¿Cómo se diseña un avión para que sea estable longitudinalmente?

Mi respuesta corta:

• La estabilidad se controla moviendo el centro de gravedad (CoG).
• El manual debe dar los límites del centro de gravedad. Un centro de gravedad más avanzado significa un avión más estable.
• Desplazarlo más allá del punto neutral hace que el avión sea inestable, por lo que se aceleran los movimientos que se alejan del estado compensado. Sin embargo, a velocidad supersónica este avión volverá a ser estable.
• Los aviones con un sofisticado control por computadora pueden aumentar artificialmente la estabilidad, por lo que se comportan como un avión estable a todas las velocidades.

Para la respuesta larga, permítanme aclarar primero los términos:

La estabilidad estática es la tendencia de un sistema a volver a su estado anterior después de haber sido perturbado. Tome un péndulo: si lo tira hacia un lado, volverá al centro. Eventualmente.

La estabilidad dinámica es la tendencia de un sistema oscilante a que las oscilaciones disminuyan con el tiempo. Tome el mismo péndulo: oscilará de lado a lado, y la fricción asegurará que esto suceda con una amplitud cada vez menor.

Ahora necesitamos agregar dimensiones, las tres: cabeceo, balanceo y guiñada. Un avión puede ser estable en una dimensión e inestable en otra diferente. Entiendo su pregunta de tal manera que pregunta sobre la estabilidad de cabeceo estático (o estabilidad longitudinal) de los aviones de combate.

El Wright Flyer era longitudinalmente inestable (ver aquí para más información). Una vez que los diseñadores de aeronaves aprendieron que se puede hacer que las aeronaves vuelen de manera estable, y aprendieron que esto es de gran beneficio en el entrenamiento de pilotos, la estabilidad estática se convirtió en un requisito para las nuevas aeronaves. Cuando estalló la guerra en Europa, las fuerzas británicas estaban equipadas con un excelente avión de entrenamiento , pero era tan estable que costó esfuerzo y tiempo convencerlo de que cambiara de rumbo. Fueron derribados en masa.

De ahora en adelante, la baja estabilidad fue un requisito primordial para los aviones de combate y acrobáticos. La estabilidad estática es proporcional a las fuerzas de control (más precisamente: al momento de bisagra de la superficie de control respectiva), por lo que reducir la estabilidad les dio a los pilotos una mayor respuesta por el mismo esfuerzo. La estabilidad estática longitudinal se mide como la distancia relativa entre el punto neutro (NP) y el centro de gravedad (CG). Ver aquí para más. La estabilidad estática longitudinal se logra colocando el CG por delante del NP. Cambiar el CG hacia atrás le brinda un avión con mayor capacidad de respuesta, pero también uno que se altera más fácilmente por las ráfagas.

Esta es la técnica de diseño sobre la que preguntaste. Bastante simple, ¿verdad?

Una vez que cambia el CG hacia atrás del NP, se pierde la estabilidad y el avión aumentará las desviaciones del estado compensado. Esto puede ser útil si desea cambios de ángulo grandes y rápidos. Un avión inestable solo necesita una pequeña patada y hará el resto de la maniobra por sí mismo.

Así es como ayuda en la maniobrabilidad. Pero es aún más útil reducir las inercias, especialmente alrededor del eje de balanceo, para una respuesta más rápida. Por eso todos los aviones de combate tienen sus motores cerca del centro.

Por supuesto, la estabilidad negativa no es aceptable cuando necesitas quitar las manos de la palanca para sacar un mapa o para orinar en un vuelo largo. Entonces, sin el control de la computadora, el límite era una posición de CG cerca, pero no detrás del NP.

Con los aviones supersónicos, las cosas se complican más. Ahora el avión opera en dos regímenes de vuelo, uno en el que la sustentación actúa en el cuarto de cuerda del ala y otro en el que actúa en la mitad de la cuerda. Las aeronaves con baja estabilidad estática se vuelven muy estables en vuelo supersónico, y la superficie de la cola tiene que crear una gran fuerza descendente para que la suma de toda la sustentación permanezca donde está el CG. Crear sustentación siempre incurre en una penalización por arrastre, y en vuelo supersónico se debe pagar dos veces: una por el exceso de sustentación en el ala (que se necesita para compensar la fuerza descendente de la cola) y otra por la fuerza descendente en la cola. .

El uso de una computadora de control de vuelo ofrece la posibilidad de permitir que el piloto suelte la palanca sin que la aeronave se desvíe del rumbo. Ahora, la palanca no controla la desviación del elevador, sino la velocidad de cabeceo, y el CG puede retroceder desde quizás el 12 % de la MAC (acorde aerodinámico medio) hasta el -2 %. Si compara las áreas de las alas de los jets estables e inestables (Jaguar y Mirage F-1 son excelentes ejemplos), verá cuánto se logra con sólo retroceder con el CG en un pequeño porcentaje de la cuerda del ala.

Versión convencional SEPECAT Jaguar y CCV (imagen de Fundamentals of Fighter Design de Ray Whitford). ¡Ambas configuraciones tienen el mismo aeródromo y rendimiento de combate!

Estos aviones son inestables sin control por computadora a velocidad subsónica. Esto no es un beneficio en sí mismo (para una mejor maniobrabilidad, ayuda más a reducir las inercias, como se explicó anteriormente), pero reduce drásticamente la resistencia aerodinámica a velocidad supersónica. En vuelo supersónico, un avión de este tipo sigue siendo estable, pero mucho menos que uno que también es estable a velocidad subsónica. Esto significa que se necesita menos sustentación en las alas y se crea menos carga aerodinámica en la cola, por lo que la resistencia aerodinámica de ambas superficies es pequeña y su tamaño también se puede reducir, lo que da como resultado un círculo virtuoso de ahorro de resistencia aerodinámica.