управляемость на низких скоростях, например, при рулении. Отсутствие промывки над крылом снижает подъемную силу и увеличивает длину разбега. Толкающие двигатели, установленные на крыле, могут загораживать участки задней кромки крыла , уменьшая общую ширину, доступную для поверхностей управления, таких как закрылки и элероны. Когда пропеллер установлен перед хвостом, изменения мощности двигателя изменяют поток воздуха над хвостом и могут привести к сильным изменениям тангажа или рыскания.

Дорожный просвет гребного винта и повреждение посторонних предметов

Из-за поворота тангажа на взлете, возможно, придется уменьшить диаметр винта (с потерей эффективности ) и/или шасси стали длиннее и тяжелее. Много толкачей иметь подфюзеляжные плавники или полозья под гребным винтом, чтобы предотвратить удар гребного винта о землю, что приводит к дополнительным затратам на сопротивление и вес. На бесхвостых толкателях, таких как Rutan Long-EZ , дуга винта находится очень близко к земле при полете с высоко поднятым носом во время взлета или посадки. Предметы на земле, поднятые колесами, могут пройти через диск гребного винта, что приведет к повреждению или ускоренному износу лопастей; в крайних случаях лезвия могут удариться о землю.

Когда самолет летит в условиях обледенения , на крыльях может скапливаться лед. Если самолет с толкающими двигателями, установленными на крыле, обледенеет, винты заглотнут измельченные куски льда, что поставит под угрозу лопасти винта и части планера, в которые может ударить лед, резко перенаправляемый винтами. В первых боевых самолетах-толкачах отработанные гильзы вызывали аналогичные проблемы, и необходимо было разработать устройства для их сбора.

Эффективность и шум гребного винта

Пропеллер проходит через след фюзеляжа, след от крыла и другие нисходящие волны от поверхности полета, двигаясь асимметрично через диск с неравномерной воздушной скоростью. Это снижает эффективность гребного винта и вызывает вибрацию, вызывающую усталость конструкции гребного винта. и шум.

Эффективность винта обычно как минимум на 2–5% меньше, а в некоторых случаях более чем на 15% меньше, чем у эквивалентной тракторной установки. Полномасштабное исследование в аэродинамической трубе утки Rutan VariEze показало КПД винта 0,75 по сравнению с 0,85 для конфигурации трактора, потеря 12%. Толкатели реквизита шумят, а шум в кабине может быть выше, чем у эквивалента трактора ( Cessna XMC против Cessna 152 ). Шум гребного винта может увеличиться, поскольку выхлопные газы двигателя проходят через винты. Этот эффект может быть особенно выражен при использовании турбовинтовых двигателей из-за большого объема выхлопных газов, которые они производят.

Охлаждение двигателя и выхлоп

Конструкция охлаждения силовой установки у толкающих двигателей более сложна, чем у тракторной конфигурации, где гребной винт нагнетает воздух над двигателем или радиатором. У некоторых авиационных двигателей возникли проблемы с охлаждением при использовании в качестве толкателей. Чтобы противостоять этому, можно установить вспомогательные вентиляторы, увеличивающие вес. Двигатель толкача выбрасывает газ вперед от гребного винта, и в этом случае выхлопные газы могут способствовать коррозии или другому повреждению гребного винта. Обычно они минимальны и в основном могут быть заметны в виде пятен сажи на лезвиях.

Безопасность

Пропеллер

Piaggio P.180 Avanti с двигателями, установленными на задней кромке крыла, вдали от пассажиров, что обеспечивает более безопасную посадку.

В случае сближения пропеллера и хвостового оперения поломка лопасти может ударить по хвостовому оперению или вызвать разрушительные вибрации, ведущие к потере управления.

Члены экипажа рискуют удариться о винт при попытке спастись из одномоторного самолета с толкающим винтом. По крайней мере одно раннее катапультное кресло было разработано специально для предотвращения этого риска. Некоторые современные легкие самолеты оснащены парашютной системой , которая спасает весь самолет, что позволяет избежать необходимости катапультироваться.

Двигатель

Расположение двигателя в толкающей конфигурации может поставить под угрозу пассажиров самолета в случае крушения или аварийной посадки, при которых импульс двигателя пролетит через кабину. Например, если двигатель расположен непосредственно за кабиной, во время удара носом инерция двигателя может перенести двигатель через брандмауэр и кабину и может привести к травмам некоторых пассажиров кабины.

Загрузка самолета

Вращающиеся пропеллеры всегда представляют опасность при наземных работах, например при погрузке или посадке в самолет. Конфигурация тягача оставляет заднюю часть самолета относительно безопасной рабочей зоной, к толкачу опасно приближаться сзади, а вращающийся пропеллер может затягивать предметы и людей, находящихся впереди него, с фатальными последствиями как для самолета, так и для людей. втянулся. Еще более опасными являются операции по разгрузке, особенно в воздухе, такие как сбрасывание припасов на парашюте или прыжки с парашютом, которые практически невозможны на самолетах толкающей конфигурации, особенно если пропеллеры установлены на фюзеляже или спонсонах.

См. также

• Канальный вентилятор
• Список самолетов-толкачей по комплектации
• Список толкачей по конфигурации и дате

Ссылки

Источники

• Абзуг, Малкольм Дж.; Ларраби, Э. Юджин (2005). Стабильность и управляемость самолета: история технологий, которые сделали авиацию возможной . Cambridge Aerospace Series 14 (2-е изд.). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521809924 .
• Ганстон, Билл (2004). Кембриджский аэрокосмический словарь Кембридж . Издательство Кембриджского университета. п. 480. ИСБН  978-0521841405 .
• Гутман, Джон (2009). Пушер-асы Первой мировой войны . Osprey Самолет асов 88. Оксфорд, Великобритания: Osprey. ISBN  978-1846034176 .
• Хернер, Гихард Ф.; Борст, Генри В. (1985). Гидродинамический подъемник — практическая информация по аэродинамической и гидродинамической подъемной силе . Брик-Таун, Нью-Джерси: миссис Лизелотта Хёрнер. LCCN   75-17441 .
• Реймер, Дэниел П. (1992). Проектирование самолетов: концептуальный подход . Образовательная серия AIAA. Вашингтон, округ Колумбия: Американский институт аэронавтики и астронавтики. ISBN  978-0930403515 .
• Стинтон, Дэролл (1983). Проект самолета . Оксфорд, Великобритания: Профессиональные книги BSP. ISBN  978-0632018772 .

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с самолетами с толкающими винтами, на Викискладе?