Configuração do empurrador - Pusher configuration

Wright Flyer 1903 empurrador

Em uma aeronave com uma configuração de empurrador (em oposição a uma configuração de trator ), a (s) hélice (s) são montadas atrás de seus respectivos motores. De acordo com o autor britânico de aviação Bill Gunston , uma "hélice impulsora" é montada atrás do motor, de modo que o eixo de transmissão está em compressão em operação normal.

A configuração do empurrador descreve este dispositivo de empuxo específico ( hélice ou ventilador em duto ) anexado a uma embarcação, seja aeróstato ( dirigível ) ou aeródino ( aeronave , WIG , paramotor , aeronave rotativa ) ou outros tipos, como hovercraft , aerobarco e motos de neve movidas a hélice .

A "configuração empurrador" também descreve o layout de uma aeronave de asa fixa na qual o dispositivo de empuxo tem uma configuração empurrador. Esse tipo de aeronave é comumente chamado de empurrador . Os empurradores foram projetados e construídos em muitos layouts diferentes, alguns deles bastante radicais.

História

Planóforo de 1871
Farman MF.11, mostrando a configuração clássica do Farman com motor entre as lanças da cauda
Buhl A-1 Autogiro , o primeiro empurrador autogiro
Típico de muitos UAVs, o General Atomics MQ-9 Reaper tem uma hélice na cauda
NAL Saras , com empurradores montados em cápsulas em ambos os lados da fuselagem traseira

O "Planóforo" movido a borracha, projetado por Alphonse Pénaud em 1871, foi um dos primeiros modelos de avião com uma hélice empurradora.

Muitas das primeiras aeronaves (especialmente biplanos) foram "empurradores", incluindo o Wright Flyer (1903), o Santos-Dumont 14-bis (1906), o Voisin-Farman I (1907) e o Curtiss Model D usado por Eugene Ely para o O primeiro navio pousou em 18 de janeiro de 1911. O traficante Farman III de Henri Farman e seus sucessores foram tão influentes na Grã-Bretanha que os traficantes em geral ficaram conhecidos como o "tipo Farman". Outras configurações iniciais do empurrador eram variações desse tema.

O clássico empurrador "Farman" tinha a hélice "montada (logo) atrás da superfície de levantamento principal" com o motor fixado na asa inferior ou entre as asas, imediatamente à frente da hélice em uma fuselagem (que também continha o piloto) chamada uma nacela . A principal dificuldade com esse tipo de desenho de empurrador era fixar a cauda (empenagem); ele precisava estar no mesmo local geral de uma aeronave trator, mas sua estrutura de suporte precisava evitar a hélice. Os primeiros exemplos de empurradores dependiam de um canard, mas isso tem sérias implicações aerodinâmicas que os primeiros projetistas foram incapazes de resolver. Normalmente, a montagem da cauda era feita com uma estrutura complexa de arame que criava muito arrasto. Bem antes do início da Primeira Guerra Mundial, essa resistência foi reconhecida como apenas um dos fatores que garantiriam que um empurrador do estilo Farman tivesse um desempenho inferior a um tipo de trator semelhante .

O Exército dos EUA proibiu os aviões empurradores no final de 1914 depois que vários pilotos morreram em acidentes com aeronaves desse tipo, então, de cerca de 1912 em diante, a grande maioria dos novos projetos de aviões terrestres dos EUA eram biplanos trator, com empurradores de todos os tipos sendo considerados antiquados em ambos lados do Atlântico. No entanto, novos designs de empurradores continuaram a ser projetados até o armistício, como o Vickers Vampire , embora poucos tenham entrado em serviço após 1916.

Pelo menos até o final de 1916, no entanto, empurradores (como o caça Airco DH.2 ) ainda eram favorecidos como aeronaves portadoras de armas pelo British Royal Flying Corps , porque uma arma de fogo frontal poderia ser usada sem ser obstruída por o arco da hélice. Com a introdução bem sucedida de Fokker 's mecanismo para a sincronização do disparo de uma arma automática com as pás de uma hélice em movimento , seguida rapidamente pela adopção generalizada de engrenagens de sincronização de todos os combatentes em 1916 e 1917, a configuração do tractor tornou-se quase universalmente favorecido e os empurradores foram reduzidos à pequena minoria de novos projetos de aeronaves que tinham um motivo específico para usar o arranjo. Tanto os britânicos quanto os franceses continuaram a usar bombardeiros configurados por empurrador, embora não houvesse nenhuma preferência clara de qualquer forma até 1917. Essas aeronaves incluíam (além dos produtos da própria empresa Farman) os bombardeiros Voisin (3.200 fabricados), os Vickers FB5 "Gunbus ", e a Royal Aircraft Factory FE2 , no entanto, mesmo esses seriam transferidos para funções de treinamento antes de desaparecerem por completo. Possivelmente, o último caça a usar a configuração empurrador Farman foi o caça com arma de fogo 1931 Vickers Type 161 COW.

Durante o longo eclipse da configuração, o uso de hélices empurradores continuou em aeronaves que derivaram um pequeno benefício da instalação e poderiam ter sido construídas como tratores. Os barcos voadores biplanos , por algum tempo, costumavam ser equipados com motores localizados acima da fuselagem para oferecer o máximo de afastamento da água, muitas vezes acionando hélices empurradoras para evitar borrifos e os perigos envolvidos, mantendo-os bem longe da cabine. A Supermarine Walrus foi um exemplo tardio desse layout.

O chamado layout push / pull , combinando as configurações de trator e empurrador - ou seja, com uma ou mais hélices voltadas para frente e uma ou mais outras voltadas para trás - foi outra ideia que continua a ser usada de tempos em tempos como meio de reduzindo os efeitos assimétricos de uma falha do motor externo, como no Farman F.222 , mas ao custo de uma eficiência severamente reduzida nas hélices traseiras, que eram frequentemente menores e conectadas a motores de baixa potência como resultado.

No final da década de 1930, a adoção generalizada da construção de aeronaves com revestimento estressado totalmente de metal significou, pelo menos em teoria, que as penalidades aerodinâmicas que limitaram o desempenho dos empurradores (e de fato qualquer layout não convencional) foram reduzidas; no entanto, qualquer melhoria que aumente o desempenho do empurrador também aumenta o desempenho das aeronaves convencionais e eles permaneceram uma raridade no serviço operacional - portanto, a lacuna foi reduzida, mas não foi totalmente fechada.

Durante a Segunda Guerra Mundial , os experimentos foram conduzidos com lutadores empurradores pela maioria das grandes potências. As dificuldades permaneceram, particularmente que um piloto tendo que saltar de um empurrador era capaz de passar pelo arco da hélice. Isso significa que, de todos os tipos em questão, apenas o relativamente convencional SAAB 21 sueco de 1943 entrou em produção em série. Outros problemas relacionados à aerodinâmica dos layouts do canard, que eram usados ​​na maioria dos empurradores, mostraram-se mais difíceis de resolver. Um dos primeiros assentos ejetáveis do mundo foi (por força) projetado para esta aeronave, que mais tarde ressurgiu com um motor a jato .

A maior aeronave empurradora a voar foi o Convair B-36 "Peacemaker" de 1946, que também foi o maior bombardeiro já operado pelos Estados Unidos . Tinha seis motores radiais Pratt & Whitney Wasp Major de 3.800 hp montados na asa, cada um acionando uma hélice impulsora localizada atrás do bordo de fuga da asa.

Embora a grande maioria dos aviões a hélice continuar a usar uma configuração de trator, tem havido nos últimos anos uma espécie de renascimento do interesse em projetos empurrador: em aeronaves homebuilt de luz, como Burt Rutan 's canard projetos desde 1975, ultraleves, tais como o Quad City Challenger (1983), asas flexíveis, paramotores, pára-quedas motorizados e autogiros. A configuração também é frequentemente usada para veículos aéreos não tripulados , devido aos requisitos de uma fuselagem dianteira livre de qualquer interferência do motor.

Considerações de instalação do motor

Em uma configuração de empurrador, a força fornecida pela hélice empurra em direção ao motor, e não para longe. Para converter uma combinação de motor de trator e hélice em operação de empurrador, não é suficiente simplesmente girar o motor e a hélice, uma vez que a hélice continuaria a "puxar", conduzindo a aeronave para trás. Assumindo que o motor não pode funcionar na direção reversa, o "controle manual" da hélice deve ser revertido. As cargas na pista de empuxo (rolamentos que impedem o movimento para frente e para trás do virabrequim) também são revertidas, porque a hélice impulsora está empurrando para dentro do motor em vez de se afastar dele como em um trator. Alguns motores modernos projetados para aeronaves leves são equipados com uma corrida de empuxo adequada para "empurrar" e "puxar", mas outros exigem uma parte diferente dependendo em que sentido estão operando. O projeto de resfriamento da usina é mais complexo do que para a configuração do trator, onde a hélice força o ar através do sistema.

Configurações

Aerostático

Os dirigíveis são o tipo mais antigo de avião empurrador, remontando ao dirigível pioneiro do francês Henri Giffard em 1852.

Aerodyne

Veja também: Lista de aeronaves empurradoras por configuração

As aeronaves Pusher foram construídas em muitas configurações diferentes. Na grande maioria das aeronaves de asa fixa, a hélice ou hélices ainda estão localizadas logo atrás da borda de fuga da "superfície de elevação principal", ou abaixo da asa (paramotores) com o motor localizado atrás da posição da tripulação.

Layout convencional

Gallaudet D-4 com propulsor girando em torno da fuselagem traseira

O layout convencional da aeronave possui cauda traseira ( empenagem ) para estabilização e controle. A hélice pode estar próxima ao motor, como o acionamento direto usual:

Rhein Flugzeugbau RW 3 Multoplan com hélice entre o leme e a barbatana

O motor pode ser enterrado em um local remoto à frente, conduzindo a hélice por eixo de transmissão ou correia:

  • A hélice pode estar localizada à frente da cauda, ​​atrás da asa ( Eipper Quicksilver ) ou dentro da estrutura ( Rhein Flugzeugbau RW 3 Multoplan ).
  • A hélice pode estar localizada dentro da cauda, ​​em forma de leque cruciforme ou duto ( Marvelette ).
  • A hélice pode estar localizada na parte traseira, atrás de uma cauda convencional ( Bede BD-5 ).
  • A hélice pode estar localizada acima da fuselagem, como em muitos pequenos barcos voadores ( Lago Buccaneer )

Layout Canard

Progenitor de um grande número de traficantes de canard, o experimental Miles M.35 Libellula tinha seu motor na parte traseira da fuselagem
Veja também: Canard (aeronáutica)

Em projetos canard, uma asa menor é posicionada à frente da asa principal da aeronave. Esta classe usa principalmente uma transmissão direta, seja um único motor, hélice axial ou dois motores com um layout simétrico ou um layout em linha (push-pull) como o Rutan Voyager .

Layout de asa voadora e sem cauda

Empurrador Lippisch Delta 1 sem cauda
Veja também: asa voadora e aeronaves sem cauda

Em aeronaves sem cauda, ​​como Lippisch Delta 1 e Westland-Hill Pterodactyl tipo I e IV, os estabilizadores horizontais na parte traseira da aeronave estão ausentes. As asas voadoras como o Northrop YB-35 são aeronaves sem cauda e sem fuselagem distinta. Nessas instalações, os motores são montados em naceles ou na fuselagem de aeronaves sem cauda, ​​ou enterrados na asa em asas voadoras, acionando hélices atrás do bordo de fuga da asa, muitas vezes por eixo de extensão.

Layout UL trike, paramotor, pára-quedas motorizado

Quase sem exceção , aeronaves de asas flexíveis , paramotores e pára-quedas motorizados usam uma configuração de empurrador.

Outro

Estas embarcações funcionam em superfícies planas, terra, água, neve ou gelo. O empuxo é fornecido por hélices e ventiladores dutos, localizados na parte traseira do veículo.

  • Hovercraft , levantado por uma almofada de ar, como os 58 passageiros SR.N6 .
  • Aerobarco , embarcações de fundo plano planando na água,
  • Motos de neve movidos a hélice , também conhecidos como aerosleighs ou Aerosani

Mais produzido

Bombardeiro Voisin III , o mais numeroso design de empurradores
  • Aeronave tripulada
Bombardeiros Voisin - 3.200
Ultraleve Quad City Challenger - 3.000
Royal Aircraft Factory FE2 , caça biplano e bombardeiro - 1.939
Rutan Canards VariEze e long-EZ , homebuilts -> 1.000
  • UAVs
AeroVironment RQ-11 Raven , UAV lançado manualmente - 13.000

Vantagens

Requisitos práticos

Microlight Flexwing com motor e hélice nas costas do piloto

Colocar a cabine à frente da asa para equilibrar o peso do (s) motor (es) na popa melhora a visibilidade para a tripulação. Embora qualquer armamento frontal possa ser usado mais facilmente porque o canhão não precisa se sincronizar com a hélice, o risco de que os invólucros gastos voem para os suportes na parte de trás compensa um pouco esse risco.

Aeronaves onde o motor é transportado ou muito próximo ao piloto (como paramotores, pára-quedas motorizados, autogiros e triciclos de asa flexível) colocam o motor atrás do piloto para minimizar o perigo para os braços e pernas do piloto. Esses dois fatores significam que essa configuração foi amplamente usada para aeronaves de combate iniciais e continua popular hoje entre aeronaves ultraleves , veículos aéreos não tripulados (UAVs) e aviões controlados por rádio .

Aerodinâmica

Um empurrador pode ter uma fuselagem mais curta e, portanto, uma redução na área molhada da fuselagem e no peso.

Em contraste com o layout do trator, uma hélice empurradora no final da fuselagem está se estabilizando. Um empurrador precisa de menos área de cauda vertical estabilizadora e, portanto, apresenta menos efeito catavento ; na rolagem de decolagem geralmente é menos sensível ao vento cruzado.

Quando não há cauda dentro do turbilhonamento, ao contrário de um trator, não há propwash em rotação ao redor da fuselagem, induzindo uma força lateral na aleta. Na decolagem, um piloto empurrador de canard não precisa aplicar o comando do leme para equilibrar esse momento.

A eficiência pode ser obtida montando uma hélice atrás da fuselagem, pois ela reenergiza a camada limite desenvolvida no corpo e reduz o arrasto de forma , mantendo o fluxo preso à fuselagem. No entanto, geralmente é um ganho menor em comparação com o efeito prejudicial da estrutura da aeronave na eficiência da hélice.

O arrasto do perfil da asa pode ser reduzido devido à ausência de prop-wash em qualquer seção da asa.

Segurança

O motor é montado atrás dos compartimentos da tripulação e do passageiro, de forma que o vazamento de óleo combustível e refrigerante seja liberado atrás da aeronave e qualquer incêndio no motor será direcionado para trás da aeronave. Da mesma forma, a falha da hélice tem menos probabilidade de colocar em perigo a tripulação.

Um sistema de ventilador com duto impulsor oferece um recurso de segurança suplementar atribuído ao fechamento do ventilador rotativo no duto, tornando-o, portanto, uma opção atraente para várias configurações avançadas de veículos aéreos não tripulados ou para veículos aéreos pequenos / pessoais ou para modelos de aeronaves.

Desvantagens

Considerações estruturais e de peso

Caça SAAB J 21 , com a hélice empurradora montada entre duas barras da fuselagem

Um projeto de empurrador com empenagem atrás da hélice é estruturalmente mais complexo do que um tipo de trator semelhante. O aumento de peso e resistência degrada o desempenho em comparação com um tipo de trator semelhante. O conhecimento aerodinâmico moderno e os métodos de construção podem reduzir, mas nunca eliminar a diferença. Um motor remoto ou enterrado requer um eixo de transmissão e rolamentos e suportes associados, controle de vibração de torção e adiciona peso e complexidade.

Centro de gravidade e considerações sobre o trem de pouso

Para manter uma posição segura do centro de gravidade (CG), há um limite para a distância à popa em que um motor pode ser instalado. A localização avançada da tripulação pode equilibrar o peso do motor e ajudará a determinar o CG. Como a localização do CG deve ser mantida dentro de limites definidos para operação segura, a distribuição da carga deve ser avaliada antes de cada voo.

Devido a uma linha de empuxo geralmente alta necessária para a distância ao solo da hélice, momentos de inclinação negativos (para baixo) e, em alguns casos, a ausência de prop-wash sobre a cauda, ​​uma velocidade mais alta e um roll mais longo podem ser necessários para a decolagem em comparação com a aeronave trator . A resposta de Rutan para esse problema é abaixar o nariz da aeronave em repouso de forma que o centro de gravidade vazio esteja à frente das rodas principais. Em autogiros, uma linha de impulso alto resulta em um perigo de controle conhecido como push-over de energia .

Considerações aerodinâmicas

O barco voador Supermarine Walrus empurrador é um barco voador típico, com o motor montado alto para evitar borrifos, no entanto, mudanças no acelerador induzem mudanças de inclinação

Devido à linha de empuxo geralmente alta para garantir a distância ao solo, um layout de empurrador de asa baixa pode sofrer mudanças de inclinação induzidas por mudança de potência, também conhecidas como acoplamento de inclinação / potência. Os hidroaviões empurradores com linhas de impulso e rodas traseiras especialmente altas podem encontrar a cauda vertical mascarada do fluxo de ar, reduzindo drasticamente o controle em baixas velocidades, como durante o taxiamento. A ausência de prop-wash sobre a asa reduz a sustentação e aumenta o comprimento do rolo de decolagem. Motores empurradores montados na asa podem obstruir seções da borda de fuga da asa , reduzindo a largura total disponível para superfícies de controle, como flaps e ailerons. Quando uma hélice é montada na frente da cauda, ​​mudanças na potência do motor alteram o fluxo de ar sobre a cauda e podem causar fortes mudanças de inclinação ou guinada.

Distância ao solo da hélice e danos por objetos estranhos

Devido à rotação do passo na decolagem, o diâmetro da hélice pode ter que ser reduzido (com perda de eficiência) e / ou o trem de pouso maior e mais pesado. Muitos empurradores têm aletas ventrais ou patins embaixo da hélice para evitar que ela bata no solo com um custo adicional de arrasto e peso. Em empurradores sem cauda, ​​como o Rutan Long-EZ, o arco da hélice fica muito próximo ao solo ao voar alto durante a decolagem ou pouso. Objetos no solo chutados pelas rodas podem passar pelo disco da hélice, causando danos ou desgaste acelerado das pás ou, em casos extremos, as pás podem atingir o solo.

Quando um avião voa em condições de congelamento , o gelo pode se acumular nas asas. Se um avião com motores impulsores montados nas asas sofrerem congelamento, os hélices ingerirão pedaços de gelo, colocando em risco as pás da hélice e partes da estrutura da aeronave que podem ser atingidas pelo gelo violentamente redirecionado pelos hélices. Nos primeiros aviões de combate empurradores, invólucros de munição usados ​​causavam problemas semelhantes, e dispositivos para coletá-los tiveram que ser inventados.

Eficiência da hélice e ruído

A hélice passa pelo rastro da fuselagem, asa e outras descidas da superfície de vôo - movendo-se assimetricamente através de um disco de velocidade do ar irregular. Isso reduz a eficiência da hélice e causa fadiga e ruído estruturais da hélice que induzem vibrações.

A eficiência da hélice é geralmente pelo menos 2–5% menor e, em alguns casos, mais de 15% menor do que a instalação de um trator equivalente. A investigação em escala completa do túnel de vento do canard Rutan VariEze mostrou uma eficiência da hélice de 0,75 em comparação com 0,85 para uma configuração de trator, uma perda de 12%. Os apoios do empurrador são barulhentos e o ruído da cabine pode ser maior do que o equivalente do trator ( Cessna XMC vs Cessna 152 ). O ruído da hélice pode aumentar porque o escapamento do motor flui através das hélices. Este efeito pode ser particularmente pronunciado ao usar motores turboélice devido ao grande volume de gases de escape que eles produzem.

Resfriamento e exaustão do motor

Na configuração de empurrador, a hélice não contribui com o fluxo de ar para o motor ou radiador. Alguns motores de aviação tiveram problemas de resfriamento quando usados ​​como empurradores. Para evitar isso, ventiladores auxiliares podem ser instalados, adicionando peso adicional. O motor de um empurrador esgota-se à frente da hélice e, neste caso, o escapamento pode contribuir para a corrosão ou outros danos à hélice. Isso geralmente é mínimo e pode ser principalmente visível na forma de manchas de fuligem nas lâminas.

Hélice e segurança

Piaggio P.180 Avanti com motores montados no bordo de fuga da asa, longe dos passageiros, permitindo um embarque mais seguro.

No caso de proximidade da hélice / cauda, ​​uma quebra da lâmina pode atingir a cauda ou produzir vibrações destrutivas levando à perda de controle.

Os membros da tripulação correm o risco de atingir a hélice ao tentar saltar de um avião monomotor com um propulsor. Pelo menos um assento ejetor antecipado foi projetado especificamente para evitar esse risco. Algumas aeronaves leves modernas incluem um sistema de pára - quedas que salva a aeronave inteira, evitando assim a necessidade de resgate.

Motor e segurança

A localização do motor na configuração do empurrador pode colocar os ocupantes da aeronave em perigo em caso de acidente ou pouso forçado em que o impulso do motor se projeta pela cabine. Por exemplo, com o motor colocado diretamente atrás da cabine, durante um impacto de nariz, o impulso do motor pode levar o motor através do firewall e da cabine, e pode ferir alguns ocupantes da cabine.

Carregamento de avião e segurança

Hélices girando são sempre um perigo no trabalho em solo, como carregar ou embarcar no avião. A configuração do trator deixa a parte traseira do avião como uma área de trabalho relativamente segura, enquanto um empurrador é perigoso se aproximar por trás, enquanto uma hélice girando pode sugar coisas e pessoas próximas à frente com resultados fatais para o avião e as pessoas sugadas . Ainda mais perigosas são as operações de descarga, especialmente no ar, como lançar suprimentos em pára-quedas ou operações de paraquedismo, que são quase impossíveis com um avião de configuração empurrador, especialmente se as hélices forem montadas na fuselagem ou patrocinadores.

Veja também

Referências

Notas

Citações

Origens

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