Почему винтовые двигатели никогда не устанавливались на хвосте серийных транспортных самолетов?

Есть две действительно большие проблемы с хвостовыми силовыми установками с винтами; распределение веса и повреждение посторонними предметами.

Хвостовые двигатели перемещают пустой C of G на корму. Это вынуждает вас помещать располагаемую нагрузку с передним смещением для компенсации, следовательно, длинный нос фюзеляжа необходим для того, чтобы привести загруженную C of G в требуемый диапазон. Конечно, когда пассажиры выходят, ЦТ перемещается назад, и чтобы хвост не запрокидывался назад, когда самолет разгружен, приходится смещать шасси дальше назад, чем оптимально для взлета. Поверхность руля высоты должна быть больше, чем обычно, чтобы при взлете нос поднимался вверх, а точка опоры колеса находилась дальше от кормы, чем это действительно необходимо. С таким большим фюзеляжем впереди загруженного C of G вам, возможно, придется использовать большие стабилизирующие поверхности, чтобы иметь достаточный объем хвоста для хорошей устойчивости по рысканию и тангажу.

Реактивные самолеты с двигателями, установленными в хвостовой части, живут с этими проблемами, чтобы получить огромное преимущество, которое они обеспечивают, возможность располагать фюзеляж близко к земле, чтобы облегчить посадку, сидя на рампе, что является важной особенностью для корпоративных самолетов. Для авиалайнера, который использует реактивные мосты для посадки, эта функция не важна.

Тогда есть жестокая среда для бедных пропеллеров. Каждая крупица дождя, слякоти, камней, фрагментов резины и любого другого мусора на взлетно-посадочной полосе будет проходить через пропеллеры, и они довольно быстро испортятся и разрушатся (любой владелец гидросамолета понимает тот беспорядок, который создают большие объемы вода делает лопасти винта).

Для самолета с пропеллерами задняя часть в хвосте — худшее место, где их можно разместить, если важен срок службы пропеллеров.

Вы можете утверждать, что это был оригинальный способ создания самолетов, поскольку у Wright Flyer был передний руль высоты и установленные сзади опоры, отходящие от задней части крыльев. Помимо этого, было много конструкций с задними гребными винтами.

Bede BD-5 имеет заднюю опору. Берт Рутан построил различные конструкции с установленными сзади поршневыми двигателями / винтами . Piaggio P.180 Avanti довольно близок к тому, что вы описываете. У Otto Aviation 500 есть задний винт , но он только сейчас проходит испытания. Dornier Do 335 имел как переднюю, так и заднюю опору.

Как указано в комментариях и ответе Дэйва, это было сделано, но я предполагаю, что вы думали о серийных (успешных) коммерческих пассажирских самолетах. Вот несколько причин:

Пропеллеры на пассажирском самолете должны быть довольно большими, поэтому из соображений габаритов им потребуются довольно длинные и, следовательно, тяжелые пилоны. Вес в хвосте самолета, как правило, не очень хорошая вещь. Более современные веерообразные пропеллеры меньше, и это несколько смягчает проблему пилонов.

Установка винтовых двигателей на крылья проста, так как расстояние от фюзеляжа не является проблемой, не требуются дополнительные конструкции, а гондола / обтекатель двигателя часто обеспечивает удобное пространство для шасси. Одним из преимуществ также является то, что у вас есть «спущенные закрылки», но я думаю, что вы правы в том, что беспрепятственный поток воздуха над крылом был бы полезен.

https://en.wikipedia.org/wiki/Propfan#1970s%E2%80%931980s

На этой странице Википедии есть хороший анализ винтовых вентиляторов, также известных как вентиляторы без каналов. См. испытательный стенд MD80 и ссылки на различные конструкции (например, Boeing 7J7, который должен стать заменой 737) с установленными сзади винтовентиляторами. Хотя это и не было реализовано, очевидно, это считалось возможной альтернативой подкрыльным двигателям (с воздуховодом или без воздуховода).

Топливная эффективность очень важна для получения прибыли от транспорта, поэтому обычно можно увидеть крепления крыльев. Ряд бывших пассажирских лайнеров, таких как Boeing 767, перепрофилируют в грузовые.

Концепция Embraer перемещает их назад для снижения шума в кабине, но задние крепления немного снижают эффективность, потому что центр тяжести, направленный назад, укорачивает рычаг уровня хвостового крутящего момента, поэтому требуется больший объем хвоста.

Для грузовых авианосцев лучшим местом для турбовинтовых пилонов было бы около носа самолета (если пилоты выдерживали шум), как у акулы-молота , или на крыльях. Носовая установка снова потребовала бы горизонтального стабилизатора большего размера (из-за увеличенной площади перед ЦТ). Интересно, что задние крепления немного повышают устойчивость. (Аэродинамические эффекты отменяют эффекты компьютерной графики для размера хвоста). Понятно, почему гондолы двигателей долгое время устанавливали в основном на крыльях, ближе к ЦТ.

Также следует отметить, что конструкция Embraer оснащена бипланным горизонтальным стабилизатором, почему бы не установить посередине комбинированный пилон/стабилизатор для лучшей аэродинамической эффективности. Это также уменьшит повреждение обломками и проблемы с вращением реквизита.

На многих рейсах стоимость топлива является решающим фактором при проектировании грузовых самолетов.

Поскольку высокая установка двигателей затрудняет их обслуживание и осмотр механиками, у вас должна быть веская причина для их установки. Похоже, причина Embraer веская (и тот факт, что вся их линия, сборка и процесс проектирования основаны на двигателях, установленных на корме).

Я не могу привести какие-либо доказательства этого слуха, но... много лет назад я прочитал комментарий бывшего сотрудника Boeing, который сказал, что, когда они инспектировали Boeing 727-100, который использовался в 1986 году в качестве испытательного стенда для UDF компании GE (un -канальный вентилятор), они обнаружили, что вибрация от УДФ повредила конструкцию самолета.

При сравнении винтовых двигателей, установленных на крыле, с двигателями, установленными в хвостовой части фюзеляжа, мне приходит в голову, что вы должны прокладывать топливопроводы от крыльевых баков к хвостовой части фюзеляжа (вес), и в случае отказа / отделения винтов существует более высокая вероятность проникновения винта в фюзеляж и, возможно, даже в топливопровод. Не говоря уже о (удаленной) возможности выхода из строя винта, разрушившего руль направления, оперение, руль высоты или горизонтальный стабилизатор.

Конечно, катастрофические отказы винтов чрезвычайно редки (или реже) и (насколько мне известно) никогда не были проблемой для таких самолетов, как Beech Starship или Piaggio Avanti.