Warum haben VTOL-Flugzeuge (F-35 oder Harrier) nur einen Motor?

VTOL-Flugzeuge können mehr als einen Motor haben. Es ist nur so, dass der Designprozess des Harrier und des F-35 zu einer Situation führte, in der nur ein Motor benötigt wurde.

Die größte Herausforderung bei jedem VTOL-Flugzeug besteht darin, dass das Triebwerk in zwei verschiedenen Flugphasen Schub erzeugt: während des Reiseflugs und während des Starts/der Landung. Dies erfordert grundsätzlich, dass das Triebwerk des Flugzeugs in diesen beiden Phasen zwei unterschiedliche Eigenschaften aufweist, weil

• Die Richtung des Schubvektors ist bei TO/Landing und Cruise unterschiedlich
• Die erforderliche Schubkraft ist unterschiedlich; Für vertikales TO sollte der Schub größer sein als das Gewicht, während im Reiseflug der erforderliche Schub (vergleichsweise) ziemlich gering ist.

Zur Lösung dieses Problems wurden verschiedene Ansätze versucht:

• Starten Sie das Flugzeug vertikal (auch bekannt als Hecksitter), wie Ryan X-13 Vertijet , und wechseln Sie dann in den horizontalen Flug. Ein Hauptproblem besteht jedoch darin, dass der Pilot während des Übergangs schwere Desorientierungsprobleme hat
• Setzen Sie zusätzliche Lüfter ein, wie den Ryan XV-5 Vertifan . Das Problem war die große (Flügel-)Fläche, die vom Lüfter eingenommen wurde, und Gewichtsnachteile. Ironischerweise wurde ein ähnliches Konzept in F-35 verwendet
• Setzen Sie zusätzliche Motoren speziell für den vertikalen Auftrieb ein (auch bekannt als das "Rolls Royce Concept"), die in Dassault Mirage Balzac verwendet werden . Obwohl dies (theoretisch) mehr Sicherheit bot, war die Gewichtsstrafe zu hoch.
• Optimieren Sie das Haupttriebwerk für den Reiseflug und lenken Sie den Schub für den Start ab und verstärken Sie es mit (kleinen) Auftriebstriebwerken (auch bekannt als Tiltjet-Konzept), wie dem deutschen EWR VJ 101 . Dies reduzierte den Gewichtsnachteil und die Komplexität, verringerte jedoch die Sicherheit im Falle eines Motorschadens.

Um die Gewichtsstrafe zu vermeiden, besteht der beste Ansatz darin, überhaupt keine zusätzlichen Triebwerke zu haben, wobei der Schub beim Start und bei der Landung nach unten abgelenkt wird. Dies wurde als "Vektorschub" bezeichnet (ein Begriff, der Theodore von Karman zugeschrieben wird). Dieses Konzept wurde in der Bell X-14 getestet , die feste Triebwerke und Schubvektorschaufeln hatte, die den Auspuff umlenkten, um einen vertikalen Auftrieb zu erreichen.

Quelle: history.nasa.gov

Im Falle des Harrier wurde der Motor Bristol Siddeley Pegasus zuerst entwickelt (als BE.53) und das Hawker-Flugzeug beschloss, ein Flugzeug darum herum zu entwickeln.

Während des Designprozesses wurde das Flugzeug um die von Hawker modifizierte BE 53 herum neu gestaltet, deren hinterer Jet in zwei Teile geteilt wurde, wie die Hawker Sea Hawk , die eine ähnliche Anordnung hatte. Dies führte im Harrier zum „Vierposter“-Schubvektorsystem.

Quelle: www.aerospaceweb.org

Aus diesem Grund hatte der Harrier einen einzigen Motor.

Der Fall von F-35 ist anders. Die F-35 wurde entwickelt, um Flugzeuge zu ersetzen, die von einer Reihe von US-Diensten betrieben werden, und hatte als solche widersprüchliche Designanforderungen. Auf der einen Seite wollte die USAF einen konventionellen Jäger, während die USMC ein VTOL-Flugzeug wollte. Die USN-Anforderungen lagen irgendwo in der Mitte.

Die Designer von Lockheed entschieden, dass der beste Weg, diese Anforderungen zu erfüllen, darin besteht, einen separaten Lüfter zum Anheben des Flugzeugs in VTOL zu haben, der in den USAF- und USN-Varianten einfach eliminiert werden kann. Dies führte zur Lift-Fan-Anordnung (der Vertifan-Anordnung unheimlich ähnlich).

„ F-35B Joint Strike Fighter (Thrust Vectoring Nozzle and Lift Fan) “ von Tosaka – Eigenes Werk. Lizensiert unter CC BY 3.0 über Commons .

Im Fall von F-35 war also die Verwendung eines einzelnen Triebwerks der beste Weg, um die Anforderungen zu erfüllen. Das verwendete Triebwerk, das Pratt & Whitney F135 , ist das leistungsstärkste Kampfstrahltriebwerk im Einsatz, was dazu beiträgt, F-35 zum ersten Überschall-VTOL-Flugzeug zu machen.

Vergessen Sie nicht die V-22. Der V-22 hat beim Militär Probleme gehabt, weil zwei Triebwerke in jedem Triebwerk unterschiedlichen Schub erzeugen können, also kann es zu Problemen kommen.

Zum Beispiel ein plötzlicher Schubverlust auf einer Seite aufgrund eines mechanischen Problems, Druckstoß, FOD usw. Die Einstellung kann zu einer Position führen, die einen Auswurf nicht begünstigt.

Viele VTOL-Flugzeuge haben zwei Triebwerke: Bell 212, EC135, MH-53. Es gibt sogar einen mit drei Triebwerken, den CH-53E. Ja, Helikopter sind auch Flugzeuge. Bei diesen treiben alle Motoren eine Antriebsvorrichtung an, und das bedeutet praktischerweise, dass sich die Lage des Schubpunkts nicht ändert, wenn ein Motor ausfällt.

Wie @Ryatt Broach erwähnt, verfügt der V-22 über ein kompliziertes System, das es einem Motor ermöglicht, zwei Rotoren anzutreiben, ebenso wie der CH-46.

Der Harrier könnte zwei Motoren in einem Antriebskrümmer blasen lassen und auch ein bisschen redundante Antriebssicherheit genießen. Aber es gibt viele Kompromisse beim Flugzeugdesign, und der Harrier hat sich ziemlich gut geschlagen.