Configuración del empujador

En ingeniería aeronáutica y naval , la configuración de propulsión es el término utilizado para describir un tren de potencia de una aeronave o embarcación con dispositivos de propulsión después del motor o los motores. Esto contrasta con la configuración de tractor más convencional , que los coloca en la parte delantera.

Aunque el término se aplica más comúnmente a aeronaves, su ejemplo de hélice más común es un motor fuera de borda común para una embarcación pequeña.

La “configuración de propulsión” describe el dispositivo de empuje específico (hélice o ventilador canalizado ) conectado a una nave, ya sean aerostatos ( dirigibles ) o aerodinos (aviones, WIG , paramotores , helicópteros ) u otros tipos como aerodeslizadores , hidrodeslizadores y motos de nieve impulsadas por hélice . ^[1]

El "Planophore", propulsado por caucho, diseñado por Alphonse Pénaud en 1871, fue uno de los primeros modelos de aviones de éxito con hélice de propulsión.

Muchos de los primeros aviones (especialmente biplanos) eran "empujadores", incluyendo el Wright Flyer (1903), el Santos-Dumont 14-bis (1906), el Voisin-Farman I (1907), y el Curtiss Model D usado por Eugene Ely para el primer aterrizaje de un barco 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 llegaron a ser conocidos como el "tipo Farman". ^{[nota 1]} Otras configuraciones tempranas de empujadores eran variaciones sobre este tema.

El propulsor clásico "Farman" tenía la hélice "montada (justo) detrás de la superficie sustentadora 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 góndola . La principal dificultad con este tipo de diseño de propulsor era la fijación de la cola (empenaje). Esta debía estar en la misma ubicación general que en un avión tractor, pero su estructura de soporte tenía que evitar la hélice.

Los primeros modelos de tractores de empuje se basaban en un canard, pero esto tiene serias implicaciones aerodinámicas que los primeros diseñadores no pudieron resolver. Por lo general, el montaje de la cola se hacía con un complejo armazón reforzado con alambre que creaba mucha resistencia. Mucho antes del comienzo de la Primera Guerra Mundial , esta resistencia se reconoció como solo uno de los factores que garantizarían que un tractor de empuje de estilo Farman tuviera un rendimiento inferior al de un tipo de tractor similar .

El ejército estadounidense prohibió los aviones propulsores a finales de 1914, después de que varios pilotos murieran en accidentes de aeronaves de este tipo ^[2] , por lo que a partir de 1912 aproximadamente, la gran mayoría de los nuevos diseños de aviones terrestres estadounidenses fueron biplanos tractores, y los propulsores de todo tipo se consideraron anticuados en 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 ) todavía eran los preferidos como aviones portadores de cañones por el Royal Flying Corps británico , porque se podía utilizar un cañón que disparaba hacia adelante sin que el arco de la hélice lo obstruyera. Con la exitosa introducción 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 todos los combatientes en 1916 y 1917, la configuración del tractor se convirtió en la favorita casi universalmente, y los propulsores se redujeron a la pequeña minoría de los nuevos diseños de aviones que tenían una razón específica para utilizar la disposición.

Tanto los británicos como los franceses siguieron utilizando bombarderos con propulsión, aunque no hubo una preferencia clara por ninguno de los dos modelos hasta 1917. Entre estos aviones se encontraban (además de los productos de la compañía Farman) los bombarderos Voisin (3.200 construidos), el Vickers FB5 "Gunbus" y el FE2 de la Royal Aircraft Factory ; sin embargo, incluso estos se vieron relegados a funciones de entrenamiento antes de desaparecer por completo. Posiblemente el último caza que utilizó la configuración de propulsión de Farman fue el caza con cañón Vickers Type 161 COW de 1931 .

Durante el largo eclipse de la configuración, el uso de hélices propulsoras continuó en aeronaves que obtuvieron un pequeño beneficio de la instalación y podrían haber sido construidas como tractores. Durante algún tiempo, los hidroaviones biplanos a menudo se habían equipado con motores ubicados sobre el fuselaje para ofrecer la máxima distancia al agua, a menudo impulsando hélices propulsoras para evitar las salpicaduras y los peligros involucrados al mantenerlas bien alejadas 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 orientadas hacia adelante y una o más orientadas hacia atrás, fue otra idea que continúa utilizándose de vez en cuando como un medio para reducir 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 finales de la década de 1930, la adopción generalizada de la construcción de aeronaves con revestimiento estresado totalmente de metal significó, al menos en teoría, que las penalizaciones aerodinámicas que habían limitado el rendimiento de los propulsores (y, de hecho, cualquier diseño no convencional) se redujeron; sin embargo, cualquier mejora que mejore el rendimiento de los propulsores también mejora el rendimiento de las aeronaves convencionales, y siguieron siendo una rareza en el servicio operativo, por lo que la brecha se redujo, pero se cerró por completo.

Durante la Segunda Guerra Mundial , la mayoría de las grandes potencias realizaron experimentos con cazas propulsores. Sin embargo, persistieron algunas dificultades, en particular, el hecho de que un piloto que tuviera que saltar de un caza propulsor podía atravesar el arco de la hélice. Esto significó que, de todos los modelos en cuestión, solo el relativamente convencional SAAB 21 sueco de 1943 entró en producción en serie. Otros problemas relacionados con la aerodinámica de los diseños canard, que se habían utilizado en la mayoría de los cazas propulsores, resultaron más difíciles de resolver. ^{[nota 2] Uno de los primeros} asientos eyectables del mundo fue diseñado (por fuerza) para este avión, que más tarde 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 propulsora ubicada detrás del borde de salida del ala, además de cuatro motores a reacción.

Aunque la gran mayoría de aeronaves propulsadas por hélice siguen utilizando una configuración tractora, en los últimos años se ha producido un resurgimiento del interés por los diseños con propulsores: en aeronaves ligeras de fabricación casera , como los diseños canard de Burt Rutan desde 1975, ultraligeros como el Quad City Challenger (1983), flexwings, 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 cualquier interferencia del motor.

El Aero Dynamics Sparrow Hawk fue otro avión de construcción casera construido principalmente en la década de 1990.

Los dirigibles son el tipo más antiguo de aeronave propulsada y se remontan al dirigible pionero del francés Henri Giffard de 1852.

Los aviones propulsores se han construido en muchas configuraciones diferentes. En la gran mayoría de los aviones de ala fija, la hélice o hélices todavía se encuentran justo detrás del borde de salida de la "superficie sustentadora principal", o debajo del ala (paramotores) y el motor se encuentra detrás de la posición de la tripulación.

Los aviones convencionales tienen una cola ( empenaje ) para estabilizar y controlar. La hélice puede estar cerca del motor, como en los aviones de propulsión directa habituales:

• La hélice puede estar delante de la cola: dentro del armazón ( Farman III ), en línea con el fuselaje ( RFB Fantrainer ), entre los brazos de cola ( Cessna Skymaster ), encima del fuselaje en el ala ( Quad City Challenger ), en la góndola o en el pod axial ( Lake Buccaneer ), o coaxialmente alrededor del fuselaje trasero ( Galaudet D-4 ).
• La hélice puede estar ubicada detrás de la cola vertical, debajo de la cola horizontal ( Prescott Pusher ).
• Los motores y las hélices pueden estar situados en las alas ( Piaggio P.180 Avanti ) o en los pods laterales ( Embraer/FMA CBA 123 Vector ^[4] ).

El motor puede estar enterrado en una ubicación remota hacia adelante, impulsando la hélice mediante un eje de transmisión o una correa:

• La hélice puede estar situada delante de la cola, detrás del ala ( Eipper Quicksilver ) o dentro de la estructura del avión ( Rhein Flugzeugbau RW 3 Multoplan ).
• La hélice puede estar situada en el interior de la cola, ya sea cruciforme o de abanico entubado ( Marvelette ).
• La hélice puede estar situada en la parte trasera, detrás de una cola convencional ( Bede BD-5 ).
• La hélice puede estar situada encima del fuselaje, como en muchos hidroaviones pequeños ( Lago Buccaneer ).

En los diseños canard , se ubica un ala más pequeña por delante del ala principal del avión. Esta clase utiliza principalmente un sistema de propulsión directa, ^{[nota 3]} ya sea con un solo motor de hélice axial, ^{[nota 4]} o con dos motores con un diseño simétrico, ^{[nota 5]} o un diseño en línea (push-pull) como el Rutan Voyager .

En los aviones sin cola, como el Lippisch Delta 1 y el Westland-Hill Pterodactyl tipos I y IV, no hay estabilizadores horizontales en la parte trasera del avión. Las alas volantes , como la Northrop YB-35, son aviones sin cola que no tienen un fuselaje definido. En estas instalaciones, los motores están montados en góndolas o en el fuselaje en los aviones sin cola, o enterrados en el ala en las alas volantes, impulsando 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 motorizados utilizan una configuración de propulsión.

Otras embarcaciones con configuraciones de propulsión se desplazan sobre superficies planas, tierra, agua, nieve o hielo. El empuje lo proporcionan las hélices y los ventiladores canalizados, ubicados en la parte trasera del vehículo. Entre ellos se incluyen:

• Aerodeslizador , elevado por un colchón de aire, como el SR.N6 de 58 pasajeros .
• Hidrodeslizadores , embarcaciones de fondo plano que planean sobre el agua.
• Aerosledges , también conocidos como aerosleigh, trineo propulsado por hélice o moto de nieve propulsada por hélice .

El eje de transmisión de un motor de empuje está en compresión durante el funcionamiento normal, ^[5] lo que le genera menos tensión que estar en tensión en una configuración de tractor.

La ubicación de la cabina por delante del ala para equilibrar el peso de los motores en la popa mejora la visibilidad de la tripulación. En los aviones militares, el armamento delantero se podía utilizar con mayor facilidad debido a que el cañón no necesitaba sincronizarse con la hélice, aunque el riesgo de que los casquillos usados ​​volaran hacia las hélices en la parte trasera contrarrestaba en cierta medida esta ventaja. ^{[ cita requerida ]}

Las aeronaves en las que el motor es transportado por el piloto o muy cerca de él (como los paramotores, paracaídas motorizados, autogiros y triciclos de ala flexible) colocan el motor detrás del piloto para minimizar el peligro para los brazos y las 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 radiocontrolados . ^{[ cita requerida ]}

Un propulsor puede tener un fuselaje más corto y, por lo tanto, una reducción tanto del área mojada del fuselaje como del peso. ^[6]

A diferencia de la disposición del tractor, una hélice propulsora al final del fuselaje es estabilizadora. ^[7] Un propulsor necesita menos área de cola vertical estabilizadora ^[8] y, por lo tanto, presenta menos efecto de veleta ; ^[9] en 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 una estela de hélice giratoria alrededor del fuselaje que induzca una fuerza lateral en la aleta. En el despegue, un piloto con propulsor de canard no tiene que aplicar la fuerza del timón para equilibrar este momento. ^[12]

Se puede ganar eficiencia montando una hélice detrás del fuselaje, porque reenergiza la capa límite desarrollada en el cuerpo y reduce la resistencia de forma al mantener el flujo adherido 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 aerodinámica del perfil del ala se puede reducir debido a la ausencia de estela de la hélice sobre cualquier sección del ala. ^{[ cita requerida ]}

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El motor está montado detrás de los compartimentos de la tripulación y los pasajeros, por lo que las fugas de combustible y refrigerante se ventilarán detrás de la aeronave y cualquier incendio en el motor se dirigirá hacia atrás de la aeronave. De manera similar, es menos probable que una falla de la hélice ponga en peligro directamente a la tripulación. ^{[ cita requerida ]}

Un sistema de ventilador con conducto de empuje ofrece una característica de seguridad suplementaria atribuida al encerramiento del ventilador giratorio en el conducto, lo que lo convierte en una opción atractiva para varias configuraciones avanzadas de UAV o para vehículos aéreos pequeños/personales o para modelos de aeronaves. ^[13]

Un diseño de propulsor con un empenaje detrás de la hélice es estructuralmente más complejo que un tipo de tractor similar. El aumento de peso y la resistencia aerodinámica degradan el rendimiento en comparación con un tipo de tractor similar. Los conocimientos aerodinámicos modernos y los métodos de construcción pueden reducir, pero nunca eliminar, la diferencia. Un motor remoto o enterrado requiere un eje de transmisión y cojinetes, soportes y control de vibración torsional asociados, 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 a popa 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 que se necesita una línea de empuje generalmente alta para la distancia al suelo de la hélice, momentos de cabeceo negativos (hacia abajo) y, en algunos casos, la ausencia de estela de la hélice sobre la cola, se puede requerir una mayor velocidad y un giro 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 de la aeronave en reposo de modo que el centro de gravedad vacío esté entonces por delante de las ruedas principales. En los autogiros , una línea de empuje alta da como resultado un peligro de control conocido como empuje de potencia .

Debido a la línea de empuje generalmente alta para asegurar la distancia al suelo, un diseño de propulsor de ala baja puede sufrir cambios de paso inducidos por cambios de potencia, también conocidos como acoplamiento paso/potencia. Los hidroaviones propulsores con líneas de empuje y ruedas de cola especialmente altas pueden encontrar la cola vertical enmascarada del flujo de aire, reduciendo severamente el control a bajas velocidades, como al rodar. La ausencia de estela de hélice sobre el ala reduce la sustentación y aumenta la longitud del despegue. ^[21] Los motores propulsores montados en el ala pueden obstruir secciones del borde de salida del ala , reduciendo el ancho total disponible para superficies de control como flaps y alerones. Cuando una hélice está montada delante de la cola, los cambios en la potencia del motor alteran el flujo de aire sobre la cola y pueden dar fuertes cambios de cabeceo o guiñada.

Debido a la rotación del paso en el despegue, puede ser necesario reducir el diámetro de la hélice (con una pérdida de eficiencia ^[22] ) y/o hacer el tren de aterrizaje más largo ^[6] y más pesado. Muchos propulsores ^{[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 requerida ]} En los propulsores 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, causando daños o un desgaste acelerado de las palas; en casos extremos, las palas pueden golpear el suelo.

Cuando un avión vuela en condiciones de formación de hielo , el hielo puede acumularse en las alas. Si un avión con motores propulsores montados en las alas experimenta formación de hielo, las hélices absorberán trozos de hielo triturado, poniendo en peligro las palas de la hélice y partes del fuselaje que pueden ser golpeadas por el hielo redirigido violentamente por las hélices. En los primeros aviones de combate propulsores, los casquillos de munición gastados causaban problemas similares, y se tuvieron que idear dispositivos para recogerlos.

La hélice atraviesa la estela del fuselaje, la estela del ala y otras corrientes descendentes 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 del 15% menor que la de una instalación de 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 de empuje son ruidosas, ^[14] y el ruido de la cabina puede ser mayor que el de un tractor equivalente ( 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 de turbohélice debido al gran volumen de escape que producen. ^[8]

El diseño de refrigeración de la planta de energía es más complejo en los motores de propulsión que en la configuración tractora, 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, lo que agrega peso adicional. El motor de un propulsor expulsa el humo 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 visible principalmente en forma de manchas de hollín en las palas.

En caso de proximidad entre la hélice y la cola, la rotura de una pala puede golpear la cola o producir vibraciones destructivas, provocando una pérdida de control. ^[26]

Los miembros de la tripulación corren el riesgo de golpear la hélice al intentar saltar de un avión monomotor con una hélice propulsora. ^[27] Al menos un asiento eyectable temprano fue diseñado específicamente para contrarrestar este riesgo. ^{[ cita requerida ]} Algunas aeronaves ligeras modernas incluyen un sistema de paracaídas que salva a toda la aeronave, evitando así la necesidad de saltar. ^{[ cita requerida ]}

La ubicación del motor en la configuración de propulsión puede poner en peligro a los ocupantes de la aeronave en caso de accidente o aterrizaje forzoso en el que el impulso del motor se proyecta a través de la cabina. Por ejemplo, con el motor ubicado directamente detrás de la cabina, durante un impacto frontal, el impulso del motor puede hacer que el motor atraviese el cortafuegos y la cabina, y podría herir a algunos ocupantes de la cabina. ^{[nota 10]}

Las hélices giratorias son siempre un peligro en los trabajos en tierra, como la carga o el embarque del avión. La configuración de tractor deja la parte trasera del avión como un área de trabajo relativamente segura, mientras que es peligroso acercarse a un propulsor por detrás, mientras que una hélice giratoria puede succionar cosas y personas cercanas frente a ella con resultados fatales tanto para el avión como para las personas succionadas. ^{[ ¿ Peso excesivo? – discutir ]} Aún más peligrosas son las operaciones de descarga, especialmente en el aire, como el lanzamiento de suministros en paracaídas o las operaciones de paracaidismo, que son casi imposibles con un avión con configuración de propulsor, especialmente si las hélices están montadas en el fuselaje o en los sponsons. ^{[ cita requerida ]}

• Ventilador canalizado
• Lista de aviones propulsores por configuración
• Lista de aviones propulsores por configuración y fecha

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• Stinton, Daroll (1983). El diseño del aeroplano . Oxford, Reino Unido: BSP Professional Books. ISBN 978-0632018772.

• Medios relacionados con Aeronaves con hélices propulsoras en Wikimedia Commons