Warum haben große Flugzeuge ihre Triebwerke meistens an den Flügeln, während kleinere sie eher im Heck oder an der Spitze haben?

Kleine Flugzeuge benötigen sehr niedrig montierte Flügel, um eine anständige Kabinenhöhe zu ermöglichen. Das letzte Verkehrsflugzeug, bei dem die Passagiere auf dem Weg zu ihrem Sitz über den Flügelholm klettern mussten, war die Boeing P-247 . Niedrige Flügel bieten nicht den nötigen Platz für Motoren, daher ist die nächstbeste Position am hinteren Rumpf. Außerdem haben kleine Flugzeuge einen relativ kurzen Rumpf, und das Fahrwerk kann kurz (und leicht) gemacht werden, ohne einen Heckschlag bei der Drehung zu riskieren.

Jäger müssen kleine Trägheitsmomente haben, insbesondere beim Rollen, sodass sie es sich nicht leisten können, Triebwerke an den Flügeln anzubringen. Auch die Me-262 war ursprünglich mit rumpfmontierten Triebwerken geplant, deshalb hatte sie diesen eigentümlichen dreieckigen Rumpfquerschnitt. Erst als die Triebwerke während der Entwicklung im Durchmesser wuchsen, mussten sie auf dem Flügel platziert werden.

Vorteile von Heck- / Rumpfmotoren:

• Der Flügel ist sauber, hat einen geringen Luftwiderstand und optimale Bedingungen für die Erzeugung von Auftrieb.
• Die Motoren sind leicht zugänglich (wenn sie am hinteren Rumpf montiert sind. Anders bei vergrabenen Motoren!).
• Kleineres Seitenleitwerk für asymmetrische Schubbedingungen erforderlich.
• Kürzeres, leichteres Fahrwerk möglich (wenn die Rotationsfähigkeit nicht beeinträchtigt wird).
• Geringe Rollträgheit.

Nachteile von hinten montierten / rumpfmontierten Motoren:

• Keine Biegeentlastung für den Flügel; schwerer Flügelholm benötigt.
• Keine Hilfe bei der Flatterunterdrückung (eine Masse vor der elastischen Linie hilft).
• Mögliche Interferenz mit Flügelnachlauf bei hohem Anstellwinkel.
• Zwingt das Heck zu einer T-Tail-Konfiguration.
• Mehr Struktur erforderlich, um die Schubkräfte nach vorne zu tragen.
• Das Ansauggeräusch ist stärker hörbar, insbesondere für die Passagiere auf den Rücksitzen.

Dieses Bild einer Cessna Citation X sollte den Punkt gut veranschaulichen.

Ein grundlegender Faktor bei der Konstruktion eines Flugzeugs ist der benötigte Schub. Um die Leistungsanforderungen zu erfüllen, werden ein oder mehrere Motoren verwendet. Faktoren, die die Auswahl beeinflussen, sind Gesamtmotorgröße, Leistung, Effizienz, Kosten, Material und thermische Einschränkungen während Betriebsbedingungen wie Start, maximaler Dauerbetrieb, maximaler Steigflug und maximaler Reiseflug. Die Installation muss mit möglichst geringem Gewicht, Luftwiderstand und Kosten erfolgen.

Die Positionierung wird durch aerodynamische Faktoren wie Luftwiderstand, Flugzeugleistung und Manövrierfähigkeit – Nickmomente ändern sich um den Schwerpunkt herum – und Luftstrom durch das Triebwerk, strukturelle und rein funktionale/Sicherheit wie Trümmerinjektion in das Triebwerk während der Landung oder des Starts angezeigt. All dies soll Ihnen nur einen kleinen Vorgeschmack geben, wie das Verfahren abläuft.

Im Allgemeinen ist die Auswahl des richtigen Motors oder der richtigen Kombination von Motoren und der optimalen Positionierung ein ziemlich komplizierter und manchmal sehr langwieriger Prozess.

Wie auch immer, die Schubkraft wird – unter Berücksichtigung des für die Zertifizierung, Leistung usw. erforderlichen Minimums und Maximums – auf die Triebwerke aufgeteilt. Lassen Sie uns nun jeden Flugzeugtyp in Ihrer Frage einzeln ansprechen und versuchen, die Logik hinter der Positionierung zu verstehen:

Jagdflugzeuge :
Diese haben keine Triebwerke im Heck (z. B. haben sie keine Druckstützen), normalerweise befinden sich die Jets entweder unter dem Rumpf , wie beim Eurofighter Typhoon , in den Rumpf integriert, oder das Cockpit sitzt auf der Jet-Gondel wie beim Corsair II , wobei sich die Austrittsdüse in allen Fällen hinten befindet. Der Grund für diese Positionierung ist der Bedarf an Leistung und hoher Geschwindigkeit. Abgesehen davon ist der Rumpf der einzige Ort, an dem die Triebwerke die Montage von Raketen und anderer Munition auf den Flügeln nicht behindern, wo sie bei Bedarf und mit Leichtigkeit platziert, inspiziert und ausgetauscht werden können.

Große Passagierflugzeuge ( wie die Boeing 747 ):
Das Hauptmerkmal dieses Typs ist, dass der Platz im Rumpf für die Unterbringung der Passagiere benötigt wird. Allein dies schließt den Einbau des Triebwerks in den Rumpf aus, wie es bei den Jägern der Fall war. Das Gesamtgewicht steigt, was zu einem Leistungsbedarf führt. Letzteres erfordert entweder einen sehr großen Einzelmotor oder mehrere kleinere - was normalerweise der Fall ist - die um den Körper verteilt werden müssen, was es logisch macht, sie unter den Flügeln zu platzieren.

Mittelgroße/kleine Passagierflugzeuge (wie die Cessna Citation Mustang oder Dassault Falcon 900 ):
Wenn das Flugzeug kleiner wird und der Abstand der Flügel vom Boden kleiner wird, können die Triebwerke nicht ohne praktische Probleme unter den Flügeln montiert werden. Die Motoren bewegen sich also zum Heck, wo der Rumpf verstärkt werden muss, um das zusätzliche Gewicht zu tragen. Die Gesamtleistung des Flugzeugs unterscheidet sich von der eines Flügelmotorflugzeugs, da der Schwerpunkt nach hinten bewegt wird, wenn er leer ist.

Kleine Cessnas und andere haben einen einzelnen Motor in der Nase, weil sie, wie inzwischen offensichtlich sein sollte, die Leistung benötigen, die von diesem einzelnen Motor bereitgestellt werden kann, und aus Gründen der Symmetrie und der Baukosten.

All dies ist ein kurzer Versuch, den allgemeinen Denkprozess hinter der Positionierung der Motoren zu demonstrieren. Jeder Weg hat seine Vor- und Nachteile, die jeder Ingenieur berücksichtigt, und obwohl dies die allgemeinen Konfigurationen sind, gibt es Ausnahmen. Einige sind diese asymmetrische BV 141 oder diese DC-10 , die sowohl Flügel- als auch Heckmotoren hat.

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Auch das Nose-Up-Moment beim Beschleunigen und ebenso das Nose-Down-Moment beim Verzögern bei einem Under-Wing-Triebwerksdesign sind günstig für stabile Flugeigenschaften. (der Schwerpunkt liegt vor dem Druckmittelpunkt)

Flugzeuge mit Hecktriebwerken verhalten sich umgekehrt: Sie erzeugen beim Beschleunigen ein Bug-Down-Moment um ihre Querachse. Dies wiederum verursacht mehr Luftwiderstand und schließlich mehr Geld. Während des Abbremsens kann der Moment der Nase nach oben gefährlich sein, wenn man eine Beinahe-Stall-Situation oder einen langsamen Flug im Allgemeinen betrachtet.

Vor allem wegen der Anzahl der Motoren. Wenn Sie mehr als einen Motor haben, wird es schwierig, beide in die Mitte zu stellen. Es ist möglich, es gibt Jäger mit zwei mittleren Triebwerken, aber es ist sinnvoller (weniger Lärm, einfachere Wartung usw.), sie in den Flügeln zu platzieren.

Hinzu kommt ein Gewichtsvorteil. Die Flügel heben das Flugzeug an, die Triebwerke sind ein wesentlicher Gewichtsbestandteil des Flugzeugs. Wenn also das Gewicht dort ist, wo der Auftrieb erzeugt wird, müssen Sie die Struktur nicht verstärken, um die Kräfte herumzutragen. Daher leichtere Struktur.

Wenn Sie einen Motor haben, muss er ziemlich genau auf der Mittellinie sein. Andernfalls hätten Sie einen asymmetrischen Schub und müssten das Ruder die ganze Zeit auslenken, um einen geraden Flug aufrechtzuerhalten. Dies verursacht einen Widerstand. Legen Sie es in einer "Traktor" -Konfiguration auf die Vorderseite. Oder auf der Rückseite in einer "Pusher" -Konfiguration. Oder oben drauf (siehe Lake Buchaneer/Renegade). Legen Sie es in jedem Fall auf die Mittellinie des Flugzeugs.

Wenn Sie zwei oder drei Motoren haben, möchten Sie diese normalerweise so nah wie möglich an der Mittellinie. Für den Fall, dass einer der Motoren (absichtlich oder aus anderen Gründen) abschaltet, möchten Sie aus dem oben genannten Grund, dass der verbleibende Schub so nah wie möglich symmetrisch ist. Bill Lear sagte gern, dass in einem zweimotorigen Flugzeug jedes Triebwerk gerade stark genug sei, um einen zum Absturzort zu bringen. Das bedeutet, dass bei vielen zweimotorigen Flugzeugen, wenn Sie ein Triebwerk verlieren, das andere Triebwerk Sie in der Luft halten könnte, bis Sie dem asymmetrischen Schub nicht mehr entgegenwirken können und Sie die Kontrolle verlieren und abstürzen. Aus diesem Grund haben alle Lear-Jets am Rumpf montierte Triebwerke (so nahe wie möglich an der Mittellinie) und das letzte Flugzeug, das er entwickelte (der Lear-Fan), hatte zwei Turboprop-Triebwerke, die nur einen Propeller antreiben. Wenn Sie einen der Motoren in DIESEM Vogel verloren haben,

Es gibt Flugzeuge mit > 3 Triebwerken, die nahe am Rumpf montiert sind. Der Lockheed JetStar kommt mir in den Sinn, ebenso wie der Comet. Leider verursacht das Nebeneinanderstellen mehrerer Düsentriebwerke Probleme mit dem Luftstrom um die Lufteinlässe herum, was die Effizienz der Triebwerke verringern kann.

In der Zwischenzeit haben Sie auch das Thema Gewicht. Flugzeuge sind so konstruiert, dass der Schwerpunkt (oder Massenmittelpunkt, wenn Sie es vorziehen) auf den Flügeln liegt, weil dort der Auftrieb ist. Eines der schwersten Dinge, die ein moderner Jetliner trägt, ist ... Treibstoff. Es überrascht nicht, dass viele von ihnen den größten Teil ihres Treibstoffvorrates in ihren Flügeln haben. Ein weiteres der schwersten Dinge, die sie tragen, sind ... die Motoren. Wenn Sie die Motoren an den Flügeln anbringen, müssen Sie eine Seitenflosse und ein Seitenruder von beträchtlicher Größe haben, um es in einer Situation mit ausgefallenem Motor gerade zu halten, aber die Vorwärts-Heck-Gewichtsbalance funktioniert gut. Das ganze Gewicht auf die Flügel zu legen bedeutet auch, dass der Rest des Rumpfes weniger Last trägt, was bedeutet, dass die Struktur relativ leichter sein kann.

Bei großen Jetlinern mit massiven High-Bypass-Turbofans sollten die Einlässe für maximale Effizienz so weit wie möglich voneinander entfernt sein, und Sie möchten, dass sie nahe an den Flügeln liegen, damit ein Großteil des Gewichts und des Auftriebs leicht verbunden werden können. In der Lage zu sein, die Schwerkraft zu nutzen, um Kraftstoff von den Flügeln in die Motoren abzulassen, bedeutet natürlich auch, dass die Motoren bei elektrischen Problemen mit größerer Wahrscheinlichkeit Kraftstoff erhalten (was die Kraftstoff-Boost-Pumpen abschalten könnte).