Практично ли интегрировать турбовентиляторные или прямоточные воздушно-реактивные двигатели в крыло авиалайнера?

Первый турбовентиляторный двигатель Rolls-Royce Conway имел коэффициент двухконтурности всего 0,25, чтобы иметь достаточно маленький диаметр для размещения в корнях крыла. Первоначально он планировался для бомбардировщиков V и их гражданских производных. Так что да, разместить турбовентиляторный двигатель в крыле практично, но это дорого обходится:

• Заглубленное размещение двигателя сместит оптимальную степень двухконтурности в сторону меньшей, что снизит эффективность использования топлива.

Далее, теперь ваша передняя кромка занята воздухозаборником и не может использовать ни одно из возможных устройств передней кромки для увеличения подъемной силы на малой скорости для взлета или посадки. То же самое касается задней кромки. Следствием является:

• Заглубленное размещение двигателей потребует большего размера крыла, поскольку рядом с двигателями невозможно использование механизации подъемной силы .

Крылья большего размера весят больше и создают большее сопротивление в крейсерском режиме. Последняя причина может быть самой важной: в эксплуатации двигатель с гондолой намного легче обслуживать и ремонтировать, чем скрытый. Более низкая стоимость обслуживания была основной причиной использования двигателей с гондолами в более поздних моделях авиалайнеров первого поколения ( Boeing 707 , DC-8 , Convair 880 ).

• Заглубленное размещение двигателя увеличивает стоимость обслуживания.

Меньше конструкций с прямоточными воздушно-реактивными двигателями, многие из которых так и не поднялись в воздух . Здесь размещение в плоскости крыла в основном было выбрано, чтобы избежать изменения момента тангажа, связанного с тягой. Однако прямоточный воздушно-реактивный двигатель лучше всего использовать на высокой скорости, и тогда вам нужно уменьшить толщину крыла, чтобы уменьшить волновое сопротивление . Таким образом, размещение двигателя уже нельзя назвать заглубленным, но оно ближе к закопанному, чем к подвесному варианту.

Лучший пример — беспилотник Lockheed D-21, изображенный ниже ( источник ). Поскольку самолет представляет собой практически прямоточный воздушно-реактивный двигатель с крыльями, во внешнем виде доминирует двигатель.

Из-за большой тяги, необходимой для сверхзвукового полета, сверхзвуковые самолеты держат свои двигатели близко к крылу, и конструкции с двигателями в гондолах, такие как Convair B-58 или Мясищев М-50 , были исключением. Самолеты-невидимки хотят скрыть горячий выхлоп и часто используют расположение выхлопа над крылом, что делает их размещение двигателя также скрытым. Вы можете возразить, что двигатель Lockheed RQ-3, изображенный ниже ( источник ), на самом деле находится в фюзеляже, но, будучи летающим крылом, у него его нет:

RQ-3 и аналогичные конструкции, такие как Northrop B-2 , ясно показывают, что расположение турбовентиляторного двигателя внутри крыла действительно очень практично.

Книга Э. Торенбека «Синтез конструкции дозвукового самолета» содержит несколько разделов, посвященных размещению реактивных двигателей. По словам автора, британские конструкторы отдавали предпочтение скрытой установке двигателя, а американские конструкторы предпочитали установку двигателей в гондолах.

На рис. 2-12 изображены четыре проекции бомбардировщика, один американский и три британских. Площадь крыла британской конструкции достаточно большая, чтобы обеспечить место для установки двигателя, по сравнению с крылом B-47, а размах идентичен. Затем в книге упоминаются некоторые преимущества двигателей, устанавливаемых в корне крыла:

2.3.2

а. Дополнительное сопротивление, возникающее из-за заглубленной установки двигателя, составляет всего несколько процентов по сравнению с примерно 15% от общего сопротивления в случае конфигурации, аналогичной В-47. Кстати, нынешнее поколение ТРДД показывает значение примерно от 8 до 10%.

б. В результате малой нагрузки на крыло и малого значения$C_L$в крейсерском полете маневрирование возможно без проблем со сжимаемостью, таких как тряска.

в. Проблема тангажа стреловидных крыльев менее существенна для крыльев с малым удлинением.

д. В результате низкой нагрузки на крыло характеристики на малых скоростях будут лучше.

е. Относительно низкое удлинение кессона крыла приведет к большей жесткости, а аэроупругость станет меньшей проблемой.

Многие из этих аргументов справедливы лишь до определенного момента, и, в частности, прогресс в технологии двигателей в направлении двигателей с высокой степенью двухконтурности вместе с разработкой более эффективных механизмов большой подъемной силы в 1950-1970 гг. нагрузки на крыло и двигатели, установленные на гондолах.

Таким образом, двигатели, установленные в корне крыла, имеют меньшее лобовое сопротивление, однако двигатели, установленные на гондоле крыла, обеспечивают облегчение изгиба крыла, что снижает вес конструкции. При установке в контейнерах перед передней кромкой они обеспечивают компенсацию кручения для аэроупругих эффектов, таких как флаттер. Меньшее сопротивление было единственным прямым преимуществом отсутствия гондол двигателя, все остальные упомянутые преимущества связаны с использованием крыльев с низким удлинением / размахом нагрузки.

Из Торенбека, раздел 6.5.1

Двигатели, заглубленные в фюзеляж, можно использовать только в том случае, если полезная нагрузка имеет относительно небольшой объем и достаточно места для двигателя, его впускных и выпускных каналов, а также для центроплана крыла. Вообще говоря, это касается только небольших частных самолетов и учебных самолетов, если речь идет о гражданской авиации. Относительно большой диаметр современных двигателей с большой двухконтурностью практически не позволяет устанавливать двигатели, заглубленные в корни крыла, как на Hawker Siddeley Comet и Ту-104.

Таким образом, турбовентиляторные двигатели крайне непрактично устанавливать в корневой части крыла, гондолы под ними действительно практичны в плане обслуживания. Возможно прямоточные воздушно-реактивные двигатели, но как самолет достигает скорости, при которой могут работать прямоточные воздушно-реактивные двигатели?

Согласно Джо Саттеру в его книге о проектировании и реализации 747, размещение двигателей в гондолах под крылом имело два преимущества:

Двигатели стали намного проще в обслуживании.

В случае серьезного отказа двигателя крыло получает меньше повреждений.

В последние годы размер более крупных турбовентиляторных двигателей, используемых в коммерческих самолетах, не позволяет устанавливать их внутри крыла.

За последние годы произошло два катастрофических отказа двигателей самолетов Airbus A380, когда значительная часть двигателей вышла из строя. Оба самолета остались пригодными для полета и приземлились без дальнейших повреждений, так что эта часть конструкции определенно подтвердилась.