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航空工学および船舶工学において、プッシャー構成とは、エンジンの後ろに推進装置を備えた航空機または船舶の駆動系を表す用語である。これは、推進装置をエンジンの前に配置した、より一般的なトラクター構成とは対照的である。
この用語は航空機に最も一般的に用いられるが、最も身近なプロペラの例としては、小型ボートによく使われる船外機が挙げられる。
「プッシャー構成」とは、飛行船（エアロスタット）や航空機（航空機、WIG、パラモーター、回転翼機）、あるいはホバークラフト、エアボート、プロペラ駆動スノーモービルなどの他のタイプの航空機に取り付けられた特定の（プロペラまたはダクトファン）推力装置を指します。[ 1 ]
1871年にアルフォンス・ペノーによって設計されたゴム動力の「プラノフォール」は、推進式プロペラを備えた初期の成功した模型飛行機であった。
初期の航空機（特に複葉機）の多くは「推進式」で、ライトフライヤー（1903年）、サントス・デュモン14-bis（1906年）、ヴォワザン・ファーマンI（1907年）、そして1911年1月18日にユージン・エリーが初の船舶着陸に使用したカーチス・モデルDなどが挙げられる。アンリ・ファーマンの推進式ファーマンIIIとその後継機はイギリスで大きな影響力を持ったため、推進式航空機全般が「ファーマン型」と呼ばれるようになった。[注1 ]その他の初期の推進式構成は、このテーマのバリエーションであった。
古典的な「ファーマン」型推進式航空機では、プロペラは主揚力面のすぐ後ろに取り付けられ、エンジンは下翼または翼の間に固定され、プロペラのすぐ前方のナセルと呼ばれる短い胴体（操縦士も収容されていた）に搭載されていた。このタイプの推進式航空機の設計における主な難点は、尾翼（尾部）の取り付けであった。尾翼は牽引式航空機とほぼ同じ位置に取り付ける必要があったが、その支持構造はプロペラに干渉しないようにしなければならなかった。
初期のプッシャー型トラクターはカナード翼を採用していたが、これは初期の設計者には解決できない深刻な空力的な問題を引き起こした。通常、尾翼の取り付けには複雑なワイヤー補強フレームが用いられ、大きな抗力が発生した。第一次世界大戦が始まるずっと前から、この抗力は、ファーマン式プッシャー型トラクターが、それ以外は同等のトラクター型トラクターに比べて性能が劣る要因の一つとして認識されていた。
アメリカ陸軍は、この種の航空機の墜落事故で数名のパイロットが死亡したことを受け、1914年後半に推進式航空機を禁止した[ 2 ]。そのため、1912年頃から、アメリカの新しい陸上機の設計の大部分は牽引式複葉機となり、あらゆる種類の推進式航空機は、大西洋の両岸で時代遅れと見なされるようになった。しかし、ヴィッカース・ヴァンパイアなどの新しい推進式航空機の設計は休戦協定まで続けられたが、1916年以降に就役したものは少なかった。
しかし、少なくとも1916年末までは、プロペラの回転弧に遮られることなく前方に発射できる銃を使用できるため、イギリス王立飛行隊は依然として推進式機（エアコDH.2戦闘機など）を銃搭載機として好んでいた。フォッカーが機関銃の発射を回転するプロペラのブレードと同期させる機構を導入し、1916年と1917年にすべての戦闘国が同期ギアを広く採用したことで、牽引式機がほぼ普遍的に好まれるようになり、推進式機は、その配置を使用する特別な理由を持つごく少数の新航空機設計にまで減少した。
イギリスとフランスはともに推進式爆撃機を使い続けたが、1917年まではどちらが優れているかという明確な傾向はなかった。こうした機体には（ファーマン社の製品を除いて）ヴォワザン爆撃機（3,200機製造）、ビッカースFB5「ガンバス」、ロイヤル・エアクラフト・ファクトリーFE2などがあったが、これらも最終的には訓練機に転用され、完全に姿を消した。ファーマン式推進式を採用した最後の戦闘機はおそらく1931年のビッカースType 161 COWガンファイターだろう。
この構成が長らく廃れていた間も、推進式プロペラは、その搭載によるメリットがわずかで、牽引式プロペラとして製造できたであろう航空機で使用され続けた。複葉飛行艇は、水面からの最大クリアランスを確保するために、機体上部にエンジンを搭載することが多く、水しぶきやそれに伴う危険を避けるため、推進式プロペラをコックピットから十分に離して駆動することが多かった。スーパーマリン・ウォルラスは、このレイアウトの後期の例である。
いわゆるプッシュ/プルレイアウトは、トラクター構成とプッシャー構成を組み合わせたもので、1つ以上のプロペラが前方を向き、1つ以上のプロペラが後方を向くように設計されており、ファーマンF.222などの船外機故障による非対称な影響を軽減する手段として、時折採用されている。しかし、その代償として、後部プロペラの効率が著しく低下し、結果として後部プロペラは小型化され、出力の低いエンジンに取り付けられることが多くなった。
1930年代後半までに、航空機の全金属製応力外皮構造が広く採用されたことで、少なくとも理論上は、推進式航空機（および実際にはあらゆる非従来型のレイアウト）の性能を制限していた空力的な欠点が軽減された。しかし、推進式航空機の性能を向上させる改良は、従来型航空機の性能も向上させるため、従来型航空機は運用上依然として稀な存在であり、性能差は縮小したものの、完全に解消されることはなかった。
第二次世界大戦中、主要国のほとんどが推進式戦闘機の実験を行った。特に、推進式戦闘機から脱出するパイロットがプロペラの回転弧を通過する可能性があるという問題が残った。そのため、関係するすべての機種の中で、比較的従来型の1943年のスウェーデンのSAAB 21だけが量産された。ほとんどの推進式戦闘機で使用されていたカナード配置の空力に関するその他の問題は、解決がより困難であることが判明した。[注2 ]世界初の射出座席の1つは、（必然的に）この航空機用に設計され、後にジェットエンジンを搭載して再び登場した。
飛行した最大の推進式航空機は、1946年のコンベアB-36「ピースメーカー」であり、これはアメリカ合衆国が運用した最大の爆撃機でもあった。この機体には、翼内に搭載された6基の3,800馬力（2,800kW ）の28気筒プラット・アンド・ホイットニー・ワスプ・メジャー星型エンジンがあり、それぞれが翼の後縁後方に配置された推進式プロペラを駆動していた。さらに4基のジェットエンジンも搭載されていた。
プロペラ駆動航空機の大部分は依然として牽引式プロペラを採用しているが、近年、推進式プロペラへの関心が再び高まっている。例えば、バート・ルータンの1975年以降のカナード翼機のような軽量自作航空機、クワッドシティ・チャレンジャー（1983年）のような超軽量機、フレキシブル翼機、パラモーター、動力付きパラシュート、オートジャイロなどが挙げられる。また、エンジンの干渉を受けない機首部が必要なため、無人航空機にもよく採用されている。
エアロダイナミクス社のスパローホークも、主に1990年代に製造された自作航空機の一つである。
飛行船は、推進式航空機の中で最も古いタイプであり、その起源はフランス人アンリ・ジファールが1852年に建造した先駆的な飛行船に遡る。
推進式航空機は、さまざまな構成で製造されてきました。固定翼航空機の大部分では、プロペラは依然として「主揚力面」の後縁のすぐ後ろ、または翼の下（パラモーター）に配置され、エンジンは乗員席の後ろにあります。
従来の航空機のレイアウトでは、安定性と操縦性を確保するために尾翼（尾部）が設けられています。プロペラは、一般的な直接駆動方式のように、エンジンの近くにある場合があります。
エンジンは前方の離れた場所に埋設され、駆動軸またはベルトによってプロペラを駆動する。
カナード設計では、小型の翼が航空機の主翼の前方に配置されます。このクラスは主に直接駆動方式を採用しており、[注3 ]単発軸流プロペラ、[注4 ]または対称配置の双発エンジン、[注5 ]またはルータン・ボイジャーのような直列配置（プッシュプル）のいずれかです。
リッピッシュ・デルタ1やウェストランド・ヒル・プテロダクティルI型およびIV型のような尾翼のない航空機では、機体後部の水平尾翼は存在しない。ノースロップYB-35のような全翼機は、明確な胴体を持たない尾翼のない航空機である。これらの機体では、エンジンは尾翼のない航空機ではナセルまたは胴体に搭載され、全翼機では翼内に埋め込まれ、多くの場合延長シャフトを介して翼の後縁後方のプロペラを駆動する。
ほぼ例外なく、フレキシブルウィング航空機、パラモーター、および動力付きパラシュートは、推進装置（プッシャー）構成を採用している。
推進方式を採用した他の航空機は、平らな地面、水上、雪上、または氷上を走行します。推力は、機体後部に配置されたプロペラとダクトファンによって発生します。これらには以下が含まれます。
プッシャーエンジンのドライブシャフトは通常運転時に圧縮状態にあるため、[ 4 ]トラクター構成で張力状態にある場合よりもストレスが少なくなります。
エンジンの重量バランスを取るために操縦席を翼の前方に配置することで、乗員の視界が向上する。軍用機では、銃がプロペラと同期する必要がないため、前方の武装をより容易に使用できるが、使用済みの薬莢が後方のプロペラに飛び込む危険性があるため、この利点はいくらか相殺される。
エンジンが操縦士の手前、または操縦士のすぐ近くに搭載されている航空機（パラモーター、動力付きパラシュート、オートジャイロ、フレキシブルウィングトライクなど）では、操縦士の腕や脚への危険を最小限に抑えるため、エンジンは操縦士の後ろに配置されています。これらの2つの要因から、この構成は初期の戦闘機で広く採用され、現在でも超軽量航空機、無人航空機（UAV）、ラジコン飛行機などで人気があります。
プッシャーは胴体が短いため、胴体の濡れ面積と重量の両方が減少する可能性がある。[ 5 ]
トラクター型レイアウトとは対照的に、胴体後端のプッシャー型プロペラは安定化する。[ 6 ]プッシャー型は安定化に必要な垂直尾翼面積が少なくて済むため[ 7 ] 、風見鶏効果が少なくなる。[ 8 ]離陸滑走中は、一般的に横風の影響を受けにくい。[注6 ] [ 9 ] [ 10 ]
牽引機とは異なり、スリップストリーム内に尾翼がない場合、胴体の周りに回転するプロペラ後流が発生しないため、垂直尾翼に横方向の力が加わりません。離陸時、カナードプッシャーのパイロットは、このモーメントを相殺するためにラダー操作を行う必要がありません。[ 11 ]
機体の後方にプロペラを取り付けることで、機体に形成された境界層が再活性化され、流れが機体に沿って流れることで形状抗力が低減されるため、効率が向上する。しかし、機体がプロペラ効率に及ぼす悪影響に比べると、その効果は通常は小さい。[ 7 ]
翼のどの部分にもプロペラ後流が発生しないため、翼型抗力が低減される可能性がある。
エンジンは乗員室と客室の後方に設置されているため、燃料油や冷却水の漏れは機体後方に排出され、エンジン火災が発生した場合も機体後方に燃え広がります。同様に、プロペラの故障が乗員に直接的な危険をもたらす可能性は低くなります。
プッシャーダクトファンシステムは、回転ファンをダクト内に囲むことで追加の安全機能を提供するため、さまざまな高度なUAV構成、小型/個人用航空機、または航空機モデルにとって魅力的な選択肢となります。[ 12 ]
プロペラの後ろに尾翼があるプッシャー設計は、同様のトラクタータイプよりも構造的に複雑です。重量と抗力の増加により、同様のトラクタータイプと比較して性能が低下します。現代の空力に関する知識と構造方法により、その差は縮小できますが、完全に解消することはできません。遠隔または埋設されたエンジンには、ドライブシャフトと関連するベアリング、サポート、ねじり振動制御が必要となり、重量と複雑さが増します。[ 13 ] [ 14 ]
安全な重心位置を維持するためには、エンジンを後方に設置できる距離に制限があります。[ 15 ]乗員の前方位置はエンジンの重量をバランスさせ、重心位置の決定に役立ちます。安全な運用のためには重心位置を規定の範囲内に維持する必要があるため、各飛行前に荷重配分を評価する必要があります。[ 16 ] [注7 ]
プロペラの地上クリアランスに必要な推力線が一般的に高いこと、負の（下向きの）ピッチングモーメント、場合によっては尾部にプロペラ後流がないことなどから、トラクター機に比べて離陸にはより高速でより長いロールが必要になる場合があります。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]この問題に対するルータンの解決策は、静止時に機首を下げて、空の重心が主輪より前になるようにすることです。オートジャイロでは、推力線が高いと、パワープッシュオーバーとして知られる操縦上の危険が生じます。
地上クリアランスを確保するために一般的に推力線が高くなるため、低翼のプッシャーレイアウトでは、ピッチ/パワーカップリングとも呼ばれる出力変化によるピッチ変化が発生する可能性がある。特に推力線が高く尾輪を備えたプッシャー水上機では、垂直尾翼が気流から遮られ、タキシング時などの低速での操縦性が著しく低下する可能性がある。翼上にプロペラ後流がないため、揚力が低下し、離陸滑走距離が長くなる。[ 20 ]翼に取り付けられたプッシャーエンジンは、翼の後縁の一部を遮り、フラップやエルロンなどの操縦翼面に使用できる全幅を減少させる可能性がある。プロペラが尾部の前に取り付けられている場合、エンジン出力の変化により尾部上の気流が変化し、大きなピッチまたはヨーの変化が生じる可能性がある。
離陸時のピッチ回転のため、プロペラの直径を小さくする必要があり（効率の低下を伴う[ 21 ]）、または着陸装置を長くして重くする必要がある[ 5 ]。多くのプッシャー[注8 ]は、プロペラが地面に接触するのを防ぐためにプロペラの下に腹部フィンまたはスキッドを備えているが、抗力と重量が増加する。Rutan Long-EZのような尾翼のないプッシャーでは、離陸または着陸時に機首を上げた状態で飛行しているときにプロペラの弧が地面に非常に近くなる。車輪によって巻き上げられた地面上の物体がプロペラディスクを通過し、ブレードに損傷を与えたり、摩耗を加速させたりすることがあり、極端な場合にはブレードが地面に接触する可能性がある。
着氷条件下で飛行機が飛行すると、翼に氷が付着することがあります。翼に推進式エンジンを搭載した飛行機が着氷に見舞われると、プロペラが砕けた氷の塊を吸い込み、プロペラブレードや、プロペラによって激しく方向転換された氷が衝突する可能性のある機体の一部を損傷する恐れがあります。初期の推進式戦闘機では、使用済みの弾薬ケースが同様の問題を引き起こし、それらを回収するための装置を考案する必要がありました。
プロペラは胴体後流、翼後流、その他の飛行面ダウンウォッシュを通過し、不規則な対気速度の円盤内を非対称に移動します。これによりプロペラの効率が低下し、振動によってプロペラの構造疲労[注9 ]や騒音が発生します。
プロペラの効率は通常、同等のトラクター装備よりも少なくとも 2〜5% 低く、場合によっては 15% 以上低くなります。[ 22 ]カナードRutan VariEzeの実物大風洞調査では、プロペラ効率がトラクター構成の 0.85 に対して 0.75 であり、12% の損失が示されました。[ 23 ]プッシャープロペラは騒音が大きく、[ 13 ]キャビン騒音はトラクター相当のものよりも高くなる可能性があります ( Cessna XMC対Cessna 152 )。[ 24 ]エンジン排気がプロペラを通過するため、プロペラ騒音が増加する可能性があります。この効果は、ターボプロップエンジンが生成する排気量の多さのため、特に顕著になる可能性があります。[ 7 ]
推進式エンジンの動力装置の冷却設計は、プロペラがエンジンやラジエーターに空気を送り込む牽引式エンジンよりも複雑です。一部の航空機エンジンは、推進式として使用された場合に冷却の問題を経験しています。[ 24 ]これに対処するために、補助ファンが設置されることがあり、重量が増加します。推進式エンジンの排気はプロペラの前方で行われるため、この場合、排気がプロペラの腐食やその他の損傷の原因となる可能性があります。これは通常最小限であり、主にブレードに煤の染みとして目に見える場合があります。
プロペラと尾翼が接近した場合、ブレードの破損が尾翼に当たったり、破壊的な振動が発生したりして、制御不能になる可能性がある。[ 25 ]
推進式プロペラを備えた単発機から脱出しようとすると、乗員がプロペラに衝突する危険性がある。 [ 26 ]少なくとも初期の射出座席の1つは、この危険性に対処するために特別に設計された。現代の軽飛行機の中には、機体全体を救うパラシュートシステムを備えており、脱出の必要性を回避しているものもある。
プッシャー構成におけるエンジンの位置は、エンジンの運動エネルギーがキャビンを貫通する墜落または不時着時に、航空機の乗員を危険にさらす可能性がある。例えば、エンジンがキャビンの真後ろに配置されている場合、機首から衝突すると、エンジンの運動エネルギーによってエンジンが防火壁とキャビンを貫通し、一部の乗員が負傷する可能性がある。[注10 ]
地上作業、例えば飛行機の積み込みや搭乗作業においては、回転するプロペラは常に危険を伴います。牽引式プロペラでは機体後部が比較的安全な作業エリアとなりますが、推進式プロペラでは後方からの接近が危険であり、回転するプロペラが前方の物や人を吸い込み、機体と吸い込まれた人の両方に致命的な結果をもたらす可能性があります。さらに危険なのは、特に空中での荷降ろし作業、例えばパラシュートによる物資投下やスカイダイビング作業などです。推進式プロペラでは、特にプロペラが胴体やスポンソンに取り付けられている場合は、こうした作業はほぼ不可能です。
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