Размещение двигателей на самолете

Турбореактивный двигатель при компоновке самолета позволяет рассматривать целый ряд принципиально различных вариантов размещения двигателей: в фюзеляже, на фюзеляже, на киле, в корне крыла и на крыле (под крылом на пилоне, а также непосредственное крепление двигателей под и над крылом).

Все перечисленные схемы установки двигателей использовались в компоновках реактивных самолетов (дозвуковых и сверхзвуковых, гражданских и военных). Каждая схема имеет определенные преимущества и недостатки, проявляющиеся в той или иной степени в зависимости от типа и назначения самолета. Ниже рассмотрены наиболее распространенные схемы установки двигателей.

Размещение двигателей в фюзеляже применяется практически на всех легких военных самолетах (многоцелевые истребители и др.). Тонкое крыло небольшого удлинения не позволяет устанавливать двигатели на крыле или в крыле без ущерба для механизации крыла. Двигательные гондолы заняли бы слишком много места, не только значительно сократив размах закрылков, но и существенно сократив возможность подвешивать к крылу значительную часть боевой нагрузки.

Кроме того, если самолет имеет один большой воздушно-реактивный двигатель (тяговооруженность истребителей наиболее высокая), то фюзеляж является единственным местом для установки такого двигателя.

Размещение двигателей в корне крыла широко применялось на тяжелых дозвуковых реактивных самолетах военного и гражданского назначения (Ту-16, Ту-104, Ту-124 и др). Такая схема установки двигателей обладает определенными положительными качествами:

- отказ одного или двух двигателей, размещенных с одной стороны, не вызывает резких разворачивающих и кренящих моментов;

- высокое расположение воздухозаборников исключает всасывание посторонних предметов с взлетной полосы, низкое аэродинамическое сопротивление двигательной установки и др.

Данная схема имеет и ряд существенных недостатков:

- близость реактивной струи к обшивке фюзеляжа, сильный шум в пассажирском салоне;

- длинные воздухозаборники существенно уменьшают тягу двигателей;

- пожар, возникший в двигателях, может распространиться на пассажирский салон и топливные баки (требуется усиленная противопожарная защита);

- в случае разрушения лопаток компрессора или турбины возможно поражение пассажирской кабины и топливных баков (требуется специальное бронирование);

- наличие воздухозаборников на передней кромке крыла и выходных устройств на задней кромке уменьшает размещение механизации по размаху крыла;

- затрудняется создание систем для реверсирования тяги: направляемые вниз и вперед реактивные струи газов, отражаясь от поверхности аэродрома, могут засасываться в воздухозаборники двигателей, вызывая помпаж этих двигателей;

- плохие условия наземной эксплуатации двигателей из-за трудности подхода к ним;

- уменьшается объем крыла для размещения топлива;

- увеличение массы конструкции самолета вследствие утяжеления крыла (из-за фасонных лонжеронов и наличия съемных панелей), длинных воздухозаборников или выходных устройств.

Размещение двигателей на пилонах под крылом широко применяется на современных тяжелых дозвуковых самолетах.

Такая схема имеет следующие преимущества:

- двигатели разгружают конструкцию крыла в полете, уменьшая изгибающий момент от внешних нагрузок;

- двигатели являются противофлаттерными балансирами и одновременно демпфируют колебания крыла при полете в турбулентной атмосфере;

- обеспечивается удобство обслуживания двигателя и его замены (в том числе и на другой типоразмер);

- надежное изолирование источника пожара на двигателе от крыла при помощи противопожарных перегородок в пилоне;

- обеспечивается меньший шум от двигателей в пассажирском салоне;

- обеспечивается лучшая, чем на двигателях, установленных в корне крыла, изоляция конструкции самолета от звукового воздействия реактивных струй двигателей;

- создаются благоприятные условия установки двигателей с реверсом тяги и шумоглушением.

Наряду с указанными выше преимуществами, размещение двигателей на пилонах под крылом имеет следующие недостатки:

- в случае отказа двигателя, особенно внешнего, создается большой разворачивающий момент в горизонтальной плоскости;

- при посадке с креном наличие нижней пилонной подвески двигателей требует увеличение поперечного V крыла, (чтобы избежать касание двигателя земли), что ухудшает характеристики устойчивости и управляемости самолета;

- низкое расположение двигателей относительно поверхности аэродрома увеличивает возможность попадание в воздухозаборники посторонних предметов.

Размещение двигателей на хвостовой части фюзеляжа получило широкое распространение на отечественных и зарубежных пассажирских самолетах.

На тяжелых самолетах, когда для обеспечения необходимой величины тяговооруженности требуется четыре двигателя, на бортовых пилонах устанавливается по два двигателя с каждой стороны (например, самолет Ил-62).

Если для данной взлетной массы самолета требуемая тяговооруженность обеспечивается нечетным числом двигателей (три двигателя), то один из двигателей должен устанавливаться в плоскости симметрии самолета. В данном случае этот двигатель размещается внутри хвостовой части фюзеляжа, а его воздухозаборник выносится в корневую часть вертикального оперения над фюзеляжем. По такой схеме установлены двигатели на самолетах Боинг 727, Локхид L-1011, Де Хэвилленд «Трайдент» и на отечественных самолетах ЯК-40, Як-42 и Ту-154.

Размещение двигателей на хвостовой части фюзеляжа, когда двигатель крепится к фюзеляжу посредством небольшого пилона, позволяет:

- обеспечить аэродинамическое «чистое» крыло, что повышает его аэродинамическое качество на (10…15) %;

- максимально использовать размах крыла для размещения средств механизации (закрылки, предкрылки и т. д.), что улучшает взлетно-посадочные характеристики самолета;

- определять поперечное V крыла из условий обеспечения оптимальных характеристик поперечной и путевой устойчивости и управляемости;

- улучшить характеристики продольной, путевой и поперечной устойчивости самолета: (за счет площади гондол и их пилонов как дополнительного горизонтального оперения; вынос горизонтального оперения из зоны скоса потока за крылом; малый разворачивающий момент при остановке одного из двигателей);

- улучшить комфорт пассажиров (по сравнению с установкой двигателей в корне крыла) за счет уменьшения шума, так как гондолы двигателей в данном случае устанавливаются позади герметической кабины;

- облегчить установку реверсирующих устройств на всех двигателях;

- предохранить двигатели от попадания в них посторонних предметов при взлете и посадке, благодаря высокому расположению воздухозаборников;

- создать лучшие условия аварийной посадки самолета.

Однако наряду с указанными преимуществами схема установки двигателей на хвостовой части фюзеляжа имеет следующие существенные недостатки:

- увеличивается масса конструкции самолета (масса фюзеляжа увеличивается примерно на 10... 15 % вследствие усиления конструкции хвостовой части фюзеляжа из-за дополнительных массовых нагрузок от двигателей;

- увеличение массы крыла (примерно на 10... 15 %) из-за отсутствия разгрузки крыла;

- увеличение массы вертикального оперения, несущего на себе горизонтальное оперение;

- центр масс пустого самолета сдвигается назад, а центр масс полностью загруженного самолета - вперед, чем создаются трудности в центровке и балансировке самолета;

- носовая часть фюзеляжа выдвигается вперед, что отрицательно сказывается на путевой и продольной устойчивости самолета;

- при попадании самолета в обледенение создается возможность попадания в двигатели обломков льда, сбрасываемых противообледенителями с крыла;

- необходимо прокладывать топливопроводы от баков к двигателям вблизи пассажирской кабины, что вызывает опасность попадания паров топлива в кабину и увеличивает массу трубопроводов;

- несколько затрудняется обслуживание двигателей, высоко расположенных над поверхностью аэродрома.

Перечисленные недостатки приводят к тому, что на современных самолетах двигатели устанавливаются, в основном, на пилонах под крылом.

Размещение двигателей под крылом (с непосредственным креплением гондол двигателей к крылу) встречается на тяжелых сверхзвуковых самолетах. В данном случае двигатели могут устанавливаться либо в одной гондоле, расположенной в плоскости симметрии самолета (самолет «Норт Америкен» ХВ-70), либо попарно в двух гондолах (Ту-160, пассажирские самолеты Ту-144 и «Конкорд»).

Размещение двигателей в гондолах на нижней поверхности крыла вызывает систему скачков уплотнений от специально спрофилированных воздухозаборников и мотогондол двигателей. В результате взаимодействия систем скачков уплотнения с поверхностью крыла аэродинамическое качество самолета на сверхзвуковой крейсерской скорости существенно увеличивается.

Интерференция самолета и двигателя.Обтекание воздушным потоком двигателя, установленного на крыле или фюзеляже, вызывает дополнительные потери, называемыми интерференцией. По результатам экспериментальных исследований наименьшие потери наблюдаются при размещении двигателя на крыле по схеме среднеплан. При размещении двигателя непосредственно на крыле или под крылом потери будут минимальными, если поперечное сечение мотогондолы имеет прямолинейные обводы при соблюдении правила площадей.