В авиационной и морской технике конфигурация толкающего двигателя — это термин, используемый для описания трансмиссии воздушного или водного судна с движителем (ями) после двигателя (ей). Это отличается от более традиционной конфигурации тягача , которая размещает их спереди.
Хотя этот термин чаще всего применяется к самолетам, наиболее распространенным примером пропеллера является обычный подвесной мотор для небольшой лодки.
«Конфигурация толкающего двигателя» описывает специальное (пропеллерное или канальное ) тяговое устройство, прикрепленное к летательному аппарату, будь то аэростат ( дирижабль ) или аэродинам (самолет, экраноплан , парамотор , винтокрылый аппарат ) или другие типы, такие как суда на воздушной подушке , аэроглиссеры и винтовые снегоходы . [1]
«Планофор» с резиновым двигателем, разработанный Альфонсом Пено в 1871 году, был одной из первых успешных моделей самолетов с толкающим винтом.
Многие ранние самолеты (особенно бипланы) были «толкающими», включая Wright Flyer (1903), Santos-Dumont 14-bis (1906), Voisin-Farman I (1907) и Curtiss Model D, который использовал Юджин Эли для первой посадки корабля 18 января 1911 года. Толкающий самолет Farman III Анри Фармана и его преемники были настолько влиятельны в Британии, что толкающие самолеты в целом стали известны как «тип Фармана». [примечание 1] Другие ранние конфигурации толкающих самолетов были вариациями на эту тему.
Классический толкающий самолет «Фарман» имел пропеллер, «установленный (сразу) за главной несущей поверхностью», а двигатель крепился к нижнему крылу или между крыльями, непосредственно перед пропеллером в коротком фюзеляже (в котором также находился пилот), называемом гондолой . Основной сложностью конструкции толкающего самолета такого типа было крепление хвоста (хвостового оперения). Его нужно было разместить в том же общем месте, что и на тягаче, но его опорная конструкция должна была избегать пропеллера.
Самые ранние образцы толкающих самолетов опирались на уток, но это имело серьезные аэродинамические последствия, которые ранние конструкторы не смогли решить. Обычно крепление хвоста производилось с помощью сложной проволочной рамы, которая создавала большое сопротивление. Задолго до начала Первой мировой войны это сопротивление было признано всего лишь одним из факторов, которые гарантировали, что толкающий самолет в стиле Фармана будет иметь худшие характеристики по сравнению с в остальном похожим тракторным типом .
Армия США запретила толкающие самолеты в конце 1914 года после того, как несколько пилотов погибли в катастрофах самолетов этого типа, [2] поэтому примерно с 1912 года подавляющее большинство новых конструкций американских сухопутных самолетов были тягачами-бипланами, а толкающие самолеты всех типов стали считаться старомодными по обе стороны Атлантики. Тем не менее, новые конструкции толкающих самолетов продолжали разрабатываться вплоть до перемирия, например, Vickers Vampire , хотя лишь немногие из них поступили на вооружение после 1916 года. [ необходима цитата ]
Однако, по крайней мере до конца 1916 года, толкающие самолеты (такие как истребитель Airco DH.2 ) по-прежнему предпочитались в качестве самолетов с пушками в британском Королевском летном корпусе , поскольку стреляющее вперед орудие могло использоваться без помех со стороны пропеллера. С успешным внедрением механизма Фоккера для синхронизации стрельбы пулемета с лопастями движущегося пропеллера [3] , за которым быстро последовало широкое внедрение синхронизирующих передач всеми воюющими сторонами в 1916 и 1917 годах, конфигурация тягового самолета стала почти повсеместно предпочитаемой, и толкающие самолеты были сведены к незначительному меньшинству новых конструкций самолетов, у которых была особая причина для использования этой компоновки.
И британцы, и французы продолжали использовать бомбардировщики с толкающим винтом, хотя до 1917 года не было явных предпочтений в пользу какой-либо из них. К таким самолетам относились (помимо продукции компании Farman) бомбардировщики Voisin (построено 3200 самолетов), Vickers FB5 "Gunbus" и Royal Aircraft Factory FE2 ; однако даже они были переведены в учебные роли, прежде чем полностью исчезнуть. Возможно, последним истребителем, использовавшим конфигурацию Farman с толкающим винтом, был пушечный истребитель Vickers Type 161 COW 1931 года.
В течение длительного затмения конфигурации использование толкающих винтов продолжалось в самолетах, которые получали небольшую выгоду от установки и могли быть построены как тягачи. Бипланные летающие лодки в течение некоторого времени часто оснащались двигателями, расположенными над фюзеляжем, чтобы обеспечить максимальный зазор от воды, часто приводя в движение толкающие винты, чтобы избежать брызг и опасностей, связанных с их удержанием на достаточном расстоянии от кабины. Supermarine Walrus был поздним примером этой компоновки.
Так называемая компоновка «тяни/толкай» , сочетающая тяговую и толкающую конфигурации, то есть когда один или несколько винтов направлены вперед, а один или несколько — назад, была еще одной идеей, которая время от времени продолжает использоваться как средство уменьшения асимметричных эффектов отказа подвесного двигателя, например, на Farman F.222 , но за счет значительного снижения эффективности задних винтов, которые в результате часто были меньше и прикреплялись к двигателям меньшей мощности.
К концу 1930-х годов широкое распространение конструкции самолетов с цельнометаллической несущей обшивкой означало, по крайней мере в теории, что аэродинамические недостатки, ограничивавшие летные характеристики толкающих винтов (и вообще любой нетрадиционной компоновки), были снижены; однако любое улучшение, повышающее летные характеристики толкающих винтов, также повышает летные характеристики обычных самолетов, и они оставались редкостью в эксплуатации, поэтому разрыв сократился, но был полностью закрыт.
Во время Второй мировой войны большинством крупных держав проводились эксперименты с толкающими истребителями. Оставались трудности, в частности, пилот, которому приходилось выпрыгивать из толкающего самолета, мог пройти через дугу пропеллера. Это означало, что из всех рассматриваемых типов только относительно обычный шведский SAAB 21 1943 года выпуска пошел в серийное производство. Другие проблемы, связанные с аэродинамикой компоновок «утка», которые использовались на большинстве толкающих самолетов, оказалось сложнее решить. [примечание 2] Одно из первых в мире катапультируемых кресел было (по усилию) разработано для этого самолета, который позже вновь появился с реактивным двигателем .
Самым большим самолетом с толкающим винтом, который когда-либо летал, был Convair B-36 "Peacemaker" 1946 года, который также был самым большим бомбардировщиком, когда-либо эксплуатируемым Соединенными Штатами . Он имел шесть 3800 л. с. (2800 кВт) 28-цилиндровых радиальных двигателей Pratt & Whitney Wasp Major , установленных в крыле, каждый из которых приводил в движение толкающий винт, расположенный за задней кромкой крыла, а также четыре реактивных двигателя.
Хотя подавляющее большинство винтовых самолетов продолжают использовать тяговую конфигурацию, в последние годы наблюдается своего рода возрождение интереса к конструкциям с толкающим винтом: в легких самолетах, построенных своими руками, таких как конструкции Берта Рутана типа «утка » с 1975 года, сверхлегких самолетах, таких как Quad City Challenger (1983), гибких крыльях, парамоторах , управляемых парашютах и автожирах . Конфигурация также часто используется для беспилотных летательных аппаратов из-за требований к передней части фюзеляжа, свободной от каких-либо помех двигателя.
Aero Dynamics Sparrow Hawk — еще один самолет отечественной сборки, построенный в основном в 1990-х годах.
Дирижабли — старейший тип летательных аппаратов с толкающим винтом, история которого восходит к первому дирижаблю француза Анри Жиффара, созданному в 1852 году.
Самолеты-толкатели были построены во многих различных конфигурациях. В подавляющем большинстве самолетов с фиксированным крылом пропеллер или пропеллеры по-прежнему располагаются сразу за задней кромкой «главной несущей поверхности» или под крылом (парамоторы), а двигатель располагается позади места экипажа.
Обычные компоновки самолетов имеют хвост ( оперение ) для стабилизации и управления. Воздушный винт может быть близко к двигателю, как обычный прямой привод:
Двигатель может быть установлен в удаленном месте спереди, приводя в движение винт посредством приводного вала или ремня:
В схемах «утка » меньшее крыло расположено впереди основного крыла самолета. Этот класс в основном использует прямой привод, [примечание 3] либо одномоторный осевой пропеллер, [примечание 4] или два двигателя с симметричной компоновкой, [примечание 5] или линейную компоновку (push-pull), как у Rutan Voyager .
В бесхвостых самолетах, таких как Lippisch Delta 1 и Westland-Hill Pterodactyl типов I и IV, горизонтальные стабилизаторы в задней части самолета отсутствуют. Летающие крылья , такие как Northrop YB-35, представляют собой бесхвостые самолеты без отдельного фюзеляжа. В этих установках двигатели либо устанавливаются в гондолах или фюзеляже на бесхвостых самолетах, либо заглубляются в крыло на летающих крыльях, приводя в движение воздушные винты за задней кромкой крыла, часто с помощью удлинительного вала.
Почти без исключения, самолеты с гибким крылом , парамоторы и парашюты с электроприводом используют конфигурацию с толкающим винтом.
Другие суда с толкающими конфигурациями движутся по плоским поверхностям, земле, воде, снегу или льду. Тяга обеспечивается винтами и вентиляторами в канальном исполнении, расположенными в задней части транспортного средства. К ним относятся:
Приводной вал толкающего двигателя в нормальном режиме работы находится в состоянии сжатия [5] , что создает на нем меньшую нагрузку, чем при растяжении в тракторной конфигурации.
Размещение кабины пилота перед крылом для балансировки веса двигателя(ей) сзади улучшает видимость для экипажа. В военных самолетах переднее вооружение может быть использовано более легко из-за того, что пушке не нужно синхронизироваться с пропеллером, хотя риск того, что стреляные гильзы попадут в пропеллеры сзади, несколько компенсирует это преимущество. [ необходима цитата ]
Самолеты, в которых двигатель находится рядом с пилотом или очень близко к нему (например, парамоторы, парашюты с электроприводом, автожиры и дельтапланы с гибким крылом), располагают двигатель позади пилота, чтобы свести к минимуму опасность для рук и ног пилота. [ необходима цитата ] Эти два фактора означают, что эта конфигурация широко использовалась для ранних боевых самолетов и остается популярной сегодня среди сверхлегких самолетов , беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и радиоуправляемых самолетов . [ необходима цитата ]
Толкатель может иметь более короткий фюзеляж и, следовательно, меньшую площадь соприкосновения фюзеляжа и вес. [6]
В отличие от тяговой компоновки, толкающий винт в конце фюзеляжа является стабилизирующим. [7] Толкающий винт требует меньшей стабилизирующей площади вертикального хвоста [8] и, следовательно, имеет меньший эффект флюгера ; [9] при разбеге он, как правило, менее чувствителен к боковому ветру. [примечание 6] [10] [11]
Когда в слипстриме нет хвоста, в отличие от тягача, вокруг фюзеляжа нет вращающегося потока воздуха, вызывающего боковую силу на плавнике. При взлете пилоту толкающего самолета-утки не нужно применять рулевое управление, чтобы уравновесить этот момент. [12]
Эффективность может быть достигнута путем установки пропеллера позади фюзеляжа, поскольку он повторно активизирует пограничный слой, созданный на корпусе, и уменьшает сопротивление формы , удерживая поток прикрепленным к фюзеляжу. Однако, это обычно незначительное улучшение по сравнению с пагубным влиянием планера на эффективность пропеллера. [8]
Сопротивление профиля крыла может быть уменьшено из-за отсутствия спутной струи от пропеллера на любой секции крыла. [ необходима цитата ]
Двигатель установлен позади отсеков экипажа и пассажиров, поэтому утечки топлива и охлаждающей жидкости будут выходить за самолет, а любой пожар двигателя будет направлен за самолет. Аналогично, отказ пропеллера с меньшей вероятностью напрямую подвергнет экипаж опасности. [ необходима цитата ]
Система вентиляторов с толкающим каналом обеспечивает дополнительную функцию безопасности, связанную с помещением вращающегося вентилятора в канал, что делает ее привлекательным вариантом для различных современных конфигураций БПЛА или для небольших/персональных воздушных судов или для моделей самолетов. [13]
Конструкция толкающего двигателя с хвостовым оперением позади винта конструктивно сложнее, чем аналогичный тип трактора. Увеличенный вес и сопротивление ухудшают производительность по сравнению с аналогичным типом трактора. Современные знания в области аэродинамики и методы строительства могут уменьшить, но никогда не устранить разницу. Удаленный или заглубленный двигатель требует приводного вала и связанных с ним подшипников, опор и контроля крутильных колебаний, а также добавляет вес и сложность. [14] [15]
Для поддержания безопасного положения центра тяжести (ЦТ) существует ограничение на то, насколько далеко сзади может быть установлен двигатель. [16] Переднее расположение экипажа может уравновесить вес двигателя и поможет определить ЦТ. Поскольку положение ЦТ должно поддерживаться в определенных пределах для безопасной эксплуатации, распределение нагрузки должно оцениваться перед каждым полетом. [17] [примечание 7]
Из-за, как правило, высокой линии тяги, необходимой для клиренса винта, отрицательных (вниз) моментов тангажа и в некоторых случаях отсутствия смыва винта над хвостом, для взлета может потребоваться более высокая скорость и более длинный крен по сравнению с тягачами. [18] [19] [20] Решение этой проблемы по Рутану заключается в том, чтобы опустить нос самолета в состоянии покоя таким образом, чтобы пустой центр тяжести оказался впереди основных колес. В автожирах высокая линия тяги приводит к опасности управления, известной как силовой толчок .
Из-за в целом высокой линии тяги для обеспечения клиренса, толкающий самолет с низким крылом может страдать от изменений тангажа, вызванных изменением мощности, также известных как сопряжение шага/мощности. Гидросамолеты с толкающим самолетом с особенно высокими линиями тяги и хвостовыми колесами могут обнаружить, что вертикальный хвост закрыт от воздушного потока, что серьезно снижает управляемость на низких скоростях, например, при рулении. Отсутствие смыва винта над крылом снижает подъемную силу и увеличивает длину разбега при взлете. [21] Двигатели толкающего самолета, установленные на крыле, могут загораживать участки задней кромки крыла , уменьшая общую ширину, доступную для поверхностей управления, таких как закрылки и элероны. Когда пропеллер установлен перед хвостом, изменения мощности двигателя изменяют воздушный поток над хвостом и могут давать сильные изменения тангажа или рыскания.
Из-за вращения тангажа при взлете, диаметр пропеллера, возможно, придется уменьшить (с потерей эффективности [22] ) и/или сделать шасси длиннее [6] и тяжелее. Многие толкающие самолеты [примечание 8] имеют подфюзеляжные плавники или полозья под пропеллером, чтобы предотвратить удар пропеллера о землю, что приводит к дополнительным затратам на сопротивление и вес. [ требуется ссылка ] На бесхвостых толкающих самолетах, таких как Rutan Long-EZ , дуга пропеллера находится очень близко к земле при полете с высоко поднятым носом во время взлета или посадки. Предметы на земле, подбрасываемые колесами, могут проходить через диск пропеллера, вызывая повреждение или ускоренный износ лопастей; в крайних случаях лопасти могут ударяться о землю.
Когда самолет летит в условиях обледенения , на крыльях может скапливаться лед. Если самолет с толкающими двигателями, установленными на крыле, подвергается обледенению, пропеллеры будут поглощать измельченные куски льда, подвергая опасности лопасти пропеллера и части планера, которые могут быть поражены льдом, резко перенаправленным винтами. В ранних боевых самолетах с толкающими двигателями стреляные гильзы боеприпасов вызывали аналогичные проблемы, и приходилось разрабатывать устройства для их сбора.
Пропеллер проходит через след фюзеляжа, след крыла и другие нисходящие потоки поверхности полета, двигаясь асимметрично через диск нерегулярной воздушной скорости. Это снижает эффективность пропеллера и вызывает вибрацию, вызывающую усталость конструкции пропеллера [примечание 9] и шум.
Эффективность винта обычно как минимум на 2–5% меньше, а в некоторых случаях и более чем на 15% меньше, чем у эквивалентной установки трактора. [23] Полномасштабное исследование аэродинамической трубы утки Rutan VariEze показало эффективность винта 0,75 по сравнению с 0,85 для конфигурации трактора, потеря 12%. [24] Толкающие винты шумные, [14] и шум в салоне может быть выше, чем у эквивалента трактора ( Cessna XMC против Cessna 152 ). [25] Шум винта может увеличиваться, поскольку выхлоп двигателя проходит через винты. Этот эффект может быть особенно выражен при использовании турбовинтовых двигателей из-за большого объема выхлопных газов, которые они производят. [8]
Конструкция охлаждения силовой установки в толкающих двигателях сложнее, чем в тяговой конфигурации, где пропеллер нагнетает воздух через двигатель или радиатор. Некоторые авиационные двигатели испытывали проблемы с охлаждением при использовании в качестве толкающих. [25] Чтобы противостоять этому, могут быть установлены вспомогательные вентиляторы, добавляющие дополнительный вес. Двигатель толкающего двигателя выбрасывает газы вперед от пропеллера, и в этом случае выхлоп может способствовать коррозии или другим повреждениям пропеллера. Обычно это минимально и может быть в основном заметно в виде пятен сажи на лопастях.
В случае близости пропеллера и хвоста сломанная лопасть может ударить по хвосту или вызвать разрушительные вибрации, что приведет к потере управления. [26]
Члены экипажа рискуют удариться о пропеллер, пытаясь покинуть самолет с одним двигателем и толкающим винтом. [27] По крайней мере одно раннее катапультируемое кресло было разработано специально для предотвращения этого риска. [ необходима цитата ] Некоторые современные легкие самолеты оснащены парашютной системой , которая спасает весь самолет, тем самым предотвращая необходимость покидать самолет с парашютом. [ необходима цитата ]
Расположение двигателя в конфигурации толкающего винта может подвергнуть опасности пассажиров самолета при крушении или аварийной посадке, когда импульс двигателя проецируется через салон. Например, при размещении двигателя непосредственно за салоном, во время удара носом, импульс двигателя может пронести двигатель через противопожарную перегородку и салон и может травмировать некоторых пассажиров салона. [примечание 10]
Вращающиеся пропеллеры всегда представляют опасность при наземных работах, таких как погрузка или посадка в самолет. Конфигурация тягача оставляет заднюю часть самолета относительно безопасной рабочей зоной, в то время как к толкающему опасно приближаться сзади, в то время как вращающийся пропеллер может засасывать предметы и людей, находящихся рядом с ним, что приводит к фатальным последствиям как для самолета, так и для засасываемых людей. [ чрезмерный вес? – обсудить ] Еще более опасны операции по разгрузке, особенно в воздухе, такие как сброс припасов на парашюте или прыжки с парашютом, которые практически невозможны с самолетом с конфигурацией толкающего винта, особенно если пропеллеры установлены на фюзеляже или спонсонах. [ необходима цитата ]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )