Warum nicht Flugzeugtriebwerke über den Flügeln montieren?

Wartung

Da die Motoren unter dem Flügel sind, sind sie ziemlich leicht zugänglich, selbst wenn eine Art Auftrieb benötigt wird. Sie über dem Flügel zu platzieren, würde es viel schwieriger machen, an sie heranzukommen. Ein Werkzeug fallen gelassen? Beginnen Sie besser auch mit der Flügelreparatur. Dies umfasst sowohl den allgemeinen Zugang zum Motor als auch die Verfahren zum Aus- und Einbau des Motors.

Struktur

Ein Motor unter dem Flügel ist ziemlich stabil, da er von oben hängt. Es will natürlich immer nach unten hängen. Die Montage des Motors über dem Flügel wäre weniger stabil. Es will natürlich umkippen.

Lärm

Wenn sich ein Motor unter dem Flügel befindet, hilft dies, einen Teil des Lärms zumindest aus der mittleren Kabine zu blockieren. Ein Motor über dem Flügel würde viel mehr von der Kabine Lärm aussetzen. Es könnte jedoch den Bodenlärm während des Fluges reduzieren.

Aerodynamik

Die Oberseite des Flügels ist aerodynamisch der empfindlichste Teil. Aus diesem Grund werden Elemente wie Zugangsklappen zum Kraftstofftank auf der Unterseite platziert. Ein Motor und ein Pylon oben würden die Strömung über die Oberseite des Flügels beeinflussen.

Sicherheit

Motoren, die von den Flügeln fallen, sind in der Regel eine schlechte Sache . Aber wenn sie über dem Flügel wären, würden sie dazu neigen, auf den Flügel zu fallen, was immer noch nicht gut wäre. Es wäre schwieriger, sich dann bei einem Crash zu lösen. Außerdem würde der Flügel im Falle eines unkontrollierten Versagens keinen Schutz für den Rumpf bieten.

Natürlich gibt es Vorteile, wie z. B. weniger Lärm, weniger erforderliche Bodenfreiheit, keine Interferenz zwischen dem Jet Blast und den Klappen und eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass FOD aufgenommen wird. Wenn neue Triebwerke größere Lüfterdurchmesser erhalten, werden die Beschränkungen schwieriger. Bei einigen Konzepten des Blended-Wing-Karosseriedesigns befinden sich die Motoren oben auf der Karosserie. Aber für das aktuelle Flugzeugdesign sind die Vorteile, die Triebwerke unter der Tragfläche zu haben, größer als die der Alternativen.

Es gab ein Design mit Überflügelmotoren: den VFW-614 . Die Nummer wurde gewählt, weil es das 4. Projekt war, das 1961 von den Vereinigten Flugzeugwerken (VFW) gestartet wurde.

Die Platzierung des Motors hatte mehrere Vorteile:

• geringeres Risiko, Fremdkörper aufzunehmen
• Weniger Lärm bei Start und Landung, zumindest für die Menschen am Boden
• kleinere Trimmänderung bei Leistungsänderungen

Aber die Nachteile (Kabinengeräusche und Motorzugang) waren der Grund, warum diese Motorplatzierung nie durchkam. Außerdem können niedrige Motoren ihren Kraftstoff ohne Pumpen erhalten, nur durch die Schwerkraft. Piloten, die sowohl die 614 als auch die Boeing 737 flogen, sagten mir jedoch, dass die 614 angenehmer zu fliegen sei, da sie keine Trimmänderungen benötigte, wenn die Leistungseinstellung geändert wurde.

Das Platzieren des Motors vor dem Flügel hilft, das Flattern zu dämpfen, aber dann geht der Hauptvorteil der Platzierung über dem Flügel, der reduzierte Geräuschpegel, verloren. Heutige Triebwerke sind aus diesem Grund meist vor der Tragfläche und darunter platziert, damit sie für die Passagiere nicht sichtbar, aber für die Wartungsmannschaften leicht zu erreichen sind. Das Platzieren des Motors direkt unter dem Flügel würde helfen, ihm vorkomprimierte Luft zuzuführen, aber auch hier macht die vordere Position wenig Unterschied in Bezug auf die Vorkomprimierung, hilft aber bei der Flatterdämpfung.

Wenn wir die anderen in der verknüpften Frage berücksichtigten Motorplatzierungsoptionen ignorieren, können wir nur die Platzierung über und unter den Flügeln vergleichen. Ich bin kein Experte, aber hier sind einige Faktoren, die mir einfallen:

• Der Unterflügel vereinfacht den Zugang zum Motor, der Motor liegt nahe am Boden. Da die meisten Triebwerke auf diese Weise montiert sind, kann es sein, dass Triebwerkskonstrukteure die Platzierung von Komponenten unter diesem Gesichtspunkt optimieren (obwohl Triebwerke häufig für ein bestimmtes Flugzeug hergestellt werden).

• Unterflügelmontage bedeutet, dass die Schwerkraft hilft, den Motor seitlich in Position zu halten. Bei der Platzierung über den Flügeln ist das Gegenteil der Fall und Sie benötigen möglicherweise einen etwas stärkeren Pylon und Flügelholme?

• Die Platzierung über den Flügeln bewirkt, dass das Drehmoment auf den Flügel durch das Gewicht des Motors in die gleiche Richtung wirkt wie das Drehmoment durch den Schub, die Platzierung unter den Flügeln reduziert das Gesamtdrehmoment – ​​obwohl dies möglicherweise nicht signifikant ist.

• Die Triebwerke haben beim Start maximalen Schub. Ein Überflügeltriebwerk mit maximalem Schub würde wahrscheinlich eher ein Drehmoment auf die Flugzeugzelle ausüben, das dem Anheben der Nase zum Abheben entgegenwirkt. Ich bin mir nicht sicher, ob das gut oder schlecht ist, aber es scheint falsch zu sein.

• Die Platzierung über den Flügeln verringert sicherlich das Risiko von FOD, kann jedoch die Sicht der Passagiere behindern und den Lärm erhöhen.

• Flugzeugfahrwerke müssen möglicherweise sowieso eine bestimmte Höhe haben, um das Heck während der Startdrehung von der Landebahn freizuhalten und Landekräfte über eine längere Distanz aufzunehmen. Dies ist möglicherweise nicht von Bedeutung, da es große Flugzeuge mit sehr kurzem Fahrwerk gibt (z. B. einige militärische und zivile Transportflugzeuge). Vielleicht zahlen sie dafür eine Strafe.

• Es gibt wahrscheinlich mehr Flugzeuge als große Flughäfen, daher könnte es besser sein, FO von Start- und Landebahnen zu entfernen, als allgemeine Flugzeuge FOD-sicherer zu machen.

^{Quelle: Bartosch}

Ich habe die neuen Bilder selbst gemalt, aber den Text von einer externen Quelle genommen :

Sie können sehen, dass sich bei über dem Flügel montiertem Motor die Schubmittellinie über der Längsachse des Flugzeugs befindet. Dies erzeugt ein Nickmoment mit der Nase nach unten um die Querachse, die sich im Schwerpunkt (CG) befindet. Während das Gewicht des Motors dazu beiträgt, dem entgegenzuwirken, muss ihm auch ein erhöhter Abwärtshub entgegengewirkt werden, der durch den horizontalen Stich erzeugt wird (ein größeres Heckabwärtsmoment).

Ich werde nur für die Länge des Fahrwerks antworten. Wenn Sie ein ausreichend großes Flugzeug in Betracht ziehen, benötigen Sie ein langes Fahrwerk, um das Risiko eines Heckschlags beim Landen und Starten zu verringern. Somit hat man genug Platz unter den Flügeln.

Vergleichen Sie zum Beispiel die Länge des Bugfahrwerks eines Flugzeugs, dessen Triebwerke unterflügelig montiert sind (z. B. dieser A320 ), mit der eines Flugzeugs, dessen Triebwerke nicht unterflügelig montiert sind (z. B. diese Caravelle ). Ich wähle Fotos mit einem Mann in der Nähe des Fahrwerks, um den Vergleich zu erleichtern.

Das Platzieren von Turbinen in Unterflügelmasten begann mit frühen US-Düsenbombern, der B47 und B52, und dem C135-Transporter, der sich später in die 707 verwandelte. In seinem Buch 747 gab Joe Sutter (der leitende Ingenieur der 747) die Gründe für Unterflügelmasten an Anstelle der In-Wing-Triebwerksplatzierung, die bei anderen frühen großen Jets wie Comet, Victor und TU-16 verwendet wurde, als:

• Wartung

• Weniger Schäden im Falle eines katastrophalen Triebwerksausfalls (frühe
  Turbinen waren nicht so zuverlässig wie heute) oder Feuer.

Warum die Platzierung von Pylonen über den Flügeln nicht verwendet wird ... beide Gründe gelten immer noch.

Die meisten Wartungsarbeiten an Turbinen werden am Flugzeug durchgeführt – der Triebwerksausbau ist nicht üblich, daher erleichtert die niedrigere Platzierung eine schnellere durchschnittliche Wartung. Der Ausbau/Austausch des Motors wird mit einem Gabelstapler erleichtert.

Katastrophaler Ausfall oder Feuer ... ziemlich selten, aber wenn es passiert, fällt der Motor normalerweise ab, weg von der Tragfläche.

Unter METO neigt die niedrigere Motorplatzierung unter dem Schwerpunkt dazu, die Nase des Flugzeugs eher nach oben als nach unten zu ziehen, was man beim Start oder in den meisten Situationen wünscht, in denen ein Pilot die volle Leistung aufbringt. Die Platzierung über dem Flügel würde dazu neigen, die Nase beim Start nach unten zu ziehen. Ein kleiner Faktor, aber erwähnenswert ... es macht keinen Sinn, die Aufzüge beim Start mehr als nötig zu besteuern, wenn die Kontrollbehörde aufgrund der minimalen Fluggeschwindigkeit nicht die größte ist.

Eine seltene Ausnahme bei der Platzierung von Pylonen unter den Flügeln, die den Flügel schützten, war der AA-Flug 191 , der Absturz in Chicago. Aufgrund schlechter Wartungstechniken brach die hintere Motorhalterung an Nr. 1, der Motor drehte sich nach oben, brach ab und ging über und in den linken Flügel, wobei die Hydraulik für die Frontspoiler herausgerissen wurde. Die Piloten dachten, sie hätten es mit einem einfachen Triebwerksausfall zu tun, und folgten dem Buch für den Ausstieg mit einem einzigen Triebwerksausfall, wobei sie eine Fluggeschwindigkeit beibehielten, die mit den an beiden Flügeln eingestellten Startklappen übereinstimmte. Aufgrund des Auftriebsverlusts des beschädigten Flügels kam der linke Flügel zum Stillstand und das Flugzeug rollte nach links in den Boden. Nicht genug Höhe, um sich zu erholen.

Allerdings ist diese Art von katastrophalem Ausfall ziemlich selten, das jüngste Beispiel ist Qantas 32 , ein A380, der während des Fluges eine schwere Triebwerksexplosion erlitt. Das Triebwerk fiel nicht vom Flugzeug ab und es konnte sicher landen, wenn auch mit einer gewissen Verschlechterung der Kontrollbefugnis der Querruder. Ob eine Platzierung über den Flügeln zu mehr Schäden an den kritischen oberen Flügeloberflächen geführt hätte oder nicht, ist eine Frage der Vermutung.

Ein aktueller Executive Jet, der für die Platzierung von Overwing-Triebwerken bekannt ist, ist der Hondajet . Sie enthalten eine kurze Passage zu den Vorteilen:

Die Over-The-Wing-Motorhalterung ist ein Durchbruch in der Luftfahrt und wurde von Honda nach mehr als 20 Jahren intensiver Forschung und Entwicklung entwickelt und erprobt. Diese innovative Technologie bricht nicht nur mit den konventionellen Mustern der Luft- und Raumfahrtindustrie, sondern bietet auch branchenführende Fortschritte wie eine geräumigere Kabine, Geräuschreduzierung und erhöhte Kraftstoffeffizienz.

Es gibt einen sehr guten Grund, Motoren direkt über dem Flügel zu platzieren, wie hier auf dem NASA QSRA zu sehen:

und die YC-14:

Dies ist bekannt als "Upper Surface Blowing" oder eine Variation dieses Themas. Die Idee ist, dass der Luftstrom vom Motor der oberen Oberfläche des Flügels folgt, sodass der Luftstrom beim Absenken der Klappen ihrer sanften Biegung folgt, bis sie nach unten blasen, was den Auftrieb erheblich erhöht. Dies ist eine Alternative zum Blasen an der unteren Oberfläche, das beim C-13 zu sehen ist:

und seine viel größere Schwester, die C-17:

Die USB-Lösung hat eine Reihe von wesentlichen Vorteilen gegenüber dem LSB. Der Hauptgrund ist, dass der Luftstrom nicht direkt auf die Klappen bläst, was die strukturellen Belastungen viel einfacher macht. Der Luftstrom wird durch seine Strömung über die Oberseite des Flügels auch stark geglättet, was auch Lasten senkt. Da die Klappen schließlich bereits den Luftstrom über ihre Oberfläche beschleunigen – so ziemlich die ganze Idee – ist das Gesamtdesign tatsächlich viel einfacher. Das Endergebnis ist das gleiche, beide verbessern den Auftrieb, indem sie den Luftstrom über die Klappen nach unten biegen, aber USB war mechanisch viel einfacher und dies war ein wichtiges Verkaufsargument für den C-14.

Also... warum haben sie es nicht benutzt? Nun, ironischerweise ist einer der Gründe, dass es zu gut war. Im Falle eines Motorausfalls, insbesondere bei der zweimotorigen Variante, verlor ein ganzer Flügel an Auftrieb und es war praktisch unmöglich, die Kontrolle zu behalten. Eine viermotorige Variante ging darauf ein, aber das ursprüngliche Programm berücksichtigte diese nicht, und Boeing drängte das zweimotorige Layout als großen Vorteil (in der Hauptsache). Im Gegensatz dazu hatten die LSB-Modelle weniger Auftriebsverstärkung und mussten sich auf „mehr Klappen“ verlassen! um die gleiche Leistung zu erzielen (was sie, IIRC, nie getan haben), aber als Ergebnis hatten sie ein besseres Ansprechverhalten bei Motorausfall.

Mir ist nicht klar, dass der C-17 aus irgendeinem anderen Grund mit LSB endete, als dass er von McD stammte, und dass jemand anderes den Wettbewerb gewonnen hätte, der möglicherweise USB verwendet hätte.

Eine andere Sache, die teilweise erwähnt wurde. Die Pylone, die die Motoren halten, sind so konstruiert, dass sie brechen, bevor extreme Vibrationen oder unausgeglichene Lasten (aufgrund eines ausgefallenen Lüfters) schwere strukturelle Schäden am Flügel verursachen. Die Unterflügelplatzierung bedeutet, dass der Motor nicht auf den Flügel fällt und viel Freiraum für das horizontale Leitwerk haben sollte. Die Platzierung über dem Flügel würde oder könnte zu einem Aufprall auf den Flügel und das horizontale Leitwerk oder sogar auf den Rumpf führen, wenn der Querneigungswinkel stark genug wäre.

Darüber hinaus würde eine Schublinie über dem Flügel ein nach unten gerichtetes Drehmoment entlang der Flügelachse erzeugen, das durch das vom Strömungsprofil entwickelte Nickmoment verstärkt würde. Dieses zusätzliche Moment würde steifere und damit schwerere Flügel erfordern.

Unterhalb des Flügels hilft beim Anheben. Oberhalb des Flügels wird der Auftrieb behindert. Unten lässt die Luft über den Flügel strömen, ohne die Aerodynamik für den Auftrieb zu beeinträchtigen. Oben stört die Aerodynamik für den Auftrieb, je nachdem wie weit hinten das Triebwerk auf dem Flügel steht. Leichteres Fahrwerk ist sicher gut, Flugzeuge benutzen das Fahrwerk beim Fliegen nicht, und außerdem wiegen die Triebwerke weit mehr als das Fahrwerk. Es ist besser, den Motor unter dem Flügel zu haben. Neue Modelle können die Flügel anheben und die Pylonlänge verringern. Allerdings reicht der Lift noch nicht aus. Sie brauchen Auftrieb, jedes schwere Frachtflugzeug hat die Triebwerke unter der Tragfläche. Sie können es sich nicht leisten, einen möglichen Auftrieb zu verlieren.