¿Es práctico integrar motores turbofan o ramjet en el ala de un avión?

El primer turboventilador, el Rolls-Royce Conway , tenía una relación de derivación de solo 0,25 para tener un diámetro lo suficientemente pequeño para colocarlo en las raíces de las alas. Inicialmente se planeó para los bombarderos V y se planearon derivados civiles de ellos. Entonces sí, es práctico colocar un motor turboventilador en el ala, pero tiene un costo:

• La ubicación del motor enterrado cambiará las proporciones de derivación óptimas a menores, lo que reduce la eficiencia del combustible.

A continuación, ahora su borde de ataque está ocupado por una entrada y no puede usar ninguno de los posibles dispositivos de borde de ataque para aumentar la sustentación a baja velocidad para el despegue o el aterrizaje. Lo mismo ocurre con el borde de fuga. La consecuencia es:

• La colocación de motores enterrados requerirá un ala más grande porque el uso de dispositivos de gran sustentación no es posible cerca de los motores.

Las alas más grandes pesan más y producen más resistencia en crucero. La última razón podría ser la más importante: en funcionamiento, un motor en cápsula es mucho más fácil de mantener y reparar que uno enterrado. El menor costo de mantenimiento fue el principal impulsor de los motores podded en los miembros posteriores de la primera generación de aviones de pasajeros ( Boeing 707 , DC-8 , Convair 880 ).

• La ubicación del motor enterrado aumenta los costos de mantenimiento.

Hay menos diseños con motores estatorreactores, muchos de los cuales nunca llegaron al aire . Aquí, la ubicación en el plano del ala se eligió principalmente para evitar cambios de momento de cabeceo relacionados con el empuje. Sin embargo, un estatorreactor se usa mejor a alta velocidad, y luego debe mantener bajo el grosor del ala para reducir la resistencia de las olas . Por lo tanto, la ubicación del motor realmente ya no se puede llamar enterrada, sino que está más cerca de la variedad enterrada que de la vaina.

El mejor ejemplo es el dron Lockheed D-21 que se muestra a continuación ( fuente ). Dado que el avión es prácticamente un estatorreactor con alas, el motor domina la apariencia.

Debido al alto empuje necesario para el vuelo supersónico, los aviones supersónicos mantienen sus motores cerca del ala y los diseños con motores en cápsula como el Convair B-58 o el Myasishchyev M-50 fueron la excepción. Los aviones Stealth quieren ocultar el escape caliente y, a menudo, utilizan una ubicación de escape superior que hace que la ubicación de su motor también sea enterrada. Podría argumentar que el motor del Lockheed RQ-3 que se muestra a continuación ( fuente ) está en realidad en el fuselaje, pero al ser un ala voladora, no tiene uno:

El RQ-3 y diseños similares como el Northrop B-2 muestran claramente que la ubicación de un motor turboventilador dentro del ala es realmente muy práctica.

El libro Synthesis of Subsonic Airplane design de E. Torenbeek contiene algunas secciones sobre la ubicación de los motores a reacción. Según el escritor, la instalación de motores enterrados fue favorecida por los diseñadores británicos y los motores en cápsulas por los diseñadores estadounidenses.

La figura 2-12 muestra cuatro formas en planta de bombarderos, uno estadounidense y tres británicos. El área del ala de los diseños británicos es bastante grande para proporcionar espacio para el montaje del motor en comparación con el ala del B-47, mientras que la envergadura es idéntica. Luego, el libro menciona algunas de las ventajas de los motores montados en la raíz del ala:

2.3.2

una. La resistencia adicional resultante de la instalación del motor enterrado es solo un pequeño porcentaje frente al 15% de la resistencia total en el caso de una configuración similar al B-47. Por cierto, la generación actual de turboventiladores muestra un valor de alrededor del 8 al 10%.

b. Como resultado de la baja carga alar y el bajo valor de$C_L$en vuelo de crucero, es posible maniobrar sin problemas de compresibilidad como sacudidas.

C. El problema de cabeceo hacia arriba de las alas en flecha es menos significativo para las alas de baja relación de aspecto.

d. Como resultado de la baja carga alar, el rendimiento a baja velocidad será mejor.

mi. La estructura de caja del ala de relación de aspecto relativamente baja conducirá a una mayor rigidez y la aeroelasticidad será un problema menor.

Muchos de estos argumentos solo son válidos hasta cierto punto y, en particular, el progreso en la tecnología de motores hacia motores de relación de derivación alta, junto con el desarrollo de dispositivos de elevación alta más eficientes en 1950-1970, ha resuelto el caso a favor de motores de alta relación. cargas de ala y motores montados en cápsulas.

Por lo tanto, los motores montados en la raíz del ala tienen menos resistencia, sin embargo, los motores montados en la cápsula del ala proporcionan alivio de la flexión del ala, lo que ahorra peso estructural. Cuando se montan en cápsulas frente al borde de ataque, brindan alivio de torsión para efectos aeroelásticos como el aleteo. Menos resistencia fue la única ventaja directa de no tener módulos de motor, todas las demás ventajas citadas se deben al uso de alas con baja relación de aspecto/carga de envergadura.

De Torenbeek sección 6.5.1

Los motores enterrados dentro del fuselaje solo se pueden usar cuando la carga útil tiene un volumen relativamente pequeño y hay suficiente espacio disponible para el motor y sus conductos de entrada y escape y para la sección central del ala. En términos generales, esto sólo será el caso de aviones privados pequeños y entrenadores, en lo que respecta a la aviación civil. El diámetro relativamente grande de los motores modernos de alta derivación prácticamente prohíbe la instalación de motores enterrados en las raíces de las alas, como en el Hawker Siddeley Comet y el Tupolev 104.

Por lo tanto, los turboventiladores son muy poco prácticos para instalar en la raíz del ala, las cápsulas debajo son realmente prácticas en cuanto a mantenimiento. Quizás estatorreactores, pero ¿cómo llega el avión a la velocidad a la que pueden operar los estatorreactores?

Según Joe Sutter en su libro sobre el diseño y la implementación del 747, colocar los motores en módulos debajo del ala tenía dos ventajas:

Los motores eran mucho más fáciles de mantener.

En el caso de una falla importante del motor, se daña menos el ala.

En los últimos años, el gran tamaño de los turboventiladores más grandes que se utilizan en los aviones comerciales impide que se monten dentro del ala.

Ha habido dos fallas catastróficas de motores en Airbus A380 en los últimos años, en las que una gran parte del motor se desintegró. Ambos aviones se mantuvieron en condiciones de volar y aterrizaron sin más daños, por lo que definitivamente se ha probado parte del diseño.