Warum werden manche Flugzeugtriebwerke an den Tragflächen aufgehängt, während andere neben dem Heck eingesetzt werden?

Studenten, die häufig mit dem Flugzeug fliegen, haben wahrscheinlich den Eindruck, dass manche Flugzeugmotoren an den Tragflächen hängen und manche am Heck montiert sind. Können sie zufällig angeordnet werden?

Tatsächlich unterscheiden sich Flugzeugtriebwerke nicht nur erheblich in ihrer Leistung, sondern auch in ihren spezifischen Einbauorten. Im Allgemeinen gibt es bei Strahlflugzeugtriebwerken neben der üblichen flügelmontierten Ausführung auch Ausführungen mit Flügelwurzel-, Heck- und Flügel-Heck-Montage.

Flügelmontiertes Layout

Beginnen wir mit der gängigsten Wing-Hang-Anordnung. Dieses Layout kam zuerst bei Bombern zum Einsatz und wurde später für die 707 übernommen, womit Boeing den Grundstein für einen Branchenriesen legte. Nach der Einführung wurde dieses Layout unweigerlich zum Mainstream. Der Grund für seine große Beliebtheit liegt darin, dass es viele Vorteile bietet. Erstens ermöglicht diese Anordnung, das Gewicht des Motors zu nutzen, um einen Teil des Drehmoments an der Verbindung zwischen Flugzeugflügel und Rumpf auszugleichen und so eine wichtige „Entlastungsfunktion“ zu übernehmen.

Während des Fluges erzeugen die Flügel des Flugzeugs einen Auftrieb nach oben, während der schwerere Rumpf eine große Schwerkraft nach unten erzeugt. Dadurch entsteht an der Verbindung zwischen Flügel und Rumpf durch den vom Flügel erzeugten Auftrieb und die vom Rumpf erzeugte Schwerkraft ein großes Drehmoment, wodurch die Flügelwurzel zum schwersten Teil der Flugzeugstruktur wird. Wenn ein sehr schwerer Motor unter dem Flügel hängt, kann ein Teil des Gewichts auf den Flügel verteilt werden, was dazu beiträgt, das Drehmoment an der Flügelwurzel auszugleichen.

Auch das Unterbringen des Motors unter der Tragfläche kann die durch Lärm verursachte Belästigung verringern. Während des Fluges ist das Motorengeräusch des Flugzeugs sehr laut, was dazu führt, dass sich die Passagiere in der Nähe des Motorbereichs sehr laut fühlen. Eine ruhige Kabinenumgebung ist ein wichtiges Kriterium für den Komfort eines Flugzeugs. Zu diesem Zweck gingen die Flugzeugkonstrukteure davon aus, dass, wenn der Motor unter dem Flügel angebracht wäre, dieser nicht nur als Schutzschild gegen den Motorlärm dienen würde, sondern dass der Motor auch so weit wie möglich vom Rumpf entfernt sein könnte, wodurch die Lärmbelastung verringert würde.

Darüber hinaus bietet das Aufhängen des Motors unter der Tragfläche folgende Vorteile: Der Motor ist näher am Boden und kann daher leichter repariert und gewartet werden. Der unter den Flügeln installierte Motor befindet sich nahe dem Schwerpunkt des Flugzeugs, wodurch das Flugzeug leichter zu steuern ist. Aufgrund der großen Flügelfläche ist es relativ einfach, die Anzahl der unter dem Flügel aufgehängten Triebwerke zu erhöhen oder zu verringern.

Den Motor unter die Tragfläche zu hängen ist keine einfache Angelegenheit. Dabei ist eine umfassende Berücksichtigung vieler Faktoren wie Widerstand und Luftstrom während des Fluges erforderlich. Zivilflugzeuge sind grundsätzlich Tiefdecker. In diesem Fall müssen Flugzeugkonstrukteure darauf achten, dass sich das unter den Flügeln aufgehängte Triebwerk nicht zu nahe am Boden befindet, um zu verhindern, dass es Bodenpartikel ansaugt und das Triebwerk beschädigt.

Was wir üblicherweise als flügelmontierte Triebwerke bezeichnen, sind Triebwerke, die unter den Flügeln aufgehängt sind. Es gibt jedoch auch das Gegenteil, bei dem die Triebwerke über den Flügeln angebracht sind. Tatsächlich ist die Anordnung der On-Wing-Triebwerke sehr wissenschaftlich, da das On-Wing-Triebwerk nicht durch die Höhe über dem Boden unter den Tragflächen eingeschränkt ist und die gleiche Entladefunktion hat wie das Unterflügel-Triebwerk. Sobald sich der Motor jedoch über dem Flügel befindet, hat der Flügel nicht mehr die Funktion, den Motorlärm abzuschirmen. Darüber hinaus erschwert die auf den Flügeln montierte Motoranordnung die Wartung des Motors, da dieser höher positioniert ist. Unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren gibt es derzeit nicht viele Flugzeuge, die auf den Flügeln montierte Triebwerke verwenden.

Flügelwurzellayout

Das Flügelwurzel-Layout ist ein seit langem bewährtes Motorlayout. Beginnend mit den frühen Düsenverkehrsflugzeugen Comet und Tu-104 installierten die Konstrukteure die Triebwerke an der Flügelwurzel. Die Konstrukteure haben sich für diese Anordnung entschieden, da sie es dem Flugzeug ermöglicht, die Form der drei wichtigsten aerodynamischen Komponenten (Flügel, Rumpf und Heck) bei minimalem Windwiderstand beizubehalten. Da sich der Motor zudem relativ nahe an der Mittelachse und dem Schwerpunkt des Rumpfes befindet, ist das entstehende Schubungleichgewicht bei einem Ausfall einer Seite des Motors relativ gering und die Flugsteuerung relativ einfach. Aus diesem Grund wurde diese Triebwerksanordnung in den meisten frühen Düsenverkehrsflugzeugen verwendet.

Natürlich hat dieses Layout auch offensichtliche Einschränkungen. Bei der Flügelwurzel-Motoranordnung befindet sich der Motor in der Nähe des Rumpfes. Dies führt nicht nur zu viel Lärm in der Kabine, sondern der heiße Luftstrom, der vom Motor ausgestoßen wird, kann auch leicht den Rumpf beschädigen. Darüber hinaus kann der Flügel bei dieser Anordnung durch den Motorraum verlaufen und mit dem Rumpf verbunden werden, was die Konstruktion des Kraftübertragungssystems komplizierter macht und das Strukturgewicht der Flügelwurzel erhöht. Da der Motor zudem innerhalb der Flügelstruktur eingebaut ist, ist seine Wartung schwieriger.

Heckaufhängungslayout

Bei der Heckmontage befindet sich der Motor am Heck des Flugzeugs. Das erste Düsenverkehrsflugzeug, das diese Triebwerksanordnung verwendete, war der Clipper, und auch die spätere Boeing 727 verwendete diese Anordnung.

Die Vorteile dieser Anordnung liegen auf der Hand: Erstens gibt es keine zusätzlichen Vorsprünge unter dem Flügel, was den Einfluss der Triebwerksgondel auf Auftrieb und Luftwiderstand verringert. zweitens gibt es keine starren Anforderungen an den Platz unter den Flügeln, und die Konstrukteure können die Höhe des Fahrwerks verkürzen und so Strukturgewicht einsparen; drittens kann es eine ruhigere und komfortablere Umgebung für die First-Class-Kabine, die Business Class und sogar die High-End-Economy-Class im vorderen Teil des Rumpfes bieten; viertens ist der Durchmesser des Triebwerks nicht durch den Platz begrenzt, und es können Triebwerke mit sehr großen Bypass-Verhältnissen verwendet werden; Fünftens: Da die Triebwerke nahe beieinander liegen, ist der Einfluss auf die Gierbewegung des Flugzeugs beim Ausfall eines einzelnen Triebwerks weitaus geringer als bei der Unterflügelaufhängung.

Dieses Layout hat auch Nachteile. Beispielsweise wird dadurch die Entlastungswirkung des Motors auf die Tragfläche eliminiert. Die Heckmotoranordnung erfordert die Verwendung eines hohen horizontalen Hecks, was bei der Konstruktion des Flugzeugs eine Verstärkung der vertikalen Struktur erfordert. Die Anzahl der Motoren kann nicht beliebig erhöht oder verringert werden.

Anordnung „Flügelmontiert + Heckmontiert“

Die Motoranordnung „an den Flügeln und am Heck montiert“ ist bei einigen Flugzeugen mit drei Motoren zu sehen. Zu den repräsentativsten dieser Flugzeuge zählen die Langstrecken-Großraum-Passagierflugzeuge DC-1 und MD-11 der US-amerikanischen Firma McDonnell Douglas. Ursprünglich bestand die Leitidee hinter dieser Motoranordnung darin, dem Heckflügel einen Motor hinzuzufügen, um die Leistung des Flugzeugs zu erhöhen und die Flugstrecke zu verlängern. Diese Anordnung mit an den Flügeln und am Heck montierten Triebwerken wurde nach und nach abgeschafft, da die Montage eines zweiten Triebwerks bei Zivilflugzeugen immer beliebter wird.