Skubberkonfiguration - Pusher configuration

Wright Flyer 1903-skubber

I et fly med en skubberkonfiguration (i modsætning til en traktorkonfiguration ) er propellerne monteret bag deres respektive motorer. Ifølge den britiske luftfartsforfatter Bill Gunston er en "skubbepropel" en monteret bag motoren, så drivakslen er i kompression under normal drift.

Pusher konfiguration beskriver denne specifikke ( propel eller aftræk ventilator ) stak, der er fastgjort til et fartøj, enten aerostat ( luftskib ) eller LuftfartØj ( luftfartøjer , WIG , paramotor , bærerotorfly ) eller andre typer, såsom luftpudefartøj , airboat og propeldrevne snescootere .

"Skubberkonfiguration" beskriver også layoutet på et fly med fast fløj, hvor trykanordningen har en skubberkonfiguration. Denne type fly kaldes almindeligvis en skubber . Pushers er designet og bygget i mange forskellige layouter, hvoraf nogle er ganske radikale.

Historie

1871 Planophore
Farman MF.11, der viser den klassiske Farman-konfiguration med motor mellem halebomme
Buhl A-1 Autogyro , den første skubber-autogyro
General Atomics MQ-9 Reaper er typisk for mange UAV'er og har en propel i den ekstreme hale
NAL Saras , med skubber monteret på bælg på begge sider af den bageste skrog

Den gummidrevne "Planophore", designet af Alphonse Pénaud i 1871, var et tidligt vellykket modelfly med en skubbe propel.

Mange tidlige fly (især biplaner) var "pushere", herunder Wright Flyer (1903), Santos-Dumont 14-bis (1906), Voisin-Farman I (1907) og Curtiss Model D brugt af Eugene Ely til landede første skib den 18. januar 1911. Henri Farmans skubber Farman III og dens efterfølgere var så indflydelsesrige i Storbritannien, at skubberne generelt blev kendt som "Farman-typen". Andre tidlige skubberkonfigurationer var variationer på dette tema.

Den klassiske "Farman" -skubber havde propellen "monteret (lige) bag hovedløftefladen" med motoren fastgjort til den nederste vinge eller mellem vingerne, umiddelbart foran propellen i en stubkrop (der også indeholdt piloten) kaldet en nacelle . Det største problem med denne type skubberdesign var at fastgøre halen (empennage); dette skulle være på den samme generelle placering som på et traktorfly, men dets støttestruktur måtte undgå propellen. De tidligste eksempler på pushere var afhængige af en canard, men dette har alvorlige aerodynamiske konsekvenser, som de tidlige designere ikke var i stand til at løse. Montering af halen blev typisk udført med en kompleks wire-afstivet ramme, der skabte en masse træk. Længe inden begyndelsen af første verdenskrig blev denne træk anerkendt som blot en af ​​de faktorer, der ville sikre, at en Farman-stil skubber ville have en ringere ydelse end en ellers lignende traktortype .

Den amerikanske hær forbød skubbefly i slutningen af ​​1914, efter at flere piloter døde i styrt af fly af denne type, så fra omkring 1912 og fremover var langt størstedelen af ​​de nye amerikanske landflydesigner traktorbiplaner, hvor skubberne af alle typer blev betragtet som gammeldags på begge sider af Atlanterhavet. Imidlertid fortsatte nye skubberdesigner med at blive designet helt op til våbenhvilen, såsom Vickers Vampire , selvom få blev taget i brug efter 1916 ..

I det mindste indtil slutningen af ​​1916 blev skubberne (som Airco DH.2- jagerflyen) stadig foretrukket som pistolbærende fly af British Royal Flying Corps , fordi en fremadskydende pistol kunne bruges uden at blive blokeret af propelbuen. Med den vellykkede indførelse af Fokker 's mekanisme til synkronisering af affyring af et maskingevær med bladene på en bevægende propel , hurtigt efterfulgt af en udbredt anvendelse af synkronisering gear ved alle de kæmpende i 1916 og 1917, blev konfigurationen traktor næsten universelt begunstiget og pushere blev reduceret til det lille mindretal af nye flydesign, der havde en specifik grund til at bruge arrangementet. Både briterne og franskmændene fortsatte med at bruge skyderkonfigurerede bombefly, skønt der ikke var nogen klar præference på nogen måde indtil 1917. Sådanne fly omfattede (bortset fra produkterne fra selve Farman-selskabet) Voisin- bombeflyene (3.200 bygget), Vickers FB5 "Gunbus "og Royal Aircraft Factory FE2 , men selv disse ville finde sig i at blive skiftet ind i træningsroller, før de forsvandt helt. Muligvis var den sidste fighter, der brugte Farman-skubberkonfigurationen, Vickers Type 161 COW pistoljager fra 1931 .

Under den lange formørkelse af konfigurationen fortsatte brugen af ​​skubberpropeller i fly, der opnåede en lille fordel ved installationen og kunne have været bygget som traktorer. Biplane flyvende både , havde i nogen tid ofte været udstyret med motorer placeret over skroget for at give maksimal frihed fra vandet, hvilket ofte førte skubbe propeller for at undgå spray og de involverede farer ved at holde dem godt væk fra cockpittet. Den Supermarine Walrus var en sen eksempel på dette layout.

Det såkaldte push / pull-layout , der kombinerer traktor- og skubberkonfigurationer - det vil sige med en eller flere propeller vendende fremad og en eller flere andre vender tilbage - var en anden idé, der fortsat bruges fra tid til anden som et middel til reducere de asymmetriske virkninger af en påhængsmotorfejl, såsom på Farman F.222 , men på bekostning af en kraftigt reduceret effektivitet på de bageste propeller, som ofte var mindre og fastgjort til motorer med lavere effekt som et resultat.

I slutningen af ​​1930'erne betød den udbredte vedtagelse af metalbelastet hudkonstruktion af fly, i det mindste i teorien, at de aerodynamiske sanktioner, der havde begrænset skubbernes ydeevne (og faktisk et ukonventionelt layout), blev reduceret; dog forbedrer enhver forbedring, der øger skubbens ydeevne, også ydeevnen for konventionelle fly, og de forblev en sjældenhed i operationel service - så kløften blev indsnævret, men blev ikke lukket helt.

Under Anden Verdenskrig blev der udført eksperimenter med skubberkæmpere af de fleste stormagter. Vanskeligheder forblev, især at en pilot, der skulle redde en skubber, kunne komme igennem propelbuen. Dette betød, at af alle de berørte typer kun den relativt konventionelle svenske SAAB 21 fra 1943 gik i serieproduktion. Andre problemer relateret til aerodynamik i canardlayouter, som var blevet brugt på de fleste af skubberne, viste sig at være sværere at løse. Et af verdens første udstødningssæder var designet til dette fly, som senere dukkede op igen med en jetmotor .

Det største skubberfly , der flyvede, var Convair B-36 "Peacemaker" fra 1946, som også var den største bombefly, der nogensinde blev betjent af De Forenede Stater . Det havde seks 3.800 hk Pratt & Whitney Wasp Major radialmotorer monteret i vingen, der hver kørte en skubbe propel placeret bag den bageste kant af vingen.

Selv om langt størstedelen af propeldrevne fly fortsætte med at bruge en traktor konfiguration, har der været i de senere år noget af en genoplivning af interesse i pusher design: i lyset hjemmebygget fly såsom Burt Rutan 's canard design siden 1975, ultralights såsom den Quad City Challenger (1983), flexwings, paramotorer, motordrevne faldskærme og autogyros. Konfigurationen bruges ofte til ubemandede luftfartøjer på grund af krav til en fremadrettet skrog uden motorinterferens.

Overvejelser om motorinstallation

I en pusher konfiguration er den kraft, som propellen skubber mod motoren, snarere end væk. For at konvertere en traktormotor og propelkombination til skubbedrift er det ikke tilstrækkeligt blot at dreje motoren og propellen rundt, da propellen fortsætter med at "trække" kørsel af flyet bagud. Forudsat at motoren ikke kan køres i omvendt retning, skal propelens "hånd" være vendt. Belastningerne på trykløbet (kuglelejer, der forhindrer krumtapakslens bevægelse forud og bagud) er også omvendt, fordi skubbepropellen skubber ind i motoren snarere end at trække sig væk fra den som i en traktor. Nogle moderne motorer designet til lette fly er udstyret med et stødkørsel, der er velegnet til både "skubbe" og "trække", men andre kræver en anden del, afhængigt af hvilken forstand de kører. Køleanlæg til kraftværker er mere komplekst end for traktorkonfigurationen, hvor propellen tvinger luft gennem systemet.

Konfigurationer

Aerostatisk

Luftskibe er den ældste type skubberfly, der går tilbage til franskmanden Henri Giffards banebrydende luftskib i 1852.

Aerodyne

Se også: Liste over skubbefly efter konfiguration

Pusher-fly er bygget i mange forskellige konfigurationer. I langt størstedelen af ​​fly med fast fløj er propellen eller propellerne stadig placeret lige bag bagkanten af ​​"hovedløftefladen" eller under vingen (paramotorer) med motoren placeret bag besætningens position.

Konventionel layout

Gallaudet D-4 med skubberstøtte, der roterer rundt om den bageste skrog

Konventionelle flylayout har en bageste hale ( empennage ) til stabilisering og kontrol. Propellen kan være tæt på motoren som det sædvanlige direkte drev:

Rhein Flugzeugbau RW 3 Multiplan med propel mellem roret og finnen

Motoren kan være begravet et fjerntliggende sted fremad og køre propellen med drivaksel eller bælte:

Canard layout

Forfader til et stort antal sorte skubbe, den eksperimentelle Miles M.35 Libellula havde sin motor bag på skroget
Se også: Canard (luftfart)

I sorte design er en mindre vinge placeret foran flyets hovedfløj. Denne klasse bruger hovedsageligt et direkte drev, enten enkeltmotor, aksial propel eller dobbeltmotorer med et symmetrisk layout eller et in-line layout (push-pull) som Rutan Voyager .

Flyvende fløj og halefri layout

Lippisch Delta 1 haleløs skubber
Se også: flyvende vinge og halefri fly

I halefri fly som Lippisch Delta 1 og Westland-Hill Pterodactyl type I og IV er vandrette stabilisatorer bag på flyet fraværende. Flyvende vinger som Northrop YB-35 er halefri fly uden tydelig skrog. I disse installationer er motorerne enten monteret i naceller eller skroget på halefri fly eller begravet i vingen på flyvende vinger, hvilket kører propeller bag den bageste kant af vingen, ofte ved forlængelsesaksel.

UL trike, paramotor, powered fallskærm layout

Næsten uden undtagelse bruger flexwing-fly , paramotorer og elektriske faldskærme en skubberkonfiguration .

Andet

Disse håndværk kører på flade overflader, jord, vand, sne eller is. Thrust leveres af propeller og kanaliserede ventilatorer, der er placeret bag på køretøjet.

Mest produceret

Voisin III bombefly, det mest talrige skubberdesign
  • Bemandet fly
Voisin bombefly - 3.200
Quad City Challenger ultralet - 3.000
Royal Aircraft Factory FE2 , biplanfighter og bombefly - 1.939
Rutan Canards VariEze og long-EZ , hjemmebygninger -> 1.000
  • UAV'er
AeroVironment RQ-11 Raven , håndlanceret UAV - 13.000

Fordele

Praktiske krav

Flexwing microlight med motor og propel bag piloten

Placering af cockpittet foran vingen for at afbalancere motorens (e) vægt bagud forbedrer udsynet for besætningen. Selvom enhver forreste bevæbning lettere kan bruges på grund af, at pistolen ikke behøver at synkronisere sig med propellen, opvejer risikoen for, at brugte hylstre kommer ind i rekvisitterne bagpå noget.

Fly, hvor motoren bæres af eller meget tæt på piloten (såsom paramotorer, motoriserede faldskærme, autogyros og flexwing trikes) placerer motoren bag piloten for at minimere faren for pilotens arme og ben. Disse to faktorer betyder, at denne konfiguration i vid udstrækning blev brugt til tidlige kampfly og stadig er populær i dag blandt ultralette fly , ubemandede luftfartøjer og radiostyrede fly .

Aerodynamik

En skubber kan have en kortere skrog og dermed en reduktion i både skrogets befugtede areal og vægten.

I modsætning til traktorlayoutet stabiliserer en skubbe propel i enden af ​​skroget. En skubbe har brug for mindre stabiliserende lodret haleareal og giver derfor mindre vejrhaneeffekt ; ved startrulle er det generelt mindre følsomt for sidevind.

Når der ikke er nogen hale i slipstrømmen, er der i modsætning til en traktor ingen roterende propvask omkring skroget, der fremkalder en sidekraft til finnen. Ved start behøver en canard-skubberpilot ikke at anvende rorindgang for at afbalancere dette øjeblik.

Effektivitet kan opnås ved at montere en propel bag skroget, fordi den genoplader grænselaget, der er udviklet på kroppen, og reducerer formtræk ved at holde strømmen fastgjort til skroget. Det er dog normalt en mindre gevinst sammenlignet med flyrammens skadelige virkning på propellens effektivitet.

Træk i vingeprofilen kan reduceres på grund af fraværet af propvask over ethvert udsnit af vingen.

Sikkerhed

Motoren er monteret bag besætnings- og passagerrummet, så brændselsolie og kølevæskelækage vil udluftes bag flyet, og enhver motorild vil blive rettet bag flyet. På samme måde er svigtet med propel mindre sandsynligt, at det besætter besætningen direkte.

Et ventilationssystem med skubberkanaler tilbyder en supplerende sikkerhedsfunktion, der tilskrives den roterende ventilator i kanalen, hvilket gør det til en attraktiv mulighed for forskellige avancerede ubemandede luftfartøjskonfigurationer eller til små / personlige luftbiler eller til flymodeller.

Ulemper

Strukturelle og vægt overvejelser

SAAB J 21 fighter med skubbepropeller monteret mellem to skrogbomme

Et skubdesign med en tid bag propellen er strukturelt mere kompleks end en lignende traktortype. Den øgede vægt og træk forringer ydelsen sammenlignet med en lignende traktortype. Moderne aerodynamisk viden og konstruktionsmetoder kan reducere forskellen. En fjerntliggende eller nedgravet motor kræver en drivaksel og tilhørende lejer og understøtninger, vridningsvibrationskontrol og tilføjer vægt og kompleksitet.

Overvejelser om tyngdepunkt og landingsudstyr

For at opretholde en sikker tyngdepunktposition (CG) er der en grænse for, hvor langt bagud en motor kan installeres. Besætningens forreste placering kan afbalancere motorvægten og vil hjælpe med at bestemme CG. Da CG-placeringen skal holdes inden for definerede grænser for sikker drift, skal belastningsfordelingen evalueres inden hver flyvning.

På grund af en generelt høj tryklinie, der er nødvendig til propellerens frihøjde, negative (ned) stigningsmomenter, og i nogle tilfælde fravær af propvask over halen, en højere hastighed og en længere rulle kan være nødvendig til start sammenlignet med traktorfly . Den Rutan svar på dette problem er at sænke næsen af flyet i hvile, således at den tomme tyngdepunkt er så foran de vigtigste hjul. I autogyros resulterer en højtrykslinje i en kontrolfare kendt som power push-over .

Aerodynamiske overvejelser

Den Supermarine Walrus pusher flyvebåd er en typisk flyvende båd med motoren monteret højt at undgå spray imidlertid gasspjæld ændringer derefter inducere ændringer af tonehøjde

På grund af den generelt høje tryklinie for at sikre frihøjde i jorden, kan en skubbet layout med lav vinge blive udsat for strømændringsinducerede stigningsændringer, også kendt som tonehøjde / effektkobling. Skubberfly med særligt høje tryklinjer og baghjul kan finde den lodrette hale maskeret fra luftstrømmen, hvilket reducerer kontrollen kraftigt ved lave hastigheder, f.eks. Ved taxa. Fraværet af propvask over vingen reducerer liften og øger startrullens længde. Skubmotorer monteret på vingen kan blokere sektioner af vingens bagkant , hvilket reducerer den samlede tilgængelige bredde til kontrolflader såsom klapper og krængningsringe. Når en propel er monteret foran halen, ændrer motoreffekten luftstrømmen over halen og kan give stærke stigninger i hældning eller yaw.

Propeller frihøjde og skader på fremmedlegemer

På grund af stigningsrotationen ved start kan propellens diameter muligvis reduceres (og med et effektivitetstab) og / eller landingsudstyr gøres længere og tungere. Mange skubberne har ventrale finner eller glider under propellen for at forhindre, at propellen rammer jorden mod en ekstra pris i træk og vægt. På halefri skubber som Rutan Long-EZ er propelbuen meget tæt på jorden, mens den flyver næsehøj under start eller landing. Genstande på jorden, der sparkes op af hjulene, kan passere gennem propelskiven og forårsage beskadigelse eller accelereret slitage på knivene, eller i ekstreme tilfælde kan knivene ramme jorden.

Når et fly flyver i isforhold , kan is samle sig på vingerne. Hvis et fly med vingemonterede skubbermotorer oplever isdannelse, vil rekvisitterne indtage indlagte stykker is og bringe propelbladene og dele af flyrammen i fare, der kan rammes af is, der voldsomt omdirigeres af rekvisitterne. I de tidlige pusher-kampfly forårsagede brugt ammunitionskabinetter lignende problemer, og udstyr til at indsamle dem måtte udtænkes.

Propellens effektivitet og støj

Propellen passerer gennem skrogets kølvand, vinge og anden flyveoverflade nedskylninger - bevæger sig asymmetrisk gennem en disk med uregelmæssig lufthastighed. Dette reducerer propeleffektiviteten og forårsager vibrationer, der fremkalder strukturel propeludmattelse og støj.

Propeffektivitet er normalt mindst 2-5% mindre og i nogle tilfælde mere end 15% mindre end en tilsvarende traktorinstallation. Fuldskala vindtunnelundersøgelse af canard Rutan VariEze viste en propeleffektivitet på 0,75 sammenlignet med 0,85 for en traktorkonfiguration, et tab på 12%. Skubberstøtter er støjende, og kabinestøj kan være højere end traktorækvivalent ( Cessna XMC vs Cessna 152 ). Propellerstøj kan øges, fordi motorens udstødning strømmer gennem rekvisitterne. Denne effekt kan være særlig udtalt, når du bruger turbopropmotorer på grund af den store mængde udstødning, de producerer.

Motorkøling og udstødning

I skubbekonfiguration bidrager propellen ikke luftstrøm over motoren eller radiatoren. Nogle luftfartsmotorer har haft køleproblemer, når de bruges som skubber. For at imødegå dette kan der installeres hjælpeventilatorer, der tilføjer ekstra vægt. Motoren til en skubber udstødes foran propellen, og i dette tilfælde kan udstødningen bidrage til korrosion eller anden skade på propellen. Dette er normalt minimalt og kan især ses i form af sodpletter på bladene.

Propeller og sikkerhed

Piaggio P.180 Avanti med motorer monteret på vingens bagkant, væk fra passagererne, hvilket giver en mere sikker boarding.

I tilfælde af nærhed til propel / hale kan et knivbrud ramme halen eller frembringe destruktive vibrationer, der fører til tab af kontrol.

Besætningsmedlemmer risikerer at ramme propellen, mens de forsøger at redde sig ud af et enmotoret fly med en skubberstøtte. Mindst et tidligt ejektorsæde var designet specielt til at imødegå denne risiko. Nogle moderne lette fly inkluderer et faldskærmssystem, der sparer hele flyet og dermed afværger behovet for redning.

Motor og sikkerhed

Motorens placering i skubbekonfigurationen kan bringe flyets beboere i fare ved et sammenstød eller en landing, hvor motormomentet rager gennem kabinen. Når motoren f.eks. Er placeret direkte bag kabinen, kan motorens momentum bære motoren igennem firewallen og kabinen under en næsestød, og det kan skade nogle eller flere passagerer i kabinen.

Flyvning og sikkerhed

Drejende propeller er altid en fare ved arbejde på jorden, f.eks. Ved indlæsning eller ombordstigning af flyet. Traktorkonfiguration efterlader den bageste del af flyet som et relativt sikkert arbejdsområde, mens en skubber er farlig at nærme sig bagfra, mens en roterende propel kan suge ind ting og mennesker i nærheden af ​​det med fatale resultater for både flyet og de mennesker, der suger i. Endnu farligere er losningsoperationer, især luft, såsom at tabe forsyninger på faldskærm eller faldskærmsudspring, som næsten er umulige med et skubkonfigurationsfly, især hvis propeller er monteret på skroget eller sponsoner.

Se også

Referencer

Bemærkninger

Citater

Kilder

  • Gunston, Bill (2004). Cambridge Aerospace Dictionary Cambridge . Cambridge University Press. s. 480. ISBN 978-0521841405.
  • Guttman, Jon (2009). Pusher Aces of World War 1 . Osprey Aircraft of the Aces 88. Oxford, UK: Osprey. ISBN 978-1846034176.
  • Raymer, Daniel P. (1992). Aircraft Design: En konceptuel tilgang . AIAA Education Series. Washington, DC: American Institute of Aeronautics and Astronautics. ISBN 978-0930403515.
  • Abzug, Malcolm J .; Larrabee, E. Eugene (2005). Flystabilitet og kontrol: En historie om de teknologier, der muliggjorde luftfart . Cambridge Aerospace Series 14 (2. udgave). Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press. ISBN 978-0521809924.
  • Stinton, Daroll (1983). Flyets design . Oxford, Storbritannien: BSP Professional Books. ISBN 978-0632018772.
  • Hoerner, Gihard F .; Borst, Henry V. (1985). Fluid-Dynamic Lift - Praktisk information om aerodynamisk og hydrodynamisk lift . Brick Town, New Jersey: Fru Liselotte Hoerner. LCCN  75-17441 .