Толкающая схема двигательной установки в авиации и судостроении.

Введение

Конструкция воздушного или водного судна, в которой движитель расположен позади двигателя.

В авиационной и морской технике термин "толкающая схема" используется для описания трансмиссии воздушного или водного судна с движителем (движителями), расположенным позади двигателя (двигателей). Это отличается от более распространенной тянущей схемы, в которой движитель (движители) находятся впереди. Хотя этот термин чаще всего применяется к летательным аппаратам, наиболее распространенным примером является пропеллер обычного подвесного мотора для небольшой лодки. "Толкающая схема" описывает конкретное тяговое устройство (пропеллер или воздухозаборник), установленное на судне – будь то аэростат (дирижабль), аэродинамический аппарат (самолет, экраноплан, парамотор, вертолет) или другие типы, такие как ховеркрафт, аэроглиссер и снегоходы с пропеллерным двигателем.

История

Резиномоторный "Планофор", разработанный Альфонсом Пено в 1871 году, был одним из первых успешных образцов модельного самолета с толкающим винтом. Многие ранние самолеты (особенно бипланы) были "пушерами", включая Wright Flyer (1903), Santos Dumont 14 bis (1906), Voisin Farman I (1907) и Curtiss Model D, использованный Юджином Эли для первой посадки на корабль 18 января 1911 года. Конструкция Farman III Анри Фармана и ее последователи оказали столь большое влияние в Великобритании, что толкатели в целом стали известны как "тип Фармана". Другие ранние конфигурации толкателей были вариациями этой темы. Классический "Фарман" имел пропеллер, "установленный (непосредственно) за основной несущей поверхностью" с двигателем, закрепленным на нижнем крыле или между крыльями, непосредственно перед пропеллером в короткой фюзеляжной гондоле (в которой также размещался пилот). Основная трудность с этим типом конструкции толкателя заключалась в креплении хвостового оперения. Оно должно было располагаться примерно так же, как и на самолете-тягаче, но его несущая конструкция должна была избегать попадания в плоскость вращения винта. Самые ранние примеры толкателей использовали хвостовое оперение типа "канар", но это имело серьезные аэродинамические последствия, которые ранние конструкторы не смогли решить. Обычно хвостовое оперение крепилось с помощью сложной системы проволочных расчалок, создававшей значительное сопротивление. Еще до начала Первой мировой войны это сопротивление было признано одним из факторов, гарантирующих, что толкатель типа "Фарман" будет иметь более низкие характеристики, чем аналогичный самолет-тягач. Армия США запретила самолеты-пушеры в конце 1914 года после гибели нескольких пилотов в катастрофах самолетов этого типа, поэтому примерно с 1912 года большинство новых американских конструкций наземных самолетов были тракторными бипланами, а толкатели всех типов стали считаться устаревшими по обе стороны Атлантики. Однако новые конструкции толкателей продолжали разрабатываться вплоть до перемирия, например, Vickers Vampire, хотя немногие поступили на вооружение после 1916 года. Впрочем, по крайней мере до конца 1916 года толкатели (такие как истребитель Airco DH.2) все еще были предпочтительны в качестве вооруженных самолетов британского Королевского летного корпуса, поскольку пушка, стреляющая вперед, могла использоваться без помех от плоскости вращения винта. С успешным внедрением механизма Фоккера для синхронизации стрельбы из пулемета с лопастями вращающегося винта, за которым быстро последовало широкое распространение синхронизирующих передач всеми воюющими сторонами в 1916 и 1917 годах, конфигурация тягача стала почти универсальной, и толкатели были сведены к небольшому числу новых конструкций самолетов, которые имели конкретную причину для использования такой схемы. И британцы, и французы продолжали использовать бомбардировщики с толкающей конфигурацией, хотя до 1917 года не было четкого предпочтения. К таким самолетам относились (помимо продукции компании Farman) бомбардировщики Voisin (3200 построенных), Vickers F. B.5 "Gunbus" и Royal Aircraft Factory F. E.2; однако даже они постепенно переводились в учебные подразделения, а затем полностью исчезли. Вероятно, последним истребителем, использовавшим конфигурацию Farman pusher, был Vickers Type 161 COW gun fighter 1931 года. В течение долгого периода забвения конфигурации толкающих винтов их продолжали использовать в самолетах, которые извлекали небольшую выгоду из такой установки и могли быть построены как тягачи. На двухфюзеляжных летательных аппаратах часто устанавливали двигатели над фюзеляжем, чтобы обеспечить максимальный зазор над водой, часто приводящие в движение толкающие винты, чтобы избежать брызг и связанных с этим опасностей, держа их на достаточном расстоянии от кабины пилота. Supermarine Walrus был поздним примером такой схемы. Так называемая схема "тяни-толкай", сочетающая конфигурации тягача и толкателя – то есть с одним или несколькими винтами, направленными вперед, и одним или несколькими другими, направленными назад, – была еще одной идеей, которая время от времени использовалась для уменьшения асимметричных эффектов отказа внешнего двигателя, например, на Farman F.222, но за счет значительного снижения эффективности задних винтов, которые часто были меньше и приводились в движение менее мощными двигателями. К концу 1930-х годов широкое распространение цельнометаллической конструкции самолетов с обшивкой означало, по крайней мере теоретически, что аэродинамические недостатки, ограничивавшие характеристики толкателей (и, вообще, любой нетрадиционной схемы), были уменьшены; однако любое улучшение, повышающее характеристики толкателя, также повышает характеристики обычных самолетов, и они оставались редкостью на вооружении – разрыв сократился, но не был устранен полностью. Во время Второй мировой войны эксперименты с толкающими истребителями проводились большинством крупных держав. Сложности сохранялись, особенно тот факт, что пилоту, катапультирующемуся из толкателя, было легко попасть в плоскость вращения винта. Это означало, что из всех рассматриваемых типов только относительно традиционный шведский SAAB 21 1943 года был запущен в серийное производство. Другие проблемы были связаны с аэродинамикой схем типа "канар", которые использовались на большинстве толкателей, и их оказалось труднее решить. Один из первых в мире катапультируемых кресел был (по необходимости) разработан для этого самолета, который позже был переоснащен реактивным двигателем. Самым большим самолетом с толкающей конфигурацией, когда-либо поднимавшимся в воздух, был Convair B-36 "Peacemaker" 1946 года, который также был самым большим бомбардировщиком, когда-либо эксплуатировавшимся Соединенными Штатами. Он был оснащен шестью радиальными двигателями Pratt & Whitney Wasp Major мощностью 28 цилиндров, установленными в крыле, каждый из которых приводил в движение толкающий винт, расположенный за задней кромкой крыла, а также четырьмя реактивными двигателями. Хотя подавляющее большинство самолетов с винтами по-прежнему используют конфигурацию тягача, в последние годы наблюдается некоторый всплеск интереса к толкающим конструкциям: в легких самодельных самолетах, таких как конструкции с "канаром" Берта Рутана с 1975 года, ультралегких самолетах, таких как Quad City Challenger (1983), дельтапланах, парамоторах, парашютных самолетах и автожирах. Эта конфигурация также часто используется для беспилотных летательных аппаратов из-за требований к передней части фюзеляжа, свободной от каких-либо помех со стороны двигателя. Aero Dynamics Sparrow Hawk был еще одним самодельным самолетом, построенным в основном в 1990-х годах.

The rubber powered "Planophore", designed by Alphonse Pénaud in 1871, was an early successful model aircraft with a pusher propeller. Many early aircraft (especially biplanes) were "pushers", including the Wright Flyer (1903), the Santos Dumont 14 bis (1906), the Voisin Farman I (1907), and the Curtiss Model D used by Eugene Ely for the first ship landing on January 18, 1911. Henri Farman's pusher Farman III and its successors were so influential in Britain that pushers in general became known as the "Farman type". Other early pusher configurations were variations on this theme. The classic "Farman" pusher had the propeller "mounted (just) behind the main lifting surface" with the engine fixed to the lower wing or between the wings, immediately forward of the propeller in a stub fuselage (that also contained the pilot) called a nacelle. The main difficulty with this type of pusher design was attaching the tail (empennage). This needed to be in the same general location as on a tractor aircraft, but its support structure had to avoid the propeller. The earliest examples of pushers relied on a canard but this has serious aerodynamic implications that the early designers were unable to resolve. Typically, mounting the tail was done with a complex wire braced framework that created a lot of drag. Well before the beginning of the First World War, this drag was recognized as just one of the factors that would ensure that a Farman style pusher would have an inferior performance to an otherwise similar tractor type. The U. S. Army banned pusher aircraft in late 1914 after several pilots died in crashes of aircraft of this type, so from about 1912 onwards, the great majority of new U. S. landplane designs were tractor biplanes, with pushers of all types becoming regarded as old fashioned on both sides of the Atlantic. However, new pusher designs continued to be designed right up to the armistice, such as the Vickers Vampire, although few entered service after 1916. At least up to the end of 1916, however, pushers (such as the Airco DH.2 fighter) were still favored as gun carrying aircraft by the British Royal Flying Corps, because a forward firing gun could be used without being obstructed by the arc of the propeller. With the successful introduction of Fokker's mechanism for synchronizing the firing of a machine gun with the blades of a moving propeller, followed quickly by the widespread adoption of synchronization gears by all the combatants in 1916 and 1917, the tractor configuration became almost universally favored, and pushers were reduced to the tiny minority of new aircraft designs that had a specific reason for using the arrangement. Both the British and French continued to use pusher configured bombers, though there was no clear preference either way until 1917. Such aircraft included (apart from the products of the Farman company) the Voisin bombers (3,200 built), the Vickers F. B.5 "Gunbus", and the Royal Aircraft Factory F. E.2; however, even these found themselves being shunted into training roles before disappearing entirely. Possibly the last fighter to use the Farman pusher configuration was the 1931 Vickers Type 161 COW gun fighter. During the long eclipse of the configuration the use of pusher propellers continued in aircraft which derived a small benefit from the installation and could have been built as tractors. Biplane flying boats had for some time often been fitted with engines located above the fuselage to offer maximum clearance from the water, often driving pusher propellers to avoid spray and the hazards involved by keeping them well clear of the cockpit. The Supermarine Walrus was a late example of this layout. The so called push/pull layout, combining the tractor and pusher configurations—that is, with one or more propellers facing forward and one or more others facing back—was another idea that continues to be used from time to time as a means of reducing the asymmetric effects of an outboard engine failure, such as on the Farman F.222, but at the cost of a severely reduced efficiency on the rear propellers, which were often smaller and attached to lower powered engines as a result. By the late 1930s, the widespread adoption of all metal stressed skin construction of aircraft meant, at least in theory, that the aerodynamic penalties that had limited the performance of pushers (and indeed any unconventional layout) were reduced; however, any improvement that boosts pusher performance also boosts the performance of conventional aircraft, and they remained a rarity in operational service—so the gap was narrowed but was closed entirely. During World War II, experiments were conducted with pusher fighters by most of the major powers. Difficulties remained, particularly that a pilot having to bail out of a pusher was liable to pass through the propeller arc. This meant that of all the types concerned, only the relatively conventional Swedish SAAB 21 of 1943 went into series production. Other problems related to the aerodynamics of canard layouts, which had been used on most of the pushers, proved more difficult to resolve. One of the world's first ejection seats was (per force) designed for this aircraft, which later re emerged with a jet engine. The largest pusher aircraft to fly was the Convair B 36 "Peacemaker" of 1946, which was also the largest bomber ever operated by the United States. It had six 28 cylinder Pratt & Whitney Wasp Major radial engines mounted in the wing, each driving a pusher propeller located behind the trailing edge of the wing, plus four jet engines. Although the vast majority of propeller driven aircraft continue to use a tractor configuration, there has been in recent years something of a revival of interest in pusher designs: in light homebuilt aircraft such as Burt Rutan's canard designs since 1975, ultralights such as the Quad City Challenger (1983), flexwings, paramotors, powered parachutes, and autogyros. The configuration is also often used for unmanned aerial vehicles, due to requirements for a forward fuselage free of any engine interference. The Aero Dynamics Sparrow Hawk was another homebuilt aircraft constructed chiefly in the 1990s.

Преимущества

Карданный вал толкающего двигателя испытывает сжимающие нагрузки при нормальной работе, что создает меньшее напряжение, чем при растягивающих нагрузках в тракторной конфигурации.

Практические требования

Размещение кабины впереди крыла для балансировки веса двигателя в хвостовой части улучшает обзор для экипажа. В военных самолетах это облегчало использование переднего вооружения, поскольку пушка не требовала синхронизации с винтом, хотя риск попадания стреляных гильз в винт частично нивелировал это преимущество. В летательных аппаратах, где двигатель расположен непосредственно у пилота или очень близко к нему (например, парамоторы, моторизованные парашюты, автожиры и трики с гибким крылом), двигатель размещают позади пилота, чтобы минимизировать опасность для его рук и ног. Эти два фактора привели к широкому использованию данной конфигурации в первых боевых самолетах, и она остается популярной сегодня среди сверхлегких самолетов, беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и радиоуправляемых самолетов.

Аэродинамика

Толкающая схема может предусматривать более короткий фюзеляж, что приводит к уменьшению как смачиваемой площади фюзеляжа, так и его веса. В отличие от тянущей схемы, толкающий винт, расположенный в хвостовой части фюзеляжа, обеспечивает стабилизацию. Толкающая схема требует меньшей площади вертикального оперения для стабилизации и, следовательно, обладает меньшим эффектом флюгерования; при разбеге она, как правило, менее чувствительна к боковому ветру. Поскольку в потоке отсутствует хвостовое оперение, в отличие от тянущей схемы, отсутствует вращающийся воздушный поток от винта вокруг фюзеляжа, создающий боковую силу на киль. При взлете пилоту толкающей схемы с предкрылком не требуется отклонять руль направления для компенсации этого момента. Эффективность можно повысить, разместив винт позади фюзеляжа, поскольку он восстанавливает энергию пограничного слоя, развивающегося на корпусе, и снижает сопротивление формы, поддерживая обтекание фюзеляжа. Однако, как правило, это незначительное преимущество по сравнению с негативным влиянием конструкции самолета на эффективность винта.

Структурные и весовые соображения

Конструкция толкающего винта с хвостовым оперением за винтом структурно сложнее, чем аналогичная тянущая схема. Увеличенный вес и сопротивление ухудшают характеристики по сравнению с аналогичной тянущей схемой. Современные аэродинамические знания и методы конструирования могут уменьшить, но не устранить эту разницу. Удалённый или встроенный двигатель требует карданного вала и связанных с ним подшипников, опор и системы контроля крутильных колебаний, что увеличивает вес и сложность конструкции.

Учет центра тяжести и шасси

Для поддержания безопасного положения центра тяжести (ЦТ) существует предел допустимого смещения двигателя к хвостовой части. Расположение экипажа в передней части может компенсировать вес двигателя и влияет на определение положения ЦТ. Поскольку положение ЦТ должно находиться в пределах установленных границ для обеспечения безопасной эксплуатации, распределение нагрузки необходимо оценивать перед каждым полетом. В связи с обычно необходимой высокой линией тяги для обеспечения достаточного зазора пропеллера над землей, возникновения нисходящих моментов тангажа и, в некоторых случаях, отсутствия обдува хвостового оперения потоком от пропеллера, для взлета может потребоваться более высокая скорость и более длинный разбег по сравнению с самолетами с передним расположением двигателя. Решением, предложенным Рутаном, является опускание носовой части самолета в состоянии покоя таким образом, чтобы пустой центр тяжести находился впереди основных колес. В автожирах высокая линия тяги приводит к опасности управления, известной как "переворот из-за тяги".

Аэродинамические соображения

Из-за обычно высокой оси тяги, обеспечивающей достаточный дорожный просвет, низкопланы с толкающей винтовой установкой могут испытывать изменения тангажа, вызванные изменением мощности, также известные как взаимосвязь тангажа и мощности. Толкающие гидросамолеты, особенно с высокой осью тяги и хвостовым колесом, могут столкнуться с тем, что воздушный поток будет блокировать вертикальный стабилизатор, что серьезно снизит управляемость на малых скоростях, например, при рулении. Отсутствие потока от винта над крылом уменьшает подъемную силу и увеличивает разбег. Толкающие двигатели, установленные на крыле, могут перекрывать участки задней кромки крыла, уменьшая общую ширину, доступную для органов управления, таких как закрылки и элероны. Когда пропеллер расположен перед хвостовым оперением, изменение мощности двигателя изменяет обтекание хвостовой части и может вызывать резкие изменения тангажа или рыскания.

Размещение винта над землей и повреждение чужеродным предметом

Из-за изменения угла установки винта при взлете может потребоваться уменьшение его диаметра (с потерей эффективности) и/или увеличение высоты шасси, а также установка вентральных плавников или полозьев под винтом для предотвращения удара винта о землю, что повлечет за собой дополнительные затраты на сопротивление и вес. У бесхвостых самолетов с толкающим винтом, таких как Rutan Long EZ, траектория вращения винта очень близка к земле при полете с поднятым носом во время взлета или посадки. Предметы, поднятые колесами с земли, могут проходить через плоскость вращения винта, вызывая повреждение или ускоренный износ лопастей; в крайних случаях лопасти могут удариться о землю. При полете самолета в условиях обледенения на крыльях может образовываться лед. Если самолет с двигателями, установленными на крыльях, попадает в условия обледенения, винты будут засасывать осколки льда, что может повредить лопасти винта и части фюзеляжа, которые могут быть поражены льдом, резко отклоненным винтами. В ранних боевых самолетах с толкающим винтом аналогичные проблемы вызывали стреляные гильзы, и для их сбора приходилось разрабатывать специальные устройства.

Эффективность винта и шум

Пропеллер проходит через следы от фюзеляжа, крыла и нисходящие потоки от других аэродинамических поверхностей – двигаясь асимметрично в диске с неравномерной скоростью воздушного потока. Это снижает эффективность пропеллера и вызывает вибрацию, приводящую к усталости конструкции пропеллера и шуму. Эффективность пропеллера обычно на 2–5% ниже, а в некоторых случаях более чем на 15%, чем у эквивалентной тянущей установки. Полномасштабные испытания в аэродинамической трубе канарда Rutan VariEze показали эффективность пропеллера 0,75 по сравнению с 0,85 для тянущей конфигурации, что составляет потерю в 12%. Толкающие винты шумные, а шум пропеллера может усиливаться из-за прохождения выхлопных газов двигателя через пропеллер. Этот эффект может быть особенно заметен при использовании турбовинтовых двигателей из-за большого объема производимых ими выхлопных газов. Члены экипажа рискуют задеть пропеллер при попытке покинуть одномоторный самолет с толкающим винтом. По крайней мере, одно из ранних катапультируемых кресел было разработано специально для снижения этого риска. Некоторые современные легкие самолеты оснащены парашютной системой, спасающей весь самолет, что устраняет необходимость в катапультировании.

Двигатель

Расположение двигателя в толкающей конфигурации может представлять опасность для находящихся в самолете в случае аварии или жесткой посадки, когда импульс двигателя направлен в сторону кабины. Например, если двигатель расположен непосредственно за кабиной, при ударе носовой частью импульс двигателя может привести к тому, что двигатель пройдёт сквозь противопожарную перегородку и кабину, что может привести к травмам пассажиров.

Загрузка воздушных судов

Вращающиеся винты всегда представляют опасность при работе на земле, например, при погрузке или посадке в самолет. Конфигурация "тянущий" винт оставляет заднюю часть самолета относительно безопасной рабочей зоной, в то время как к самолету с "толкающим" винтом опасно подходить сзади, поскольку вращающийся винт может затягивать находящиеся рядом предметы и людей, что может привести к гибели как для самолета, так и для затянутых людей. Еще более опасны операции по разгрузке, особенно в воздухе, такие как сброс грузов на парашюте или прыжки с парашютом, которые практически невозможны с самолетом с "толкающим" винтом, особенно если винты установлены на фюзеляже или спонсонах.