Каковы причины такой конфигурации толкающего винта?

Да хороший вопрос. Им нужно, чтобы он был в стороне от брызг, так высоко, и они размещают его поверх чего-то похожего на вертикальный стабилизатор, так почему бы не использовать вертикальный стабилизатор, я полагаю, это то, что вы имеете в виду. Как этот, но тогда в конфигурации толкателя

Я бы ответил, что это сместит центр тяжести слишком далеко назад. Двигатель тяжелый, лучше всего, если он будет установлен ближе к центру самолета. Комбинация толкающего винта и хвостового крепления создаст конфигурацию, которая хочет опрокинуться назад. Размещение крыльев дальше назад неудобно, это небольшой самолет и оставляет мало моментного рычага для эффективной работы хвостового оперения.

Самая тяжелая деталь в самолете — это двигатель. Если бы вы переместили двигатель в хвост и не внесли никаких других изменений в эту конструкцию, центр тяжести самолета сместился бы так далеко назад, что самолет стал бы неуправляемым.

Для стабильной конфигурации центр тяжести должен находиться близко к центру подъема. Мы могли бы добиться этого, сдвинув крыло назад, чтобы вес фюзеляжа впереди центра подъемной силы уравновешивал вес двигателя сзади.

Однако теперь у вас почти нет контроля высоты тона из лифтов. Мы можем противодействовать этому, переместив их вперед (где они называются канардами), и теперь у вас есть этот дизайн:

Рутан Вари-эз

Источник Википедия

Однако ваш самолет также должен быть лодкой. Размещение большого веса на одном конце лодки затруднит управление ею. Лучше разместить тяжелый вес в центре лодки, и мы вернемся к исходному дизайну.

Двигатель расположен высоко, чтобы защитить его от воды и возможных брызг во время посадки и взлета.

На первый взгляд размещение пропеллера в хвостовой части выглядит привлекательно, но на практике это реализовано очень мало. Самым известным из них, вероятно, является Trislander , производный от почтенного служебного самолета Britten-Norman Islander .

Бриттен-Норман Трислендер ( источник изображения )

Недостатки хвостового винтового двигателя

Размещать тяжелую массу, часть которой даже вращается в широкой полосе частот, на длинной гибкой балке вообще не лучшая идея.

• Масса двигателя уменьшит собственную частоту вертикального хвостового оперения, вызывая раннее флаттер , а любой дисбаланс в гребном винте создаст начальное возбуждение, необходимое для развития флаттера.
• Размещение тяжелых масс вдали от центра тяжести увеличивает моменты инерции и делает управление самолетом излишне вялым.
• При этом по двум осям возникает явление, известное как инерционная связь .
• Далее винт действует как хвостовое оперение. Размещение его далеко на корме стабилизирует дрон и затруднит управление им; как правило, такое расположение винта должно сочетаться с увеличенным хвостовым оперением.
• Размещение гребного винта высоко над центром тяжести также приведет к изменению дифферента при изменении мощности. Это не приветствуется, если желательны хорошие характеристики управляемости.

Только гидросамолеты допускают высокое расположение гребного винта, чтобы гарантировать, что брызги не попадут на гребной винт. На Dornier Do-26 задние винты можно было даже поднять на домкрате для взлета и посадки.

Существующие проекты

Однако в последнее время несколько специальных самолетов выбрали хвостовой двигатель. Общими факторами были:

• электрическая тяга, поэтому вибрации были низкими
• низкая мощность нагрузки, поэтому эффекты стабилизации и дифферента винта были небольшими
• высокая аэродинамическая и конструктивная эффективность, поэтому дополнительная стойка и гондола для двигателя были сочтены нежелательными.

Вы видите два из них вместе ниже: справа — Icaré II , первый практичный солнечный самолет, а слева — e-Genius , экспериментальный самолет с батарейным питанием.

Icaré 2 и e-Genius в групповом полете ( источник изображения )

Учитывая множество недостатков, конструкторы обычно стараются избегать заднего расположения винта. Толкатели дают лучшую эффективность , поэтому некоторые старались избегать обычной компоновки. Ниже вы видите компромисс, где винт установлен позади крыла, но все же близко к центру тяжести. Положение на озере Букканир — еще один такой компромисс и хороший выбор для амфибии. Крестообразное хвостовое оперение даже лучше, чем двойное хвостовое оперение , потому что поток пропеллера ударит по всем поверхностям управления, что значительно улучшит управляемость на малых скоростях на воде.

HB-23 Hobbyliner в полете ( источник фото )

Обратите внимание, что я никогда не упоминал о заднем расположении центра тяжести. На самом деле это не очень важный фактор в данном случае.

Некоторые причины. Высота хвоста над водой зависит от угла наклона самолета вверх или вниз, но вы не хотите, чтобы пропеллер находился слишком близко к воде (!). Вы также не хотите, чтобы брызги воды попадали на пропеллер (очень высокая скорость кончика может быть быстро снижена из-за попадания водяных брызг), поэтому держите его ближе к носу и выше, чтобы предотвратить это. Размещение его рядом с крылом означает, что его вес и другие силы передаются более непосредственно на самую прочную конструкцию самолета, лонжероны крыла, что снижает вес конструкции (и общий вес). Пропеллер также направлен в хвост, что дает ему больше возможностей управления на малых скоростях (вблизи сваливания, взлета и посадки и т. д.).

В некоторых конструкциях электрических самолетов винт устанавливается в верхней части вертикального стабилизатора, поскольку они имеют двигатель с меньшим весом вместо тяжелого двигателя и винт большего диаметра, который должен очищать фюзеляж и землю. В таких самолетах самым тяжелым элементом является не двигатель (т.е. двигатель), а аккумуляторная батарея, которая обычно устанавливается возле лонжерона крыла (часто в крыльях). Это также позволяет шасси быть относительно коротким / легким / с низким сопротивлением.