¿Por qué las hélices de empuje son tan raras y aún existen?

Hay muchas desventajas, parecen superar las ventajas.

Aquí hay dos:

• Una hélice de empuje está trabajando en un flujo de aire perturbado, lo que provoca un aumento de la vibración y el ruido.
  Si la hélice está instalada detrás de un ala, cada pala de la hélice pasa a través del flujo límite separado dos veces en cada rotación. Estos ciclos crean ruido adicional y reducen la eficiencia de la hélice. La vibración hace que las palas de la hélice sean más susceptibles a la fatiga del metal.

• Holgura de la hélice en el despegue
  Debido al cabeceo en el despegue, la hélice se acerca al suelo. Por lo tanto, el diámetro debe reducirse (pérdida de eficiencia) o los puntales del tren de aterrizaje deben alargarse (peso adicional). Dado que la hélice está detrás del tren de aterrizaje, es susceptible a los escombros que levanta el tren, lo que aumenta la necesidad de protección adicional para las palas (aumento del peso, pérdida de eficiencia)

Wikipedia tiene una lista de desventajas adicionales.

Editar:

Su declaración de que

Los motores a reacción son, por su propia naturaleza, motores de empuje.

no es del todo cierto.

En los motores turboventiladores, la mayor parte del empuje es generado por las etapas del ventilador y del compresor. Incluso en un motor a reacción puro, el compresor genera mucho empuje. Por lo tanto, el eje de un motor a reacción está cargado de tensión, al igual que un eje de hélice en configuración de extractor.

Fuente: Rolls Royce - El motor a reacción

El diseño del empujador es más eficiente, porque la succión hacia adelante de la hélice reduce la separación del flujo y el flujo acelerado detrás no fluye alrededor del fuselaje (o el ala), donde crearía una fricción adicional. En el caso del Do-335 (ver imagen a continuación), la velocidad máxima con un solo motor fue 30 km/h más alta con el motor trasero en marcha que con el motor delantero (ambos eran DB-603 con la misma potencia nominal).

Por otro lado, el puntal extractor ayudará a maniobrar el avión en el suelo (este es un gran beneficio para los aviones con arrastre de cola; tenga en cuenta cuántos aviones bimotores con arrastre de cola tienen una cola en H (dos timones como placas de extremo del estabilizador). Fueron colocados en la estela de la hélice y esto dio mucho mejor control direccional a baja velocidad en tierra.Además, el lavado de la hélice ayuda a aumentar la sustentación de los flaps.

Ya se ha mencionado la principal desventaja de un avión monomotor, la reducción del espacio libre en la cola. Si realmente no puede rotar, los despegues y aterrizajes son asuntos de alta velocidad. Más desventajas son el riesgo de que el piloto golpee la hélice en un rescate de emergencia y una mayor estabilidad de la aeronave. Una hélice de empuje influye en la estabilidad tanto como una cola adicional, pero sin superficies de control. Especialmente para un avión de combate, esto es lo contrario de lo que quieres. POR ESO casi todos los aviones monomotores de alta potencia tienen su hélice en la parte delantera: ¡Maniobrabilidad!

El efecto estabilizador aumenta en proporción al área de superficie de la hélice y al empuje, por supuesto. Dado que un avión normal necesita tener una estabilidad básica con el motor funcionando al ralentí, cualquier cambio de estabilidad adicional debido a la ubicación de la hélice es importante. A plena potencia y con el largo brazo de palanca de un solo empujador en un fuselaje central (piense en LearAvia Learfan ), el avión se vuelve rígido como un ladrillo. Un diseño de dos brazos (piense en el Saab J 21 , que se muestra a continuación) es mejor, pero crea fricción adicional y arrastre de interferencia, por lo que se reduce la ventaja del diseño de empujador. Tenga en cuenta, sin embargo, que los estudios de una variante de motor de tractor (Saab J 23) mostraron un rendimiento inferior al diseño de empujador.

Si desea datos concretos sobre eso: hay un informe antiguo de NACA (NACA TN 2585) sobre esto de John L. Crigler y Jean Gilman, llamado Propellers in Pitch and Yaw.

Habiendo estado leyendo sobre aviones de los años 30 y 40, puedo pensar en algunos problemas importantes que persiguieron el diseño en ese entonces.

Los empujadores tenían la ventaja de empujar las alas y las superficies de control a través del aire sin interrupciones y eso dio suficientes ventajas como para que se presentaran muchos diseños de empujadores. Un empujador tendría una velocidad de crucero superior y una mejor carga alar porque volaba a través del aire sin perturbaciones.

El más exitoso fue probablemente el mezclador XB-42 que se habría desplegado si la guerra hubiera continuado. (Tal como estaba, finalmente se desplegó como el primer bombardero a reacción de Estados Unidos).

El B-36 usó empujadores precisamente para dar a sus alas un flujo de aire claro. En realidad fue diseñado en 1942.

Pero tenían grandes compensaciones.

Un problema importante con los diseños de empujadores de esa época era enfriar el motor en el suelo.

Con un tractor (extractor), tiene este ventilador gigante que sopla aire sobre el avión y el motor (radial enfriado por aire) y/o el radiador (enfriado por agua). Con un empujador, la hélice simplemente sopla aire detrás del avión, dejando un poderoso motor con nada más que refrigeración pasiva.

Durante un choque, el motor de un tractor en la parte delantera sirvió como una zona de deformación para el resto del avión, particularmente la cabina y podría atravesar obstáculos haciendo que el avión se detuviera más lentamente. Por el contrario, con un empujador, el motor estaba detrás del piloto y no solo no ofrecía ninguna protección, sino que tendía a soltarse y atravesar el resto del fuselaje como un martinete.

El piloto no podía ver y, por lo tanto, inspeccionó visualmente el motor, por ejemplo, si comienza a perder aceite en un tractor, lo sabrá de inmediato. Si el motor está detrás de usted, es posible que no lo note hasta que vea el indicador.

El centro de empuje era más difícil de equilibrar y eso también dificultaba el centro de gravedad.

Aún así, con todas estas desventajas, XB-42 y B-36 demostraron que las ventajas podrían superarse con suficiente buena ingeniería. Y al final, los chorros funcionan al menos a medias empujando. Si los jets se hubieran retrasado unos años o la guerra hubiera comenzado a mediados de los años 30, probablemente hubiéramos visto más diseños de propulsores en servicio.

Con los jets, la necesidad militar de propulsores desapareció y, en los aviones civiles, rara vez hay mucha necesidad de un aumento en el rendimiento que justifique luchar contra todas las compensaciones.

¿Por qué las hélices de empuje son tan raras?

Otras respuestas han cubierto esto.

sin embargo, todavía están alrededor?

Una hélice montada en la parte delantera limita el campo de visión del piloto o la carga útil.

Considere un dron de vigilancia o UAV. No hay piloto cuya vista se oscurezca, pero es casi seguro que hay una gran ventaja para el radar, la óptica y otros sistemas de visión delantera.

Las misiones de vigilancia pueden beneficiarse de una plataforma de baja altitud y movimiento relativamente lento. Esto favorece el uso de propulsores en lugar de chorros y la disposición del empujador puede ser beneficiosa como se indicó anteriormente.

Segador MQ-9

Elbit Hermes

Sagem Sperwer

Solo algo de información adicional y pensamientos sobre este viejo hilo. Todavía hay algunos aviones de empuje exitosos, incluso algunos que se están construyendo hoy. El Piaggio Avanti es bastante exitoso y muy rápido, el crucero alto es de unos 400 nudos, y ahora se está desarrollando el CBA-123 mencionado anteriormente. Como todo diseño de ingeniería, los aviones de empuje son un compromiso. Por lo general, pierde algo de eficiencia de la hélice debido al flujo de aire perturbado, pero gana algo de eficiencia aerodinámica debido al flujo de aire más lento sobre las alas y el fuselaje. El espacio libre de los puntales puede ser un problema, al igual que el FOD de los puntales debido a los escombros recogidos por las ruedas que se arrojan a los puntales.

El ruido es una bolsa mixta. El ruido interno suele ser menor, porque las hélices no soplan sobre el parabrisas o el fuselaje, pero el ruido externo puede ser un problema debido al flujo perturbado hacia las hélices. Se supone que el Piaggio Avanti es una de las cabinas de vuelo más silenciosas, pero es bastante ruidoso cuando pasa volando.

Tuve un skymaster presurizado durante varios años y me gustó mucho, pero era muy ruidoso tanto por dentro como por fuera. Pero el Skymaster estaba muy silencioso por dentro con solo el motor trasero en marcha, por lo que el problema no era la hélice de empuje. El rendimiento fue ligeramente mejor solo en el motor trasero. Los "cuentos de esposas" sobre despegar en un motor son solo eso. Como todos los gemelos de pistón, el rendimiento de un motor era marginal, y no hay forma de que un piloto competente no se dé cuenta de una falla en el motor. Volé el avión con un motor varias veces, tanto durante fallas simuladas del motor en el despegue como durante una falla real del motor en vuelo, y aunque el manejo fue dócil, el rendimiento no fue impresionante (aunque un P-337 tiene algo mejor ascenso con un solo motor velocidad que la mayoría de los gemelos de pistón).

Realicé muchas operaciones de campo difíciles en mi Skymaster y tuve la suerte de no haber dañado nunca la hélice trasera, pero no hay duda de que podría ser un problema. No he oído hablar de problemas de daños en los accesorios en Piaggio Avantis, pero no es probable que se usen en pistas sin pavimentar. Entonces, como todos los aviones, el diseñador debe considerar una serie de cuestiones, incluido el uso previsto de la aeronave, antes de decidir si usar una configuración de tractor o empujador. Sospecho que gran parte de la razón de la falta de empujadores es la actitud inherentemente conservadora de los diseñadores de aeronaves, no los problemas inherentes al diseño de los empujadores.

Al menos para los aviones de un solo motor, tener una hélice de empuje hace que la salida en vuelo (también conocida como rescate o expulsión) sea mucho más peligrosa. Creo que durante la Primera Guerra Mundial (cuando los accesorios de empuje eran mucho más comunes) más de unos pocos pilotos resultaron gravemente heridos o asesinados por sus accesorios cuando tuvieron que saltar de un avión en llamas.

Por esta razón, los alemanes instalaron (o planearon) un asiento eyectable en su diseño push/pull Do.335, y Fokker planeó hacer lo mismo en su D.XXIII.

El B-36 era lo suficientemente grande como para que los puntales de empuje estuvieran lejos del fuselaje, eliminando ese problema.

Una ventaja que se me ocurre de tener las hélices en la parte delantera que se deriva del mayor flujo de aire es que obtienes un enfriamiento adicional gratuito de los motores.

Al tener el motor en un diseño de un solo motor en la parte trasera con un empujador, terminas con una entrada de aire y un diseño de cola más complejos que simplemente dejar que el motor absorba el aire que ya muerde. Necesita conductos y esas cosas, agregando peso y complejidad.

¿Funciona una hélice de empuje en un flujo de aire perturbado, lo que produce más vibración y ruido? Sí.

¿Un motor de empuje tiene más problemas de enfriamiento? Sí, si es un motor de pistón (los turbohélices se enfrían por su propio flujo de aire interno).

Sin embargo, hay una cosa a favor de la configuración de empuje que necesita una mejor evaluación: una hélice de empuje recoge el flujo de aire que ya está desacelerado por el ala y el fuselaje para generar empuje, mientras que una hélice de tracción recoge aire no perturbado para soplarlo sobre el fuselaje. y alas, que a su vez desaceleran el flujo de aire. Esta diferencia probablemente signifique que un motor de empuje puede ser de alguna manera más eficiente a velocidades más altas. Aquí en los años 80 se desarrolló aquí en mi país un bimotor, que se muestra en la siguiente foto, llamado CBA-123 (se construyeron dos prototipos) y la experiencia con ese avión apunta en esa dirección.

Los puntales de empuje ofrecen una ventaja real para los pequeños anfibios como el Lake Buccaneer y el Republic See Bee, donde los pilotos deben poder saltar y atrapar boyas, líneas o muelles de amarre sin temor a golpear una pala giratoria.

Una categoría de aeronave que casi universalmente utiliza puntales de empuje es el autogiro. Por lo general, el motor está montado en el centro de la nave, con la cabina inmediatamente hacia adelante, el rotor arriba y la cola montada de alguna manera detrás de la hélice, lo que requiere un puntal de aspecto a menudo larguirucho que pasa por el disco de la hélice.

Lo mismo ocurre con algunos otros tipos de aviones ultraligeros, con un motor pequeño que a menudo se sujeta directamente a la espalda del piloto, o posiblemente al respaldo de su asiento. En la mayoría de los casos, ese es el único lugar donde se puede montar sin comenzar a construir un fuselaje real.

En ambos casos, hay algún tipo de protección que golpearía el suelo antes que la propia hélice si se lograra un paso suficiente, y el paso requerido para esto es mucho mayor que el que necesitan la mayoría de las aeronaves en el despegue. Por lo tanto, es poco probable que se produzca un golpe de hélice.

La principal ventaja de una configuración puller-prop, desde un punto de vista aerodinámico, es que agrega flujo de aire hacia adelante sobre las alas y la cola en las fases más cruciales del vuelo, cuando el avión en su conjunto va bastante lento. Antes de la era de los aviones a reacción, las pistas largas de asfalto eran poco comunes, por lo que era ventajoso poder despegar desde un campo corto y/o accidentado. Para los luchadores, los pocos segundos extra de control mientras maniobran en vertical fácilmente podrían significar la diferencia entre la victoria y la muerte.

Esto fue de particular importancia para los aviones basados ​​​​en portaaviones, que durante la Segunda Guerra Mundial no solían tener el beneficio de una catapulta para acelerarlos fuera de la cubierta. El portaaviones podría generar un viento en contra significativo para ayudar, navegando en contra del viento lo más rápido que pudiera, pero un caza o bombardero ligero muy cargado aún necesitaba tanto margen de seguridad como fuera posible. Los B-25 utilizados en el Doolittle Raid fueron un caso verdaderamente excepcional; las tripulaciones necesitaban un entrenamiento especial para poder despegar de algo tan pequeño como un portaaviones, y uno de ellos solo lo logró flotando en el "efecto suelo" justo encima de las olas después de abandonar la cubierta. Si hubieran sido traficantes, probablemente no lo habrían logrado.

También es relevante para los transportistas la terrible experiencia de aterrizar en una cubierta. La configuración universal para cualquier avión de transporte que no sea VTOL es un gancho, acoplado a un amortiguador de servicio pesado en la cola, que se conecta con una serie de cables pesados ​​colocados a lo largo de la cabina de vuelo. Para que eso funcione, el avión básicamente necesita volar hacia la nave con la nariz hacia arriba, sin la bengala que normalmente emplearía al aterrizar en un aeródromo adecuado. Una hélice montada en la parte trasera golpearía rutinariamente la cubierta en ese caso, convirtiéndose en un peligro importante tanto para la aeronave como para la tripulación de la cabina de vuelo.

Por estas y varias otras razones, la hélice montada en la parte delantera se volvió convencional en los diseños militares y, por extensión, también en los diseños civiles. Un empujador automáticamente parece poco convencional en ese contexto, y está asociado con aviones ultraligeros y de otro modo inusuales, como los autogiros.

El cambio en el CG asociado con mover el motor hacia atrás también fomenta cambios importantes en la forma en planta incluso con aviones de tamaño completo, hasta e incluyendo la configuración canard, lo que hace que dicho avión parezca aún más extravagante. Un avión canard también tiene diferentes características de manejo en el borde de su envolvente de vuelo, lo que puede desanimar aún más a los posibles pilotos. Más recientemente, ha aparecido el diseño de tres superficies (con canard y cola convencional), que presenta al menos ventajas teóricas de los diseños de canard y convencionales.

Pocos diseñadores de aeronaves están dispuestos a arriesgarse en un entorno así; que Beechcraft Starship se considere un fracaso (Beechcraft en realidad destruyó muchos fuselajes de Starship en un intento de evitar los costos de mantenerlos) tendería a alentar una mayor precaución. Burt Rutan (de Scaled Composites) es una notable excepción a la regla; Ha diseñado varios aviones canard y de tres superficies con motores de empuje.

El Piaggio Avanti, sin embargo, es un raro ejemplo de un avión que lleva las ventajas inherentes del empujador a su conclusión lógica. Con un diseño de tres superficies y una atención muy cuidadosa a los detalles aerodinámicos, es un avión turbohélice con un rendimiento muy cercano al de un jet corporativo, pero con costos operativos significativamente más bajos y la capacidad de operar desde pistas más cortas que un jet. Estar respaldado por Ferrari, incluido el transporte del equipo de carreras Scuderia en un Avanti, no puede haber dañado su popularidad. Quizás lo más notable es que el único accidente significativo que pude encontrar que involucró a un Avanti fue la pérdida de un dron no tripulado según el tipo, nada malo para un tipo de avión que ha estado volando cientos de ejemplos durante casi 30 años.

Por lo tanto, la configuración del empujador tiene sus propias ventajas, que la mayoría de los diseñadores de aeronaves realmente no saben cómo aprovechar al máximo porque los jets y los accesorios montados en la parte delantera han sido el estándar durante mucho tiempo. Pero este último se volvió dominante debido a las ventajas decisivas que tenía en la era anterior al jet.

Lo mismo que en el Do-335 pasaba con un Cessna bimotor, el Skymaster, en funcionamiento monomotor, era mejor con el motor trasero. Este avión Dornier-335 se parece más a un corredor que al cazabombardero para el que fue diseñado.

Una ventaja del tractor que aún no se menciona es que pone el peso del motor en la parte delantera. Todos sabemos que los modelos de parapentes necesitan peso en la nariz y lo mismo se aplica a los reales. el uso del motor permite una construcción más compacta, ligera y sencilla.

También se ha mencionado la cuestión de la seguridad en caso de colisión. Curiosamente, los libros originales de Biggles eran técnicamente un registro histórico único de un ex piloto de la Primera Guerra Mundial, el capitán WE Johns. Biggles Learns to Fly contiene una exposición gráfica e impactante sobre los méritos relativos del empujador y el tractor en un choque.

Al comienzo de la Primera Guerra Mundial, muchos tipos británicos de la RAF y Vickers eran empujadores. Cuando surgieron tipos más nuevos como el Sopwith 1 1/2-strutter, demostraron ser mucho más compactos y ágiles, y más seguros en un aterrizaje forzoso. El empujador quedó obsoleto de la noche a la mañana. Se ha mantenido como una opción de nicho desde entonces.

Los empujadores se probaron durante la Segunda Guerra Mundial sin mucho éxito, y este fue un momento en el que se intentó casi cualquier cosa.

Los EE. UU. Tuvieron dos cazas de empuje en desarrollo durante la Segunda Guerra Mundial, el Curtiss XP55 y el Northrop XP56 . Ninguno entró en funcionamiento, ambos tenían problemas de estabilidad, aunque esos problemas se derivaron más de los diseños radicales que del impulsor. El XP55 usaba un canard en la parte delantera para los elevadores y los timones de las puntas de las alas, mientras que el XP56 era efectivamente un ala voladora con su fuselaje corto y rechoncho.

El diseño básico del XP55 se usó más tarde en Beechcraft Starship . Lamentablemente, el Starship no tuvo éxito, costó más y voló más lento que los transportes ejecutivos contemporáneos como el Cessna Citation y el Lear, o incluso los tractores turbopropulsores como el Piper Cheyenne y el Beech KingAir.

Japón desarrolló un caza empujador, el Kyushu J7W Shinden . Su diseño de empujador refleja la intención de impulsarlo con un motor de turbina de gas, el diseño de empujador/sin cola para sortear el problema del escape caliente que derrite la cola. Al igual que los esfuerzos estadounidenses, nunca entró en producción, aunque la decadente situación industrial en Japón en 1945 fue más responsable de su fracaso para entrar en servicio.

En el caso de los diseños de los cazas, la configuración del empujador fue solo una de varias desviaciones radicales del diseño convencional, por lo que es difícil determinar cuánto contribuyó la configuración del empujador a los problemas encontrados. Tenga en cuenta que el DO335 era una configuración push-pull, no un empujador puro.

Lo que se puede decir con cierto grado de certeza es que las configuraciones de empuje, definitivamente en los aviones de combate, no resultaron beneficiosas cuando los aviones de combate estaban en su apogeo.