¿Cuáles serían los inconvenientes de usar un motor rotativo como inversor de empuje en los aviones?

¿Cuáles son los inconvenientes de tener motores montados en un avión de modo que su dirección pueda controlarse hidráulicamente para obtener el mejor rendimiento y eficiencia? La idea sería girar el motor 180 grados al aterrizar para que pueda funcionar como un inversor de empuje, incluso en jumbos como el Airbus A380 y el Boeing 747. Eso sería un gran poder de inversión de empuje.

Sí, en principio. Pero, ¿cómo maneja lo que sucede durante la transición? O rotas horizontalmente y creas fuerzas laterales masivas, o rotas verticalmente y aspiras toda la suciedad de la pista durante la transición.
Sería un poder serio: prácticamente suficiente poder para sostener el vuelo hacia atrás , que es mucho más poder del que se necesita. Eso se llama sobreingeniería . Los inversores de empuje actuales son confiables, pequeños, livianos, receptivos y no hacen más de lo necesario.
O el avión completo, como los patinadores sobre hielo en un espectáculo.
Vaya... problemas de momento angular, ingestión de FOD, complejidad excesiva, falta de espacio, peso extra, tiempo de respuesta lento... sin mencionar que todas las (actualmente) conexiones externas fijas al motor (combustible, electricidad, controles , etc.) ahora tendría que ser reparado y en movimiento: el dolor de cabeza de mantenimiento solo por esto es vergonzoso. Es una idea terrible en casi todos los aspectos.
Además de todos los otros problemas que la gente menciona, me pregunto sobre el riesgo de que el compresor se atasque. ¿Serían capaces los motores de mantener relaciones de presión de trabajo cuando se giraran hacia atrás? Por supuesto, los inversores de empuje regulares también pueden producir paradas del compresor.
Además de todos los detalles técnicos en la respuesta y los comentarios, puede deshacerse de esta idea debido a un solo problema: independientemente de cómo intente girar el motor, cuando está girado a la mitad, está volando efectivamente con un viento cruzado de 140 nudos (y eso es un número mínimo: la velocidad de la aeronave podría ser mayor). Compare eso con el viento cruzado máximo permitido para un despegue de un 737-800 en una pista mojada, que es de solo 27 nudos, e ignorar ese límite es muy probable que realice un "desmontaje muy rápido". operación" en los motores!
Imagen mental: ¿ Realmente quiere tener todo el empuje de todos los motores tirando de las alas del avión , clavándolas en sus raíces , o tirando de las alas hacia el suelo durante el giro del motor hacia adelante y hacia atrás, especialmente al aterrizar ?
su título pregunta sobre aviones comerciales, pero el cuerpo menciona aeronaves. que es exactamente lo que te interesa?
Los frenos de rueda más grandes son más baratos, más seguros y más ligeros :)
@Koyovis Me encantaría ver una práctica de aterrizaje estándar como esa.

Respuestas (8)

No me preocuparía demasiado por la masa del motor. En realidad, ese no es el mayor problema. En cambio, estaría mucho más asustado por el momento angular. Esa turbina tiene un gran momento de inercia y también una mayor velocidad angular. Para darle la vuelta, tienes que invertir la velocidad angular. Es esencialmente voltear un giroscopio, pero este es un giroscopio que pesa varias toneladas.

Exactamente lo que estaba pensando. Retire la llanta delantera de una bicicleta y sostenga el eje en sus manos (es posible que necesite extensores de trucos para hacerlo correctamente). Gíralo boca abajo. Bastante simple. Ahora haga que alguien lo gire y haga lo mismo (como máximo a 100 RPM). Notarás que no es tan fácil. No puedo imaginar el impulso de una turbina a reacción girando a 10.000 RPM
Si trata de voltear un giroscopio en el aire, el giroscopio intentará voltearlo a usted. Así giran las naves espaciales.
Y sin embargo, esto es exactamente lo que hace el V-22.
@Koyovis Sí, rotación de 90 grados en 12 segundos para un motor de una décima parte del tamaño de un RB-211 de 747. Estaría fuera de la pista antes de que dieran la vuelta para el empuje inverso y en el pasto de las vacas si alguna vez necesitara dar la vuelta.
Solucionable con buen diseño : 1) propulsor lateral, similar a un inversor de empuje, para contrarrestarlo. 2) Pares de motores giran en sentido contrario, estilo A400M, anulándose entre sí, sí, soy consciente de que solo las hélices giran en sentido contrario, no el núcleo del motor, pero mantén esa idea: 3) partes de cada motor giran en sentido contrario entre sí , cancelándolo dentro del motor; Por ejemplo, bobinas de giro opuesto o ventilador o puntal engranado para girar en sentido opuesto a las bobinas (la mitad de los motores A400).
Bueno, en contrarrotación o no, la cantidad de torque requerida para hacer girar una turbina en funcionamiento es excesiva, y la fuerza que tiene que suministrar desde cualquier punto fijo (incluso si está equilibrado por otra rotación) significa que la estructura se construye alrededor de este punto fijo. tiene que ser extremadamente resistente. Los cojinetes y el eje probablemente harán que el "rotador" sea más grande que la casa de la turbina...
@Harper Una carga de ingeniería atornillada a un mal diseño no lo convierte en un buen diseño.

El primer inconveniente será la velocidad de respuesta. El motor es grande y pesado, por lo que no podrás girarlo todo en una décima de segundo. Siendo realistas, tomará unos segundos darle la vuelta. Un inversor de empuje tradicional mueve solo una masa muy pequeña (pequeños flaps, etc.), por lo que puede reaccionar mucho más rápido.

El segundo inconveniente será el peso. Cualquier tipo de sistema de rotación va a ser muy pesado. Estarás volando miles de libras que solo se usan durante unos segundos durante todo el vuelo.

El tercero será la confiabilidad/seguridad. ¿Qué pasaría si tu motor gira cuando no quieres? Por ejemplo, ¿qué sucede si falla el sistema de rotación y hace girar un motor durante el despegue? Eso obviamente sería malo. Debe diseñar el sistema de manera que la probabilidad de una reversión accidental sea esencialmente cero. Eso es posible, pero generará muchos costos en el sistema.

Solo habrá inconvenientes y algunos pequeños problemas prácticos, como cómo entra el aire en el motor cuando la entrada está hacia atrás y acabamos de aterrizar a 150 nudos.

Los inversores de empuje actuales alcanzan alrededor del 50-60% del empuje inverso, y el sistema pesa entre el 15 y el 20% del peso seco del motor. Son muy beneficiosos en pistas mojadas y heladas, pero tienen que llevarse por todo el mundo las pocas veces que marcan la diferencia.

De hecho, ha habido un informe de la NASA titulado ¿Por qué las aerolíneas quieren y usan inversores de empuje? indicando todos los inconvenientes anteriores, mencionando que el ahorro en frenos es menor que el costo de los inversores de empuje y explorando qué alternativas les gustaría a las aerolíneas. El interés principal fue el uso de ventiladores de paso variable, de modo que el ventilador pueda generar el empuje inverso como lo hacen las hélices. También pesa menos que un inversor de empuje clásico.

Actualizar

Un artículo de 1972 de Flight Magazine sobre el desarrollo de ventiladores canalizados de paso variable. Realmente funcionó: podía producir un empuje inverso al ajustar el paso de las aspas del ventilador. Un diseño de trabajo probado, ¡siempre una mejor opción!

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Parece que un ventilador de paso variable tendría muchos problemas diferentes, principalmente relacionados con el efecto sobre el flujo de aire a los componentes aguas abajo, como el compresor de baja presión. El flujo de aire a través del núcleo debe permanecer sin obstáculos para que el núcleo siga funcionando. Suena como una oleada de compresor esperando a suceder. Además, ¿las cuchillas no golpearían las cuchillas adyacentes mientras giraban a un paso negativo? O bien, habría que reducir el ancho de las palas para evitarlo.
Sí, de hecho. Un viejo libro de texto mío menciona una solución diseñada por Dowty-Rotol, pero que evidentemente no llegó a la corriente principal.
@reirab Y, sin embargo, el Progress D-27 no tiene problemas para funcionar. Además, el motor propiamente dicho es nada más y nada menos que una unidad de pico moderna o un motor destructor (del tipo aeroderivado, no del tipo de base de hierro fundido enorme) no necesita ser axial al ventilador, o su entrada podría ser canalizada desde en otro lugar (727/L1011).

Los aviones perderían la capacidad de abortar repentinamente el aterrizaje.

Si sucede algo inesperado justo antes o incluso justo después del aterrizaje, los pilotos tienen la opción de darse por vencidos, establecer el empuje al máximo y "despegar de nuevo". Luego intente aterrizar nuevamente, tal vez en otro lugar dependiendo del problema. Es una característica de seguridad importante.

Si los inversores de empuje son mucho más lentos para apagarse, lo que requiere que los motores vuelvan a su posición, esa capacidad se reduce considerablemente. Entonces, menos seguro, a menos que pueda hacerlo tan rápido como los inversores de empuje actuales.

Tal vez alguien que vuele un avión comercial pueda corregirme, pero tenía la impresión de que desplegar los inversores de empuje constituía comprometerse con el aterrizaje de todos modos en la mayoría (¿o en todos?) Los aviones comerciales. Véase, por ejemplo , ¿Por qué se requiere que se comprometa con un aterrizaje completo si se selecciona empuje inverso?

Algunas aeronaves (naves de despegue y aterrizaje verticales) pueden hacer algo relativamente similar con una dirección de empuje variable. En la lista de aeronaves VTOL , debe tenerse en cuenta que la rotación generalmente ocurre debido a los conductos (es decir, el Harrier Jump Jet ) o la rotación de las superficies de las alas (es decir, un Bell V-22 Osprey )

Mirando el ala de un A380, ninguno de estos es realmente factible (el 747 es muy similar)

La forma más segura de girar el motor sería lanzarlo hacia atrás para que aún proporcione sustentación antes de la inversión (guiñar crearía todo tipo de caos en el fuselaje y el control). Entonces tendrías que girar el motor en el pilón. Eso significa un pilón más grande y alguna forma de mover el motor para que la carcasa pueda completar el paso inverso. Pero no hay suficiente espacio para hacer eso. Primero tendrías que extender de alguna manera el motor frente al ala y luego girarlo alrededor de su eje. Eso es mucho trabajo por una pequeña cantidad de beneficio.

¿Puede explicar cómo la guiñada podría causar problemas? ¿Es que el ala no está diseñada para soportar cargas de compresión a lo largo de su longitud, o es algo más? Asumiría que la guiñada se haría en direcciones opuestas en alas opuestas, por lo que al menos no tendría un empuje neto fuera del eje.
@MichaelSeifert No soy un experto en estructuras de aviones, pero incluso si giraste todos los motores para contrarrestar, estás agregando algo de tensión de compresión a la estructura al hacer una guiñada en lugar de un cabeceo. Si uno está al menos mordido, ahora corre el riesgo de perder el control en los momentos críticos antes de aterrizar.
Embarcación de 4 motores, gire los motores para que los ventiladores apunten en dirección opuesta al fuselaje; terminará con el escape caliente apuntando al fuselaje y el motor exterior tratando de derretir el interior. Gire para que los ventiladores apunten hacia el fuselaje, ahora está limitado a solo el motor interior tratando de derretir el exterior. (Ah, y tienes un motor que se escapa directamente a la entrada del otro, independientemente de la forma en que gire).
En su mayoría (después de 90 grados de rotación) terminará con 4 aerofrenos de una superficie tan grande, tendrá que bucear muy empinado para evitar la pérdida, y tal vez bucear invertido (imagine el momento de cabeceo hacia abajo)
@qqjkztd Los inversores de empuje normalmente no se implementan en el aire, de todos modos. Por lo general, se despliegan después del aterrizaje.

Los inversores de empuje actuales permiten que las aeronaves aterricen en la misma o menor distancia a la que también pueden despegar, sin necesidad de grandes trenes de aterrizaje y frenos. Acortar la distancia de aterrizaje no ayudará con aeródromos más cortos, a menos que también se acorte la distancia de despegue. De lo contrario, el avión estará en ese aeropuerto más pequeño hasta que se desmonte y se lleve en camión.

Aquí hay un video de un C17 que se dirigía a MacDill AFB, pero aterrizó accidentalmente en un pequeño aeropuerto regional no controlado. Un pequeño problema, ya que la pista de aterrizaje tenía 3400 pies de largo y el C17 tiene una carrera de despegue de 3500 pies. Descarga de carga, un mínimo de combustible y un piloto muy valiente lo despega.

Entonces, un inversor de empuje más potente agregaría costo, peso, complejidad y más puntos de falla, sin lograr ningún beneficio real. Se podría acortar la distancia de despegue con un diseño STOL, pero eso también acortaría la distancia de aterrizaje en virtud de una velocidad aerodinámica mínima más baja.

Finalmente, considere el único avión hoy en día que tiene motores rotativos: el V22 Osprey. Tuvo un ciclo de desarrollo muy difícil que se extendió durante 20 años. Cuando Bell diseñó una versión más pequeña para el ejército de EE. UU., el V280 Valor, optaron por no rotar los motores, sino solo las cabezas de los rotores, con una inteligente disposición de engranajes cónicos impulsada por turbinas montadas en el fuselaje.

Hay una clase de avión que hace casi exactamente esto, los modernos aviones Zepplin NT. Tienen motores en los aparejadores que pueden girar para proporcionar empuje hacia adelante, hacia atrás, hacia arriba o hacia abajo (además de un puntal de empuje fijo).

Además, tienen un puntal en la parte trasera montado en un collar giratorio que se puede apuntar en ángulo recto con el casco en cualquier dirección para proporcionar un medio para empujar la popa (y también controlar el cabeceo).

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No por todas las cuentas las cosas más fáciles de pilotar.

Sin embargo, el título pregunta acerca de los aviones comerciales... Girar los ventiladores en un dirigible muy lento es bastante diferente de rotar un monstruoso turboventilador de derivación alta en un avión comercial a velocidades de aterrizaje de un avión comercial.
No estoy del todo seguro, así que preguntaré: ¿Las hélices continúan girando mientras los motores cambian de dirección o los detienen? Después de todo, no son necesarios para mantener la nave en el aire, toda la sustentación la proporciona el helio.
Los que he visto volar no detienen las hélices, pero sospecho que el motor está realmente fijo y se usa un engranaje cónico para impulsar la hélice.
@reirab, ¿los zepelines de la era Hindenburg no contaban como "aviones de pasajeros"? ;)

La potencia de inversión de empuje "seria" podría resultar en un cabeceo a velocidades lentas. El empuje inverso está limitado para limitar la cantidad de movimiento de cabeceo positivo que podría poner un avión en su cola (especialmente cuando está parado y aplicando los frenos).

¿Cuáles serían los inconvenientes de usar un motor rotativo como inversor de empuje en los aviones?
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