Por que as hélices de pressão são tão raras, mas ainda estão por aí?

Existem muitas desvantagens, elas parecem compensar as vantagens.

Aqui estão dois:

• Um propulsor empurrador está trabalhando em um fluxo de ar perturbado, causando aumento de vibração e ruído
  Se a hélice estiver montada atrás de uma asa, cada lâmina da hélice passará pelo fluxo de limite separado duas vezes a cada rotação. Esses ciclos criam ruído adicional e diminuem a eficiência da hélice. A vibração torna as pás da hélice mais suscetíveis à fadiga do metal.

• Folga da hélice na decolagem
  Devido ao arremesso na decolagem, a hélice se aproxima do solo. Portanto, o diâmetro precisa ser reduzido (perda de eficiência) ou os apoios do trem de pouso precisam ser aumentados (peso adicionado). Como a hélice está atrás do trem de pouso, é suscetível a detritos levantados, aumentando a necessidade de proteção adicional da lâmina (aumento de peso, perda de eficiência)

Wikipedia tem uma lista de desvantagens adicionais.

Edit:

Sua declaração de que

Jet engines are by their very nature push-engines

não é inteiramente verdade.

Nos motores turbofan, a maior parte da pressão é gerada pelos estágios do ventilador e do compressor. Mesmo em um motor a jato puro, muita pressão é gerada pelo compressor. Portanto, o eixo de um motor a jato é carregado de tensão, como um eixo de hélice na configuração do extrator.

Fonte: Rolls Royce - o motor a jato

O design do empurrador é mais eficiente, porque a sucção para frente do suporte reduz a separação de fluxo e o fluxo acelerado atrás dele não está fluindo ao redor da fuselagem (ou asa), onde criaria um atrito adicional por atrito. No caso do Do-335 (veja a figura abaixo), a velocidade máxima de um motor era 30 km / h maior com o motor traseiro funcionando do que com o motor dianteiro (ambos eram DB-603s com potência idêntica).

Por outro lado, o suporte do extrator ajudará a manobrar o avião no chão (este é um grande benefício para os tailraggers - observe quantos aviões de dois motores com Cauda H (dois lemes como placas finais do estabilizador). Eles foram colocados no rastro do suporte e isso deu um controle direcional muito melhor em baixa velocidade no chão. Além disso, a lavagem do suporte ajuda a aumentar a elevação das abas.

A principal desvantagem para uma aeronave monomotor, a distância reduzida da cauda, ​​já foi mencionada. Se você não pode realmente girar, decolagens e pousos são assuntos de alta velocidade. Mas há outra desvantagem em um suporte montado na traseira: ele estabiliza a aeronave, como uma cauda adicional, mas sem superfícies de controle. Especialmente para um avião de combate, este é o oposto do que você deseja. É por isso que quase todas as aeronaves de alta potência e com motor simples têm sua hélice na frente: manobrabilidade!

O efeito estabilizador aumenta proporcionalmente à área da superfície da hélice e ao impulso, é claro. Como um avião comum precisa ter estabilidade básica com o motor funcionando em marcha lenta, qualquer alteração adicional de estabilidade devido à colocação da hélice fica em cima. Na potência máxima e com o longo braço da alavanca de um único suporte de empurrador em uma fuselagem central (pense LearAvia Learfan), a aeronave fica rígida como um tijolo. Um layout de duas barras (pense na Saab 21, na foto abaixo) é melhor, mas cria atrito adicional e arraste de interferência, de modo que a vantagem do arranjo do empurrador é perdida.

Se você quiser dados concretos sobre isso: existe um Relatório da NACA (NACA TN 2586) sobre isso por John L. Crigler e Jean Gilman, chamados Propellers in Pitch and Yaw.

Tendo lido as aeronaves 1930s e 1940s, posso pensar em alguns dos principais problemas que afetaram o design na época.

Os empurradores tinham vantagens de empurrar as asas e controlar as superfícies através de ar sem interrupções e isso dava vantagens suficientes para que muitos projetos de empurradores fossem apresentados. Um empurrador teria velocidade de cruzeiro superior e melhor carregamento da asa porque voava pelo ar sem perturbações.

O mais bem sucedido foi provavelmente o XB-42 mixmaster que teria sido implantado se a guerra tivesse continuado. (Como foi, acabou sendo implantado como o primeiro bombardeiro a jato da América.)

O B-36 usava empurradores precisamente para dar às asas um fluxo de ar claro. Na verdade, ele foi projetado no 1942.

Mas eles tiveram grandes trocas.

Um grande problema nos projetos de empurradores daquela época era o arrefecimento do motor no solo.

Com um trator (extrator), você tem esse ventilador gigante soprando ar sobre o avião e o motor (radial resfriado a ar) e / ou radiador (resfriado a água.) Com um empurrador, o hélice soprava o ar atrás do avião, deixando um poderoso motor com nada além de refrigeração passiva.

Durante um acidente, um motor de trator na frente serviu como uma zona de deformação para o resto do avião, principalmente a cabine de comando e poderia atravessar obstáculos, fazendo com que o avião parasse mais devagar. Por outro lado, com um empurrador, o motor estava atrás do piloto e não apenas não oferecia nenhuma proteção, como tendia a se soltar e percorrer o resto da fuselagem como um motorista de estaca.

O piloto não pôde ver e, portanto, inspecionou visualmente o motor, por exemplo, se você começar a perder óleo em um trator, sabe imediatamente. Se o motor estiver atrás de você, você poderá não perceber até ver o medidor.

O centro de impulso era mais difícil de equilibrar e isso tornava o centro de gravidade complicado também.

Ainda assim, com todas essas desvantagens, o XB-42 e o B-36 mostraram que as vantagens poderiam ser superadas com uma engenharia suficiente. E, no final, os jatos trabalham pelo menos pela metade pressionando. Se os jatos tivessem atrasado alguns anos ou a guerra tivesse começado em meados dos 30s, provavelmente teríamos visto mais projetos de empurradores em serviço.

Com os jatos, a necessidade militar de empurradores desapareceu e em aeronaves civis, raramente há muita necessidade de um aumento no desempenho que justifique o combate a todas as compensações.

Why are push-propellers so rare

Outras respostas abordaram isso.

yet they are still around?

Uma hélice montada na frente limita o campo de visão do piloto ou da carga útil.

Considere um drone de vigilância ou UAV. Não há piloto cuja visão seja obscurecida, mas certamente há uma grande vantagem para o radar, óptico e outros sistemas prospectivos.

As missões de vigilância podem se beneficiar de uma plataforma relativamente lenta e de baixa altitude. Isso favorece o uso de hélices, em vez de jatos, e o arranjo do empurrador pode ser benéfico, conforme observado acima.

Reaper MQ-9

Elbit Hermes

Sagem Sperwer

Apenas algumas informações e pensamentos adicionais sobre este tópico antigo. Ainda existem algumas aeronaves empurradoras bem-sucedidas, mesmo algumas sendo construídas hoje. o Piaggio Avanti é bem-sucedido e muito rápido, o cruzeiro alto é sobre nós 400, e há o CBA-123 acima mencionado em desenvolvimento agora. Como todo projeto de engenharia, aeronaves empurradoras são um compromisso. Você normalmente perde alguma eficiência do hélice, devido ao fluxo de ar perturbado, mas obtém alguma eficiência aerodinâmica devido ao fluxo de ar mais lento sobre as asas e a fuselagem. A folga do suporte pode ser um problema, assim como o FOD dos suportes de detritos apanhados pelas rodas sendo lançadas nos suportes.

O barulho é um saco misto. O ruído interno geralmente é menor, porque os suportes não estão soprando no pára-brisas ou na fuselagem, mas o ruído externo pode ser um problema devido ao fluxo perturbado dos suportes. O Piaggio Avanti é supostamente uma das cabines mais silenciosas que voam, mas é bastante barulhento quando voa.

Eu tinha um skymaster pressurizado por vários anos e realmente gostei, mas era muito barulhento por dentro e por fora. Mas o skymaster estava muito quieto por dentro, com apenas o motor traseiro funcionando, então não era o propulsor propulsor que era o problema. O desempenho foi um pouco melhor apenas no motor traseiro. As "histórias de mulheres" sobre decolar em um motor são exatamente isso. Como todos os gêmeos de pistão, o desempenho em um motor era marginal e não há como um piloto experiente não perceber uma falha no motor. Pilotei o avião em um motor várias vezes, tanto durante falhas simuladas do motor na decolagem quanto em uma falha real do motor em voo, e enquanto o manuseio era dócil, o desempenho era inexpressivo (embora um P-337 tenha uma subida monomotor um pouco melhor taxa que a maioria dos gêmeos de pistão).

Realizei muitas operações de campo difíceis no meu Skymaster e tive a sorte de nunca ter danificado o suporte traseiro, mas há poucas dúvidas de que possa haver um problema. Eu não ouvi falar de problemas de danos no Piaggio Avantis, mas eles provavelmente não serão usados ​​em pistas não pavimentadas. Portanto, como todos os aviões, o projetista precisa considerar uma série de questões, incluindo o uso pretendido da aeronave, antes de decidir se deve usar uma configuração de trator ou empurrador. Suspeito que grande parte da razão da falta de empurradores seja a atitude inerentemente conservadora dos projetistas de aeronaves, e não os problemas inerentes ao design do empurrador.

Para aeronaves monomotor, pelo menos, ter um propulsor empurrador torna a saída em voo (também conhecida como resgate ou ejeção) muito mais perigosa. Durante o WW1, creio que (quando os adereços do empurrador eram muito mais comuns), mais do que alguns pilotos foram gravemente feridos ou mortos por seus adereços quando tiveram que pular de um avião em chamas.

Por esse motivo, os alemães instalaram (ou planejaram) um assento de ejeção em seu projeto Do.335 de empurrar / puxar, e Fokker planejou fazer o mesmo em seu D.XXIII.

O B-36 era grande o suficiente para que os acessórios do empurrador estivessem longe da fuselagem, livrando-se desse problema.

Uma vantagem que posso pensar em ter os adereços na frente que resultam do aumento do fluxo de ar é que você obtém um resfriamento extra gratuito dos motores.

Tendo o motor em um design de motor único na parte traseira com um suporte de empurrador, você acaba com uma entrada de ar e um design de cauda mais complexos do que simplesmente deixar o motor aspirar o ar que ele já absorve. Você precisa de dutos e outras coisas, adicionando peso e complexidade.

Uma hélice de empurrador funciona com fluxo de ar perturbado, produzindo mais vibração e ruído? Sim.

Um motor empurrador tem mais problemas de refrigeração? Sim, se for um motor de pistão (os turboélices são resfriados por seu próprio fluxo de ar interno).

No entanto, há uma coisa a favor da configuração do empurrador que precisa de uma avaliação melhor: uma hélice do empurrador capta o fluxo de ar que já é desacelerado pela asa e fuselagem para gerar empuxo, enquanto uma hélice extrator pega o ar não perturbado para soprá-lo na fuselagem e asas, que por sua vez desaceleram o fluxo de ar. Essa diferença provavelmente significa que um mecanismo de pressão pode ser de alguma forma mais eficiente em velocidades mais altas. Um empurrador duplo, mostrado na foto a seguir, foi desenvolvido aqui no meu país no CX-80 do 123 (foram construídos dois protótipos) e a experiência com esse avião aponta nessa direção.

Os adereços de empurrador oferecem uma vantagem real para pequenos anfíbios, como o Lake Buccaneer e o Republic See Bee, onde os pilotos precisam saltar e pegar bóias de amarração, linhas ou molhes sem medo de bater em uma lâmina de suporte giratória.

Uma categoria de aeronave que quase Universalmente usa adereços de empurrador é o autogiro. Normalmente, o motor é montado no centro da embarcação, com o cockpit imediatamente à frente, o rotor acima e a cauda montada de alguma forma atrás o suporte - que requer um suporte de aparência esfarrapada, passando pelo disco da hélice.

O mesmo se aplica a alguns outros tipos de aeronaves ultraleves, com um pequeno motor sendo frequentemente amarrado diretamente nas costas do piloto, ou possivelmente na parte de trás do seu assento. Na maioria dos casos, esse é o único local pode ser montado sem começar a construir uma fuselagem real.

Em ambos os casos, existe algum tipo de guarda que atingiria o solo antes da própria hélice se fosse atingido o tom suficiente, e o tom necessário para isso é muito maior do que a maioria das aeronaves na decolagem. Uma batida de hélice é, portanto, improvável.

A principal vantagem de uma configuração de propulsor, do ponto de vista aerodinâmico, é que ela adiciona fluxo de ar para a frente sobre as asas e a cauda nas fases mais cruciais do vôo, quando a aeronave como um todo está indo devagar. Antes da era dos jatos, as pistas longas de pista eram pouco comuns, pelo que poder decolar de um campo curto e / ou áspero era vantajoso. Para os lutadores, os poucos segundos extras de controle durante as manobras na vertical podem facilmente significar a diferença entre vitória e morte.

Isso foi de particular importância para aeronaves baseadas em porta-aviões, que durante o WW2 normalmente não tinham o benefício de uma catapulta para acelerá-las do convés. A transportadora poderia gerar um vento de popa significativo para ajudar, acelerando contra o vento o mais rápido possível, mas um caça ou bombardeiro leve ainda carregado com força ainda precisava da maior margem de segurança possível. Os B-25s usados ​​no Doolittle Raid foram um caso verdadeiramente excepcional; as tripulações precisavam de treinamento especial para decolar de algo tão pequeno quanto um transportador, e um deles só conseguia flutuar no "efeito solo" logo acima das ondas depois de deixar o convés. Se eles fossem empurradores, provavelmente não teriam conseguido.

Também relevante para as transportadoras é a provação do desembarque em um convés. A configuração universal para qualquer aeronave que não seja VTOL é um gancho, acoplado a um amortecedor de serviço pesado na cauda, ​​que se engaja com uma série de cabos pesados ​​dispostos no convés de vôo. Para fazer isso funcionar, o avião basicamente precisa voar para dentro do navio com uma atitude de nariz para cima, com nenhuma das explosões que você usaria normalmente ao pousar em um aeródromo adequado. Nesse caso, uma hélice montada na traseira rotineiramente atingia o convés, tornando-se um grande risco para a própria aeronave e para a tripulação do convés.

Por essas e várias outras razões, o hélice montado na frente tornou-se convencional em projetos militares e, por extensão, também em projetos civis. Um empurrador parece automaticamente não convencional nesse contexto e está associado a aeronaves ultraleves e incomuns, como os autogiros.

A mudança no CG associada à movimentação do motor para trás também incentiva grandes mudanças na forma da planta, mesmo em aeronaves de tamanho normal, incluindo a configuração de canard, o que faz com que essa aeronave pareça ainda mais estranha. Uma aeronave canard também possui características de manuseio diferentes na borda do envelope de voo, o que pode atrasar ainda mais os futuros pilotos. Mais recentemente, o layout de três superfícies (com canard e cauda convencional) apareceu, trazendo pelo menos vantagens teóricas dos layouts de canard e convencional.

Poucos projetistas de aeronaves estão dispostos a enfiar o pescoço nesse ambiente; o fato de a Nave Estelar de Beechcraft ser amplamente considerada um fracasso - a Beechcraft realmente destruiu muitos aviões aéreos da Nave na tentativa de evitar os custos de apoiá-los - tenderia a incentivar mais cautela. Burt Rutan (da Scaled Composites) é uma exceção notável à regra; ele projetou várias aeronaves bem sucedidas de canard e três superfícies com motores de empurrador.

O Piaggio Avanti, no entanto, é um exemplo raro de aeronave que leva as vantagens inerentes ao empurrador para sua conclusão lógica. Com um layout de três superfícies e muita atenção aos detalhes aerodinâmicos, é uma aeronave turboélice com desempenho muito próximo ao jato corporativo, mas com custos operacionais significativamente mais baixos e capacidade de operar em pistas mais curtas que um jato. Ser apoiado pela Ferrari, incluindo transportar a equipe de corridas da Scuderia em um Avanti, não pode prejudicar sua popularidade. Talvez o mais notável seja o único acidente significativo que eu possa encontrar envolvendo um Avanti foi a perda de um drone não tripulado baseado no tipo - nada mal para um tipo de aeronave que está exibindo centenas de exemplos há quase anos 30.

Portanto, a configuração do empurrador tem suas próprias vantagens, que a maioria dos projetistas de aeronaves realmente não sabe aproveitar ao máximo, porque jatos e adereços montados na frente são o padrão há tanto tempo. Mas este último se tornou dominante devido às vantagens decisivas que possuía na era pré-jato.

Empurradores foram tentados durante o WW2 sem muito sucesso, e esse foi um momento em que praticamente qualquer coisa estava sendo tentada.

Os EUA tinham dois caças em desenvolvimento durante o WW2, o Curtiss XP55, e as Northrop XP56. Nenhum dos dois ficou operacional, ambos tiveram problemas de estabilidade, embora esses problemas tenham derivado mais dos projetos radicais do que do propulsor. O XP55 usava um canard na frente para elevadores e lemes com ponta de asa, enquanto o XP56 era efetivamente uma asa voadora com sua fuselagem curta e atarracada.

O layout básico do XP55 foi usado posteriormente no Beechcraft Starship. Infelizmente, a Starship não teve sucesso, custando mais e voando mais lentamente do que os transportes executivos contemporâneos, como o Cessna Citation and Lear, ou mesmo turboélices de trator como o Piper Cheyenne e Beech KingAir.

O Japão desenvolveu um caça-empurradores, o Kyushu J7W Shinden. Seu design de empurrador reflete a intenção de alimentá-lo com um motor de turbina a gás, o design de empurrador / sem cauda para contornar o problema da exaustão quente derretendo a cauda. Como os esforços americanos, nunca viu produção, embora a decadente situação industrial no Japão no 1945 fosse mais responsável por sua falha em entrar em serviço.

No caso dos designs de lutadores, a configuração do empurrador foi apenas uma das várias saídas radicais do design convencional, por isso é difícil determinar quanto a configuração do empurrador contribuiu para os problemas encontrados. Observe que o DO335 era uma configuração push-pull, não um empurrador puro.

O que se pode dizer com certo grau de certeza é que as configurações do empurrador, definitivamente em aviões de combate, não foram consideradas benéficas quando os caças estavam no auge.

O mesmo que no Do-335 aconteceu com um motor bimotor Cessna, o Skymaster, em operação monomotor, foi melhor com o motor traseiro. Este avião Dornier-335 parece mais um piloto do que o caça-bombardeiro para o qual foi projetado.