Чому ми ніколи не бачимо високообхідних турбовентиляторних двигунів, що використовуються у великих комерційних літаках та
Я говорю про щось подібне (це вигаданий літак Casino Royale), а не про два (або більше) двигуни на крило в окремих гондолах:
Якщо ми проігноруємо дивні "падіння танків" на зовнішніх пілонах, що робить цю конструкцію гіршою від конструкції з окремими гондолами? Я можу придумати деякі надзвичайно спекулятивні переваги та недоліки для обох макетів:
Переваги спільних гондол:
- Звичайна гондола та пілон можуть означати меншу площу фронту та змочування на один двигун, що потенційно може зменшити загальний опір.
- В цілому, ця схема, здається, дозволяє "центру тяги" для всіх двигунів на крилі бути ближче до центральної лінії літака. На деяких конструкціях, таких як A380, які потребують масивного вертикального плавника для підтримки авторитету повороту в умовах без руху, зменшення розміру вертикального плавника може заощадити деяку вагу та витримати.
Недоліки спільних гондол:
- Очевидно, що існує підвищений ризик того, що відмова двигуна, яка не враховується, така як у А380 кілька років тому, може призвести до каскадних збоїв у свого "сусіда". Я не знаю, як кількісно оцінити цей ризик, але він видається значним.
- Крім того, структурний збій в пілоні/гондолі (надзвичайно рідко, але насправді трапляється IIRC) впливає на два двигуни замість одного.
- Технічне обслуговування, швидше за все, буде складнішим, оскільки вам доведеться мати справу з двома двигунами, щоб отримати один.
- Я би очікував, що через конструктивні вимоги підтримки двох двигунів на пілоні ви навряд чи зможете заощадити велику вагу і насправді мати більш важкий літак, за інших рівних умов.
- Можливо, ви втратите деяку ефективність у взаємодії між вихлопними газами обох двигунів у гондолі?
- Може виявитись, що ви не можете поставити два великих турбовентилятора з високим байпасом в гондолу, не вибираючи між проблемами поділу потоку та сильно збільшеною фронтальною площею.
Однак це все лише припущення. З точки зору інженера, чи є вибір одного макета очевидним для іншого? Чому чи чому б ні?
відповісти
Коротка відповідь
Саме різні умови потоку від статичного до крейсерського вимагають окремого розміщення двигунів з високим коефіцієнтом байпасу. Вони створювали б меншу тягу і більший опір в парі.
Чому взагалі були спарені двигуни?
На ранніх літаках двигуни встановлювались безпосередньо під крилом або в крилі, а порівняння між окремо встановленими та здвоєними двигунами показало незначну перевагу для останнього через меншу змочувану поверхню та менший вплив на крило.
Arado створив два чотиримоторних прототипи свого реактивного літака Ar-234, один з окремими двигунами (V6, див. Безпосередньо нижче), а другий із спареними двигунами (V8, нижче). V8 став прототипом C-версії Ar-234.
Однак, коли потік повітря від двигунів із високим байпасним коефіцієнтом збільшується, спарювання стає невигідним через перешкоди між ними. Під час руху піднімається лише центральна силова труба, яка тече до двигуна, а решта переливається через впускну губу. Розміщення другого двигуна прямо біля першого заблокує потік повітря з тієї сторони та збільшить потік повітря з протилежного боку. Це, швидше за все, призведе до масового відділення там, якщо споживання не буде істотно змінено, що призведе до помітного збільшення опору. Крім того, нині асиметричний потік на вході зменшить ефективність роботи вентилятора - у сучасних двигунах він вимагає дуже однорідного потоку по всьому перетину.
І навпаки, на низьких оборотах двигун буде всмоктувати повітря звідусіль і стикатися з конкуренцією другого двигуна, тому обидва не можуть набрати стільки повітря, як якщо б вони були встановлені окремо. Результатом спарювання буде зменшена тяга під час зльоту.
Початковий недолік окремих двигунів, їх колективний вплив на аеродинаміку крила, тепер значно зменшується, встановлюючи їх на пілони так, щоб вони знаходились перед крилом і під ним.
Як ви виявили, значна частина цього, ймовірно, пов’язана з технічним обслуговуванням. В даний час двигуни зазвичай видаляються безпосередньо з пілона. Якби їх спарили на пілоні, їх або довелося б видалити разом (що робить їх по суті вдвічі менш надійними) або закріпити іншим способом.
З сучасними реактивними двигунами має сенс лише найбільший літак з 4 двигунами, оскільки двомоторні літаки є більш ефективними. Це означає, що такі літаки, як 747 та A380, будуть кандидатами на цю конструкцію. Насправді конструктивною перевагою є наявність двигуна далі на крилі. Під час польоту вага двигуна допомагає зменшити момент згинання крила. Як ви вже переконалися, це ускладнює контроль несправності двигуна. Розміщення двох двигунів на одному крилі є компромісом між конструкцією та контролем несправності двигуна.
Це також вплине на потужність, необхідну літаку. Двомоторний літак повинен мати достатню потужність для зльоту, якщо один двигун виходить з ладу після V1. Це означає, що вам потрібно починати з 50% потужності. Чотиримоторні літаки повинні відповідати тим самим вимогам, але це означає, що вони повинні продовжувати зліт із 75% потужності. Однак, поєднуючи двигуни в пару, набагато більше шансів, що несправність одного вплине на інше. Це означає, що літаку, можливо, доведеться літати на 50% потужності, що робить літак ще менш ефективним.
Інша потенційна проблема - зворотна тяга. В даний час двигуни можуть використовувати місця по периметру гондоли, щоб вигнати це повітря. Якби двигуни були комбіновані, кожен мав би лише частину окружності, тому це може створити проблеми з потоком.
Випадки виходу з ладу двигунів або реверсорів тяги могли б застосувати крутний момент до пілона і вимагати додаткової ваги для міцності.
Поєднання моторних систем може принести певні переваги, але зменшить надмірність.
Це зменшило б площу зовнішньої частини гондоли, але збільшило б площу фронту. Якщо ви розглядаєте два двигуни діаметром 120 дюймів, які поєднані прямим з'єднанням зверху і знизу, зменште окружність з 750 "до 615", але збільште площу фронту з 22600 в ^ 2 до 25700 в ^ 2. Якщо Якщо піднести профіль між двигунами (як на фотографії вище), площа передньої частини зменшується, але окружність також збільшується.
Для того, щоб двигун був ефективним з точки зору руху, "велика швидкість потоку повинна рухатися з однаковою енергією". Тобто, більший вентилятор можливий для конкретного сердечника. З точки зору рушія, ця конструкція менш ефективна, ніж конфігурація, схожа на A380. Більше інформації про ефективність приводу можна знайти тут .
Не так багато економиться у змоченій зоні, але між двома двигунами існуватимуть певні перешкоди у зменшенні викидів, крім ефективності. Зв'язок між двома двигунами також створює зростаючий прикордонний шар, що робить з'єднання більш млявим. Я не можу визначити кількісний показник загального опору, але я не усвідомлюю, що економія опору, коли поверхня мокра, компенсує або не компенсує збільшення інтеграції в’язкого (прикордонного шару) перетягування та приводу.
Двигун - це в основному аспіраційна машина, яка намагається поглинути потік навколо двигуна. Це менш важливо під час круїзу, але при зльоті обидва двигуни змагаються за повітря, що робить їх меншими. Початок критичної несправності двигуна, як правило, є умовою розмірів двигуна. Тому ми маємо меншу ефективність у найбільш критичному стані. З точки зору світового літака це робить двигун більш великим.
Ваша думка щодо вертикального плавника правильна.
Що стосується ризику неконтрольованої відмови двигуна, двигуни, як правило, призначені для уникнення такої ситуації. Мені подобається це відео про тест.
Що стосується конструкції, майте на увазі, що у випадку виходу з ладу двигуна, вам потрібно враховувати момент повороту, коли один двигун працює, а інший - ні. Тож дуже ймовірно, що пілон важчий за 2 пілони (хоча менше тягнеться).
Крім того, така конфігурація не має сенсу, і, як правило, дешевше додати обробний бак, ніж використовувати зовнішні, тягачі паливні баки.
Як приклад компромісних двигунів, які насправді не роблять бізнес, просто дивлячись на всі змішані літаки крила, у всіх їх двигуни розділені у верхній частині літака між ними (як X48).
Як правило, я б сказав "якомога менше двигунів".
В останні дні намагалися з’єднати двигуни прямими турбореактивними літаками - Ілуйшин Іл-62 та Віккерс ВЦ-10 використовували цю конфігурацію, як і Lockheed JetStar Business Jet; Це сталося через слабкі показники тяги попередніх турбореактивних двигунів. Сучасні турбовентилятори забезпечують достатню тягу, щоб вам не довелося з’єднувати двигуни. Фактично до ВВС США було внесено пропозицію щодо заміни спарених турбореактивних двигунів на щоглах двигуна B-52 на індивідуальні турбовентилятори RB-211 (таким чином вісім турбореактивних бомбардувальників перетворюються на бомбардувальники з чотирма турбовентиляторами). Це було відхилено через попередні витрати; Однак економія палива була б значною завдяки можливості використовувати вдвічі менше двигунів та покращеній питомій економії пального турбовентиляторів.
Ще однією проблемою спарених двигунів на пілоні є безпека - ЛОТ 5055 трагічно продемонстрував це, коли один із турбовентиляторів Соловйова Д-30 зазнав неконтрольованої відмови, яка спричинила пожежу двигуна та серйозні пошкодження іншого двигуна з тієї сторони. Якби Іл-62 використовував більш традиційну компоновку, такий інцидент був би значно меншою проблемою, оскільки схема пожежі та пошкодження була б набагато жорсткішою.
Дещо з того, що я читав про "Обговорення переробки" B-52, має менше спільного з модернізацією на більш сучасні двигуни (краща економія палива, наявність запасних частин тощо) та більше про наслідки "управління рулем".
Якби BUFF перейшов з 8 на 4 двигуни, наслідки втрати 1/4 або 2/4 двигунів на тій же стороні означали б, що нинішнього руля B-52 та горизонтального стабілізатора може бути недостатньо для забезпечення безпеки літака приземлити ситуацію двигуна 3/4 або 2/4. Заміна восьми двигунів на чотири може зажадати масштабного (дорогого) капітального ремонту керма та вертикального стабілізатора.
Коли ви поєднуєте такі двигуни, більш імовірно, що вихід з ладу одного двигуна перенесеться на інший. Так сталося з F-18, наприклад, коли один двигун мав неконтрольований збій, в результаті чого частини двигуна (я вважаю, що це були лопаті турбіни) руйнували інший.
Якщо у вас двигуни крил, розправлення крил зменшить моменти згинання крил, що має тенденцію до зменшення ваги крила.