¿Cómo elige la ubicación del motor para los motores debajo de las alas?

Después de haber leído la colección de imágenes de aeroalias, siento la necesidad de intervenir.

posición longitudinal

La principal razón para colocarlos por delante del ala es la supresión del aleteo. Flutter es una oscilación causada por la interacción de fuerzas elásticas y aerodinámicas. En el caso del ala, es un movimiento de flexión hacia arriba y hacia abajo. Dado que el aire tarda su tiempo en fluir sobre el ala, a cierta velocidad, el cambio de presión del aire en el ala está tan desfasado con el movimiento que amplifica el movimiento elástico del ala. Al colocar el centro de gravedad de la parte del avión por delante de su eje elástico , se puede suprimir el aleteo. Esto es cierto para los flaps (donde se agrega un balance de masa por delante de la línea de la bisagra) como para las alas completas (donde los motores toman parte del balance de masa).

Imagine el ala doblándose hacia arriba y ahora agregue las fuerzas de inercia de un motor conectado a este ala y también moviéndose hacia arriba. Si se coloca por delante del eje elástico, inducirá un momento de torsión en el ala, de modo que se reducirá el ángulo de ataque local, lo que a su vez reducirá la sustentación y las fuerzas que hacen que el ala se doble hacia arriba. Lo mismo sucede en dirección opuesta cuando el ala se dobla hacia abajo. Dado que el mayor grosor del ala está en su sección delantera (que desplaza el eje elástico hacia adelante) y el pesado mecanismo de flaps está en su sección trasera (que desplaza el centro de gravedad local hacia atrás), un ala sin un motor montado delante de ella necesita una estructura mucho más pesada o pesos de equilibrio menos pesados, pero por lo demás improductivos.

Colocar el motor por delante del ala trae algunos beneficios más:

• El flujo de aire en la entrada está menos influenciado por el campo de presión del ala, por lo que la variación en la dirección del flujo local es menor, lo que resulta en una entrada de mejor rendimiento.
• Es menos probable que una falla no contenida de la turbina dañe el ala.
• El motor se puede montar más alto en relación con el ala , de modo que el tren de aterrizaje se puede acortar .

En esta respuesta se explica por qué los motores no se colocan en la parte superior del ala .

posición lateral

En jets de dos y tres motores, los coloca en la estación del ala donde termina el ala interior. Las razones principales son:

• De todos modos, hay una costilla principal para sostener la piel del ala, por lo que la estructura para unir un motor es más fácil de agregar.
• Hay un espacio entre los flaps internos y externos (al menos en los diseños de Boeing), por lo que la explosión del motor no golpeará los flaps .
• Todavía están relativamente cerca del centro del avión para no requerir una cola vertical demasiado grande para cancelar el momento de guiñada en vuelo monomotor.

Vista inferior del Boeing 737 (imagen de Adrian Pingstone ). La sección del ala interior tiene un borde de fuga sin barrido, mientras que el ala exterior tiene menos conicidad y un borde de fuga en barrido. Los motores están exactamente donde ambos se encuentran.

Los aviones como el DC-8 tenían sus motores internos en la nervadura del ala que sostenía las pistas de los flaps internos del flap Fowler externo, porque no tenían espacio entre los flaps internos y externos. Sin embargo, en el DC-10, Douglas colocó los motores de ala en la separación entre el ala interior y exterior.

En los jets de cuatro motores, los motores internos se colocan como los de los jets de dos motores, mientras que los motores externos se colocan al final (o ligeramente afuera) de las aletas Fowler externas, aproximadamente a medio camino entre el motor interno y la punta del ala. Tenga en cuenta que nuevamente se necesita una nervadura donde comienza el corte del alerón: esta nervadura se dobla como el soporte del motor. Allí, los motores pueden contribuir mucho al alivio de la flexión, y dado que un solo motor contribuye solo con el 25% del empuje total, el momento de guiñada del motor exterior en el caso del motor fuera es aproximadamente igual al de un solo motor de dos. -jet con motor.

Vista inferior del Airbus A340 (imagen de Adrian Pingstone ).

En esta respuesta se explica por qué es mejor separar los motores y distribuirlos por el ala en lugar de juntarlos en una sola góndola .

En algunos casos, la ubicación del motor está dictada por otros requisitos. En el Antonov An-70, los motores internos deben estar lo suficientemente alejados para permitir que los paracaidistas caigan desde la puerta principal, por ejemplo.

Cualquier decisión de diseño es un problema de optimización en el que intervienen una serie de factores diversos. Hay múltiples parámetros a considerar al determinar la ubicación de los motores en las alas.

Ubicación longitudinal

• Espacio libre: en el caso de turboventiladores de derivación alta, cuanto más lejos está el motor en el ala, mayor es el espacio libre en el suelo (y requiere menos longitud del tren de aterrizaje). En algunos casos en los que se adaptaron motores de derivación alta en aeronaves, las formas de entrada del motor tenían que ser no circulares para obtener el espacio libre requerido.

Motor CFM56 en Boeing 737, Imagen de asec.ir

• Interferencia: el montaje del motor (pilón y góndola) interfiere con el flujo de aire sobre el ala, lo que afecta la ubicación longitudinal.

• Seguridad- Cualquier falla no contenida de los discos del motor no debe dañar la estructura primaria del ala, lo que influye en la ubicación longitudinal del motor. Además, cualquier falla del motor (parte) no debería afectar los dispositivos del borde de ataque del ala. Por esta razón, los motores están bien montados delante de las alas.

Montaje de motor típico, de adg.stanford.edu

• La ubicación longitudinal también se ve afectada por el requisito de operar inversores de empuje, que básicamente despliega una sección de la góndola hacia atrás y hacia afuera.

Operación del inversor de empuje del Boeing 787. Imagen de www.pbase.com

• La ubicación del centro de gravedad del motor delante del ala produce un momento de torsión, que tiene el efecto de aumentar la rigidez del ala.

Ubicación Lateral:

• Estabilidad: cuanto más cerca están los motores del fuselaje, menor es el momento de guiñada en caso de falla del motor.

• Superficies de control: por lo general, las superficies de control, es decir, las aletas, no están presentes detrás del motor, ya que el flujo de alta temperatura requiere materiales especiales. Esto conduce a una reducción de Cl_max. La siguiente figura muestra claramente la ausencia de superficies de gran sustentación detrás del motor.

" Undercarro.b747.arp " por Arpingstone - Fotografiado por Adrian Pingstone en agosto de 2002 y lanzado al dominio público. Con licencia bajo dominio público a través de Commons .

• Arrastre: en este caso, los motores enterrados en la raíz del ala son la mejor ubicación. Sin embargo, rara vez se usa debido a varias razones: mantenimiento difícil del motor, rediseño del ala requerido si se va a usar un motor nuevo, eliminación de la aleta interna, etc. La ubicación del motor también afecta la resistencia aerodinámica (con el fuselaje).

Efecto de un motor grande sobre el arrastre de interferencia, imagen de adg.stanford.edu

• Cargas del ala: la ubicación del motor en el ala ayuda a aliviar el momento de flexión del ala en vuelo (en cuanto a la reducción del momento de flexión en el suelo, compare las cargas de vuelo y del suelo).

La ubicación del motor se determina después de considerar todos estos (y muchos otros) factores.