Pusher-konfiguration

Wright Flyer , "pusher"-flygplan designat 1903

Pusher-konfiguration är termen som används för att beskriva en drivlina eller farkost med dess framdrivningsanordning(ar) efter dess motor(er). Detta i motsats till den mer konventionella traktorkonfigurationen , som placerar dem framför.

Även om termen oftast används för flygplan, är dess mest förekommande propellerexempel en vanlig utombordsmotor för en liten båt.

"Pusher-konfiguration" beskriver den specifika (propeller eller kanalfläkt ) dragkraftsanordning som är ansluten till ett farkost, antingen aerostat ( luftskepp ) eller aerodyne ( flygplan , WIG , paramotor , rotorfarkoster ) eller andra typer som svävare , luftbåtar och propellerdrivna snöskotrar .

En "pusher" är ett flygplan med fast vingar som har sin drivanordning efter sin motor, har en pusher-konfiguration. Dessa har designats och byggts i många olika layouter, några av dem ganska radikala.

Historia

1871 Planofor
Farman MF.11, som visar den klassiska Farman-konfigurationen med motor mellan stjärtbommar
Buhl A-1 Autogyro , det första pusher-autogyro
Convair B-36 efter andra världskriget var ovanlig för sin storlek, era, antal motorer och kombinerar både propeller- och jetframdrivning, med 6 radiella kolvar och 4 jetmotorer
Typiskt för många UAV :er, General Atomics MQ-9 Reaper har en propeller i den yttersta svansen
NAL Saras , med påskjutare monterade på kapslar på vardera sidan av den bakre flygkroppen

Den gummidrivna "Planophore", designad av Alphonse Pénaud 1871, var ett tidigt framgångsrikt modellflygplan med en pusherpropeller.

Många tidiga flygplan (särskilt biplan) var "pushers", inklusive Wright Flyer (1903), Santos-Dumont 14-bis (1906), Voisin-Farman I (1907) och Curtiss Model D som användes av Eugene Ely för första fartyget landade den 18 januari 1911. Henri Farmans påskjutare Farman III och dess efterföljare var så inflytelserika i Storbritannien att påskjutare i allmänhet blev kända som "Farman-typen". Andra tidiga pusher-konfigurationer var varianter på detta tema.

Den klassiska "Farman"-skjutaren hade propellern "monterad (precis) bakom huvudlyftytan" med motorn fixerad på den nedre vingen eller mellan vingarna, omedelbart framför propellern i en stubbkropp (som också innehöll piloten) som kallas en nacell . Den största svårigheten med denna typ av pusher-design var att fästa svansen (empennage); detta behövde vara på samma allmänna plats som på ett traktorflygplan, men dess stödstruktur var tvungen att undvika propellern. De tidigaste exemplen på pushers förlitade sig på en canard men detta har allvarliga aerodynamiska konsekvenser som de tidiga formgivarna inte kunde lösa. Vanligtvis gjordes monteringen av svansen med en komplex trådförsedd ram som skapade mycket motstånd. Långt före början av första världskriget erkändes detta motstånd som bara en av de faktorer som skulle säkerställa att en påskjutare i Farman-stil skulle ha en sämre prestanda än en annars liknande traktortyp .

Den amerikanska armén förbjöd pusherflygplan i slutet av 1914 efter att flera piloter dog i krascher med flygplan av denna typ, så från omkring 1912 och framåt var den stora majoriteten av de nya amerikanska landplansdesignerna traktorbiplan, med pushers av alla typer som blev betraktade som gammalmodiga på båda sidorna av Atlanten. Emellertid fortsatte nya pusherdesigner att designas ända fram till vapenstilleståndet, såsom Vickers Vampire , även om få togs i tjänst efter 1916. [ Behövs citat ] .

Åtminstone fram till slutet av 1916 gynnades dock påskjutare (som Airco DH.2 -stridsflygplanet) fortfarande som vapenbärande flygplan av British Royal Flying Corps , eftersom en framåtskjutande pistol kunde användas utan att hindras av propellerns båge. Med den framgångsrika introduktionen av Fokkers mekanism för att synkronisera avfyrningen av en maskingevär med bladen på en rörlig propeller, följt snabbt av den utbredda användningen av synkroniseringsväxlar av alla kombattanter 1916 och 1917, blev traktorkonfigurationen nästan allmänt gynnad och pushers reducerades till den lilla minoriteten av nya flygplansdesigner som hade en specifik anledning till att använda arrangemanget. Både britterna och fransmännen fortsatte att använda pusher-konfigurerade bombplan, även om det inte fanns några tydliga preferenser förrän 1917. Sådana flygplan inkluderade (förutom produkterna från själva företaget Farman) Voisin-bomplanen (3 200 byggda), Vickers FB5 " Gunbus ", och Royal Aircraft Factory FE2 , men även dessa skulle finna sig i att hamna i träningsroller innan de försvann helt. Möjligen var den sista jaktplanen som använde Farman-påskjutarkonfigurationen 1931 Vickers Type 161 COW gun fighter.

Under den långa förmörkelsen av konfigurationen fortsatte användningen av pusherpropellrar i flygplan som fick en liten fördel av installationen och kunde ha byggts som traktorer. Tvåplansflygbåtar hade under en tid ofta varit utrustade med motorer placerade ovanför flygkroppen för att ge maximalt fritt utrymme från vattnet, ofta drivande propellrar för att undvika spray och de risker som är inblandade genom att hålla dem långt borta från sittbrunnen . Supermarine Walrus var ett sent exempel på denna layout.

Den så kallade push/pull-layouten , som kombinerar traktor- och påskjutarkonfigurationerna – det vill säga med en eller flera propellrar vända framåt och en eller flera andra vända bakåt – var en annan idé som fortsätter att användas då och då som ett sätt att minska de asymmetriska effekterna av ett utombordsmotorhaveri, som på Farman F.222 , men till priset av en kraftigt reducerad verkningsgrad på de bakre propellrarna, som ofta var mindre och kopplade till motorer med lägre effekt som ett resultat.

I slutet av 1930-talet innebar det utbredda antagandet av helt metallstressad hudkonstruktion av flygplan, åtminstone i teorin, att de aerodynamiska påföljderna som hade begränsat prestandan hos pushers (och faktiskt alla okonventionella layouter), minskade; Men varje förbättring som ökar pusherprestandan ökar också prestandan hos konventionella flygplan och de förblev en sällsynthet i operativ tjänst – så klyftan minskades men stängdes inte helt.

Under andra världskriget utfördes experiment med pusherjaktare av de flesta stormakterna. Svårigheter kvarstod, särskilt att en pilot som var tvungen att rädda sig ur en påskjutare var benägen att passera genom propellerbågen. Detta innebar att av alla berörda typer var det bara den relativt konventionella svenska SAAB 21 från 1943 som gick i serietillverkning. Andra problem relaterade till aerodynamiken i canard-layouter, som hade använts på de flesta påskjutarna, visade sig vara svårare att lösa. En av världens första utkastningssäten designades (per kraft) för detta flygplan, som senare återuppstod med en jetmotor .

Det största skjutflygplanet att flyga var Convair B-36 "Peacemaker" från 1946, som också var det största bombplanet som någonsin opererats av USA . Den hade sex 3 800 hk (2 800 kW) 28-cylindriga Pratt & Whitney Wasp Major radialmotorer monterade i vingen, som var och en körde en påskjutarpropeller placerad bakom vingens bakkant, plus fyra jetmotorer.

Aero Dynamics Sparrow Hawk II

Även om de allra flesta propellerdrivna flygplan fortsätter att använda en traktorkonfiguration, har det under de senaste åren skett något av ett återupplivande av intresset för pusherdesigner: i lätta hembyggda flygplan som Burt Rutans canard-designer sedan 1975 , ultralights som t.ex. Quad City Challenger (1983), flexvingar, paramotorer , motordrivna fallskärmar och autogyros . Konfigurationen används också ofta för obemannade flygfarkoster , på grund av krav på en främre flygkropp fri från motorstörningar.

Aero Dynamics Sparrow Hawk var ett annat hembyggt flygplan som konstruerades främst på 1990-talet.

Konfigurationer

Luftskepp är den äldsta typen av tryckflygplan, som går tillbaka till fransmannen Henri Giffards banbrytande luftskepp 1852.

Se även: Lista över skjutflygplan efter konfiguration

Pusher-flygplan har byggts i många olika konfigurationer. I de allra flesta flygplan med fast vingar är propellern eller propellrarna fortfarande placerade strax bakom bakkanten av "huvudlyftytan", eller under vingen (paramotorer) med motorn placerad bakom besättningspositionen.

Gallaudet D-4 med påskjutare som roterar runt den bakre flygkroppen

Konventionell flygplanslayout har en bakre svans ( empennage ) för stabilisering och kontroll. Propellern kan vara nära motorn, som vanlig direktdrift:

Rhein Flugzeugbau RW 3 Multoplan med propeller mellan rodret och fenan

Motorn kan begravas på en främre avlägsen plats, driva propellern med drivaxel eller rem:

Miles M.35 Libellula, som var stamfader till ett stort antal canard-skjutare, hade sin motor på baksidan av flygkroppen

I canarddesign är en mindre vinge placerad framför flygplanets huvudvinge. Denna klass använder huvudsakligen en direktdrift, antingen enmotor, axialpropeller eller dubbelmotorer med en symmetrisk layout eller en in-line layout (push-pull) som Rutan Voyager .

Lippisch Delta 1 stjärtlös påskjutare

I svanslösa flygplan som Lippisch Delta 1 och Westland-Hill Pterodactyl typ I och IV saknas horisontella stabilisatorer bak på flygplanet. Flygande vingar som Northrop YB-35 är svanslösa flygplan utan distinkt flygkropp. I dessa installationer är motorerna antingen monterade i naceller eller flygkroppen på svanslösa flygplan, eller nedgrävda i vingen på flygande vingar, driver propellrar bakom vingens bakkant, ofta med förlängningsaxel.

Nästan utan undantag använder flexwing-flygplan , paramotorer och motordrivna fallskärmar en pusher-konfiguration.

Voisin III bombplan, den mest talrika pusher-designen med 3200 byggda.

Andra farkoster med pusher-konfigurationer går på plana ytor, land, vatten, snö eller is. Drivkraften tillhandahålls av propellrar och kanalfläktar, placerade baktill på fordonet.

I flygplan

Fördelar

Drivaxeln på en pushermotor är i kompression vid normal drift, vilket belastar den mindre än att vara i spänning i en traktorkonfiguration.

Praktiska krav

Flexwing microlight med motor och propeller på pilotens rygg

Att placera sittbrunnen framför vingen för att balansera vikten på motorn/motorerna akterut förbättrar sikten för besättningen. I militära flygplan skulle frontbeväpning lättare kunna användas på grund av att pistolen inte behövde synkronisera sig med propellern, även om risken att förbrukade höljen flyger in i rekvisitan på baksidan något uppvägde denna fördel. [ citat behövs ]

Flygplan där motorn bärs av, eller mycket nära, piloten (som paramotorer, motordrivna fallskärmar, autogyros och flexwing-trikes) placerar motorn bakom piloten för att minimera faran för pilotens armar och ben. ) Dessa två faktorer betyder att denna konfiguration användes allmänt för tidiga stridsflygplan och är fortfarande populär idag bland ultralätta flygplan , obemannade flygfarkoster (UAV och radiostyrda flygplan . [ citat behövs ]

Aerodynamik

En påskjutare kan ha en kortare flygkropp och därmed en minskning av både flygkroppens fuktade yta och vikt.

I motsats till traktorlayouten stabiliserar en pusherpropeller i slutet av flygkroppen. En påskjutare behöver mindre stabiliserande vertikal stjärtarea och ger därför mindre väderkraneffekt ; vid startrulle är den i allmänhet mindre känslig för sidvind.

När det inte finns någon stjärt i slipströmmen, till skillnad från en traktor, finns det ingen roterande propwash runt flygkroppen som inducerar en sidokraft till fenan. Vid start behöver en canard pusherpilot inte använda roderinmatning för att balansera detta ögonblick.

Effektivitet kan uppnås genom att montera en propeller bakom flygkroppen, eftersom den återaktiverar gränsskiktet som utvecklats på kroppen, och minskar formmotståndet genom att hålla flödet fäst vid flygkroppen. Det är dock vanligtvis en mindre vinst jämfört med flygplanets skadliga effekt på propellereffektiviteten.

Vingprofilens motstånd kan reduceras på grund av frånvaron av prop-wash över någon del av vingen. [ citat behövs ]

Säkerhet

Motorn är monterad bakom besättnings- och passagerarutrymmena, så eldningsolja och kylvätskeläckage kommer att ventileras bakom flygplanet och eventuell motorbrand kommer att riktas bakom flygplanet. På samma sätt är det mindre sannolikt att propellerfel direkt utsätter besättningen för fara. [ citat behövs ]

Ett fläktsystem med pusherkanaler erbjuder en extra säkerhetsfunktion som tillskrivs den roterande fläkten i kanalen, vilket gör det till ett attraktivt alternativ för olika avancerade obemannade luftfarkostskonfigurationer eller för små/personliga flygfordon eller för flygplansmodeller.

Nackdelar

Strukturella och viktöverväganden

SAAB J 21 jaktplan, med påskjutarpropellern monterad mellan två flygkroppsbommar

En påskjutarkonstruktion med en empennage bakom propellern är strukturellt mer komplex än en liknande traktortyp. Den ökade vikten och motståndet försämrar prestandan jämfört med en liknande traktortyp. Modern aerodynamisk kunskap och konstruktionsmetoder kan minska men aldrig eliminera skillnaden. En avlägsen eller nedgrävd motor kräver en drivaxel och tillhörande lager och stöd, torsionsvibrationskontroll och lägger till vikt och komplexitet.

Tyngdpunkts- och landningsställsöverväganden

För att bibehålla en säker tyngdpunktsposition (CG) finns det en gräns för hur långt akterut en motor kan installeras. Besättningens främre placering kan balansera motorvikten och kommer att hjälpa till att bestämma tyngdpunkten. Eftersom CG-platsen måste hållas inom definierade gränser för säker drift måste lastfördelningen utvärderas före varje flygning.

På grund av en generellt hög dragkraft som behövs för propellerns markfrigång, negativa (nedåt) stigningsmoment och i vissa fall frånvaron av prop-wash över stjärten, kan en högre hastighet och en längre rullning krävas för start jämfört med traktorflygplan . Rutans då ligger framför huvudhjulen. I autogyron resulterar en linje med hög dragkraft i en kontrollrisk som kallas power push-over .

Aerodynamiska överväganden

Supermarine Walrus pusher-flygbåten är en typisk flygbåt, med motorn högt monterad för att undvika spray, men gasändringar orsakar då stigningsändringar

På grund av den generellt höga dragkraftslinjen för att säkerställa markfrigång, kan en låg vingskjutare utsättas för effektändringsinducerade stigningsförändringar, även känd som pitch/power-koppling. Påskjutande sjöflygplan med särskilt höga dragkraftslinjer och bakhjul kan hitta den vertikala svansen maskerad från luftflödet, vilket kraftigt minskar kontrollen vid låga hastigheter, till exempel vid taxning. Frånvaron av prop-wash över vingen minskar lyftet och ökar startrullens längd. Påskjutsmotorer monterade på vingen kan blockera delar av vingens bakkant , vilket minskar den totala bredden som är tillgänglig för kontrollytor som klaffar och skevroder. När en propeller är monterad framför stjärten, ändrar förändringar i motoreffekt luftflödet över stjärten och kan ge kraftiga stignings- eller girändringar.

Propeller markfrigång och skador på främmande föremål

På grund av stigningsrotationen vid start kan propellerdiametern behöva minskas (med förlust av effektivitet) och/eller landstället göras längre och tyngre. Många påskjutare har ventralfenor eller medar under propellern för att förhindra att propellern slår i marken till en extra kostnad i drag och vikt. [ citat behövs ] På svanslösa påskjutare som Rutan Long-EZ är propellerbågen mycket nära marken medan den flyger noshögt under start eller landning. Föremål på marken som sparkas upp av hjulen kan passera genom propellerskivan och orsaka skador eller påskyndat slitage på bladen eller i extrema fall kan bladen slå i marken.

När ett flygplan flyger under isbildning kan is samlas på vingarna. Om ett flygplan med vingmonterade pushermotorer upplever isbildning, kommer rekvisitan att få i sig utgjutna isbitar, vilket äventyrar propellerbladen och delar av flygplanet som kan träffas av is som våldsamt omdirigeras av rekvisitan. I tidiga pusher-stridsflygplan orsakade förbrukade ammunitionshöljen liknande problem, och anordningar för att samla in dem var tvungna att utformas.

Propellereffektivitet och buller

Propellern passerar genom flygkroppsvågen, vingen och andra nedspolningar av flygytan - rör sig asymmetriskt genom en skiva med oregelbunden flyghastighet. Detta minskar propellereffektiviteten och orsakar vibrationer som inducerar strukturell propellerutmattning och buller.

Stödverkningsgraden är vanligtvis minst 2–5 % lägre och i vissa fall mer än 15 % mindre än en motsvarande traktorinstallation. Fullskalig vindtunnelundersökning av canarden Rutan VariEze visade en propellerverkningsgrad på 0,75 jämfört med 0,85 för en traktorkonfiguration, en förlust på 12 %. Pusher-rekvisita är bullriga och kabinljudet kan vara högre än traktorns motsvarighet ( Cessna XMC vs Cessna 152 ) . Propellerljudet kan öka på grund av att motorns avgaser rinner genom propellerna. Denna effekt kan vara särskilt uttalad när man använder turbopropmotorer på grund av den stora mängden avgaser som de producerar.

Motorkylning och avgassystem

Kraftverks kylkonstruktion är mer komplex i pushermotorer än för traktorkonfigurationen, där propellern tvingar luft över motorn eller kylaren. Vissa flygmotorer har upplevt kylningsproblem när de används som påskjutare. För att motverka detta kan extra fläktar installeras, vilket ger extra vikt. Motorn på en pusher avgas framför propellern, och i detta fall kan avgaserna bidra till korrosion eller andra skador på propellern. Detta är vanligtvis minimalt och kan främst vara synligt i form av sotfläckar på bladen.

Säkerhet

Propeller
Piaggio P.180 Avanti med motorer monterade på vingens bakkant, borta från passagerare, vilket möjliggör säkrare ombordstigning.

I händelse av närhet till propeller/svans kan ett bladbrott träffa svansen eller orsaka destruktiva vibrationer som leder till att kontrollen tappas.

Besättningsmedlemmar riskerar att slå till propellern när de försöker rädda sig ur ett enmotorigt flygplan med en pusher-propeller. Minst ett säte för tidig ejektor har utformats speciellt för att motverka denna risk. Vissa moderna lätta flygplan inkluderar ett fallskärmssystem som räddar hela flygplanet och därmed undviker behovet av att rädda . [ citat behövs ]

Motor

Motorns placering i pusher-konfigurationen kan äventyra flygplanets passagerare i en krasch eller kraschlandning där motorns rörelsemängd skjuter ut genom kabinen. Till exempel, med motorn placerad direkt bakom kabinen, under en nos-på-krock, kan motorns momentum föra motorn genom brandväggen och kabinen, och kan skada vissa passagerare i kabinen.

Flygplan lastar

Snurrande propellrar är alltid en fara vid markarbete, som att lasta eller gå ombord på flygplanet. Traktorkonfigurationen lämnar den bakre delen av planet som ett relativt säkert arbetsområde, medan en påskjutare är farlig att närma sig bakifrån, medan en snurrande propeller kan suga in saker och personer i närheten framför den med ödesdigra resultat för både planet och de personer som sugs upp. i. [ onödig vikt? – diskutera ] Ännu farligare är lossningsoperationer, särskilt i luften, som att tappa förnödenheter på fallskärms- eller fallskärmshoppning, vilket är näst intill omöjligt med ett flygplan med pusherkonfiguration, särskilt om propellrar är monterade på flygkroppen eller sponsor. [ citat behövs ]

Se även

Anteckningar

Citat

Källor

  •   Abzug, Malcolm J.; Larrabee, E. Eugene (2005). Flygplansstabilitet och -kontroll: En historia av teknikerna som gjorde flyget möjligt . Cambridge Aerospace Series 14 (2:a upplagan). Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press. ISBN 978-0521809924 .
  •   Gunston, Bill (2004). Cambridge Aerospace Dictionary Cambridge . Cambridge University Press. sid. 480. ISBN 978-0521841405 .
  •   Guttman, Jon (2009). Pusher Aces of World War 1 . Osprey Aircraft of the Aces 88. Oxford, Storbritannien: Osprey. ISBN 978-1846034176 .
  •   Hoerner, Gihard F.; Borst, Henry V. (1985). Fluid-Dynamic Lift - Praktisk information om aerodynamiskt och hydrodynamiskt lyft . Brick Town, New Jersey: Mrs. Liselotte Hoerner. LCCN 75-17441 .
  •   Raymer, Daniel P. (1992). Flygplansdesign: A Conceptual Approach . AIAA Education Series. Washington, DC: American Institute of Aeronautics and Astronautics. ISBN 978-0930403515 .
  •   Stinton, Daroll (1983). Flygplanets design . Oxford, Storbritannien: BSP Professional Books. ISBN 978-0632018772 .

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Pusher_configuration&oldid=1142334679 "