¿Por qué no montar motores a reacción de avión sobre las alas?

Mantenimiento

Tener los motores debajo del ala hace que sea bastante fácil acceder a ellos, incluso si se necesita algún tipo de elevación. Ponerlos por encima del ala haría mucho más difícil llegar a ellos. ¿Se te cayó una herramienta? Será mejor que empieces con esa reparación del ala también. Esto incluye tanto el acceso general al motor como los procedimientos para quitar e instalar el motor.

Estructura

Un motor debajo del ala es bastante estable, ya que cuelga desde arriba. Naturalmente quiere seguir colgando hacia abajo. Montar el motor sobre el ala sería menos estable. Naturalmente quiere volcarse.

Ruido

Si un motor está debajo del ala, ayuda a bloquear parte del ruido de al menos la cabina central. Un motor sobre el ala expondría mucho más de la cabina al ruido. Sin embargo, podría reducir el ruido del suelo durante el vuelo.

Aerodinámica

La parte superior del ala es la parte más sensible aerodinámicamente. Es por eso que elementos como los paneles de acceso al tanque de combustible se colocan en la parte inferior. Tener un motor y un pilón en la parte superior afectaría el flujo sobre la parte superior del ala.

Seguridad

Los motores que se caen de las alas tienden a ser algo malo . Pero si estuvieran por encima del ala, tenderían a caer sobre el ala, lo que aún no sería bueno. Sería más difícil tener luego romper en un accidente. Además, en el caso de una falla no contenida, el ala no brindaría ninguna protección al fuselaje.

Por supuesto, hay beneficios, como la reducción del ruido, la necesidad de menos distancia al suelo, la ausencia de interferencias entre el chorro del jet y los flaps, y menos posibilidades de que se ingiera FOD. A medida que los motores nuevos obtienen diámetros de ventilador más grandes, las restricciones se vuelven más difíciles. Algunos conceptos del diseño de cuerpo de ala combinada colocan los motores en la parte superior del cuerpo. Pero para el diseño actual de las aeronaves, los beneficios de tener los motores debajo del ala son mayores que los de las alternativas.

Había un diseño con motores overwing: El VFW-614 . El número fue elegido porque era el cuarto proyecto iniciado en 1961 por Vereinigte Flugzeugwerke (VFW).

La ubicación del motor tenía varias ventajas:

• menos riesgo de ingerir objetos extraños
• menos ruido durante el despegue y el aterrizaje, al menos para las personas en tierra
• cambio de ajuste más pequeño con cambios de potencia

Pero las desventajas (el ruido de la cabina y el acceso al motor) fueron la razón por la que esta ubicación del motor nunca despegó. Además, los motores bajos pueden obtener su combustible sin bombas, simplemente por gravedad. Sin embargo, los pilotos que volaron tanto el 614 como el Boeing 737 me dijeron que el 614 era más agradable de volar ya que no necesitaba cambios de compensación cuando se cambiaba la configuración de potencia.

Colocar el motor delante del ala ayuda a amortiguar el aleteo, pero luego se pierde la principal ventaja de la colocación sobre el ala, la reducción del ruido. Los motores de hoy en día se colocan principalmente por delante del ala por esa razón, y por debajo de ella para que estén fuera de la vista de los pasajeros pero de fácil acceso para las cuadrillas de mantenimiento. Colocar el motor directamente debajo del ala ayudaría a alimentarlo con aire precomprimido, pero nuevamente, la ubicación hacia adelante hace poca diferencia en términos de precompresión, pero ayuda con la amortiguación del aleteo.

Si ignoramos las otras opciones de ubicación del motor consideradas en la pregunta vinculada, solo podemos comparar la ubicación sobre y debajo de las alas. No soy un experto, pero aquí hay algunos factores que se me ocurren:

• Underwing simplifica el acceso al motor, el motor está cerca del suelo. Dado que la mayoría de los motores se montan de esta manera, es posible que los diseñadores de motores optimicen la colocación de los componentes teniendo esto en cuenta (aunque los motores a menudo se fabrican para un avión específico)

• El montaje debajo del ala significa que la gravedad ayuda a mantener el motor en su posición lateralmente. Para la colocación sobre las alas, lo contrario es cierto y es posible que necesite un pilón y largueros de ala un poco más fuertes.

• La ubicación sobre las alas hace que el par en el ala debido al peso del motor actúe en la misma dirección que el par de empuje, la ubicación debajo del ala reduce el par total, aunque esto puede no ser significativo.

• Los motores están al máximo empuje en el despegue. Es más probable que un motor sobre las alas con el empuje máximo ejerza un par de torsión en la estructura del avión que se oponga a levantar la nariz para el despegue. No estoy seguro de si esto es bueno o malo, pero parece incorrecto.

• La colocación sobre las alas ciertamente disminuye el riesgo de FOD, pero puede impedir la vista de los pasajeros y aumentar el ruido.

• El tren de aterrizaje de la aeronave puede tener que tener una cierta altura de todos modos para mantener la cola despejada de la pista durante la rotación de despegue y para absorber las fuerzas de aterrizaje en una distancia más larga. Esto puede no ser significativo ya que hay aviones grandes con trenes de aterrizaje muy cortos (por ejemplo, algunos aviones de transporte militares y civiles). Tal vez paguen una multa por esto.

• Probablemente haya más aviones de pasajeros que aeropuertos grandes, por lo que se puede pensar que es mejor eliminar el FO de las pistas que hacer que los aviones de pasajeros sean más a prueba de FOD.

^{fuente: Bartosch}

Yo mismo pinté las nuevas imágenes, pero tomé el texto de una fuente externa :

Puede ver que con el motor montado sobre el ala, tiene la línea central de empuje ubicada sobre el eje longitudinal de la aeronave. Esto crea un momento de cabeceo con la nariz hacia abajo sobre el eje lateral, que está en el centro de gravedad (CG). Si bien el peso del motor ayuda a contrarrestarlo, también debe ser contrarrestado por una mayor cantidad de elevación hacia abajo creada por la puñalada horizontal (un mayor momento de cola hacia abajo).

Responderé solo por la longitud del tren de aterrizaje. Cuando considera un avión lo suficientemente grande, necesita un tren de aterrizaje largo para reducir el riesgo de colisión con la cola al aterrizar y despegar. Por lo tanto, tienes suficiente espacio debajo de las alas.

Por ejemplo, compare la longitud del tren de aterrizaje delantero de un avión cuyos motores están montados debajo de las alas (por ejemplo, este A320 ) con el de un avión cuyos motores no están montados debajo de las alas (por ejemplo, este Caravelle ). Elijo fotos con un hombre cerca del tren de aterrizaje para facilitar la comparación.

La colocación de turbinas en pilones debajo de las alas comenzó con los primeros bombarderos a reacción de EE. UU., el B47 y el B52, y el transporte C135, que luego se transformó en el 707. En su libro 747, Joe Sutter (el ingeniero principal del 747) dio las razones para los pilones debajo de las alas. en lugar de la ubicación del motor en el ala que se usó en otros aviones grandes tempranos como el Comet, Victor y TU-16, como:

• Mantenimiento

• Menos daño en caso de falla catastrófica del motor (las primeras
  turbinas no eran tan confiables como lo son hoy) o incendio.

En cuanto a por qué no se usa la colocación de pilones sobre las alas... ambas razones siguen siendo válidas.

La mayor parte del mantenimiento de las turbinas se realiza en la aeronave: la extracción del motor no es común, por lo que la ubicación más baja facilita un mantenimiento promedio más rápido. La remoción/reemplazo del motor se facilita con una carretilla elevadora.

Falla catastrófica o incendio... bastante raro, pero cuando sucede, el motor normalmente se cae, lejos del ala.

Además, bajo METO, la ubicación más baja del motor, debajo del CG, tiende a tirar de la nariz del avión hacia arriba en lugar de hacia abajo, que es lo que uno quiere en el despegue o en la mayoría de las situaciones en las que un piloto aplica toda su potencia. La colocación sobre el ala tendería a bajar el morro en el despegue. Un factor menor, pero que vale la pena mencionar... no tiene sentido gravar los ascensores más de lo necesario en el despegue, cuando la autoridad de control no es la mayor debido a la velocidad aerodinámica mínima.

Una rara excepción a la colocación de pilones debajo de las alas que protegen el ala fue el vuelo 191 de AA , el accidente de Chicago. Debido a técnicas de mantenimiento deficientes, el soporte trasero del motor en el n. ° 1 se rompió, el motor giró hacia arriba, se desprendió y se fue hacia el ala izquierda, arrancando el sistema hidráulico de los alerones delanteros. Los pilotos pensaron que estaban lidiando con una simple falla del motor y siguieron el libro para salir con una sola falla del motor, manteniendo una velocidad consistente con los flaps de despegue establecidos en ambas alas. Debido a la pérdida de sustentación del ala dañada, el ala izquierda se detuvo y la aeronave rodó hacia la izquierda contra el suelo. No hay suficiente altitud para recuperarse.

Habiendo dicho eso, este tipo de falla catastrófica es bastante raro, el ejemplo más reciente es Qantas 32 , un A380 que sufrió una gran explosión de motor durante el vuelo. El motor no se cayó de la aeronave y pudo aterrizar de manera segura, aunque con cierta degradación para controlar la autoridad de los alerones. Si la colocación sobre el ala habría resultado en más daño a las superficies críticas superiores del ala es una cuestión de conjetura.

Un jet ejecutivo reciente conocido por la ubicación del motor sobre el ala es el Hondajet . Incluyen un breve pasaje sobre las ventajas:

Un gran avance en la aeronáutica, el montaje del motor sobre el ala fue diseñado y probado por Honda después de más de 20 años de investigación y desarrollo exhaustivos. Esta tecnología innovadora no solo rompe el molde convencional establecido por la industria aeroespacial, sino que también proporciona avances líderes en su categoría, como una cabina más espaciosa, reducción de ruido y mayor eficiencia de combustible.

Hay una muy buena razón para colocar los motores justo encima del ala, como se ve aquí en el QSRA de la NASA:

y el YC-14:

Esto se conoce como "soplado de la superficie superior", o alguna variación de ese tema. La idea es que el flujo de aire del motor siga la superficie superior del ala, por lo que cuando se bajan los flaps, el flujo de aire sigue su curva suave hasta que soplan hacia abajo, lo que aumenta considerablemente la sustentación. Esta es una alternativa al soplado de superficie inferior visto en el C-13:

y su hermana mucho mayor, la C-17:

La solución USB tiene varias ventajas importantes sobre la LSB. La principal es que el flujo de aire no sopla directamente sobre las aletas, lo que simplifica mucho las cargas estructurales. El flujo de aire también se suaviza en gran medida por su flujo sobre la superficie superior del ala, lo que también reduce las cargas. Finalmente, dado que las aletas ya están acelerando el flujo de aire sobre su superficie superior, prácticamente la idea general, el diseño general es en realidad mucho más simple. El resultado final es el mismo, ambos mejoran la sustentación al doblar el flujo de aire hacia abajo a través de las aletas, pero el USB era mecánicamente mucho más simple y este fue un punto de venta importante para el C-14.

Entonces... ¿por qué no lo usaron? Bueno, irónicamente, una de las razones es que era demasiado bueno. En el caso de un motor fuera de servicio, especialmente en la variedad de dos motores, un ala entera perdería sustentación y sería prácticamente imposible mantener el control. Una variedad de cuatro motores abordó esto, pero el programa original no los consideraba y Boeing estaba impulsando el diseño de dos motores como una gran ventaja (en términos de mantenimiento). Por el contrario, los modelos LSB tenían menos aumento de sustentación y tenían que depender de "más flaps". para obtener el mismo rendimiento (que, IIRC, nunca lo hicieron), pero como resultado tuvieron una mejor respuesta en una condición de motor apagado.

No me queda claro si el C-17 terminó con LSB por otra razón que no fuera McD, y si alguien más hubiera ganado el concurso, podrían haber usado USB.

Otra cosa que se ha mencionado parcialmente. Los pilones que sostienen los motores están diseñados para romperse antes de que cualquier vibración extrema o carga desequilibrada (debido a un ventilador defectuoso) provoque daños estructurales graves en el ala. La ubicación debajo del ala significa que el motor no se caerá sobre el ala y debe tener suficiente espacio libre para la cola horizontal. La colocación sobre el ala podría resultar en un impacto con el ala y la cola horizontal o incluso con el fuselaje si el ángulo de inclinación lateral fuera lo suficientemente severo.

Además, tener la línea de empuje sobre el ala crearía un par de torsión de morro hacia abajo a lo largo del eje del ala que se vería agravado por el momento de cabeceo desarrollado por el perfil aerodinámico. Este momento adicional requeriría alas más rígidas y, por lo tanto, más pesadas.

Debajo del ala ayuda a levantar. Por encima del ala dificulta la sustentación. Abajo permite que el aire pase por encima del ala sin estropear la aerodinámica para la sustentación. Arriba perturba la aerodinámica para la sustentación, dependiendo de qué tan atrás esté el motor en el ala. Seguro que un tren de aterrizaje más liviano es bueno, los aviones no usan el tren de aterrizaje cuando vuelan y, además, los motores pesan mucho más que el tren de aterrizaje. Es mejor tener el motor bajo el ala. Los nuevos modelos pueden elevar las alas y pueden disminuir la longitud del pilón. Sin embargo, el ascensor aún no es suficiente. Necesitan sustentación, cada avión de carga pesada tiene los motores debajo del ala. No pueden darse el lujo de perder ningún impulso posible.