En una aeronave con una configuración de empujador (a diferencia de una configuración de tractor ), las hélices están montadas detrás de sus respectivos motores. Según el autor británico de aviación Bill Gunston , una "hélice de empuje" es una montada detrás del motor, de modo que el eje de transmisión está en compresión durante el funcionamiento normal. [1]
La configuración del empujador describe este dispositivo de empuje específico ( hélice o ventilador con conductos ) conectado a una embarcación, ya sea aerostato ( dirigible ) o aerodino ( aeronave , WIG , paramotor , helicóptero ) u otros tipos como aerodeslizadores , hidrodeslizadores y motos de nieve impulsadas por hélice . [2]
La "configuración de empujador" también describe el diseño de un avión de ala fija en el que el dispositivo de empuje tiene una configuración de empujador. Este tipo de avión se llama comúnmente empujador . Los empujadores se han diseñado y construido en muchos diseños diferentes, algunos de ellos bastante radicales.
Historia
El "Planophore" propulsado por caucho, diseñado por Alphonse Pénaud en 1871, fue uno de los primeros modelos de avión con un propulsor de empuje.
Muchos de los primeros aviones (especialmente biplanos) eran "empujadores", incluidos el Wright Flyer (1903), el Santos-Dumont 14-bis (1906), el Voisin-Farman I (1907) y el Curtiss Model D utilizado por Eugene Ely para el primer barco que desembarcó el 18 de enero de 1911. El empujador Farman III de Henri Farman y sus sucesores fueron tan influyentes en Gran Bretaña que los empujadores en general se conocieron como el "tipo Farman". [nota 1] Otras configuraciones de empujador tempranas eran variaciones de este tema.
El empujador clásico "Farman" tenía la hélice "montada (justo) detrás de la superficie de elevación principal" con el motor fijado al ala inferior o entre las alas, inmediatamente adelante de la hélice en un fuselaje corto (que también contenía al piloto) llamado una góndola . La principal dificultad con este tipo de diseño de empujador fue colocar la cola (empenaje); esto tenía que estar en la misma ubicación general que en un avión tractor, pero su estructura de soporte tenía que evitar la hélice. Los primeros ejemplos de empujadores se basaron en un engaño, pero esto tiene serias implicaciones aerodinámicas que los primeros diseñadores no pudieron resolver. Por lo general, el montaje de la cola se realizaba con un marco complejo reforzado con alambre que creaba mucha resistencia. Mucho antes del comienzo de la Primera Guerra Mundial, esta resistencia fue reconocida como solo uno de los factores que garantizarían que un empujador estilo Farman tuviera un rendimiento inferior a un tipo de tractor similar .
El ejército de EE. UU. Prohibió los aviones de empuje a fines de 1914 después de que varios pilotos murieran en accidentes de aviones de este tipo, [3] por lo que desde aproximadamente 1912 en adelante, la gran mayoría de los nuevos diseños de aviones terrestres de EE. UU. Eran tractores biplanos, y los empujadores de todo tipo se consideraban viejos. formado a ambos lados del Atlántico. Sin embargo, se siguieron diseñando nuevos diseños de empujadores hasta el armisticio, como el Vickers Vampire , aunque pocos entraron en servicio después de 1916. [ cita requerida ] .
Sin embargo, al menos hasta fines de 1916, los empujadores (como el caza Airco DH.2 ) todavía eran favorecidos como aviones portadores de armas por el Royal Flying Corps británico , porque se podía usar un arma de fuego hacia adelante sin ser obstruida por el arco de la hélice. Con la introducción con éxito de Fokker 's mecanismo para sincronizar el disparo de una pistola de máquina con las palas de una hélice en movimiento , [4] seguido rápidamente por la adopción generalizada de ruedas dentadas de sincronización por parte de todos los combatientes en 1916 y 1917, la configuración de tractor se convirtió en casi universalmente favorecidos y los impulsores se redujeron a una pequeña minoría de nuevos diseños de aviones que tenían una razón específica para usar la disposición. Tanto los británicos como los franceses continuaron utilizando bombarderos con configuración de empuje, aunque no hubo una preferencia clara de ninguna manera hasta 1917. Entre dichos aviones se incluían (aparte de los productos de la propia compañía Farman) los bombarderos Voisin (3200 construidos), el Vickers FB5 "Gunbus ", y la Royal Aircraft Factory FE2 , sin embargo, incluso estos se encontrarían siendo desviados a roles de entrenamiento antes de desaparecer por completo. Posiblemente el último caza en usar la configuración de empujador Farman fue el caza arma Vickers Type 161 COW de 1931 .
Durante el largo eclipse de la configuración continuó el uso de hélices de empuje en aeronaves que derivaron un pequeño beneficio de la instalación y podrían haber sido construidas como tractores. Biplano hidroaviones menudo, tenía desde hace algún tiempo han equipados con motores situados sobre el fuselaje al despacho de la oferta máxima del agua, a menudo conduciendo hélices propulsoras para evitar rociar y los peligros implicados por mantenerlos alejados de la cabina del piloto. El Supermarine Walrus fue un ejemplo tardío de este diseño.
El llamado diseño de empujar / tirar , que combina las configuraciones de tractor y empujador, es decir, con una o más hélices mirando hacia adelante y una o más otras mirando hacia atrás, fue otra idea que se sigue utilizando de vez en cuando como medio de reduciendo los efectos asimétricos de una falla del motor fuera de borda, como en el Farman F.222 , pero a costa de una eficiencia severamente reducida en las hélices traseras, que a menudo eran más pequeñas y estaban unidas a motores de menor potencia como resultado.
A fines de la década de 1930, la adopción generalizada de la construcción de aviones con forros tensados totalmente metálicos significó, al menos en teoría, que se redujeron las penalizaciones aerodinámicas que habían limitado el rendimiento de los empujadores (y de hecho cualquier diseño no convencional); sin embargo, cualquier mejora que aumente el rendimiento del empujador también aumenta el rendimiento de los aviones convencionales y siguen siendo una rareza en el servicio operativo, por lo que la brecha se redujo pero no se cerró por completo.
Durante la Segunda Guerra Mundial , la mayoría de las potencias principales llevaron a cabo experimentos con luchadores de empuje. Seguían existiendo dificultades, en particular porque un piloto que tenía que salir de un empujador podía atravesar el arco de la hélice. Esto significó que de todos los tipos en cuestión, solo el SAAB 21 sueco relativamente convencional de 1943 entró en producción en serie. Otros problemas relacionados con la aerodinámica de los diseños de canard, que se habían utilizado en la mayoría de los empujadores, resultaron más difíciles de resolver. [nota 2] Uno de los primeros asientos eyectables del mundo fue diseñado (por fuerza) para este avión, que luego resurgió con un motor a reacción .
El avión de empuje más grande para volar fue el Convair B-36 "Peacemaker" de 1946, que también fue el bombardero más grande jamás operado por los Estados Unidos . Tenía seis motores radiales Pratt & Whitney Wasp Major de 3.800 hp montados en el ala, cada uno impulsando una hélice de empuje ubicada detrás del borde de salida del ala.
Aunque la gran mayoría de los aviones propulsados por hélice siguen utilizando una configuración de tractor, en los últimos años ha habido un cierto resurgimiento del interés en los diseños de empujadores: en aviones ligeros de fabricación casera como los diseños canard de Burt Rutan desde 1975, ultraligeros como el Quad City Challenger (1983), alas flexibles, paramotores, paracaídas motorizados y autogiros. La configuración también se usa a menudo para vehículos aéreos no tripulados , debido a los requisitos de un fuselaje delantero libre de cualquier interferencia del motor.
Consideraciones de instalación del motor
En una configuración de empujador, la fuerza proporcionada por la hélice empuja hacia el motor, en lugar de alejarse. Para convertir una combinación de motor de tractor y hélice en operación de empujador, no es suficiente simplemente hacer girar el motor y la hélice, ya que la hélice continuaría "tirando" de la aeronave hacia atrás. Suponiendo que el motor no se puede hacer funcionar en la dirección inversa, la "mano derecha" de la hélice debe invertirse. Las cargas en la pista de empuje (cojinetes que impiden el movimiento hacia adelante y hacia atrás del cigüeñal) también se invierten, porque la hélice empujadora está empujando hacia el motor en lugar de alejarse de él como en un tractor. Algunos motores modernos diseñados para aviones ligeros están equipados con una carrera de empuje adecuada tanto para "empujar" como para "tirar", pero otros requieren una parte diferente según el sentido en que estén operando. [5] El diseño de enfriamiento de la planta de energía es más complejo que para la configuración del tractor, donde la hélice fuerza el aire a través del sistema.
Configuraciones
Aerostático
Los dirigibles son el tipo más antiguo de aviones de empuje, y se remontan al dirigible pionero del francés Henri Giffard en 1852.
Aerodino
Los aviones Pusher se han construido en muchas configuraciones diferentes. En la gran mayoría de los aviones de ala fija, la hélice o hélices todavía están ubicadas justo detrás del borde de salida de la "superficie de elevación principal", o debajo del ala (paramotores) con el motor ubicado detrás de la posición de la tripulación.
Disposición convencional
El diseño de aeronave convencional tiene una cola trasera ( empenaje ) para estabilización y control. La hélice puede estar cerca del motor, como ocurre con el accionamiento directo habitual:
- La hélice puede estar por delante de la cola: dentro del marco ( Farman III ), en línea con el fuselaje ( RFB Fantrainer ), entre los brazos de cola ( Cessna Skymaster ), por encima del fuselaje en el ala ( Quad City Challenger ), en la góndola o axial pod ( Lake Buccaneer ), o coaxialmente alrededor del fuselaje trasero ( Gallaudet D-4 ).
- La hélice puede estar ubicada detrás de la cola vertical, debajo de la cola horizontal ( Prescott Pusher ).
- Los motores y hélices pueden estar ubicados en alas ( Piaggio P.180 Avanti ) o en vainas laterales ( Embraer / FMA CBA 123 Vector [6] ).
El motor puede estar enterrado en una ubicación remota hacia adelante, impulsando la hélice mediante el eje de transmisión o la correa:
- La hélice puede estar ubicada delante de la cola, detrás del ala ( Eipper Quicksilver ) o dentro del fuselaje ( Rhein Flugzeugbau RW 3 Multoplan ).
- La hélice puede estar ubicada dentro de la cola, ya sea en forma de abanico cruciforme o con conductos ( Marvelette ).
- La hélice puede estar ubicada en la parte trasera, detrás de una cola convencional ( Bede BD-5 ).
- La hélice puede estar ubicada sobre el fuselaje, como en muchos pequeños hidroaviones ( lago Buccaneer ).
Diseño Canard
En los diseños de canard, un ala más pequeña se sitúa delante del ala principal del avión. Esta clase utiliza principalmente un motor directo, [nota 3] ya sea de un solo motor, hélice axial [nota 4] o motores gemelos con un diseño simétrico [nota 5] o un diseño en línea (push-pull) como el Rutan Voyager .
Diseño de alas voladoras y sin cola
En aviones sin cola como Lippisch Delta 1 y Westland-Hill Pterodactyl tipo I y IV, no hay estabilizadores horizontales en la parte trasera del avión. Las alas voladoras como el Northrop YB-35 son aviones sin cola y sin fuselaje distintivo. En estas instalaciones, los motores están montados en góndolas o en el fuselaje de un avión sin cola, o enterrados en el ala en alas voladoras, impulsando hélices detrás del borde de fuga del ala, a menudo mediante un eje de extensión.
Triciclo UL, paramotor, diseño de paracaídas motorizado
Casi sin excepción , los aviones de ala flexible , los paramotores y los paracaídas motorizados utilizan una configuración de empujador.
Otro
Estas embarcaciones corren sobre superficies planas, tierra, agua, nieve o hielo. El empuje es proporcionado por hélices y ventiladores con conductos, ubicados en la parte trasera del vehículo.
- Aerodeslizador , elevado por un colchón de aire, como los 58 pasajeros SR.N6 .
- Hidrodeslizador , buques de fondo plano que planean sobre el agua,
- Motos de nieve propulsadas por hélice , también conocidas como aerosleighs o Aerosani
Más producido
- Aviones tripulados
- Bombarderos Voisin - 3200
- Quad City Challenger ultraligero - 3000
- Royal Aircraft Factory FE2 , caza biplano y bombardero - 1.939
- Rutan Canards VariEze y long-EZ , construcciones de viviendas -> 1,000
- UAV
- AeroVironment RQ-11 Raven , UAV lanzado a mano - 13,000
Ventajas
Requisitos practicos
Colocar la cabina delante del ala para equilibrar el peso de los motores en popa mejora la visibilidad de la tripulación. Si bien cualquier armamento frontal se puede usar más fácilmente debido a que el cañón no necesita sincronizarse con la hélice, el riesgo de que los casquillos gastados vuelen hacia los puntales en la parte trasera compensa de alguna manera este riesgo. [ cita requerida ]
Las aeronaves en las que el piloto transporta el motor o muy cerca de él (como paramotores, paracaídas motorizados, autogiros y triciclos de ala flexible) colocan el motor detrás del piloto para minimizar el peligro para los brazos y piernas del piloto. [ cita requerida ] Estos dos factores significan que esta configuración fue ampliamente utilizada para los primeros aviones de combate, y sigue siendo popular hoy en día entre los aviones ultraligeros , los vehículos aéreos no tripulados (UAV) y los aviones controlados por radio . [ cita requerida ]
Aerodinámica
Un empujador puede tener un fuselaje más corto y, por lo tanto, una reducción tanto en el área mojada del fuselaje como en el peso. [7]
En contraste con el diseño del tractor, una hélice de empuje al final del fuselaje se estabiliza. [8] Un empujador necesita menos área de cola vertical estabilizadora [9] y por lo tanto presenta menos efecto de veleta ; [10] en el recorrido de despegue es generalmente menos sensible al viento cruzado. [nota 6] [11] [12]
Cuando no hay cola dentro de la estela, a diferencia de un tractor, no hay propwash giratorio alrededor del fuselaje induciendo una fuerza lateral a la aleta. En el despegue, un piloto de empuje canard no tiene que aplicar la entrada del timón para equilibrar este momento. [13]
Se puede ganar eficiencia montando una hélice detrás del fuselaje, ya que revitaliza la capa límite desarrollada en el cuerpo y reduce la resistencia de la forma al mantener el flujo unido al fuselaje. Sin embargo, suele ser una ganancia menor en comparación con el efecto perjudicial del fuselaje sobre la eficiencia de la hélice. [9]
El arrastre del perfil del ala puede reducirse debido a la ausencia de prop-wash sobre cualquier sección del ala. [ cita requerida ]
Seguridad
El motor está montado detrás de los compartimientos de tripulación y pasajeros, por lo que las fugas de aceite combustible y refrigerante se ventilarán detrás de la aeronave, y cualquier incendio del motor se dirigirá detrás de la aeronave. De manera similar, es menos probable que la falla de la hélice ponga en peligro directamente a la tripulación. [ cita requerida ]
Un sistema de ventilador con conductos de empuje ofrece una característica de seguridad adicional atribuida a encerrar el ventilador giratorio en el conducto, lo que lo convierte en una opción atractiva para varias configuraciones avanzadas de vehículos aéreos no tripulados o para vehículos aéreos pequeños / personales o para modelos de aeronaves. [14]
Desventajas
Consideraciones estructurales y de peso
Un diseño de empujador con un empenaje detrás de la hélice es estructuralmente más complejo que un tipo de tractor similar. El aumento de peso y arrastre degrada el rendimiento en comparación con un tipo de tractor similar. El conocimiento aerodinámico moderno y los métodos de construcción pueden reducir, pero nunca eliminar, la diferencia. Un motor remoto o enterrado requiere un eje de transmisión y cojinetes y soportes asociados, control de vibración torsional y agrega peso y complejidad. [15] [16]
Consideraciones sobre el centro de gravedad y el tren de aterrizaje
Para mantener una posición segura del centro de gravedad (CG), existe un límite en la distancia a popa que se puede instalar un motor. [17] La ubicación delantera de la tripulación puede equilibrar el peso del motor y ayudará a determinar el CG. Como la ubicación del CG debe mantenerse dentro de los límites definidos para una operación segura, la distribución de la carga debe evaluarse antes de cada vuelo. [18] [nota 7]
Debido a una línea de empuje generalmente alta necesaria para la distancia al suelo de la hélice, los momentos de cabeceo negativos (hacia abajo) y, en algunos casos, la ausencia de lavado de hélice sobre la cola, es posible que se requiera una velocidad más alta y un balanceo más largo para el despegue en comparación con los aviones tractores. . [19] [20] [21] La respuesta de Rutan a este problema es bajar el morro de la aeronave en reposo de manera que el centro de gravedad vacío quede por delante de las ruedas principales. En autogiros, una línea de alto empuje da como resultado un peligro de control conocido como empuje de potencia .
Consideraciones aerodinámicas
Debido a la línea de empuje generalmente alta para garantizar la distancia al suelo, un diseño de empujador de ala baja puede sufrir cambios de inclinación inducidos por cambios de potencia, también conocidos como acoplamiento de inclinación / potencia. Los hidroaviones de empuje con líneas de empuje especialmente altas y ruedas de cola pueden encontrar la cola vertical enmascarada por el flujo de aire, lo que reduce drásticamente el control a bajas velocidades, como durante el rodaje. La ausencia de prop-wash sobre el ala reduce la sustentación y aumenta la longitud del despegue. [22] Los motores de empuje montados en el ala pueden obstruir secciones del borde de fuga del ala , reduciendo el ancho total disponible para superficies de control como flaps y alerones. Cuando se monta una hélice delante de la cola, los cambios en la potencia del motor alteran el flujo de aire sobre la cola y pueden producir fuertes cambios de cabeceo o guiñada.
Distancia al suelo de la hélice y daños por objetos extraños
Debido a la rotación de cabeceo en el despegue, el diámetro de la hélice puede tener que reducirse (con una pérdida de eficiencia [23] ) y / o hacer que el tren de aterrizaje sea más largo [7] y más pesado. Muchos empujadores [nota 8] tienen aletas ventrales o patines debajo de la hélice para evitar que la hélice golpee el suelo a un costo adicional en resistencia y peso. [ cita requerida ] En los impulsores sin cola como el Rutan Long-EZ, el arco de la hélice está muy cerca del suelo mientras vuela en alto durante el despegue o el aterrizaje. Los objetos en el suelo levantados por las ruedas pueden atravesar el disco de la hélice, provocando daños o un desgaste acelerado de las palas o, en casos extremos, las palas pueden golpear el suelo.
Cuando un avión vuela en condiciones de hielo, se puede acumular hielo en las alas. Si un avión con motores de empuje montados en las alas experimenta hielo, los puntales ingerirán trozos de hielo desprendidos, poniendo en peligro las palas de la hélice y partes de la estructura del avión que pueden ser golpeadas por el hielo redirigido violentamente por los puntales. En los primeros aviones de combate de empuje, los casquillos de munición gastados causaban problemas similares, y hubo que idear dispositivos para recogerlos.
Eficiencia y ruido de la hélice
La hélice pasa a través de la estela del fuselaje, el ala y otras aguas de la superficie de vuelo, moviéndose asimétricamente a través de un disco de velocidad aerodinámica irregular. Esto reduce la eficiencia de la hélice y provoca vibraciones que inducen fatiga estructural de la hélice [nota 9] y ruido.
La eficiencia de la hélice suele ser al menos un 2–5% menor y, en algunos casos, más de un 15% menor que una instalación de tractor equivalente. [24] La investigación en túnel de viento a gran escala del canard Rutan VariEze mostró una eficiencia de la hélice de 0,75 en comparación con 0,85 para una configuración de tractor, una pérdida del 12%. [25] Los apoyos de empuje son ruidosos, [15] y el ruido de la cabina puede ser más alto que el equivalente del tractor ( Cessna XMC vs Cessna 152 ). [26] El ruido de la hélice puede aumentar porque el escape del motor fluye a través de los apoyos. Este efecto puede ser particularmente pronunciado cuando se utilizan motores turbohélice debido al gran volumen de escape que producen. [9]
Refrigeración y escape del motor
En la configuración de empujador, la hélice no aporta flujo de aire sobre el motor o el radiador. Algunos motores de aviación han experimentado problemas de enfriamiento cuando se utilizan como impulsores. [26] Para contrarrestar esto, se pueden instalar ventiladores auxiliares, agregando peso adicional. El motor de un empujador sale por delante de la hélice y, en este caso, el escape puede contribuir a la corrosión u otros daños a la hélice. Esto suele ser mínimo y puede ser principalmente visible en forma de manchas de hollín en las cuchillas.
Hélice y seguridad
En caso de proximidad entre la hélice y la cola, una rotura de la pala puede golpear la cola o producir vibraciones destructivas que provoquen una pérdida de control. [27]
Los miembros de la tripulación corren el riesgo de golpear la hélice mientras intentan salir de un avión monomotor con una hélice de empuje. [28] Al menos un asiento eyector temprano fue diseñado específicamente para contrarrestar este riesgo. [ cita requerida ] Algunas aeronaves ligeras modernas incluyen un sistema de paracaídas que salva toda la aeronave, evitando así la necesidad de rescatar. [ cita requerida ]
Motor y seguridad
La ubicación del motor en la configuración del empujador podría poner en peligro a los ocupantes de la aeronave en un accidente o aterrizaje forzoso en el que el impulso del motor se proyecta a través de la cabina. Por ejemplo, con el motor colocado directamente detrás de la cabina, durante un impacto de morro, el impulso del motor puede llevarlo a través del cortafuegos y la cabina, y podría lesionar a algunos ocupantes de la cabina. [nota 10]
Carga y seguridad del avión
Las hélices giratorias son siempre un peligro en el trabajo en tierra, como cargar o embarcar en el avión. La configuración del tractor deja la parte trasera del avión como un área de trabajo relativamente segura, mientras que es peligroso acercarse a un empujador por detrás, mientras que una hélice giratoria puede succionar cosas y personas cercanas al frente con resultados fatales tanto para el avión como para las personas succionadas. en. [ peso indebido? ] Aún más peligrosas son las operaciones de descarga, especialmente en el aire, como dejar caer suministros en paracaídas o operaciones de paracaidismo, que son casi imposibles con un avión de configuración de empuje, especialmente si las hélices están montadas en el fuselaje o en los propulsores. [ cita requerida ]
Ver también
- Configuración push-pull
- Lista de aviones de empuje por configuración
- Lista de aviones de empuje por configuración y fecha
- Ventilador con conductos
- Hélice con conductos
- Configuración del tractor
Referencias
Notas
- ^ La Royal Aircraft Factory se refirió a todos los primeros empujadores que construyeron como Farman Experimentals, o FEs
- ^ Ver problemas de estabilidad del Ascender Curtiss-Wright XP-55
- ^ Una excepción es el Raptor Aircraft Raptor cuyo motor diésel Audi V6 impulsa la hélice mediantecorreas PRSU .
- ^ Aviones Canard: Curtiss-Wright XP-55 Ascender en tiempo de guerray Kyushu J7W japonés(con eje de transmisión), Ambrosini SS.4 ; Rutan VariEze y Long-EZ , AASI Jetcruzer
- ^ Diseño simétrico de Canard: Wright Flyer , Beechcraft Starship
- ^ Debido a la menor estabilidad de la veleta
- ^ En el caso del Cozy IV, un cuatro plazas de lado a lado, un copiloto ausente debe equilibrarse con 20 kg (40 lb) en la nariz de la aeronave (Informe de rendimiento de la aeronave Cafe)
- ^ Dornier Do 335 , LearAvia Lear Fan , Prescott Pusher , Grob GF 200 , Beechcraft Starship , Vmax Probe
- ^ El único soporte aprobado para los empujadores Rutan es la madera, que es más resistente a los daños por fatiga.
- ^ Choque de Ambrosini SS.4
Citas
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