En ingeniería aeronáutica y naval , configuración de empujador es el término utilizado para describir una transmisión de un avión o embarcación con su (s) dispositivo(s) de propulsión después de su (s) motor (es). Esto contrasta con la configuración de tractor más convencional , que los sitúa al frente.
Aunque el término se aplica más comúnmente a aviones, su ejemplo de hélice más omnipresente es un motor fuera de borda común para una embarcación pequeña.
La “configuración de empujador” describe el dispositivo de empuje específico (hélice o ventilador con conductos ) adjunto a una nave, ya sea aerostato ( dirigible ) o aerodino (avión, WIG , paramotor , helicóptero ) u otros tipos como aerodeslizadores , hidrodeslizadores y motos de nieve impulsadas por hélices . [1]
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El "Planophore" propulsado por goma, diseñado por Alphonse Pénaud en 1871, fue uno de los primeros modelos exitosos de avión con hélice de empuje.
Muchos de los primeros aviones (especialmente biplanos) fueron "empujadores", incluido 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 El primer barco desembarcó el 18 de enero de 1911. El traficante de Henri Farman, Farman III , y sus sucesores fueron tan influyentes en Gran Bretaña que los traficantes en general llegaron a ser conocidos como el "tipo Farman". [nota 1] Otras configuraciones tempranas de empujadores fueron variaciones de este tema.
El clásico empujador "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 delante 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 era fijar la cola (empenaje). Este 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 propulsores se basaban en un canard, pero esto tiene graves implicaciones aerodinámicas que los primeros diseñadores no pudieron resolver. Por lo general, el montaje de la cola se realizaba con una compleja estructura reforzada con alambre que generaba mucha resistencia. Mucho antes del comienzo de la Primera Guerra Mundial, esta resistencia fue reconocida como sólo uno de los factores que asegurarían que un empujador estilo Farman tuviera un rendimiento inferior al de un tipo de tractor similar .
El ejército de los EE. UU. prohibió los aviones de empuje a finales de 1914 después de que varios pilotos murieran en accidentes de aviones de este tipo, [2] por lo que aproximadamente a partir de 1912 la gran mayoría de los nuevos diseños de aviones terrestres de los EE. UU. fueron biplanos tractores, y los propulsores de todo tipo pasaron a considerarse viejos. formado a ambos lados del Atlántico. Sin embargo, se siguieron diseñando nuevos diseños de propulsores hasta el armisticio, como el Vickers Vampire , aunque pocos entraron en servicio después de 1916. [ cita requerida ] .
Sin embargo, al menos hasta finales de 1916, los propulsores (como el caza Airco DH.2 ) seguían siendo preferidos como aviones portadores de armas por el Royal Flying Corps británico , porque un cañón que disparaba hacia adelante podía usarse sin ser obstruido por el arco de la hélice. Con la introducción exitosa del mecanismo de Fokker para sincronizar el disparo de una ametralladora con las palas de una hélice en movimiento , [3] seguida rápidamente por la adopción generalizada de engranajes de sincronización por parte de todos los combatientes en 1916 y 1917, la configuración del tractor pasó a ser casi universalmente favorecido y los impulsores se redujeron a una pequeña minoría de nuevos diseños de aviones que tenían una razón específica para usar el acuerdo.
Tanto los británicos como los franceses continuaron usando bombarderos configurados con empujadores, aunque no hubo una preferencia clara en ninguno de los sentidos hasta 1917. Dichos aviones incluían (aparte de los productos de la compañía Farman) los bombarderos Voisin (3200 construidos), el Vickers FB5 "Gunbus" , y la Royal Aircraft Factory FE2 , sin embargo, incluso estos se vieron desviados a funciones de entrenamiento antes de desaparecer por completo. Posiblemente el último caza en utilizar la configuración de empujador Farman fue el caza cañón Vickers Tipo 161 COW de 1931.
Durante el largo eclipse de la configuración, el uso de hélices de empuje continuó en aviones que obtuvieron un pequeño beneficio de la instalación y podrían haberse construido como tractores. Los hidroaviones biplanos , durante algún tiempo, a menudo estaban equipados con motores ubicados sobre el fuselaje para ofrecer la máxima separación del agua, a menudo accionando hélices de empuje para evitar salpicaduras y los peligros que implica mantenerlos bien alejados de la cabina. El Supermarine Walrus fue un ejemplo tardío de este diseño.
El llamado diseño push/pull , que combina las configuraciones de tractor y empujador, es decir, con una o más hélices mirando hacia adelante y una o más hacia atrás, fue otra idea que se sigue utilizando de vez en cuando como medio de reduciendo los efectos asimétricos de una falla en un motor fueraborda, 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, como resultado, estaban conectadas a motores de menor potencia.
A finales de la década de 1930, la adopción generalizada de la construcción de aviones con revestimiento tensado totalmente metálico significó, al menos en teoría, que se redujeran las penalizaciones aerodinámicas que habían limitado el rendimiento de los propulsores (y, de hecho, de cualquier diseño no convencional); sin embargo, cualquier mejora que mejore el rendimiento de los propulsores también mejora el rendimiento de los aviones convencionales y siguieron 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 grandes potencias llevaron a cabo experimentos con cazas de empuje. Persistieron las dificultades, en particular que un piloto que tuviera que salir de un propulsor podía atravesar el arco de la hélice. Esto significó que de todos los modelos en cuestión, sólo el relativamente convencional SAAB 21 sueco 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 propulsores, resultaron más difíciles de resolver. [nota 2] Uno de los primeros asientos eyectables del mundo fue (por fuerza) diseñado para este avión, que luego resurgió con un motor a reacción .
El avión propulsor más grande que voló 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 28 cilindros y 3.800 hp (2.800 kW) montados en el ala, cada uno de los cuales impulsaba una hélice de empuje ubicada detrás del borde de salida del ala, además de cuatro motores a reacción.
Aunque la gran mayoría de los aviones propulsados por hélices siguen utilizando una configuración de tractor, en los últimos años se ha producido un resurgimiento del interés por los diseños de propulsores: en aviones ligeros de fabricación propia, como los diseños canard de Burt Rutan desde 1975, ultraligeros como los el Quad City Challenger (1983), alas flexibles, paramotores , paracaídas motorizados y autogiros . La configuración también se utiliza a menudo para vehículos aéreos no tripulados , debido a los requisitos de un fuselaje delantero libre de interferencias del motor.
El Aero Dynamics Sparrow Hawk fue otro avión de fabricación propia construido principalmente en la década de 1990.
Los dirigibles son el tipo más antiguo de avión de empuje y se remontan al dirigible pionero del francés Henri Giffard de 1852.
Los aviones de empuje 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 sustentación principal", o debajo del ala (paramotores), estando el motor ubicado detrás de la posición de la tripulación.
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Los aviones de diseño convencional tienen una cola ( empenaje ) para estabilización y control. La hélice puede estar cerca del motor, como en el caso de un accionamiento directo habitual:
El motor podrá estar enterrado en un lugar remoto delantero, accionando la hélice mediante eje de transmisión o correa:
En los diseños canard , un ala más pequeña está situada delante del ala principal del avión. Esta clase utiliza principalmente una transmisión directa, [nota 3] ya sea monomotor, hélice axial [nota 4] o motores gemelos con un diseño simétrico [nota 5] o un diseño en línea (push-pull) como el Rutan Voyager .
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 aviones sin cola, o enterrados en el ala de las alas volantes, impulsando las hélices detrás del borde de salida del ala, a menudo mediante un eje de extensión.
Casi sin excepción , los aviones de ala flexible , los paramotores y los paracaídas propulsados utilizan una configuración de empujador.
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Otras embarcaciones con configuraciones de empujador corren sobre superficies planas, tierra, agua, nieve o hielo. El empuje lo proporcionan hélices y ventiladores con conductos, ubicados en la parte trasera del vehículo.
El eje de transmisión de un motor de empuje está comprimido en funcionamiento normal, [5] lo que le impone menos tensión que estar en tensión en una configuración de tractor.
Colocar la cabina delante del ala para equilibrar el peso de los motores en popa mejora la visibilidad para la tripulación. En los aviones militares, el armamento delantero podría usarse más fácilmente debido a que el cañón no necesita sincronizarse con la hélice, aunque el riesgo de que casquillos gastados vuelen hacia las hélices traseras contrarresta en cierta medida esta ventaja. [ cita necesaria ]
Las aeronaves en las que el piloto lleva el motor o muy cerca de él (como paramotores, paracaídas motorizados, autogiros y triciclos de alas flexibles) colocan el motor detrás del piloto para minimizar el peligro para los brazos y piernas del piloto. [ cita necesaria ] Estos dos factores significan que esta configuración se usó ampliamente para los primeros aviones de combate y sigue siendo popular hoy entre los aviones ultraligeros , los vehículos aéreos no tripulados (UAV) y los aviones controlados por radio . [ cita necesaria ]
Un empujador puede tener un fuselaje más corto y, por lo tanto, una reducción tanto en el área mojada como en el peso del fuselaje. [6]
A diferencia de la disposición del tractor, una hélice de empuje situada en el extremo del fuselaje sirve de estabilizador. [7] Un empujador necesita menos área de cola vertical estabilizadora [8] y, por lo tanto, presenta menos efecto veleta ; [9] durante el despegue, generalmente es menos sensible al viento cruzado. [nota 6] [10] [11]
Cuando no hay cola dentro de la estela, a diferencia de un tractor, no hay hélice giratoria alrededor del fuselaje que induzca una fuerza lateral sobre la aleta. En el despegue, un piloto de empujador de canard no tiene que aplicar el timón para equilibrar este momento. [12]
Se puede ganar eficiencia montando una hélice detrás del fuselaje, porque vuelve a energizar la capa límite desarrollada en el cuerpo y reduce la resistencia de la forma manteniendo 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. [8]
La resistencia del perfil del ala puede reducirse debido a la ausencia de lavado de hélice en cualquier sección del ala. [ cita necesaria ]
El motor está montado detrás de los compartimentos de la tripulación y de los pasajeros, por lo que las fugas de combustible y refrigerante se ventilarán detrás del avión, y cualquier incendio en el motor se dirigirá detrás del avión. De manera similar, es menos probable que una falla de la hélice ponga en peligro directamente a la tripulación. [ cita necesaria ]
Un sistema de ventilador con conductos de empuje ofrece una característica de seguridad suplementaria atribuida a encerrar el ventilador giratorio en el conducto, lo que lo convierte en una opción atractiva para diversas configuraciones avanzadas de vehículos aéreos no tripulados o para vehículos aéreos pequeños/personales o para modelos de aeronaves. [13]
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 resistencia degrada el rendimiento en comparación con un tipo de tractor similar. Los conocimientos aerodinámicos y los métodos de construcción modernos 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. [14] [15]
Para mantener una posición segura del centro de gravedad (CG), existe un límite en cuanto a la distancia hacia atrás que se puede instalar un motor. [16] 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 límites definidos para una operación segura, la distribución de la carga debe evaluarse antes de cada vuelo. [17] [nota 7]
Debido a una línea de empuje generalmente alta necesaria para la distancia al suelo de la hélice, 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 mayor velocidad y un balanceo más largo para el despegue en comparación con los aviones tractores. . [18] [19] [20] La respuesta de Rutan a este problema es bajar el morro del avión en reposo de manera que el centro de gravedad vacío quede por delante de las ruedas principales. En los autogiros, una línea de alto empuje produce un peligro de control conocido como empuje de potencia .
Debido a la línea de empuje generalmente alta para garantizar la distancia al suelo, un diseño de empujador de ala bajo puede sufrir cambios de paso inducidos por cambios de potencia, también conocidos como acoplamiento de paso/potencia. Los hidroaviones de empuje con líneas de empuje y ruedas de cola especialmente altas pueden encontrar la cola vertical oculta al flujo de aire, lo que reduce gravemente el control a bajas velocidades, como durante el rodaje. La ausencia de hélice sobre el ala reduce la sustentación y aumenta la longitud del recorrido de despegue. [21] Los motores de empuje montados en el ala pueden obstruir secciones del borde de fuga del ala , reduciendo el ancho total disponible para las 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 provocar fuertes cambios de cabeceo o guiñada.
Debido a la rotación del paso en el despegue, es posible que sea necesario reducir el diámetro de la hélice (con una pérdida de eficiencia [22] ) y/o hacer que el tren de aterrizaje sea más largo [6] y más pesado. Muchos empujadores [nota 8] tienen aletas ventrales o patines debajo de la hélice para evitar que la hélice golpee el suelo con un costo adicional en resistencia y peso. [ cita necesaria ] En los empujadores sin cola, como el Rutan Long-EZ, el arco de la hélice está muy cerca del suelo mientras vuela con el morro 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 desgaste acelerado de las palas o, en casos extremos, las palas pueden golpear el suelo.
Cuando un avión vuela en condiciones de formación de hielo , se puede acumular hielo en las alas. Si un avión con motores de empuje montados en las alas experimenta formación de hielo, las hélices 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 las hélices. En los primeros aviones de combate de propulsor, los casquillos de munición gastados causaban problemas similares y fue necesario idear dispositivos para recogerlos.
La hélice atraviesa la estela del fuselaje, el ala y otras superficies 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 entre un 2% y un 5% menor y, en algunos casos, más de un 15% menor que la instalación de un tractor equivalente. [23] 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%. [24] Las hélices del empujador son ruidosas, [14] y el ruido de la cabina puede ser mayor que el equivalente del tractor ( Cessna XMC vs Cessna 152 ). [25] El ruido de la hélice puede aumentar porque el escape del motor fluye a través de las hélices. Este efecto puede ser particularmente pronunciado cuando se utilizan motores turbohélice debido al gran volumen de gases de escape que producen. [8]
El diseño de enfriamiento de la planta motriz es más complejo en los motores de empuje que en la configuración del tractor, donde la hélice fuerza el aire sobre el motor o el radiador. Algunos motores de aviación han experimentado problemas de refrigeración cuando se utilizan como propulsores. [25] Para contrarrestar esto, se pueden instalar ventiladores auxiliares, agregando peso adicional. El motor de un propulsor emite gases de escape 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 verse principalmente en forma de manchas de hollín en las hojas.
En caso de proximidad hélice/cola, la rotura de una pala puede golpear la cola o producir vibraciones destructivas que provoquen una pérdida de control. [26]
Los miembros de la tripulación corren el riesgo de golpear la hélice al intentar salir de un avión monomotor con una hélice de empuje. [27] Al menos uno de los primeros asientos eyectores fue diseñado específicamente para contrarrestar este riesgo. [ cita necesaria ] Algunos aviones ligeros modernos incluyen un sistema de paracaídas que salva todo el avión, evitando así la necesidad de rescatarlo. [ cita necesaria ]
La ubicación del motor en la configuración de propulsor 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 frontal el impulso del motor puede arrastrarlo a través del cortafuegos y la cabina, y podría lesionar a algunos ocupantes de la cabina. [nota 10]
Las hélices que giran siempre son un peligro en los trabajos 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 desde atrás, mientras que una hélice giratoria puede aspirar cosas y personas cercanas al frente con resultados fatales tanto para el avión como para las personas succionadas. pulg. [ ¿ peso excesivo? ] Aún más peligrosas son las operaciones de descarga, especialmente en el aire, como lanzar suministros en paracaídas o realizar paracaidismo, que son casi imposibles con un avión con configuración de propulsor, especialmente si las hélices están montadas en el fuselaje o en patrocinadores. [ cita necesaria ]
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Medios relacionados con aeronaves con hélices propulsoras en Wikimedia Commons