Как вы выбираете размещение двигателя для двигателей под крыльями?

После прочтения коллекции картинок aeroalias мне захотелось вмешаться.

Продольное положение

Основная причина их размещения впереди крыла — подавление флаттера. Флаттер – это колебание, вызванное взаимодействием упругих и аэродинамических сил. В случае с крылом это движение изгиба вверх-вниз. Поскольку воздуху требуется время, чтобы обтекать крыло, при определенной воздушной скорости изменение давления воздуха на крыле настолько не совпадает по фазе с движением, что усиливает упругое движение крыла. Поместив центр тяжести части самолета впереди его упругой оси , можно подавить флаттер. Это относится как к закрылкам (где баланс массы добавляется перед линией шарнира), так и к цельным крыльям (где часть баланса массы берут на себя двигатели).

Представьте, что крыло изгибается вверх, а теперь добавьте силы инерции двигателя, подключенного к этому крылу и также движущегося вверх. Если он будет помещен перед упругой осью, он создаст крутящий момент в крыле, так что локальный угол атаки уменьшится, что, в свою очередь, уменьшит подъемную силу и силы, заставляющие крыло изгибаться вверх. То же самое происходит в противоположном направлении, когда крыло изгибается вниз. Поскольку наибольшая толщина крыла находится в его передней части (что смещает ось упругости вперед), а тяжелый механизм закрылков находится в его задней части (что смещает местный центр тяжести назад), то крыло без двигателя, установленного впереди него, требуется гораздо более тяжелая конструкция или менее тяжелые, но в остальном непродуктивные балансировочные грузы.

Размещение двигателя перед крылом дает еще несколько преимуществ:

• Воздушный поток на впуске менее подвержен влиянию поля давления крыла, поэтому изменение местного направления потока меньше, что приводит к более эффективному впуску.
• Неконтролируемый отказ турбины с меньшей вероятностью повредит крыло.
• Двигатель может быть установлен выше относительно крыла , что позволяет укоротить шасси .

Почему двигатели не размещены на верхней части крыла, обсуждается в этом ответе .

Боковое положение

В двух- и трехмоторных реактивных самолетах вы размещаете их на стыке крыла, где заканчивается внутреннее крыло. Основные причины:

• В любом случае имеется большое ребро для поддержки обшивки крыла, поэтому проще добавить конструкцию для крепления двигателя.
• Между внутренними и внешними закрылками есть зазор (по крайней мере, в конструкциях Боинга), поэтому струя двигателя не ударит по закрылкам .
• Они по-прежнему расположены относительно близко к центру самолета, чтобы не требовалось слишком большое вертикальное оперение для компенсации момента рыскания в полете с одним двигателем.

Боинг 737, вид снизу (фото Адриана Пингстоуна ). Внутренняя часть крыла имеет нестреловидную заднюю кромку, а внешнее крыло имеет меньшую конусность и стреловидную заднюю кромку. Двигатели находятся именно там, где встречаются оба.

У таких самолетов, как DC-8, внутренние двигатели располагались на нервюре крыла, которая поддерживала направляющие внутреннего закрылка внешнего закрылка Фаулера, потому что у них не было зазора между внутренним и внешним закрылками. Однако на DC-10 Дуглас разместил крыльевые двигатели в месте разрыва между внутренним и внешним крылом.

В четырехмоторных реактивных самолетах внутренние двигатели размещаются так же, как и в двухмоторных реактивных самолетах, а внешние двигатели размещаются на конце (или немного снаружи) внешних закрылков Фаулера, примерно посередине между внутренним двигателем и законцовкой крыла. Обратите внимание, что там, где начинается вырез элеронов, снова необходимо ребро — это ребро служит опорой двигателя. Там двигатели могут вносить большой вклад в разгрузку изгиба, а поскольку один двигатель дает только 25 % общей тяги, момент рыскания внешнего двигателя в случае неработающего двигателя примерно равен моменту одиночного двигателя из двух двигателей. реактивный двигатель.

Airbus A340, вид снизу (фото Адриана Пингстоуна ).

Почему лучше разделить двигатели и разложить их по крылу, а не собирать в одной гондоле, объясняется в этом ответе .

В некоторых случаях расположение двигателя диктуется другими требованиями. На Антонове Ан-70 внутренние двигатели должны быть достаточно далеко, чтобы можно было, например, высадить десантников через входную дверь.

Любое проектное решение представляет собой оптимизационную задачу, которая включает в себя ряд разнообразных факторов. Есть несколько параметров, которые следует учитывать при определении расположения двигателей в крыльях.

Продольное расположение

• Клиренс - в случае ТРДД с большим двухконтуром, чем дальше двигатель находится в крыле, тем больше клиренс в земле (и требуется меньшая длина шасси). В некоторых случаях, когда на самолетах модернизировались двигатели с высокой степенью двухконтурности, форма входного отверстия двигателя должна была быть некруглой, чтобы получить требуемый зазор.

Двигатель CFM56 на Boeing 737, изображение с сайта asec.ir

• Интерференция — установка двигателя (пилон и гондола) препятствует обтеканию крыла воздушным потоком, что влияет на продольное расположение.

• Безопасность. Любой неконтролируемый отказ дисков двигателя не должен повреждать основную конструкцию крыла, что влияет на продольное расположение двигателя. Также отказ двигателя (детали) не должен влиять на устройства передней кромки крыла. По этой причине двигатели установлены далеко впереди крыльев.

Типичная опора двигателя, с сайта adg.stanford.edu.

• На продольное расположение также влияет необходимость работы реверсоров тяги, которые в основном разворачивают часть гондолы назад и наружу.

Работа реверсора тяги Boeing 787. Изображение с сайта pbase.com

• Расположение центра тяжести двигателя впереди крыла создает крутящий момент, который увеличивает жесткость крыла.

Боковое расположение:

• Устойчивость — чем ближе двигатели к фюзеляжу, тем меньше момент рыскания в случае отказа двигателя.

• Поверхности управления. Обычно поверхности управления, т. е. закрылки, не располагаются позади двигателя, так как для высокотемпературного потока требуются специальные материалы. Это приводит к снижению Cl_max. На следующем рисунке ясно видно отсутствие поверхностей с большой подъемной силой позади двигателя.

« Undercarriage.b747.arp » от Arpingstone — сфотографировано Адрианом Пингстоуном в августе 2002 года и выпущено в общественное достояние. Лицензировано под лицензией Public Domain через Commons .

• Перетаскивание. В этом случае двигатели, зарытые в корневую часть крыла, являются лучшим расположением. Однако он используется редко по разным причинам - сложность обслуживания двигателя, необходимость переделки крыла при использовании нового двигателя, устранение бортового закрылка и т. д. Расположение двигателя также влияет на лобовое сопротивление (с фюзеляжем).

Влияние большого двигателя на интерференционное сопротивление, изображение с сайта adg.stanford.edu.

• Нагрузки на крыло. Расположение двигателя в крыле способствует уменьшению изгибающего момента крыла в полете (что касается уменьшения изгибающего момента в земле, сравните полетную и наземную нагрузки).

Местоположение двигателя определяется после учета всех этих (и многих других) факторов.