Почему толкающие пропеллеры настолько редки, но все еще существуют?

Недостатков много, они как бы перевешивают достоинства.

Вот два:

• Толкающий винт работает в возмущенном воздушном потоке, вызывая повышенную вибрацию и шум
  . Если винт установлен за крылом, то каждая лопасть винта проходит через отрывной граничный поток два раза за один оборот. Эти циклы создают дополнительный шум и снижают эффективность гребного винта. Вибрация делает лопасти винта более восприимчивыми к усталости металла.

• Зазор винта при взлете
  Из-за увеличения тангажа при взлете винт приближается к земле. Поэтому необходимо уменьшить диаметр (потеря эффективности) или сделать стойки шасси длиннее (дополнительный вес). Поскольку пропеллер находится за шасси, он подвержен обломкам, вылетающим из шасси, что увеличивает потребность в дополнительной защите лопастей (увеличение веса, потеря эффективности).

В Википедии есть список дополнительных недостатков.

Редактировать:

Ваше заявление о том, что

Реактивные двигатели по своей природе являются толкающими двигателями.

не совсем верно.

В турбовентиляторных двигателях большая часть тяги создается ступенями вентилятора и компрессора. Даже в чистом реактивном двигателе большая тяга создается компрессором. Поэтому вал реактивного двигателя нагружается растяжением, как и гребной вал в тянущей конфигурации.

Источник: Rolls Royce - Реактивный двигатель

Толкающая конструкция более эффективна, так как всасывание перед винтом уменьшает отрыв потока, а ускоренный поток за ним не обтекает фюзеляж (или крыло), где создавал бы дополнительное сопротивление трения. В случае Do-335 (см. рисунок ниже) максимальная скорость одномоторного самолета была на 30 км/ч выше с задним расположением двигателя, чем с передним (оба были ДБ-603 с одинаковой мощностью).

С другой стороны, тянущий винт поможет маневрировать самолетом на земле (это большое преимущество для хвостовых тягачей — обратите внимание, сколько двухмоторных самолетов с хвостовым тягачом имеют Н-образное хвостовое оперение (два руля направления в качестве концевых пластин стабилизатора). Они были размещены в кильватерной струе винта, что давало гораздо лучшую управляемость на малой скорости на земле, а также омывание винта помогает увеличить подъемную силу от закрылков.

Уже упоминался главный недостаток одномоторного самолета — уменьшенный хвостовой клиренс. Если вы не можете по-настоящему вращаться, взлеты и посадки — это высокоскоростные операции. Еще к недостаткам можно отнести риск пилота задеть винт при экстренном катапультировании и повышенную устойчивость самолета. Толкающий винт так же влияет на остойчивость, как и дополнительное хвостовое оперение, но без рулей. Особенно для истребителя это противоположно тому, что вы хотите. Вот почему почти все мощные одномоторные самолеты имеют пропеллер впереди: Маневренность!

Стабилизирующий эффект возрастает пропорционально площади поверхности винта и тяге, разумеется. Поскольку обычный самолет должен иметь базовую устойчивость при работе двигателя на холостом ходу, любое дополнительное изменение устойчивости из-за размещения пропеллера имеет первостепенное значение. На полной мощности и с длинным рычагом единственного толкающего винта в центральной части фюзеляжа (вспомните LearAvia Learfan ) самолет становится жестким, как кирпич. Компоновка с двумя стрелами (например, Saab J 21 , изображенная ниже) лучше, но создает дополнительное трение и интерференционное сопротивление, поэтому преимущество толкающей компоновки уменьшается. Обратите внимание, однако, что исследования варианта двигателя трактора (Saab J 23) показали худшие характеристики по сравнению с толкающей конструкцией.

Если вам нужны достоверные данные об этом: есть старый отчет NACA (NACA TN 2585) по этому поводу Джона Л. Криглера и Джин Гилман, который называется «Пропеллеры в тангаже и рыскании».

Прочитав информацию о самолетах 1930-х и 1940-х годов, я могу вспомнить несколько серьезных проблем, преследовавших тогда их конструкцию.

Толкатели имели преимущества толкания крыльев и поверхностей управления через невозмущенный воздух, и это давало достаточно преимуществ, чтобы было предложено множество конструкций толкателей. У толкача была бы более высокая крейсерская скорость и лучшая нагрузка на крыло, потому что он летал бы в невозмущенном воздухе.

Самым успешным, вероятно, был миксмастер XB-42, который был бы задействован, если бы война продолжалась. (Как бы то ни было, в конечном итоге он стал первым реактивным бомбардировщиком Америки.)

B-36 использовал толкатели именно для того, чтобы придать своим крыльям четкий обдув. На самом деле он был разработан в 1942 году.

Но у них были большие компромиссы.

Серьезной проблемой толкающих конструкций той эпохи было охлаждение двигателя на земле.

С тягачом (тянущим) у вас есть этот гигантский вентилятор, обдувающий самолет и двигатель (с радиальным воздушным охлаждением) и/или радиатор (с водяным охлаждением). двигатель без ничего, кроме пассивного охлаждения.

Во время крушения передний двигатель тягача служил зоной деформации для остальной части самолета, особенно кабины, и мог преодолевать препятствия, из-за чего самолет останавливался медленнее. И наоборот, с толкателем двигатель находился позади пилота и не только не обеспечивал никакой защиты, но имел тенденцию отрываться и протаранивать остальную часть фюзеляжа, как сваебой.

Пилот не мог видеть и поэтому визуально осматривал двигатель, например, если вы начинаете терять масло в тракторе, вы сразу это знаете. Если двигатель позади вас, вы можете не заметить, пока не увидите датчик.

Центр тяги было труднее сбалансировать, и это также усложняло работу центра тяжести.

Тем не менее, со всеми этими недостатками, XB-42 и B-36 показали, что преимущества могут быть преодолены при достаточно хорошей инженерии. И в итоге жиклеры работают как минимум наполовину толкая. Если бы реактивные самолеты задержались на несколько лет или война началась еще в середине 30-х годов, мы, вероятно, увидели бы на вооружении больше толкающих самолетов.

С реактивными самолетами военная потребность в толкающих двигателях исчезла, а в гражданских самолетах редко возникает потребность в повышении производительности, которое оправдывает борьбу со всеми компромиссами.

Почему толкающие винты так редки

Другие ответы охватили это.

а они все еще рядом?

Передний винт ограничивает поле зрения пилота или полезной нагрузки.

Рассмотрим дрон наблюдения или БПЛА. Нет пилота, обзор которого был бы затенен, но почти наверняка есть большое преимущество для радиолокационных, оптических и других систем переднего обзора.

Миссии по наблюдению могут извлечь выгоду из относительно медленно движущейся маловысотной платформы. Это способствует использованию пропеллеров, а не реактивных двигателей, и расположение толкателя может быть выгодным, как отмечалось выше.

MQ-9 Жнец

Эльбит Гермес

Сагем Спервер

Просто немного дополнительной информации и мыслей по этой старой теме. Есть еще несколько успешных самолетов-толкачей, даже несколько из них строятся сегодня. Piaggio Avanti вполне успешен и очень быстр, крейсерский ход около 400 узлов, в разработке находится уже упомянутый CBA-123. Как и все инженерные разработки, толкающие самолеты — это компромисс. Обычно вы теряете некоторую эффективность пропеллера из-за возмущенного воздушного потока, но получаете некоторую аэродинамическую эффективность из-за более медленного воздушного потока над крыльями и фюзеляжем. Зазор опоры может быть проблемой, как и FOD опоры из-за мусора, подхваченного колесами, которые бросают опоры.

Шум смешанный. Внутренний шум часто ниже, потому что винты не дуют на лобовое стекло или фюзеляж, но внешний шум может быть проблемой из-за возмущенного потока к винтам. Piaggio Avanti предположительно является одним из самых тихих салонов в полете, но когда он пролетает, он довольно шумный.

Несколько лет у меня был герметичный скаймастер, и он мне очень нравился, но он был очень шумным как внутри, так и снаружи. Но внутри скаймастера было очень тихо, работал только задний двигатель, так что проблема была не в толкающем винте. Производительность была немного лучше только на заднем двигателе. "Байки жен" про взлет на одном движке - это как раз то. Как и у всех поршневых близнецов, характеристики одного двигателя были минимальными, и опытный пилот не мог не заметить отказ двигателя. Я несколько раз летал на этом самолете с одним двигателем, как во время симуляции отказа двигателя на взлете, так и во время одного фактического отказа двигателя в полете, и хотя управление было послушным, летные характеристики были невпечатляющими (хотя у P-337 несколько лучший набор высоты на одном двигателе). скорость, чем у большинства поршневых твинов).

Я провел много грубых полевых операций на своем Skymaster, и мне повезло, что я ни разу не повредил заднюю опору, но мало кто сомневается, что это может быть проблемой. Я не слышал о проблемах с повреждением винтов на Piaggio Avantis, но вряд ли они будут использоваться на грунтовых взлетно-посадочных полосах. Таким образом, как и в случае со всеми самолетами, конструктору необходимо рассмотреть множество вопросов, в том числе предполагаемое использование самолета, прежде чем решить, использовать ли конфигурацию тягача или толкателя. Я подозреваю, что большая часть причин отсутствия толкателей кроется в изначально консервативном отношении авиаконструкторов, а не в неотъемлемых проблемах конструкции толкателей.

По крайней мере, для одномоторных самолетов наличие толкающего винта делает выход в полете (также известный как катапультирование) гораздо более опасным. Я полагаю, что во время Первой мировой войны (когда толкающие винты были гораздо более распространены) более чем несколько пилотов были серьезно ранены или убиты их винтами, когда им приходилось выпрыгивать из горящего самолета.

По этой причине немцы оснастили (или планировали) катапультируемое кресло на своем Do.335 с двухтактным приводом, а Фоккер планировал сделать то же самое на своем D.XXIII.

B-36 был достаточно большим, чтобы толкающие винты находились далеко от фюзеляжа, что избавляло от этой проблемы.

Преимущество, которое я могу придумать, от наличия винтов спереди, которое связано с увеличенным потоком воздуха, заключается в том, что вы получаете бесплатное дополнительное охлаждение двигателей.

Имея двигатель в единой конструкции двигателя сзади с толкающим винтом, вы получаете более сложную конструкцию воздухозаборника и хвостовой части, чем просто позволяя двигателю всасывать воздух, в который он уже вгрызается. Вам нужны воздуховоды и прочее, добавляющие веса и сложности.

Вращается ли толкающий винт в возмущенном воздушном потоке, создавая больше вибрации и шума? Да.

У толкающего двигателя больше проблем с охлаждением? Да, если это поршневой двигатель (турбовинтовые двигатели охлаждаются собственным внутренним потоком воздуха).

Однако есть один момент в пользу толкающей конфигурации, который нуждается в более тщательной оценке: толкающий воздушный винт улавливает поток воздуха, который уже замедляется крылом и фюзеляжем, для создания тяги, в то время как толкающий воздушный винт подбирает невозмущенный воздух и нагнетает его на фюзеляж. и крылья, которые, в свою очередь, замедляют воздушный поток. Эта разница, вероятно, означает, что толкающий двигатель может быть более эффективным на более высоких скоростях. Двойной толкающий самолет, показанный на следующей фотографии, был разработан здесь, в моей стране, в 80-х годах под названием СВА-123 (было построено два прототипа), и опыт эксплуатации этого самолета указывает на это направление.

Толкающие винты дают реальное преимущество небольшим амфибиям, таким как Lake Buccaneer и Republic See Bee, где пилоты должны иметь возможность выпрыгивать и ловить швартовные буи, тросы или причалы, не опасаясь задеть вращающееся лезвие винта.

Одной из категорий самолетов, в которых почти повсеместно используются толкающие винты, являются автожиры. Обычно двигатель устанавливается в центре корабля, а кабина находится непосредственно впереди, несущий винт вверху, а хвостовая часть каким-то образом монтируется за винтом, что требует часто тонкой стойки, проходящей мимо диска гребного винта.

То же самое относится и к некоторым другим типам сверхлегких самолетов, где небольшой двигатель часто привязывается непосредственно к спине пилота или, возможно, к спинке его сиденья. В большинстве случаев это единственное место, где его можно установить, не прибегая к созданию настоящего фюзеляжа.

В обоих случаях есть своего рода защита, которая ударит о землю перед самим винтом, если будет достигнут достаточный шаг, а шаг, необходимый для этого, намного больше, чем требуется большинству самолетов при взлете. Поэтому удар винта маловероятен.

С аэродинамической точки зрения основным преимуществом схемы тянуще-винтовой установки является то, что она добавляет прямой поток воздуха к крыльям и хвостовому оперению в наиболее ответственных фазах полета, когда самолет в целом движется довольно медленно. До эпохи реактивных самолетов длинные взлетно-посадочные полосы с гудронированным покрытием были редкостью, поэтому возможность взлетать с короткого и / или неровного поля была выгодной. Для истребителей лишние несколько секунд управляемости при маневрировании по вертикали могли легко означать разницу между победой и смертью.

Это имело особое значение для палубных самолетов, которые во время Второй мировой войны обычно не имели преимущества катапульты, чтобы разогнать их с палубы. Авианосец мог создать сильный встречный ветер, чтобы помочь, двигаясь против ветра так быстро, как только мог, но тяжело нагруженному истребителю или легкому бомбардировщику по-прежнему требовался максимально возможный запас прочности. B-25, использовавшиеся в рейде Дулиттла, были поистине исключительным случаем; Экипажам требовалась специальная подготовка, чтобы взлететь с чего-то такого маленького, как авианосец, и одному из них удалось это сделать, только паря в «эффекте земли» прямо над волнами после выхода из палубы. Если бы они были толкачами, они, вероятно, не выжили бы.

Также к авианосцам относится испытание посадки на палубу. Универсальная конфигурация для любого самолета-носителя без вертикального взлета и посадки представляет собой крюк, соединенный с мощным амортизатором в хвостовой части, который взаимодействует с серией тяжелых тросов, проложенных через кабину экипажа. Чтобы это сработало, самолет в основном должен влететь в корабль носом вверх, без каких-либо бликов, которые вы обычно используете при посадке на надлежащем аэродроме. В этом случае задний винт обычно ударялся о палубу, что представляло серьезную опасность как для самого самолета, так и для экипажа кабины экипажа.

По этим и ряду других причин передний пропеллер стал обычным в военных конструкциях, а, следовательно, и в гражданских конструкциях. В этом контексте толкатель автоматически кажется нетрадиционным и ассоциируется со сверхлегкими и необычными самолетами, такими как автожиры.

Смещение центра тяжести, связанное с перемещением двигателя назад, также способствует серьезным изменениям формы в плане даже у полноразмерных самолетов, вплоть до конфигурации «утка», что делает такой самолет еще более диковинным. Самолет-утка также имеет другие характеристики управляемости на границе своего диапазона полета, что может еще больше оттолкнуть потенциальных пилотов. Совсем недавно появилась трехплоскостная компоновка (как с уткой, так и с обычным хвостовым оперением), несущая по крайней мере теоретические преимущества как от схемы «утка», так и от обычной компоновки.

Немногие авиаконструкторы готовы сунуть голову в такую ​​среду; то, что Beechcraft Starship широко считается неудачным - Beechcraft фактически уничтожил многие планеры Starship, пытаясь избежать затрат на их поддержку, - как правило, поощряет дальнейшую осторожность. Берт Рутан (из Scaled Composites) является заметным исключением из правил; он спроектировал несколько успешных самолетов «утка» и трехплоскостных самолетов с толкающими двигателями.

Однако Piaggio Avanti является редким примером самолета, в котором преимущества толкача доведены до логического завершения. С трехплоскостной компоновкой и очень тщательным вниманием к аэродинамическим деталям, это турбовинтовой самолет с характеристиками, очень близкими к корпоративным реактивным самолетам, но со значительно более низкими эксплуатационными расходами и возможностью работать с более коротких взлетно-посадочных полос, чем реактивный самолет. Поддержка со стороны Ferrari, в том числе перевозка гоночной команды Scuderia на Avanti, не могла повредить его популярности. Возможно, что еще более примечательно, единственной серьезной аварией, которую я могу найти с участием Avanti, была потеря беспилотного дрона, основанного на этом типе — совсем неплохо для типа самолета, который летал сотнями экземпляров в течение почти 30 лет.

Таким образом, толкающая конфигурация имеет свои преимущества, которые большинство авиаконструкторов на самом деле не знают, как максимально использовать, потому что реактивные двигатели и передние винты так долго были стандартом. Но последний стал доминирующим из-за решающих преимуществ, которые он имел в дореактивную эпоху.

То же самое, что и у До-335 произошло с двухмоторной Цессной, у Скаймастера, в однодвигательном режиме было лучше с задним расположением двигателя. Этот самолет Дорнье-335 больше похож на гоночный, чем на истребитель-бомбардировщик, для которого он был разработан.

Одно из еще не упомянутых преимуществ трактора заключается в том, что он переносит вес двигателя вперед. Мы все знаем, что модели планеров нуждаются в утяжелении носа, и то же самое относится и к реальным летательным аппаратам. использование двигателя делает конструкцию более компактной, легкой и простой.

Также был затронут вопрос безопасности при столкновении. Как ни странно, оригинальные книги Бигглса были технически уникальными историческими записями бывшего пилота Первой мировой войны, капитана У. Э. Джонса. Книга Biggles Learns to Fly содержит наглядное и шокирующее изложение сравнительных достоинств толкача и тягача в случае аварии.

В начале Первой мировой войны многие британские типы RAF и Vickers были толкающими. Когда появились более новые типы, такие как Sopwith 1 1/2-stutter, они оказались гораздо более компактными и маневренными, а также более безопасными при аварийной посадке. Толкатель устарел за одну ночь. С тех пор он остается нишевым вариантом.

Толкачи без особого успеха пробовали во время Второй мировой войны, а это было время, когда пробовали буквально все.

Во время Второй мировой войны в США разрабатывались два толкающих истребителя: Curtiss XP55 и Northrop XP56 . Ни один из них не заработал, у обоих были проблемы со стабильностью, хотя эти проблемы были связаны скорее с радикальной конструкцией, а не с толкающим винтом. XP55 использовал утку в передней части для рулей высоты и законцовок крыла, в то время как XP56 был фактически летающим крылом с его коротким коротким фюзеляжем.

Базовая компоновка XP55 позже использовалась в Beechcraft Starship . К сожалению, Starship не имел успеха, поскольку стоил дороже и летал медленнее, чем современные представительские транспортные средства, такие как Cessna Citation и Lear, или даже турбовинтовые тягачи, такие как Piper Cheyenne и Beech KingAir.

Япония разработала один толкающий истребитель Kyushu J7W Shinden . Его конструкция толкателя отражает намерение оснастить его газотурбинным двигателем, а конструкция толкателя / бесхвоста позволяет обойти проблему расплавления хвоста горячим выхлопом. Как и американские усилия, он так и не был запущен в производство, хотя ухудшение промышленной ситуации в Японии в 1945 году было более ответственным за то, что он не был принят на вооружение.

В случае конструкции истребителя конфигурация толкателя была лишь одним из нескольких радикальных отклонений от традиционной конструкции, поэтому трудно определить, насколько конфигурация толкателя способствовала возникновению проблем. Обратите внимание, что DO335 был двухтактной конфигурацией, а не чистым толкателем.

Что можно сказать с некоторой долей уверенности, так это то, что толкающие конфигурации, особенно в истребителях, оказались бесполезными, когда винтокрылые истребители были на пике своего развития.