¿Por qué las hélices de los aviones se enfrentan casi universalmente hacia adelante? ¿Hay alguna ventaja sobre tenerlos mirando hacia atrás?

Aeronave

Hay una serie de razones por las cuales la configuración del tractor es más popular que el empujador.

1. Claridad del piso.

   Para despegar, el avión tiene que inclinarse hacia arriba. Si la hélice está en la parte trasera, esto significa que todo el tiempo que la aeronave esté rodando por la pista, la hélice está más cerca del suelo y es más vulnerable a las piedras y cosas levantadas por el tren de aterrizaje. También significa que se requiere un tren de aterrizaje más largo (más pesado).

2. Eficiencia.

   Contrariamente a su hipótesis, la configuración del tractor es en realidad más eficiente. El control a veces puede verse obstaculizado por el flujo de aire desordenado sobre las superficies de control causado por el lavado de la hélice, pero la hélice en sí misma alrededor del 5%, a veces hasta el 15%, es más eficiente montada en la parte delantera porque tiene un flujo de aire limpio en frente. Además, si bien el lavado de apoyo sobre el ala aumenta la resistencia del flujo de aire desordenado, aumenta en gran medida la elevación, acortando la longitud del despegue y disminuyendo la velocidad de pérdida.

3. Ruido.

   Un propulsor empujador tiene que, como lo pones, “cortar el viento” detrás del avión. Después de que las alas y el fuselaje han estropeado el flujo. Esto significa que la presión y la densidad del aire varían alrededor de la hélice. Esta falta de homogeneidad provoca vibraciones, aumentando el ruido y el desgaste.

4. Enfriamiento.

   Las aeronaves de hélice usan refrigeración por aire, porque el agua es demasiado pesada. Sin el lavado de apoyo que contribuye al flujo de aire alrededor del motor, la refrigeración puede convertirse en un problema.

5. Centro de gravedad

   Es más deseable que el centro de gravedad de una aeronave esté frente al ala, de modo que si la cola se detiene, la aeronave se inclinará hacia abajo, recuperándose de la pérdida. El motor es uno de los componentes más pesados ​​de una aeronave, por lo que si está en la parte trasera, se debe mover un montón de otras cosas para compensar.

Espero que ayude.

Barcos

No puedo decir mucho sobre por qué los barcos grandes siempre optan por la configuración del empujador, excepto quizás porque así es como siempre ha sido. Y al precio de los portacontenedores en estos días, nadie está dispuesto a mover el bote, si disculpa el juego de palabras.

Por supuesto, para embarcaciones personales, el motor también actúa como timón, y la vectorización de empuje proporciona una maniobrabilidad notable, particularmente a velocidades lentas, como al atracar.

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Fuente:
3 años de conferencias aerodinámicas
Experiencia personal diseñando y construyendo un vehículo aéreo no tripulado (UAV)
Memoria activada por Wikipedia

Un empujador entregará más empuje potencial que un extractor. Los diseños avanzados se han trasladado allí para aprovechar este hecho.

¿Por qué no todos los aviones de apoyo han cambiado a este diseño? Porque como cualquier otra decisión de ingeniería de aeronaves, hay compensaciones. La razón principal para diseños de extractores más convencionales es la mayor estabilidad dinámica. El lavado de apoyo aumenta el flujo de aire sobre las superficies, dando un poco de elevación en las raíces de las alas y algo de autoridad en los ascensores. De hecho, hay varios aviones en los que puedes bloquear los frenos y aplicar suficiente potencia para levantar la cola. Con este tipo de autoridad, puede recuperarse más fácilmente de los puestos y los puestos cercanos.

También tendrá menos estabilidad dinámica con la configuración de canard anterior, un elemento de diseño que es una gran ventaja si está dispuesto a cambiar algo de estabilidad por una mayor eficiencia.

Hay otros detractores menores, pero el primero es la razón principal. Estos diseños más nuevos son realmente para pilotos más avanzados, por lo tanto, todos los aviones de entrenamiento todavía se están diseñando con un extractor convencional. Todo el poder del mundo no va a ayudar si solo te está llevando a lo más profundo del cráter que acabas de excavar.

¿Por qué la configuración del tractor y no el empujador?

Las hélices de empuje no tienen flujo de entrada ‘limpio’ debido al ala, la cubierta del motor o lo que sea que se encuentre frente a ellos. Las perturbaciones en el flujo provocan, entre otros, un mayor nivel de ruido. A los pasajeros no les gusta el ruido, y supongo que es el factor decisivo.

No hay una respuesta simple a esta pregunta. Si comienza a buscar en Internet, encontrará muchas discusiones sobre este tema que abordan muchos factores relacionados. Mover la hélice lo obliga a rediseñar la aeronave de muchas maneras, porque mover la hélice cambia la eficiencia, la estabilidad y las características de su avión. La mejor respuesta generalizada que puedo ofrecer es que los aviones reales tienden a usar diseños de hélice de tractor (en frente) sobre diseños de empujador. Usando el argumento “si esta idea fuera genial, la gente lo haría más”, esa es una forma realmente básica de ver lo que los diseñadores de aviones han concluido sobre el tema.

Pregunta difícil, aunque sí estoy de acuerdo con las declaraciones generales hechas por John Chesire y Paul Quimbly arriba, hay muchos elementos involucrados en la respuesta a esta pregunta que es mejor dejar para expertos en propulsión, computación informática, dinámica de fluidos y pruebas de túnel de viento. Pero sí creo que su respuesta depende de su definición de “empuje” y qué efectos tiene sobre sus características operativas óptimas y el resultado deseado que desea lograr con “Empuje”.

Si se trata únicamente de elevaciones y rollos de despegue más cortos (deseos operativos), entonces es un avión propulsor de avance del motor del tractor, ya que existe un flujo de aire sin perturbaciones para apuntalar, no una entrada de aire del motor y el aire se acelera sobre las superficies de elevación creando más elevación, pero induce arrastre hasta cierto punto. Si aumenta la velocidad y la eficiencia inferida del avión de hélice que teóricamente proporcionará un empuje adicional, entonces “creo” que se basará en estos dos elementos críticos al final y en las características aerodinámicas inherentes de la propia aeronave.

1. ¿Está diseñando el avión: alas / fuselaje / emppenage, tomas, controles de vuelo alrededor de un motor dinámico y accesorios personalizados para velocidad / alcance?
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2. ¿Está tomando un avión existente y lo está modificando para que se ajuste a ese motor dinámico?

Si el n. ° 1 es cierto, ciertamente creo que podría obtener más “empuje” de una “Configuración de empuje” con diseño de hélice personalizado para un diseño dinámico de motor / prop y aprovechar las características de flujo laminar de la aeronave, reducir el fuselaje y mejorar el flujo laminar de la raíz del ala beneficios aerodinámicos generales. En esencia, la hélice de popa (depende del tamaño y la potencia del puntal) minimizaría significativamente la perturbación del fuselaje y la perturbación del flujo de aire laminar de la raíz del ala con succión, mientras que las tomas de aire capturarían las perturbaciones del cuarto superior y de la pared lateral y aprovecharían el aire acelerado para mantener el motor en su punto más frío permitiendo para configuraciones de mayor potencia durante todo el régimen de vuelo. De esta manera, el aire que sale de la combinación dinámica de motor / hélice es puro “empuje” saliente sin ser molestado o ralentizado por el cuadro de aire sin arrastre del cuadro de aire inducido por un puntal del tractor (delantero).

Por supuesto, hay mucho más en esto que lo que he intentado esbozar como mis pensamientos. Estoy de acuerdo con Paul en que la mayoría de los aviones de apoyo son diseños de tractores e incluso en las carreras aéreas de Reno. Estoy de acuerdo con John en que habría problemas de flujo de aire divergentes en la “opción # 2”. Sin embargo, se trata de formas tradicionales de pensar (funcionan bien), pero hagámoslas superlativas mediante diseños “nuevos” creativos bien pensados ​​que son algo difíciles y riesgosos. Me encanta el Piaggio Avanti P180II y el Beech Starship 4oo; Estos aviones son geniales. El Starship by Beechcraft fue excepcional y el primero con fibra de carbono, por lo que la FAA no estaba familiarizada con CF e hizo que Beech Team casi triplicara las capas de fibra C requeridas (solo para estar seguro) poniendo ese avión muy por encima del peso objetivo cuando en realidad era muy cerca del objetivo … antes de su tiempo, lamentablemente.

Como dice Paul, hay muchas cosas a considerar, la más fácil es el diseño estándar del tractor. Sin embargo, con todas las herramientas de software, supercomputadoras y modelos analíticos de CAD disponibles, incluida la inteligencia de Internet en cuanto al análisis de costo beneficio de cada modo para brindarle el “Mejor impulso” que le proporciona las características operativas óptimas y la velocidad / eficiencia deseada … “hay las compensaciones “pero” pueden reducirse drásticamente o notarse para ajustarse a su conjunto deseado de parámetros operativos óptimos si empuja el límite en diseño, creatividad aerodinámica, optimización de tecnologías de propulsión (ajustes), mejoras de eficiencia aerodinámica, etc.

En realidad, puede reducir el peso de un avión con el diseño óptimo de ala y V-Tail utilizando puntales de empuje que no aumentarán el “empuje real ” pero efectivamente producirán los resultados deseados de “mayor empuje dinámico” con menos peso, resistencia al arrastre y quema de combustible, por lo tanto, más velocidad, el despegue acortado rivaliza con los mejores diseños de tractores en despegues cortos.

Ejemplo: Piaggio Avanti P180II “no” es un diseño nuevo, pero el peso y las características de ala / canard / emppenage hacen que estas superficies de elevación sean 30% más eficientes por diseño y “más livianas” en peso con menos combustible requerido en un perfil de misión dado … así es ¿”también” que crea un “empuje efectivo” adicional , así como los beneficios tangibles anteriores de los elementos Pusher Prop que describen de manera general y breve si la aeronave está diseñada en torno al sistema de propulsión personalizado? Just Food For Thought … Buena pregunta, difícil de responder en un lugar corto.

Aunque preguntado, no soy el mejor para responder. De hecho, siendo un estudiante de negocios, fui relegado brevemente a ‘estudio estúpido’ en aerodinámica mientras estaba en el entrenamiento de vuelo de la Marina. Sin embargo, me aventuraré a adivinar:

Una hélice en la parte posterior, que recibe un flujo de aire diferente y divergente, incluido un flujo laminar proveniente del fuselaje o ala, será menos eficiente que una en el frente que reciba un flujo de aire homogéneo y sin molestias. Por lo tanto, menos empuje.

Como mínimo, un accesorio de tractor utiliza aire no perturbado en todo el diámetro.
Por otro lado, un empujador significa que la estela de apoyo no afecta el flujo de aire sobre el ala.

Y, según Piaggio, “un beneficio adicional de las hélices de empuje es que los gases de escape del motor que inciden en las palas de las hélices hacen innecesario un sistema de deshielo de las palas”.
También hay un flujo de aire giratorio desde un puntal del tractor que golpea la aleta / timón (lo que hace que se considere el guiñada).

En resumen: depende de muchos factores …

Si sirve de ayuda, aparentemente el Cessna 337 funciona mejor con el motor delantero apagado que con el trasero apagado: es decir, funciona mejor como empujador que como tractor.

Un propulsor está generalmente en la parte delantera de la aeronave porque esto trae el prólogo del centro de gravedad. Para la estabilidad, desea que el centro de gravedad sea un poco prólogo del centro de elevación. De esa manera, si pierde su motor, puede deslizarse fácilmente.

El motor de un bote está en la parte trasera porque a medida que el bote se acelera, la proa se eleva fuera del agua.

Había aviones de hélice de empuje y también había una combinación de tirador-empujador, pero tenían muchas desventajas en comparación con el avión de hélice de tirador o tractor.

Arribista

Configuración Push-Pull

Arrancador
La configuración de la hélice empujadora tiene muchas desventajas. Algunos de ellos son:
(1) Rendimiento del motor. El rendimiento del motor se reduce debido al flujo inverso de gas. La hélice no se puede montar en el escape. También hay problemas con la refrigeración del motor.
(2) Rendimiento de la hélice . Esto sufre debido al flujo de aire perturbado aguas abajo del fuselaje. También creará mucho ruido.
(3) Aviones CG. Es muy difícil mantener una configuración CG avanzada ya que el motor pesado y la hélice están montados en la parte trasera.
(4) despegar . Siempre hay dudas sobre la distancia al suelo de la hélice durante el despegue.
(5) Daño por objetos extraños . El puntal es susceptible a FOD debido a la operación cerca del suelo.
(6) Pitching. En caso de que el motor esté montado lo suficientemente alto, el aumento o la disminución de la potencia pueden provocar el cabeceo del avión.

De hecho, la gran mayoría de los aviones de hélice tienen hélices orientadas hacia adelante. Parece que hay ventajas de movimiento para mirar hacia adelante que hacia atrás.

Aquí están algunos ejemplos:

– El enfriamiento del motor es mejor porque el motor está detrás de la hélice.
– Mirando hacia atrás, la hélice se ubicará detrás de la rueda delantera y, por lo tanto, sufrirá piedras y suciedad levantadas por la rueda delantera.

Sin embargo, también hay ventajas: más libertad para el diseño, como en el avión ligero tipo “Pato”; Ofrecen una actuación interesante.

Es una compensación. Poner los accesorios en la parte posterior ayuda a mantener limpio el flujo de aire sobre las alas, sin embargo, el aire perturbado del ala golpea el accesorio y hace más vibraciones y ruidos. Por ejemplo, los viejos bombarderos B-36 tenían los accesorios en la parte posterior e hicieron una tremenda raqueta.

Si. Todo el ensamblaje de la cola tiene que reposicionarse y eso no es una tarea de diseño mala. No puede tener la aleta, etc.en la parte delantera porque interferiría con la vista del piloto, por lo que generalmente termina con un rayo que sale de cada ala para transportar estas superficies esenciales. Más carga en las alas.
Puede usar un ’empujador’ para liberar la nariz del avión para el armamento, como en los primeros días, pero hay otras formas de solucionar ese problema.
Además, un motor en la parte delantera, que expulsa aire sobre las raíces del ala y las superficies de la cola, te da la esperanza de control cuando todo lo demás se ha vuelto en forma de pera