Was wären die Nachteile der Verwendung eines rotierenden Motors als Schubumkehrer in Verkehrsflugzeugen?

Was sind die Nachteile, wenn Triebwerke so in einem Flugzeug montiert sind, dass ihre Richtung für beste Leistung und Effizienz hydraulisch gesteuert werden kann? Die Idee wäre, das Triebwerk bei der Landung um 180 Grad zu drehen, damit es als Schubumkehrer arbeiten kann, sogar auf Jumbos wie dem Airbus A380 und der Boeing 747. Das wäre eine ernsthafte Schubumkehrkraft.

Ja, im Prinzip. Aber wie verwalten Sie, was während des Übergangs passiert? Entweder dreht man sich horizontal und erzeugt massive Seitenkräfte, oder man dreht sich vertikal und saugt beim Übergang den ganzen Dreck von der Piste.
Es wäre eine ernsthafte Leistung: praktisch genug Leistung, um den Rückwärtsflug aufrechtzuerhalten , was viel mehr Leistung ist, als benötigt wird. Das nennt man Overengineering . Die aktuellen Schubumkehrer sind zuverlässig, klein, leicht, reaktionsschnell und tun nicht mehr als nötig.
Oder das ganze Flugzeug, wie die Schlittschuhläufer in einer Show.
Oh man ... Drehimpulsprobleme, FOD-Aufnahme, übermäßige Komplexität, Platzmangel, zusätzliches Gewicht, langsame Reaktionszeit ... ganz zu schweigen davon, dass alle (derzeit) festen externen Verbindungen zum Motor (Kraftstoff, Strom, Steuerung , usw.) müssten jetzt gelöst und bewegt werden - allein die Wartungskopfschmerzen dafür sind erschreckend. Es ist in fast jeder Hinsicht eine schreckliche Idee.
Zusätzlich zu all den anderen Problemen, die die Leute nennen, wundere ich mich über das Risiko eines Kompressorstillstands. Wären die Motoren in der Lage, die Arbeitsdruckverhältnisse aufrechtzuerhalten, wenn sie rückwärts gedreht werden? Natürlich können auch normale Schubumkehrer Kompressorstillstände erzeugen.
Abgesehen von all den technischen Details in der Antwort und den Kommentaren können Sie diese Idee nur wegen eines Problems verwerfen: Wie auch immer Sie versuchen, den Motor zu drehen, wenn er halb gedreht ist, fliegt er effektiv bei einem Seitenwind von 140 Knoten (und das ist eine Mindestzahl - die Flugzeuggeschwindigkeit könnte höher sein.) Vergleichen Sie das mit dem maximal zulässigen Seitenwind für einen 737-800-Start auf einer nassen Landebahn, der nur 27 Knoten beträgt - und das Ignorieren dieser Grenze führt sehr wahrscheinlich zu einer "sehr schnellen Demontage". Betrieb" an den Motoren!
Geistiges Bild: Wollen Sie wirklich den vollen Schub aller Triebwerke haben , die die Flügel des Flugzeugs herausziehen , sie in ihre Wurzeln treiben oder die Flügel während des Vorwärts-Rückwärts-Schwingens der Triebwerke, insbesondere bei der Landung , zum Boden ziehen ?
Ihr Titel fragt nach Flugzeugen, aber der Text erwähnt Flugzeuge. was genau interessiert dich?
Größere Radbremsen sind billiger, sicherer und leichter :)
@Koyovis Ich würde gerne eine solche Standardlandepraxis sehen.

Antworten (8)

Über die Masse des Motors würde ich mir keine Gedanken machen. Das ist eigentlich nicht das größte Problem. Stattdessen würde mich der Drehimpuls viel mehr erschrecken . Diese Turbine hat ein großes Trägheitsmoment und auch eine höhere Winkelgeschwindigkeit. Um sie umzudrehen, müssen Sie die Winkelgeschwindigkeit umkehren. Es dreht im Wesentlichen ein Gyroskop um, aber dies ist ein Gyroskop, das mehrere Tonnen wiegt.

Genau das, was ich dachte. Nehmen Sie den Vorderreifen von einem Fahrrad und halten Sie die Achse in Ihren Händen (möglicherweise benötigen Sie Trickverlängerungen, um dies richtig zu machen). Drehen Sie es auf den Kopf. Ziemlich einfach. Jetzt lassen Sie es von jemandem drehen und dasselbe tun (höchstens 100 U / min). Sie werden feststellen, dass es nicht so einfach ist. Ich kann mir den Schwung einer Düsenturbine, die sich mit 10.000 U / min dreht, nicht vorstellen
Wenn Sie versuchen, ein Gyroskop in der Luft umzudrehen, wird das Gyroskop versuchen, Sie umzudrehen. So drehen sich Raumschiffe.
Und doch tut der V-22 genau das.
@Koyovis Ja, 90-Grad-Drehung in 12 Sekunden für ein Triebwerk, das ein Zehntel der Größe eines RB-211 einer 747 hat. Sie wären von der Landebahn abgekommen, bevor sie für Rückwärtsschub umgedreht wurden, und auf der Kuhweide, wenn Sie jemals herumfahren müssten.
Mit gutem Design lösbar : 1) Seitenstrahlruder, ähnlich einem Schubumkehrer, um dem entgegenzuwirken. 2) Triebwerkspaare rotieren gegenläufig, A400M-Stil, heben sich gegenseitig auf, ja, mir ist bewusst, dass nur die Requisiten gegenläufig rotieren, nicht der Triebwerkskern, aber ich denke: 3) Teile jedes Triebwerks drehen sich gegeneinander , indem es innerhalb der Engine gelöscht wird; z. B. entgegengesetzt drehende Spulen oder Lüfter oder Propeller, die so ausgerichtet sind, dass sie sich entgegengesetzt zu den Spulen drehen (die Hälfte der A400-Motoren).
Nun, gegenläufig oder nicht, das Drehmoment, das zum Drehen einer laufenden Turbine erforderlich ist, ist zu hoch, und die Kraft, die Sie von einem beliebigen Fixpunkt aus aufbringen müssen (auch wenn dies durch eine andere Drehung ausgeglichen wird), bedeutet die Struktur, die Sie um diesen Fixpunkt herum bauen muss extrem robust sein. Die Lager und die Achse machen den "Rotator" wahrscheinlich größer als das Turbinenhaus ...
@Harper Eine Schiffsladung Technik, die auf ein schlechtes Design geschraubt wird, macht es nicht zu einem guten Design.

Der erste Nachteil wird die Reaktionsgeschwindigkeit sein. Der Motor ist groß und schwer, so dass Sie das Ganze nicht in einer Zehntelsekunde herumdrehen können. Realistischerweise dauert es ein paar Sekunden, um es herumzuwirbeln. Ein herkömmlicher Schubumkehrer bewegt nur eine sehr kleine Masse (kleine Klappen usw.), kann also viel schneller reagieren.

Der zweite Nachteil ist das Gewicht. Jede Art von Rotationssystem wird sehr schwer. Sie werden Tausende von Pfund herumfliegen, die während des gesamten Fluges nur für wenige Sekunden verwendet werden.

Drittens wird Zuverlässigkeit / Sicherheit sein. Was würde passieren, wenn Ihr Motor herumdreht, obwohl Sie es nicht wollten? Was passiert zB, wenn das Rotationssystem ausfällt und Sie beim Start einen Motor herumdrehen? Das wäre natürlich schlecht. Sie müssen das System so entwerfen, dass die Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Umkehrung im Wesentlichen Null ist. Das ist möglich, aber es wird eine Menge Kosten in das System treiben.

Es wird nur Nachteile und einige kleine praktische Probleme geben, wie zum Beispiel, wie die Luft in den Motor strömt, wenn der Einlass nach hinten zeigt und wir gerade mit 150 Knoten gelandet sind.

Gegenwärtige Schubumkehrer erreichen etwa 50–60 % des Rückwärtsschubs, und das System wiegt zwischen 15 und 20 % des Trockengewichts des Triebwerks. Sie sind auf nassen und vereisten Pisten sehr nützlich, müssen aber für die wenigen Male, die sie einen Unterschied machen, um die Welt geschleppt werden.

Tatsächlich gab es einen NASA-Bericht mit dem Titel „ Why Do Airlines Want and Use Thrust Reversers? Nennen Sie alle oben genannten Nachteile, erwähnen Sie, dass die Einsparungen bei den Bremsen geringer sind als die Kosten der Schubumkehrer, und untersuchen Sie, welche Alternativen die Fluggesellschaften wünschen. Das Hauptinteresse galt der Verwendung von Ventilatoren mit variabler Steigung, damit der Ventilator den Rückwärtsschub wie Propeller erzeugen kann. Wiegt auch weniger als ein klassischer Schubumkehrer.

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Ein Artikel von 1972 aus dem Flight Magazine über die Entwicklung von Impeller mit variabler Steigung. Es funktionierte tatsächlich: Es konnte durch Einstellen der Lüfterblattneigung einen Rückwärtsschub erzeugen. Ein bewährtes Arbeitsdesign, immer eine bessere Option!

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es scheint, als hätte ein Lüfter mit variabler Steigung viele verschiedene Probleme, die hauptsächlich mit der Auswirkung auf den Luftstrom zu nachgeschalteten Komponenten wie dem Niederdruckkompressor zusammenhängen. Der Luftstrom durch den Kern muss ungehindert bleiben, damit der Kern weiterläuft. Klingt wie ein Kompressorstoß, der darauf wartet, passiert zu werden. Würden die Blätter nicht auch die benachbarten Blätter treffen, während sie sich mit negativer Steigung drehen? Andernfalls müsste die Breite der Schaufeln reduziert werden, um dies zu verhindern.
Ja, in der Tat. In einem alten Lehrbuch von mir wird eine von Dowty-Rotol entworfene Lösung erwähnt, die es aber offensichtlich nicht in den Mainstream geschafft hat.
@reirab Und doch hat der Progress D-27 keine Probleme zu funktionieren. Außerdem ist der eigentliche Motor nicht mehr und nicht weniger als eine moderne Spitzeneinheit oder ein Zerstörermotor (die aeroderivative Art, nicht die riesige gusseiserne Basisart), er muss nicht axial zum Lüfter sein, oder sein Einlass könnte abgeführt werden anderswo (727/L1011).

Die Flugzeuge würden die Fähigkeit verlieren, die Landung plötzlich abzubrechen.

Wenn kurz vor oder sogar kurz nach dem Aufsetzen etwas Unerwartetes passiert, haben die Piloten die Möglichkeit, aufzugeben, den Schub auf Maximum zu stellen und „wieder abzuheben“. Versuchen Sie dann erneut zu landen, je nach Problem vielleicht woanders. Es ist ein wichtiges Sicherheitsmerkmal.

Wenn die Schubumkehrer viel langsamer auszuschalten sind und die Triebwerke wieder in Position gebracht werden müssen, wird diese Kapazität stark verringert. Also weniger sicher, es sei denn, Sie können es so schnell machen wie aktuelle Schubumkehrer.

Vielleicht kann mich jemand korrigieren, der ein Verkehrsflugzeug fliegt, aber ich hatte den Eindruck, dass das Einsetzen der Schubumkehrer in den meisten (oder allen?) Verkehrsflugzeugen sowieso eine Verpflichtung zur Landung darstellte. Siehe zum Beispiel Warum müssen Sie sich zu einer vollständigen Landung verpflichten, wenn Rückwärtsschub ausgewählt ist?

Einige Flugzeuge (vertikale Start- und Landungsboote) können etwas relativ Ähnliches mit variabler Schubrichtung tun. Bei der Liste der VTOL-Flugzeuge sollte beachtet werden, dass die Rotation im Allgemeinen entweder aufgrund der Kanalisierung (z. B. der Harrier Jump Jet ) oder der Rotation der Flügeloberflächen (z. B. einer Bell V-22 Osprey ) auftritt.

Betrachtet man den Flügel eines A380, ist keines davon wirklich machbar (wobei die 747 sehr ähnlich ist)

Der sicherste Weg, den Motor zu drehen, wäre, ihn nach hinten zu neigen, damit er vor der Umkehr noch Auftrieb bietet (ein Gieren würde alle Arten von Chaos in der Flugzeugzelle und der Steuerung verursachen). Sie müssten also den Motor am Pylon drehen. Das bedeutet einen größeren Pylon und eine Möglichkeit, den Motor zu bewegen, damit das Gehäuse die Rückwärtsneigung vervollständigen kann. Aber dafür reicht der Platz nicht aus. Sie müssten den Motor zuerst irgendwie vor dem Flügel ausfahren und ihn dann um seine Achse drehen. Das ist viel Arbeit für wenig Nutzen.

Können Sie erläutern, wie das Gieren Probleme verursachen würde? Ist der Flügel nicht so konstruiert, dass er entlang seiner Länge Druckbelastungen aufnimmt, oder etwas anderes? Ich würde davon ausgehen, dass das Gieren an entgegengesetzten Flügeln in entgegengesetzte Richtungen erfolgen würde, sodass Sie zumindest keinen Nettoschub außerhalb der Achse haben würden.
@MichaelSeifert Ich bin kein Experte für Flugzeugzellen, aber selbst wenn Sie alle Triebwerke zum Ausgleich gedreht haben, fügen Sie dem Rahmen eine gewisse Druckspannung hinzu, indem Sie ein Gieren anstelle eines Nickens ausführen. Wenn man auch nur den geringsten Biss hat, riskiert man jetzt, in den kritischen Momenten vor der Landung die Kontrolle zu verlieren.
Bei einem 4-motorigen Flugzeug drehen Sie die Motoren so, dass die Lüfter vom Rumpf weg zeigen – am Ende zeigt der heiße Auspuff auf den Rumpf und der äußere Motor versucht, den inneren zu schmelzen. Drehen Sie so, dass die Lüfter zum Rumpf zeigen, jetzt sind Sie darauf beschränkt, dass nur der innere Motor versucht, den äußeren zu schmelzen. (Oh, und Sie haben einen Motor, der direkt in den Einlass des anderen strömt, egal in welche Richtung sie sich drehen.)
Sie werden meistens (nach 90 Grad Drehung) mit 4 Aerobremsen einer so großen Oberfläche enden, dass Sie sehr steil tauchen müssen, um einen Strömungsabriss zu vermeiden, und möglicherweise umgekehrt tauchen (stellen Sie sich einen Pitch-Down-Moment vor).
@qqjkztd Schubumkehrer werden normalerweise sowieso nicht in der Luft eingesetzt. Sie werden in der Regel nach dem Aufsetzen eingesetzt.

Gegenwärtige Schubumkehrer ermöglichen es Flugzeugen, in derselben oder einer geringeren Entfernung zu landen, in der sie auch starten können, ohne dass riesige Fahrwerke und Bremsen erforderlich sind. Eine Verkürzung der Landestrecke wird bei kürzeren Flugplätzen nicht helfen, es sei denn, die Startstrecke wird ebenfalls verkürzt. Andernfalls bleibt das Flugzeug auf diesem kleineren Flughafen, bis es zerlegt und abtransportiert wird.

Hier ist ein Video einer C17 , die zur MacDill AFB geflogen war, aber versehentlich auf einem kleinen unkontrollierten Regionalflughafen gelandet ist. Ein kleines Problem, da die Landebahn 3400 Fuß lang war und die C17 eine Startstrecke von 3500 Fuß hat. Entladen der Fracht, ein Minimum an Treibstoff und ein sehr mutiger Pilot bringt es wieder vom Boden ab.

Ein leistungsfähigerer Schubumkehrer würde also Kosten, Gewicht, Komplexität und mehr Fehlerpunkte hinzufügen, ohne einen wirklichen Nutzen zu erzielen. Mit einem STOL-Design könnte man die Startstrecke verkürzen, aber das würde auch die Landestrecke aufgrund einer geringeren Mindestfluggeschwindigkeit verkürzen.

Betrachten Sie schließlich das einzige Flugzeug, das heute Rotationsmotoren hat: die V22 Osprey. Es hatte einen sehr schwierigen Entwicklungszyklus, der sich über 20 Jahre erstreckte. Als Bell eine kleinere Version für die US-Armee, die V280 Valor, entwarf, entschied man sich dafür, nicht die Motoren zu drehen, sondern nur die Rotorköpfe mit einer cleveren Kegelradanordnung, die von am Rumpf montierten Turbinen angetrieben wurde.

Es gibt eine Flugzeugklasse, die genau das tut, die modernen Zepplin NT-Luftschiffe. Sie haben Motoren an Auslegern, die sich drehen können, um Schub nach vorne, hinten, oben oder unten zu liefern (zusätzlich zu einer festen Schubstütze).

Zusätzlich haben sie eine Stütze am Heck, die an einem drehbaren Kragen montiert ist, der im rechten Winkel zum Rumpf in jede Richtung gerichtet werden kann, um das Heck herumzudrücken (und auch die Neigung zu steuern).

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Bildquelle

Nicht unbedingt die einfachsten Dinge zu steuern.

Der Titel fragt jedoch nach Verkehrsflugzeugen ... Das Drehen der Lüfter auf einem sehr langsamen Luftschiff ist ganz anders als das Drehen eines monströsen High-Bypass-Turbofans auf einem Verkehrsflugzeug mit Landegeschwindigkeiten.
Ich bin mir überhaupt nicht sicher, also frage ich: Drehen sich die Propeller weiter, während die Motoren die Richtung ändern, oder stoppen sie sie? Schließlich werden sie nicht benötigt, um das Schiff in der Luft zu halten, der gesamte Auftrieb erfolgt durch das Helium.
Die, die ich fliegen gesehen habe, stoppen die Propeller nicht, aber ich vermute, dass der Motor tatsächlich repariert ist und ein Kegelradgetriebe verwendet wird, um den Propeller anzutreiben.
@reirab zählten die Zeppeline aus der Hindenburg-Ära nicht als "Flugzeuge"? ;)

"Ernsthafte" Schubumkehrleistung könnte bei langsamen Geschwindigkeiten zu einer Steigung führen. Die Schubumkehr ist begrenzt, um das Ausmaß der positiven Nickbewegung zu begrenzen, die ein Flugzeug auf sein Heck bringen könnte (insbesondere im Stillstand und beim Bremsen).

Was wären die Nachteile der Verwendung eines rotierenden Motors als Schubumkehrer in Verkehrsflugzeugen?
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