问题

后置发动机的客机为什么现在很少了?

回答
想想看,咱们小时候看的那些老电影,里头飞来飞去的飞机,很多都是发动机藏在尾巴后面的,造型还挺别致。但现在你去机场看看,飞机尾巴光溜溜的,发动机都乖乖地挂在翅膀下面。这差别怎么来的?为什么后置发动机的客机就这么少见了呢?这事儿说起来,可不只是为了好看,背后牵扯到好多航空工程的学问,还有时代发展的无奈。

技术进步的必然选择:效率至上

最主要的原因,还是得从“效率”这两个字说起。现代客机的设计,说白了就是追求怎么省钱、怎么飞得更快、飞得更远、载客量更大。

翼下吊挂发动机的优势:
气流的“干净”: 飞机在天上飞,讲究的是空气动力学。翼下吊挂发动机,发动机进气口对着迎面而来的气流,能吸入比较“干净”的空气。而如果发动机在机身后部,它吸入的是已经被机身和机翼干扰过的、比较“乱”的气流,这会影响发动机的工作效率,甚至可能吸入机翼产生的涡流,对发动机造成损害。
推力线更合理: 翼下吊挂,发动机的推力线大致与机翼的弦线平行,能更有效地产生升力,帮助飞机起飞和爬升。而且,发动机的重量正好分布在机翼下方,可以帮助抵消一部分机翼产生的弯矩,对机翼结构来说是件好事。
维护方便: 把发动机挂在翅膀底下,检修起来比藏在机身后面要容易太多了。想换个零件,或者做个日常保养,直接伸过去就行,不需要爬上爬下,也不用拆卸复杂的机身结构。想想看,每一次停飞都是一笔巨大的开销,维护效率直接关系到飞机的运营成本。
机翼的“净化”作用: 即使万一发动机出现什么小状况,比如漏油或者小型火灾,机翼可以在一定程度上起到隔绝和缓冲的作用,减少对机身内乘客和驾驶舱的影响。
更强的推力: 随着航空技术的发展,发动机越来越大、推力也越来越强。现在的大型客机,发动机直径跟车库门差不多大。把这么大的玩意儿塞到机身后部,对机身结构的强度和气动布局会是巨大的挑战。翼下吊挂,机翼作为主要的承载结构,能够轻松地承受住大直径发动机的重量和推力。

后置发动机的“先天劣势”:
气流干扰: 如前所述,机身后部的气流相对复杂,对发动机的性能有不利影响。
结构复杂化: 要把强大的发动机固定在机身后部,需要对机身进行大量的加固,这会增加机身重量,而且结构设计也更复杂,增加了制造成本和潜在的故障点。
重心调整困难: 发动机是飞机上最重的部件之一。后置发动机的位置会严重影响飞机的重心。为了保持重心在安全范围内,可能需要在机头增加配重,这同样会增加飞机的总重量,降低燃油效率。
客舱噪音和振动: 虽然有些后置发动机设计的飞机在隔音方面做得不错,但发动机的振动和噪音更容易直接传递到客舱,影响乘客的乘坐体验。
起火风险(虽然不高但存在): 万一发动机起火,虽然机身有一定的隔热材料,但火源离客舱和油箱都更近,理论上的风险会比翼下发动机要高一些(当然,这需要非常复杂的安全设计来规避)。

历史的演进与现实的需求

其实,后置发动机的客机并非没有出现过,甚至在早期航空史上还相当活跃。

早期客机: 比如像 洛克希德 L1011 “三星”(TriStar)和 麦道 DC10,它们就采用了三发设计,其中一个发动机就安装在垂直尾翼下方,而另外两个则挂在机翼下面。这种设计是为了弥补早期发动机推力不足的问题,并改善飞机在起飞时的失速特性(一个发动机失效时,垂直尾翼下的发动机能提供更好的控制力)。但是,这种三发设计也增加了飞机的复杂性和维护成本,而且中间那个发动机占用的空间也挺大的。
一些支线飞机: 还有一些早期的支线飞机,比如 伏尔加第聂伯航空的安24,它的发动机也采用的是后置或者说是后掠式的设计。但这主要是一些小型飞机,设计目标和大型客机不同,主要考虑的是起降性能和结构布局。

现在的趋势:翼下吊挂是王道

所以,我们可以看到,随着涡扇发动机技术突飞猛进,推力越来越大,效率也越来越高,发动机的尺寸也随之增加。翼下吊挂发动机不仅能更好地适应大尺寸发动机,还能在气动、结构、维护和经济性上都占据绝对优势。

“瘦身”的机身: 现代客机追求的是轻巧和高效。发动机放在翅膀下面,可以让机身“瘦身”,减少空气阻力,也意味着可以使用更少的材料,降低制造成本。
翼盒的强化: 如今的机翼设计也非常先进,内部有强大的翼盒结构,可以轻松承受发动机带来的巨大载荷。
“瘦身”的尾翼: 随着发动机推力线的设计优化,对尾翼的控制需求也相对降低,不需要再设计那么大的尾翼来抵消发动机的推力影响。

总结一下,后置发动机客机之所以现在很少,不是因为它不好,而是因为它在效率、成本、技术成熟度、维护便利性等方面,相比于翼下吊挂发动机的设计,已经落后于时代发展的需求。 航空业是一个追求极致效率和安全性的行业,任何一点微小的改进都能带来巨大的经济效益和竞争优势。所以,我们现在看到的飞机,大多是经过无数次迭代和优化的结果,而翼下吊挂发动机,就是这个过程中最符合当前需求的选择。

网友意见

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尾置发动机的飞机现在还是有的,但是在主流干线客机中已经几乎看不到了。

首先尾置发动机的布局,尾部有1到4台发动机,这些布局都有共同的劣势以及一些自己特有的劣势。

尾置4发妖孽伊尔62
空中开反推的妖孽

结构重量

客机尾部都有水平尾翼和垂直尾翼,升降舵(Elevator)和方向舵(Rudder)。机尾与机身连接处的结构本来强度要求就高,造成了不少重量,再把一台发动机装在这更加剧了过重的劣势。

以下图麦道MD-11举例,发动机为普惠PW4000,干重将近6吨,再加上尾翼需要传导发动机制造的30吨左右推力,其结构强度要求可想而知。

MD-11

再而且,很多尾置发动机布局的飞机,水平尾翼都要放在垂尾之上,也就是T字尾,例如下图波音727。

727
727

把水平尾翼顶起来而不是直接装在机身上,又额外需要力传导结构,再次增加结构重量。

尾置发动机维护保养困难(可接近性)

还是拿MD-11举例

这发动机架这么高,机务怎么去维护?

机务需要特殊的设备才能接触到发动机,取下来也麻烦,相对现代主流的翼吊式,浪费时间,需要额外设备,维护成本骤增。而且比如上图麦道11拆发动机,还得把尾椎先拆下来。

相比下面的翼吊式布局发动机,对机务就友好太多了。

737
A330

曲折的进气道

拿上图洛克希德L-1011三星举例。

不同于MD-11,三星的尾置发动机需要一个额外的进气道,它被埋在尾椎处了。

进气道也也不小的重量,造价,挤占了机尾空间。而且那么长的进气道附面层大,阻力大,进气效率低。气流拐个大弯才到发动机,想想就不够清爽。

尾置发动机进气质量

再次拿MD-11举例,当飞机攻角过大时,尾置的发动机会被机身挡住,其进气质量相比机翼上的两台发动机更低。从而喘震危险更大,关于喘震,扩展阅读:

发动机喘震会喷火哦,详见:

噪音

因为尾置发动机是直接连接在机身上的,发动机的机械振动直接传入机身,机械噪音会更大。而翼吊式布局,发动机的振动会被机翼缓冲。

而且翼吊式布局,机翼也遮挡了部分空气动力学噪音。

这点不再展开。

更复杂的发动机挂架

翼吊式布局,发动机的支撑传力结构直接连接到发动机短舱就好了,而尾置发动机就需要一个半圆环抱式结构来传力。增加了复杂性和重量。

还是727

相比尾置布局,翼吊式布局可以改善机翼应力

飞机的燃油大部分放在机翼油箱里,其中一个重要原因是,机翼产生的升力把机翼向上顶,油把机翼向下压,抵消了升力造成的弯矩。发动机几吨重,压在机翼上也产生了同样的效果,抵消向上弯矩,改善了机翼受力。

机翼上没有发动机的弯矩图
机翼上有发动机的弯矩图

例如下图波音787油箱位置:

扩展阅读:

为什么这么多劣势,还是有这么多尾置发动机布局飞机在运营

翼吊式发动机布局需要一定的机翼离地间隙,或者说需要较长的起落架。很多小飞机没有这个条件,比如以湾流为首的公务机。

下图是湾流最大的飞机G650,可见其翼下根本没有空间放发动机。这里要注意的是,不光是飞机站在地上发动机不能触底,而且是前起落架完全失效的情况下,发动机也不能触地。

G650


737继承自尾置三发727的小短腿限制了737家族的发动机涵道比,且为了这项要求,其发动机下缘还做成了平的,非常丑。

相比A320neo,不光小,还不圆。

再有,因为发动机离地很近,如果跑道不干净,发动机容易吸入异物,尾置的话就极大幅降低了这个危险。(这也是为啥军用运输机都要上单翼的其中一个原因)

想到什么再来补充吧。

题外话:

所以本田喷气,很小的飞机做翼上布局,就很有创意了。这飞机非常有趣。


下面这个翼上发动机布局的支线航空,是什么型号?

只产了19架,要是连这个都认识,那看来是真航空迷了

还有西锐单发喷气SF50。唯一一台发动机装在机身天花板上,然后还相对飞行方向有一定夹角(不是水平向后喷)。西锐还弄了个机身降落伞,也是很有意思了

PS:这个回答贴了好多图啊


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