Por que as aeronaves de grande porte têm seus motores principalmente nas asas, enquanto as menores tendem a tê-las na cauda ou na ponta?

Aeronaves pequenas precisam de asas montadas muito baixas para permitir uma altura de cabine decente. O último avião comercial que exigia que os passageiros subissem sobre a mastreação da asa a caminho de seu assento era o Boeing P-247 . As asas baixas não permitem o espaço necessário para os motores, então a melhor localização é na fuselagem traseira. Além disso, as aeronaves pequenas têm uma fuselagem relativamente curta, e a engrenagem pode ser curta (e leve) sem arriscar um golpe na cauda.

Os lutadores precisam ter pequenos momentos de inércia, especialmente em jogo, então não podem se dar ao luxo de colocar motores nas asas. Até mesmo o Me-262 foi inicialmente planejado com motores montados na fuselagem, por isso tinha essa seção transversal da fuselagem triangular peculiar. Somente quando os motores cresceram em diâmetro durante o desenvolvimento, eles tiveram que ser colocados na asa.

Prós de motores montados na traseira / montados na fuselagem:

• A asa está limpa, com baixo arrasto e ótimas condições para a criação de sustentação.
• Os motores são de fácil acesso (se montados na fuselagem traseira. Diferentes histórias com motores enterrados!).
• Cauda vertical menor necessária para condições de empuxo assimétricas.
• Trem de pouso mais leve e mais curto possível (se a capacidade de rotação não for comprometida).
• Inércia de baixa rolagem.

Contras de motores montados na traseira / montados na fuselagem:

• Nenhum alívio de flexão para a asa; espato de asa mais pesado necessário.
• Não ajuda na supressão de vibração (uma massa à frente da linha elástica ajuda).
• Possível interferência com o Wake Wing em alto ângulo de ataque.
• Força a cauda a ser uma configuração de cauda T.
• Mais estrutura necessária para levar as forças de impulso para frente.
• O ruído de entrada é mais audível, especialmente para passageiros nos assentos traseiros.

Esta foto de um Cessna Citation X deve ilustrar bem esse ponto.

Ao projetar uma aeronave, um fator básico é o impulso necessário. Para atender aos requisitos de potência, um ou mais motores são usados. Os fatores que afetam a seleção são o tamanho geral do motor, o desempenho, a eficiência, o custo, as limitações materiais e térmicas durante as condições de operação, como decolagem, máximo contínuo, máximo de subida e máximo de cruzeiro. A instalação deve ser feita com o menor peso, o arrasto e o custo possíveis.

O posicionamento é indicado por fatores aerodinâmicos como arraste, desempenho da aeronave e manobrabilidade - momentos de passo mudam em torno do centro de gravidade - e fluxo de ar através do motor, estrutural e puramente funcional / segurança como injeção de detritos dentro do motor durante pouso ou decolagem . Tudo o que foi dito acima é apenas para lhe dar uma pequena amostra de como o procedimento acontece.

Em geral, selecionar o motor ou a combinação correta de motores e o posicionamento ideal é um processo bastante complicado e às vezes muito tedioso.

No entanto, simplesmente, a quantidade de impulsos que levam em consideração o mínimo e o máximo necessários para certificação, desempenho, etc., é dividida entre os mecanismos. Agora vamos abordar cada tipo de aeronave em sua pergunta individualmente e tentar fazer a lógica por trás do posicionamento:

Lutadores :
Estes não têm os motores na parte traseira (por exemplo, eles não têm adereços empurradores), geralmente os jatos estão sob a fuselagem como o Eurofighter Typhoon , incorporado à fuselagem, ou o cockpit fica em cima da nacele como o Corsair II enquanto em todos os casos o bocal de saída está na parte traseira. O raciocínio por trás deste posicionamento é a necessidade de potência e alta velocidade. Além disso, a fuselagem é o único lugar onde os motores não impedem a montagem de mísseis e outras munições nas asas, onde eles podem ser colocados, inspecionados e substituídos sob demanda e com facilidade.

Grandes jatos de passageiros ( como o Boeing 747 ):
A principal característica deste tipo é que o espaço na fuselagem é necessário para a acomodação dos passageiros. Isso por si só exclui a incorporação do motor na fuselagem, como foi o caso dos caças. O peso total aumenta levando a uma necessidade no poder. O último dita ou um único motor muito grande ou mais pequenos - o que geralmente é o caso - que tem que ser distribuído ao redor do corpo, o que torna lógico ser colocado sob as asas.

Jatos de passageiros médios / pequenos (como Cessna Citation Mustang ou Dassault Falcon 900 ):
Quando a aeronave se torna menor e a liberação das asas do solo torna-se menor, os motores não podem ser montados sob as asas sem problemas práticos. Assim, os motores se movem em direção à cauda, onde a fuselagem precisa ser reforçada para suportar o peso adicional. O desempenho geral da aeronave é diferente do de uma aeronave com motor de asa porque o cg é movido para trás quando está vazio.

Pequenos Cessnas e outros têm um único motor no nariz porque, como agora deve ser óbvio, eles precisam do poder que pode ser fornecido por esse único motor e por razões de custos de simetria e construção .

Tudo isso é uma breve tentativa de demonstrar o processo de pensamento geral por trás do posicionamento dos motores. Cada maneira tem seus prós e contras que todo engenheiro leva em consideração e, embora sejam as configurações gerais, existem exceções. Alguns são este BV assimétrico 141 , ou este DC-10 que possui motores montados na asa e na parte traseira.

Outras leituras aqui .

Além disso, o momento de aceleração durante a aceleração e também o momento de descida do nariz durante a desaceleração com um projeto do motor sob a asa são favoráveis para as características de vôo estáveis. (o centro de gravidade está localizado em frente ao centro de pressão)

Aviões com motores de cauda comportam-se ao contrário: durante a aceleração, produzem um momento de nariz para baixo em torno de seu eixo lateral. Isso, por sua vez, causa mais arrasto e, eventualmente, mais dinheiro. Durante a desaceleração, o momento de levantar o nariz pode ser perigoso, considerando uma situação de quase estol ou voo lento em geral.

Principalmente por causa do número de mecanismos. Se você tem mais de um motor, fica difícil colocar os dois no meio. Pode ser feito, existem lutadores com dois motores no meio, mas faz mais sentido (menos ruído, manutenção mais fácil, etc) para colocá-los nas asas.

Há também uma vantagem de peso. As asas levantam o avião, os motores são um importante componente de peso da aeronave. Então, se o peso é onde o elevador está sendo produzido, você não precisa reforçar a estrutura para carregar as forças. Daí estrutura mais leve.

Se você tiver um motor, praticamente tem que estar na linha central. Caso contrário, você teria empuxo assimétrico e teria que desviar o leme o tempo todo para manter o vôo reto. Isso causa arrasto. Coloque-o na frente, em uma configuração "trator". Ou na parte de trás, em uma configuração de "empurrador". Ou no topo (veja o Lago Buchaneer / Renegade). De qualquer maneira, coloque-o na linha central da aeronave.

Se você tem dois ou três mecanismos, geralmente quer que eles estejam o mais próximo possível da linha central. No caso de um dos motores desligar (intencionalmente ou não), você deseja que o empuxo restante seja o mais próximo possível do simétrico, pelo motivo acima. Bill Lear gostava de dizer que, em uma aeronave bimotora, cada motor era poderoso o suficiente para levá-lo à cena do acidente. O que significa que, para muitos aviões bimotores, se você perder um motor, o outro motor poderá mantê-lo no ar até que você não consiga mais contrariar o empuxo assimétrico e você perca o controle e caia. É por isso que todos os Lear Jets têm motores montados na fuselagem (o mais próximo possível da linha central) e o último avião que ele estava desenvolvendo (o Lear Fan) tinha dois motores turboélice que acionavam apenas um propulsor. Se você perdeu um dos motores naquele pássaro, você tinha menos energia, mas seu impulso ainda era perfeitamente simétrico.

Existem aeronaves que têm > 3 motores, montados perto da fuselagem. O Lockheed JetStar vem à mente, assim como o Comet. Infelizmente, colocar vários motores a jato próximos uns dos outros causa problemas com o fluxo de ar ao redor das entradas de ar, o que pode reduzir a eficiência dos motores.

Nesse meio tempo, você também tem a questão do peso. As aeronaves são projetadas de modo que o centro de gravidade (ou centro de massa, se você preferir) esteja nas asas, porque é onde está o elevador. Uma das coisas mais pesadas que um jato moderno está carregando é ... combustível. Não surpreendentemente, muitos deles têm a maior parte de seu armazenamento de combustível em suas asas. Outra das coisas mais pesadas que eles estão carregando é ... os motores. Se você colocar os motores nas asas, você deve ter uma barbatana e um leme de tamanho significativo para mantê-lo reto em uma situação de saída do motor, mas o equilíbrio do peso para frente e para trás funciona muito bem. Colocar todo esse peso nas asas também significa que o resto da fuselagem está carregando menos carga, o que significa que a estrutura pode ser, relativamente, mais leve.