¿Existen diseños de aviones que no impliquen una superficie de vuelo que proporcione carga aerodinámica?

Hay múltiples configuraciones que son posibles con cola o canard, que según sus ubicaciones y si producen sustentación o fuerza descendente, dan como resultado una aeronave estable o inestable (teniendo en cuenta el centro de gravedad de la aeronave). Las siguientes figuras muestran algunas de las configuraciones posibles.

Fuente: f-16.net

En el caso más general, no hay necesidad ni siquiera de un canard o una cola horizontal siempre que se produzca una fuerza (hacia abajo o hacia arriba) de alguna manera. Un buen ejemplo es el Boeing Bird of Prey, donde los lomos produjeron (vórtice) sustentación y, por lo tanto, una fuerza estabilizadora. Las fuerzas que actúan sobre el eje longitudinal de la aeronave se parecen a esto, lo que lleva a una aeronave estáticamente estable sin ninguna superficie de sustentación excepto el ala.

Perfil de bj-o23.deviantart.com, trabajo propio de otros.

Por supuesto, simplemente vuelva a poner el centro de gravedad en su límite trasero y vuele lentamente. Entonces todos ellos producirán sustentación positiva en sus colas.

La estabilidad no es producida por una carga aerodinámica en la cola . El libro más reciente que leí que afirmaba esto era de 1911 (por casualidad leí la edición de 1913). La estabilidad se produce haciendo que la sustentación por área de las partes delanteras sea mayor que la de las partes traseras. Si la sustentación del alerón delantero es lo suficientemente alta, el alerón trasero puede brindar estabilidad con una sustentación positiva.

Los canards deberían ser los más fáciles de probar: su ala principal produce sustentación positiva, y aun así se les puede hacer volar de manera estable.

Si está buscando un diseño que parezca desviarse de este principio básico, tal vez el Fauvel AV.36 sea suficiente:

Fauvel AV.36 en vuelo (imagen de Daniel-Wales-Images )

Charles Fauvel diseñó varios planeadores de alas volantes, de los cuales el AV.36 es el más popular. Todos ellos tenían una estabilidad de tono positiva y natural. Solo hay un ala, y debe producir sustentación, o el avión no podría volar, ¿verdad?

La única forma de acabar realmente con este principio es renunciar a la estabilidad longitudinal natural. El peso y el equilibrio se verían afectados de tal manera que el centro de gravedad está detrás del punto neutral, donde actúa la fuerza de sustentación dependiente del ángulo de ataque. Este tipo de avión, sin embargo, sería muy difícil de volar manualmente .

Un avión de ala en tándem tiene dos conjuntos de alas, cada una de las cuales proporciona sustentación hacia arriba. Uno está cerca de la parte delantera del avión, el otro está cerca de la parte trasera y el centro de gravedad está entre ellos.

(fuente: nurflugel.com )

El Rutan Quickie es uno de esos aviones:

(fuente: wikimedia )

Este diseño es bastante antiguo; incluso es anterior al (exitoso) vuelo más pesado que el aire, ya que se utilizó en el aeródromo de Langley , un intento experimental de vuelo tripulado en la década de 1890.

Esta respuesta abordará la pregunta centrándose en un caso más limitado:

"En una configuración convencional de ala + cola, ¿es posible que un avión sea estable incluso si la cola crea una fuerza ascendente en lugar de una fuerza aerodinámica?"

El centro de sustentación (o centro de presión) es el punto en el que podemos tratar el vector de sustentación del ala como actuando, sin tener que aplicar también un momento de cabeceo adicional para tener en cuenta la tendencia inherente de cabeceo de morro hacia abajo de un perfil aerodinámico combado.

El centro de elevación no está fijo , un punto que no es obvio en el diagrama de la pregunta original.

Si elegimos usar el centro de sustentación como punto de pivote en un cálculo de par de cabeceo (que es una opción válida), no tenemos que tener en cuenta directamente la fuerza de sustentación del ala en nuestro cálculo, pero debemos reconocer que el vector de peso, mientras que su magnitud es constante (al menos si limitamos nuestros cálculos al caso de 1-G), no actúa a una distancia fija del centro de sustentación y, por lo tanto, el momento de cabeceo con el morro hacia abajo debido al peso no es constante. Por lo tanto, la situación es mucho más compleja de lo que implica el diagrama en la pregunta original.

El centro de sustentación se mueve hacia adelante a medida que aumentamos el ángulo de ataque y se mueve hacia atrás a medida que disminuimos el ángulo de ataque. El Centro de sustentación puede incluso ubicarse más allá de los bordes físicos del ala misma.

Esto hace que sea más intuitivo y más conveniente tratar el vector de sustentación del ala como si actuara en un punto fijo llamado centro aerodinámico del ala, al mismo tiempo que se aplica un momento de cabeceo adicional con el morro hacia abajo que depende de la velocidad aerodinámica (es decir, el momento de cabeceo el coeficiente es fijo, pero el momento de cabeceo con el morro hacia abajo resultante aumenta a medida que aumenta la velocidad aerodinámica).

Pero dado que la pregunta original toma el enfoque del Centro de sustentación, haremos lo mismo en esta respuesta.

Dado que el centro de sustentación migra hacia adelante a medida que aumentamos el ángulo de ataque y hacia atrás a medida que disminuimos el ángulo de ataque, la aeronave tenderá a cabecear hacia arriba a medida que reducimos la velocidad y tenderá a inclinarse hacia abajo a medida que aumentamos la velocidad. Esto es desestabilizador, es la razón por la que necesitamos una cola horizontal. Pero, ¿debe la cola crear siempre una carga aerodinámica para permitir un vuelo estable?

A cualquier velocidad aerodinámica dada, si el centro de gravedad está detrás del centro de sustentación del ala, la cola debe crear una fuerza ascendente en lugar de una fuerza descendente. Dado que el Centro de sustentación se mueve hacia adelante a medida que aumentamos el ángulo de ataque, se deduce que a medida que experimentamos con ubicaciones de CG cada vez más hacia atrás, veremos que la cola crea una fuerza ascendente a baja velocidad antes de que la cola cree una fuerza ascendente a alta. velocidad aerodinámica.

El centro de sustentación del ala no debe confundirse con el punto neutral de la aeronave. El punto neutral es el punto donde la aeronave no tiene estabilidad estática de cabeceo. Si el CG está por delante del punto neutral, la aeronave tiene un cabeceo estáticamente estable, y si el CG está detrás del punto neutral, la aeronave tiene un cabeceo estáticamente inestable. El último caso es básicamente solo el ámbito de los aviones fly-by-wire estabilizados por computadora que sacrifican la estabilidad para mejorar la maniobrabilidad o mejorar la eficiencia de crucero.

Por el contrario, muchos aviones tienen colas de elevación. Por ejemplo, muchos modelos de aviones antiguos de "vuelo libre" tienen colas grandes con curvatura positiva. (Vea, por ejemplo , esta imagen ). Obviamente, estos aviones no pueden ser estáticamente inestables en el cabeceo. El CG aún debe estar por delante del punto neutral, aunque esté detrás del centro de sustentación del ala.

Se puede argumentar que una gran cola de elevación generalmente no es tan eficiente como una pequeña cola de elevación neutral o ligeramente hacia abajo. Ese argumento está más allá del alcance de esta respuesta, por lo que debemos guardar una mayor exploración de eso para otra pregunta de ASE.

Además, muchos aviones tienen una configuración de ala en tándem , en la que la cola es en realidad un gran ala de elevación.

Aquí hay una buena descripción de un experimento que verificó que la cola horizontal creaba una fuerza ascendente en vuelo con un Cessna 172 con un CG que estaba dentro, pero cerca del borde de popa, del sobre prescrito. Consulte los dos últimos párrafos de la sección. - https://www.av8n.com/how/htm/aoastab.html#sec-pitch-equilibrium

Aquí hay otra respuesta de ASE que brinda un buen tratamiento de la diferencia entre el centro de presión (o centro de elevación), el centro aerodinámico y el punto neutral: ¿Cuál es la diferencia entre el centro de presión, el centro aerodinámico y el punto neutral?

En resumen, el punto neutral no es el punto donde la aeronave se equilibrará con la cola sin crear fuerza ascendente ni descendente. Más bien, el centro de sustentación o el centro de presión del ala (o, para ser lo más preciso posible, el centro de presión de toda la aeronave que no sea la cola, incluidos los efectos de las líneas de empuje desplazadas, la resistencia de los flotadores, etc.) es el punto donde la aeronave se equilibrará con la cola sin crear fuerza ascendente ni descendente. Es muy posible que el centro de gravedad esté detrás del centro de sustentación del ala (o del centro de presión de toda la aeronave) pero adelante del punto neutral de la aeronave, lo que hace que la cola genere una fuerza ascendente y, al mismo tiempo, permita una estabilidad de cabeceo estática positiva.

El requisito básico para la estabilidad de cabeceo estático es simplemente que la cola vuele con un ángulo de ataque menos positivo, o al menos con un coeficiente de sustentación menos positivo, que el ala. Esto incluye, pero no se limita a, casos en los que la cola vuela con un ángulo de ataque negativo y crea una carga aerodinámica. Puede leer más sobre esto en esta sección de un sitio web externo : https://www.av8n.com/how/htm/aoastab.html#sec-teeter .

Esta respuesta ASE relacionada también es esclarecedora : ¿Existen diseños de aviones que no involucren una superficie de vuelo que proporcione carga aerodinámica?