Почему у больших самолетов двигатели в основном расположены на крыльях, а у маленьких, как правило, в хвосте или на носу?

Небольшим самолетам нужны очень низко расположенные крылья, чтобы обеспечить приличную высоту салона. Последним коммерческим авиалайнером, который требовал, чтобы пассажиры перелезали через лонжерон по пути на свое место, был Boeing P-247 . Низкие крылья не оставляют необходимого места для двигателей, поэтому следующее оптимальное место — хвостовая часть фюзеляжа. Кроме того, у небольших самолетов относительно короткий фюзеляж, а шасси можно сделать коротким (и легким), не рискуя удариться хвостом при вращении.

Истребителям нужны малые моменты инерции, особенно по крену, поэтому ставить двигатели на крылья им не по карману. Даже Ме-262 изначально планировался с фюзеляжными двигателями, поэтому у него было такое своеобразное треугольное сечение фюзеляжа. Только когда в процессе разработки двигатели выросли в диаметре, их пришлось разместить на крыле.

Плюсы задних/фюзеляжных двигателей:

• Крыло чистое, с малым лобовым сопротивлением и оптимальными условиями для создания подъемной силы.
• К двигателям легко получить доступ (если они установлены в хвостовой части фюзеляжа. Другое дело с заглубленными двигателями!).
• Меньшее вертикальное оперение необходимо для условий асимметричной тяги.
• Возможно более короткое и легкое шасси (если не нарушена возможность вращения).
• Низкая инерция крена.

Минусы задних/фюзеляжных двигателей:

• Отсутствие рельефа на изгиб крыла; нужен более тяжелый лонжерон крыла.
• Нет помощи в подавлении трепетания (помогает груз впереди эластичной линии).
• Возможные помехи следу от крыла на больших углах атаки.
• Заставляет хвост иметь Т-образную конфигурацию.
• Требовалась дополнительная конструкция для переноса сил тяги вперед.
• Шум впуска более слышен, особенно для пассажиров на задних сиденьях.

Эта фотография Cessna Citation X должна хорошо проиллюстрировать это.

При проектировании самолета одним из основных факторов является необходимая тяга. Для удовлетворения требований по мощности используется один или несколько двигателей. Факторами, влияющими на выбор, являются общий размер двигателя, производительность, эффективность, стоимость, материальные и тепловые ограничения во время таких условий эксплуатации, как взлет, максимальная непрерывная работа, максимальный набор высоты и максимальный крейсерский режим. Установка должна быть выполнена с минимально возможным весом, сопротивлением и стоимостью.

Позиционирование определяется аэродинамическими факторами, такими как лобовое сопротивление, летно-технические характеристики и маневренность - моменты тангажа меняются вокруг центра тяжести - и воздушным потоком через двигатель, конструкционными и чисто функциональными/безопасными, такими как впрыск мусора внутрь двигателя во время посадки или взлета. Все вышеизложенное предназначено только для того, чтобы дать вам небольшое представление о том, как проходит процедура.

В общем, выбор правильного двигателя или комбинации двигателей и оптимального позиционирования — довольно сложный, а иногда и очень утомительный процесс.

Проще говоря, величина тяги, принимая во внимание минимальную и максимальную, необходимую для сертификации, производительности и т. д., распределяется между двигателями. Теперь давайте обратимся к каждому типу самолетов в вашем вопросе по отдельности и попробуем выстроить логику позиционирования:

Истребители :
у них нет двигателей в задней части (например, у них нет толкающих винтов), обычно реактивные двигатели находятся либо под фюзеляжем , как Eurofighter Typhoon , встроенные в фюзеляж, либо кабина находится на вершине гондолы реактивного самолета. как у Corsair II , при этом во всех случаях выходное сопло находится сзади. Причиной такого позиционирования является потребность в мощности и высокой скорости. Кроме того, фюзеляж — единственное место, где двигатели не будут мешать установке ракет и других боеприпасов на крыльях, где их можно легко и удобно размещать, проверять и заменять по мере необходимости.

Большие пассажирские самолеты ( например, Боинг 747 ):
основная характеристика этого типа заключается в том, что пространство в фюзеляже необходимо для размещения пассажиров. Уже одно это исключает размещение двигателя в фюзеляже, как это было на истребителях. Общий вес увеличивается, что приводит к потребности в мощности. Последнее диктует либо очень большой одиночный двигатель, либо несколько меньших, что обычно и бывает, которые должны быть распределены по корпусу, что делает логичным размещение под крыльями.

Средние/малые пассажирские самолеты (такие как Cessna Citation Mustang или Dassault Falcon 900 ):
когда самолет становится меньше и расстояние между крыльями и землей становится меньше, двигатели не могут быть установлены под крыльями без практических проблем. Таким образом, двигатели перемещаются к хвостовой части, где фюзеляж необходимо усилить, чтобы выдержать дополнительный вес. Общие характеристики самолета отличаются от характеристик самолета с установленным на крыле двигателем, потому что центр тяжести перемещается назад, когда он пуст.

Маленькие Cessna и другие имеют один двигатель в носовой части, потому что, как сейчас должно быть очевидно, им нужна мощность, которую может обеспечить этот единственный двигатель, а также из соображений симметрии и стоимости строительства.

Все вышеизложенное — краткая попытка продемонстрировать общий мыслительный процесс, стоящий за расположением двигателей. Каждый способ имеет свои плюсы и минусы, которые каждый инженер принимает во внимание, и хотя это общие конфигурации, существуют исключения. Некоторые из них - это асимметричный BV 141 или этот DC-10 , у которого двигатели установлены как на крыле, так и на корме.

Дальнейшее чтение здесь .

Кроме того, момент поднятия носа при разгоне, а также момент опускания носа при торможении с подкрыльевой конструкцией двигателя благоприятны для стабильных летных характеристик. (центр тяжести расположен впереди центра давления)

Самолеты с хвостовыми двигателями ведут себя наоборот: при разгоне они создают момент опускания носа вокруг своей поперечной оси. Это, в свою очередь, приводит к увеличению сопротивления и, в конечном итоге, к увеличению денег. Во время торможения момент поднятия носа может быть опасен, учитывая ситуацию, близкую к сваливанию, или медленный полет в целом.

В основном из-за количества двигателей. Если у вас более одного двигателя, то будет сложно поставить оба посередине. Это можно сделать, есть истребители с двумя двигателями посередине, но логичнее (меньше шума, проще в обслуживании и т.д.) ставить их в крылья.

Есть и преимущество в весе. Крылья поднимают самолет, двигатели являются основной составляющей массы самолета. Таким образом, если вес находится там, где создается подъемная сила, вам не нужно усиливать конструкцию, чтобы выдерживать силы. Отсюда более легкая структура.

Если у вас один двигатель, он в значительной степени должен быть на центральной линии. В противном случае у вас будет асимметричная тяга, и вам придется все время отклонять руль направления, чтобы поддерживать прямой полет. Это вызывает сопротивление. Ставил на перед, в "тракторной" комплектации. Или сзади, в конфигурации «толкатель». Или сверху (см. Lake Buchaneer/Renegade). В любом случае, поместите его на осевой линии самолета.

Если у вас два или три двигателя, вы обычно хотите, чтобы они располагались как можно ближе к центральной линии. В случае, если один из двигателей отключится (преднамеренно или по другой причине), вы хотите, чтобы оставшаяся тяга была как можно ближе к симметричной, по указанной выше причине. Билл Лир любил говорить, что в двухмоторном самолете мощности каждого двигателя достаточно, чтобы добраться до места крушения. Это означает, что для многих двухмоторных самолетов, если вы потеряете один двигатель, другой двигатель может удерживать вас в воздухе до тех пор, пока вы больше не сможете противостоять асимметричной тяге, и вы потеряете управление и разобьетесь. Вот почему все Lear Jets имеют двигатели, установленные на фюзеляже (как можно ближе к центральной линии), а последний самолет, который он разрабатывал (Lear Fan), имел два турбовинтовых двигателя, приводящих в движение только один винт. Если вы потеряли один из двигателей в ЭТОЙ птице,

Есть самолеты, у которых > 3 двигателя, установленных вплотную к фюзеляжу. На ум приходит Lockheed JetStar, как и Comet. К сожалению, размещение нескольких реактивных двигателей рядом друг с другом вызывает проблемы с потоком воздуха вокруг воздухозаборников, что может снизить эффективность двигателей.

Между тем, у вас также есть проблема веса. Самолеты спроектированы так, что центр тяжести (или центр масс, если хотите) находится на крыльях, потому что именно там находится подъемная сила. Одна из самых тяжелых вещей, которые перевозит современный реактивный лайнер, — это… топливо. Неудивительно, что у многих из них большая часть запасов топлива находится в крыльях. Еще одна из самых тяжелых вещей, которые они несут, это... двигатели. Если вы поместите двигатели на крылья, у вас должен быть киль и руль направления значительного размера, чтобы держать его прямо в ситуации с выключенным двигателем, но баланс веса вперед-назад работает хорошо. Перенесение всего этого веса на крылья также означает, что остальная часть фюзеляжа несет меньшую нагрузку, что означает, что конструкция может быть относительно легче.

Таким образом, для больших реактивных лайнеров с массивными ТРДД с большим байпасом вы хотите, чтобы воздухозаборники были максимально разнесены для максимальной эффективности, и вы хотите, чтобы они были близко к крыльям, чтобы большая часть веса и подъемной силы легко соединялись. Конечно, возможность использовать гравитацию для слива топлива из крыльев в двигатели также означает, что двигатели с большей вероятностью получат топливо, если возникнут проблемы с электричеством (которые могут отключить подкачивающие топливные насосы).