Почему бы не установить реактивные двигатели авиалайнера над крыльями?

техническое обслуживание

Расположение двигателей под крылом делает их довольно легко доступными, даже если требуется какая-то подъемная сила. Размещение их над крылом сделало бы доступ к ним намного труднее. Уронил инструмент? Лучше начать с ремонта этого крыла тоже. Это включает в себя как общий доступ к двигателю, так и процедуры снятия и установки двигателя.

Структура

Двигатель под крылом достаточно устойчив, так как висит сверху. Естественно, он хочет продолжать висеть вниз. Установка двигателя над крылом была бы менее устойчивой. Естественно хочет опрокинуться.

Шум

Если двигатель находится под крылом, это помогает блокировать часть шума, по крайней мере, из средней части салона. Двигатель над крылом будет подвергать шуму гораздо большую часть салона. Однако это может уменьшить шум от земли во время полета.

Аэродинамика

Верхняя часть крыла является наиболее аэродинамически чувствительной частью. Вот почему такие элементы, как панели доступа к топливному баку, расположены внизу. Наличие двигателя и пилона наверху повлияло бы на обтекание верхней части крыла.

Безопасность

Отваливание двигателей от крыльев обычно плохо . Но если бы они были над крылом, то имели бы тенденцию падать на крыло, что все равно было бы нехорошо. Было бы сложнее иметь тогда отрыв в аварии. Кроме того, в случае неконтролируемого отказа крыло не обеспечивало бы никакой защиты фюзеляжа.

Конечно, есть и преимущества, такие как пониженный уровень шума, меньший дорожный просвет, отсутствие помех между струей струи и закрылками и меньшая вероятность проглатывания FOD. По мере того как новые двигатели получают вентиляторы большего диаметра, ограничения становятся более сложными. Некоторые концепции конструкции корпуса со смешанным крылом размещают двигатели над корпусом. Но для текущей конструкции самолета преимущества размещения двигателей под крылом больше, чем у альтернатив.

Была одна конструкция с надкрыльевыми двигателями: VFW-614 . Номер был выбран потому, что это был четвертый проект, начатый в 1961 году Vereinigte Flugzeugwerke (VFW).

Расположение двигателя имело ряд преимуществ:

• меньше риск проглатывания посторонних предметов
• меньше шума при взлете и посадке, по крайней мере, для людей на земле
• меньшее изменение отделки при изменении мощности

Но недостатки (шум в кабине и доступ к двигателю) были причиной того, что такое размещение двигателя так и не прижилось. Также низкомоторные двигатели могут получать топливо без насосов, просто самотеком. Однако пилоты, которые летали и на 614, и на Боинге 737, говорили мне, что на 614 летать приятнее, так как он не требует изменения дифферента при изменении настроек мощности.

Размещение двигателя перед крылом помогает ослабить флаттер, но при этом теряется главное преимущество размещения над крылом — снижение шума. По этой причине сегодняшние двигатели в основном размещаются перед крылом и под ним, поэтому они не видны пассажирам, но легко доступны для ремонтной бригады. Размещение двигателя непосредственно под крылом помогло бы подавать на него предварительно сжатый воздух, но опять же, переднее расположение не имеет большого значения с точки зрения предварительного сжатия, но помогает с демпфированием флаттера.

Если мы проигнорируем другие варианты размещения двигателя, рассмотренные в связанном вопросе, мы сможем сравнить только размещение над и под крылом. Я не эксперт, но вот некоторые факторы, которые приходят мне в голову:

• Подкрылье упрощает доступ к двигателю, двигатель находится близко к земле. Поскольку большинство двигателей монтируются таким образом, возможно, конструкторы двигателей оптимизируют размещение компонентов с учетом этого (хотя двигатели часто производятся для конкретного самолета).

• Установка под крылом означает, что сила тяжести помогает удерживать двигатель в поперечном положении. Для размещения над крылом верно обратное, и вам может понадобиться немного более прочный пилон и лонжероны крыла?

• Расположение над крылом заставляет крутящий момент на крыле от веса двигателя действовать в том же направлении, что и крутящий момент от тяги, расположение под крылом снижает общий крутящий момент, хотя это может быть несущественным.

• Двигатели работают на максимальной тяге на взлете. Двигатель с крылом на максимальной тяге, вероятно, с большей вероятностью будет создавать крутящий момент на планере, препятствующий подъему носовой части для взлета. Я не уверен, хорошо это или плохо, но это кажется неправильным.

• Размещение над крылом, безусловно, снижает риск FOD, но может мешать обзору пассажиров и увеличивать шум.

• Шасси самолета в любом случае должно быть определенной высоты, чтобы хвостовая часть не касалась взлетно-посадочной полосы во время взлетного вращения и поглощала посадочные силы на большем расстоянии. Это может быть несущественным, так как есть большие самолеты с очень коротким шасси (например, некоторые военные и гражданские транспортные самолеты). Возможно, за это штраф платят.

• Авиалайнеров, вероятно, больше, чем крупных аэропортов, поэтому может показаться, что лучше убрать FO со взлетно-посадочных полос, чем сделать обычные авиалайнеры более защищенными от FOD.

^{источник: Бартош}

Новые картинки нарисовал сам, но текст взял из стороннего источника :

Вы можете видеть, что с двигателем, установленным над крылом, у вас есть центральная линия тяги, расположенная над продольной осью самолета. Это создает момент тангажа, направленный вниз, относительно боковой оси, которая находится в центре тяжести (ЦТ). Хотя вес двигателя помогает противодействовать этому, ему также необходимо противодействовать увеличенной подъемной силой вниз, создаваемой горизонтальным ударом (больший момент хвоста вниз).

Отвечу только за длину шасси. Когда вы рассматриваете достаточно большой самолет, вам нужно длинное шасси, чтобы уменьшить риск удара хвостом при посадке и взлете. Таким образом, у вас достаточно места под крылом.

Например, сравните длину передней стойки шасси самолета, двигатели которого установлены под крылом (например, этого A320 ), с длиной передней стойки шасси самолета, двигатели которого не установлены под крылом (например, этой Caravelle ). Я выбираю фотографии с мужчиной рядом с шасси, чтобы облегчить сравнение.

Размещение турбин в подкрыльевых пилонах началось с ранних реактивных бомбардировщиков США, B47 и B52, а транспортный C135 - позже трансформировался в 707. В своей книге 747 Джо Саттер (ведущий инженер 747-го) объяснил причины установки подкрыльевых пилонов. вместо размещения двигателя в крыле, которое использовалось на других ранних больших самолетах, таких как «Комета», «Виктор» и ТУ-16, как:

• техническое обслуживание

• Меньше повреждений в случае катастрофического отказа двигателя (ранние
  турбины не были такими надежными, как сегодня) или пожара.

Что касается того, почему размещение пилона над крылом не используется ... обе причины по-прежнему актуальны.

Большая часть обслуживания турбин выполняется на самолете - снятие двигателя не является обычным явлением, поэтому более низкое размещение облегчает более быстрое обслуживание в среднем. Снятие/замена двигателя облегчается с помощью вилочного погрузчика.

Катастрофический отказ или пожар... довольно редко, но когда это случается, двигатель обычно отваливается от крыла.

Кроме того, при METO более низкое расположение двигателя под ЦТ имеет тенденцию тянуть нос самолета вверх, а не вниз, что требуется при взлете или в большинстве ситуаций, когда пилот использует полную мощность. Расположение над крылом будет иметь тенденцию тянуть нос вниз при взлете. Незначительный фактор, но его стоит упомянуть... нет смысла нагружать рули высоты больше, чем это необходимо при взлете, когда полномочия управления не самые большие из-за минимальной воздушной скорости.

Единственным редким исключением из размещения пилона под крылом, защищающего крыло, был рейс 191 AA , авиакатастрофа в Чикаго. Из-за плохих методов обслуживания задняя опора двигателя на № 1 сломалась, двигатель повернулся вверх, оторвался и перевернулся и врезался в левое крыло, вырвав гидравлику передних спойлеров. Пилоты думали, что имеют дело с простым отказом двигателя, и следовали инструкции по набору высоты с отказом одного двигателя, поддерживая воздушную скорость, соответствующую взлетным закрылкам, установленным на обоих крыльях. Из-за потери подъемной силы из-за поврежденного крыла левое крыло заглохло, и самолет врезался в землю. Недостаточно высоты для восстановления.

Сказав это, такого рода катастрофические отказы происходят довольно редко, самым последним примером является Qantas 32 , A380, у которого произошел серьезный взрыв двигателя в полете. Двигатель у самолета не отвалился, и он смог благополучно приземлиться, хотя и с некоторым ухудшением управляемости элеронов. Можно только догадываться, привело ли размещение слишком большого крыла к большему повреждению критических верхних поверхностей крыла.

Одним из недавних реактивных самолетов представительского класса, отмеченным расположением двигателя над крылом, является Hondajet . Они включают в себя краткий отрывок о преимуществах:

Прорыв в аэронавтике, подвеска двигателя Over-The-Wing была спроектирована и испытана компанией Honda после более чем 20 лет обширных исследований и разработок. Эта инновационная технология не только ломает привычные шаблоны, установленные аэрокосмической промышленностью, но также обеспечивает лучшие в своей категории достижения, такие как более просторный салон, снижение уровня шума и повышенная топливная экономичность.

Есть одна очень веская причина размещать двигатели прямо над крылом, как показано здесь, на NASA QSRA:

и YC-14:

Это известно как «обдув верхней поверхности» или некоторые вариации на эту тему. Идея состоит в том, что воздушный поток от двигателя следует за верхней поверхностью крыла, поэтому, когда закрылки опущены, воздушный поток следует за их плавным изгибом, пока они не дуют вниз, что значительно увеличивает подъемную силу. Это альтернатива обдуву нижней поверхности, наблюдаемому на C-13:

и его гораздо более крупная сестра C-17:

Решение USB имеет ряд важных преимуществ по сравнению с LSB. Главный из них заключается в том, что поток воздуха не дует прямо на створки, что значительно упрощает нагрузку на конструкцию. Воздушный поток также значительно сглаживается за счет обтекания верхней поверхности крыла, что также снижает нагрузку. Наконец, поскольку створки уже ускоряют поток воздуха над своей верхней поверхностью — почти вся идея — общий дизайн на самом деле намного проще. Конечный результат один и тот же, оба улучшают подъемную силу, направляя воздушный поток вниз через закрылки, но USB был механически намного проще, и это было основным преимуществом C-14.

Итак... почему они не использовали его? Ну, по иронии судьбы, одна из причин в том, что это было слишком хорошо. В случае отказа двигателя, особенно на двухмоторной версии, одно крыло теряло подъемную силу, и удержать управление было практически невозможно. Вариант с четырьмя двигателями решил эту проблему, но первоначальная программа не учитывала их, и Boeing продвигал компоновку с двумя двигателями как основное преимущество (в основном). Напротив, модели LSB имели меньшее увеличение подъемной силы и должны были полагаться на «большее количество закрылков!» чтобы получить те же характеристики (чего, IIRC, они никогда не делали), но в результате у них был лучший отклик в условиях отказа двигателя.

Мне не ясно, что C-17 оказался с LSB по какой-либо другой причине, кроме того, что он был получен от McD, и что, если бы кто-то еще выиграл конкурс, они могли бы использовать USB.

Еще одна вещь, которая была частично упомянута. Пилоны, удерживающие двигатели, рассчитаны на то, чтобы сломаться до того, как экстремальная вибрация или неуравновешенная нагрузка (из-за отказа вентилятора) вызовут серьезные структурные повреждения крыла. Расположение под крылом означает, что двигатель не упадет на крыло, и должно быть достаточно места для горизонтального хвостового оперения. Расположение над крылом могло бы привести или могло бы привести к удару о крыло и горизонтальное оперение или даже о фюзеляж, если угол крена был достаточно большим.

Кроме того, наличие линии тяги над крылом создаст крутящий момент вниз по оси крыла, который будет усугубляться моментом тангажа, развиваемым аэродинамическим профилем. Этот дополнительный момент потребовал бы более жестких и, следовательно, более тяжелых крыльев.

Ниже крыло помогает подъемной силе. Над крылом мешает подъемная сила. Снизу позволяет воздуху проходить над крылом, не нарушая аэродинамику подъемной силы. Выше нарушается аэродинамика подъемной силы, в зависимости от того, насколько далеко назад двигатель находится на крыле. Конечно, более легкое шасси — это хорошо, самолеты не используют шасси при полете, и, кроме того, двигатели весят намного больше, чем шасси. Лучше иметь двигатель под крылом. Новые модели могут поднимать крылья и уменьшать длину пилона. Однако подъемника еще недостаточно. Им нужна подъемная сила, у каждого тяжелого грузового самолета есть двигатели под крылом. Они не могут позволить себе потерять любую возможную подъемную силу.