Ist es praktikabel, Turbofan- oder Staustrahltriebwerke in einen Verkehrsflugzeugflügel zu integrieren?

Der erste Turbofan, der Rolls-Royce Conway , hatte ein Bypass-Verhältnis von nur 0,25, um einen ausreichend kleinen Durchmesser für die Platzierung in Flügelwurzeln zu haben. Es war ursprünglich für die V-Bomber und geplante zivile Derivate davon geplant. Also ja, es ist praktisch, ein Turbofan-Triebwerk in den Flügel einzubauen, hat aber seinen Preis:

• Eine verdeckte Motorplatzierung verschiebt das Optimum zu kleineren Bypass-Verhältnissen, was die Kraftstoffeffizienz verringert.

Als nächstes ist Ihre Vorderkante jetzt von einem Einlass belegt und kann keine der möglichen Vorderkantenvorrichtungen verwenden, um den Auftrieb bei niedriger Geschwindigkeit für den Start oder die Landung zu erhöhen. Gleiches gilt für die Hinterkante. Die Konsequenz ist:

• Die Platzierung von vergrabenen Triebwerken erfordert einen größeren Flügel, da die Verwendung von Hochauftriebsvorrichtungen in der Nähe der Triebwerke nicht möglich ist.

Größere Flügel wiegen mehr und erzeugen im Reiseflug mehr Luftwiderstand. Der letzte Grund ist vielleicht der wichtigste: Im Betrieb ist ein Pod-Motor viel einfacher zu warten und zu reparieren als ein vergrabener. Die niedrigeren Wartungskosten waren der Hauptgrund für Pod-Triebwerke in den späteren Mitgliedern der ersten Generation von Verkehrsflugzeugen ( Boeing 707 , DC-8 , Convair 880 ).

• Vergrabene Motorplatzierung treibt die Wartungskosten in die Höhe.

Es gibt weniger Designs mit Staustrahltriebwerken, von denen viele nie in die Luft gingen . Dabei wurde meist die Platzierung in der Flügelebene gewählt, um schubbedingte Nickmomentänderungen zu vermeiden. Ein Staustrahlflugzeug wird jedoch am besten bei hoher Geschwindigkeit verwendet, und dann müssen Sie die Flügeldicke niedrig halten, um den Wellenwiderstand zu verringern . Daher kann die Motorplatzierung nicht mehr wirklich als begraben bezeichnet werden, ist aber näher an der begrabenen als an der Pod-Variante.

Das beste Beispiel ist die unten abgebildete Drohne Lockheed D-21 ( Quelle ). Da das Flugzeug praktisch ein Staustrahlflugzeug mit Flügeln ist, dominiert der Motor das Erscheinungsbild.

Aufgrund des hohen Schubs, der für den Überschallflug benötigt wird, halten Überschallflugzeuge ihre Triebwerke nahe am Flügel, und Konstruktionen mit Pod-Triebwerken wie der Convair B-58 oder der Myasishchyev M-50 waren die Ausnahme. Stealth-Flugzeuge möchten den heißen Auspuff verstecken und verwenden häufig eine überflügelige Auspuffposition, wodurch ihre Motorplatzierung auch zu einer vergrabenen wird. Sie könnten argumentieren, dass sich der Motor des unten abgebildeten Lockheed RQ-3 ( Quelle ) tatsächlich im Rumpf befindet, aber als Nurflügler keinen hat:

Der RQ-3 und ähnliche Konstruktionen wie der Northrop B-2 zeigen deutlich, dass eine Turbofan-Triebwerksposition innerhalb des Flügels tatsächlich sehr praktisch ist.

Das Buch Synthesis of Subsonic Airplane design von E. Torenbeek enthält einige Abschnitte über die Platzierung von Strahltriebwerken. Dem Verfasser zufolge wurde der unterirdische Motoreinbau von britischen Designern und Pod-Motoren von amerikanischen Designern bevorzugt.

Abbildung 2-12 zeigt vier Bombergrundrisse, einen amerikanischen und drei britische. Die Flügelfläche der britischen Konstruktionen ist im Vergleich zum Flügel der B-47 ziemlich groß, um Platz für die Motoraufhängung zu bieten, während die Spannweite identisch ist. Das Buch erwähnt dann einige der Vorteile von an der Flügelwurzel montierten Motoren:

2.3.2

a. Der zusätzliche Widerstand, der sich aus der unterirdischen Motorinstallation ergibt, beträgt nur wenige Prozent gegenüber etwa 15% des Gesamtwiderstands im Fall einer Konfiguration ähnlich der B-47. Die aktuelle Turbofan-Generation weist übrigens einen Wert von etwa 8 bis 10 % auf.

b. Infolge der geringen Flächenbelastung und des geringen Werts von$C_L$im Reiseflug ist ein Manövrieren ohne Kompressibilitätsprobleme wie Buffeting möglich.

c. Das Pitch-Up-Problem von gepfeilten Flügeln ist für Flügel mit niedrigem Seitenverhältnis weniger signifikant.

d. Aufgrund der geringeren Flächenbelastung wird die Leistung bei niedriger Geschwindigkeit besser sein.

e. Die Flügelkastenstruktur mit relativ niedrigem Seitenverhältnis führt zu größerer Steifheit und Aeroelastizität wird weniger ein Problem sein.

Viele dieser Argumente sind nur bis zu einem gewissen Punkt gültig, und insbesondere der Fortschritt in der Triebwerkstechnologie hin zu Triebwerken mit hohem Nebenstromverhältnis zusammen mit der Entwicklung effizienterer Hochauftriebsvorrichtungen in den Jahren 1950-1970 hat den Fall zugunsten von Hochtriebwerken entschieden Flächenbelastungen und auf Pods montierte Motoren .

An der Flügelwurzel montierte Motoren haben also weniger Luftwiderstand, jedoch bieten an der Flügelkapsel montierte Motoren eine Biegeentlastung des Flügels, was strukturelles Gewicht spart. In Pods vor der Eintrittskante montiert, sorgen sie für eine Torsionsentlastung bei aeroelastischen Effekten wie Flattern. Weniger Luftwiderstand war der einzige direkte Vorteil, keine Motorgehäuse zu haben, alle anderen genannten Vorteile sind auf die Verwendung von Flügeln mit geringem Seitenverhältnis / geringer Spannweitenbelastung zurückzuführen.

Aus Torenbeek Abschnitt 6.5.1

Im Rumpf versenkte Triebwerke können nur eingesetzt werden, wenn die Nutzlast ein relativ geringes Volumen hat und genügend Platz für das Triebwerk mit seinen Ein- und Auslasskanälen und für das Flügelmittelteil vorhanden ist. In der Zivilluftfahrt wird dies in der Regel nur bei kleinen Privatflugzeugen und Schulflugzeugen der Fall sein. Der relativ große Durchmesser moderner High-Bypass-Triebwerke verbietet praktisch den Einbau von Triebwerken, die in den Flügelwurzeln vergraben sind, wie bei Hawker Siddeley Comet und Tupolev 104.

Daher ist es am unpraktischsten, Turbofans in der Flügelwurzel zu installieren, Pods darunter sind in Bezug auf die Wartung wirklich praktisch. Vielleicht Staujets, aber wie kommt das Flugzeug auf die Geschwindigkeit, mit der Staujets operieren können?

Laut Joe Sutter in seinem Buch über das Entwerfen und Implementieren der 747 hatte das Platzieren der Motoren in Pods unter der Tragfläche zwei Vorteile:

Die Motoren waren viel einfacher zu warten.

Bei einem größeren Triebwerksausfall wird der Flügel weniger beschädigt.

In den letzten Jahren verhinderte die schiere Größe der größeren Turbofans, die in Verkehrsflugzeugen verwendet wurden, dass sie innerhalb des Flügels montiert wurden.

In den letzten Jahren gab es zwei katastrophale Triebwerksausfälle bei Airbus A380, bei denen ein Großteil des Triebwerks zerfiel. Beide Flugzeuge blieben flugfähig und wurden ohne weitere Schäden gelandet, so dass sich ein Teil der Konstruktion durchaus bewährt hat.