¿Fue inevitable la adopción de planos de cola convencionales como "aviones de uso diario" o existen otros diseños que pueden ser igual de buenos?

Si escribe un optimizador que modifica la envergadura de las alas de un avión virtual, terminará con un ala grande en el medio y una más pequeña en la cola si su objetivo es lograr un buen rendimiento, un amplio rango de cg y un comportamiento dócil. Entonces sí, una evolución concurrente también daría como resultado un diseño convencional.

¿Por qué no canard?

• El alerón delantero está más cargado para la estabilidad. Agregar superficies de control allí reduciría la posible efectividad del control. Ponerlos en el gran alerón trasero dará como resultado mayores fuerzas de palanca y mayores cambios de sustentación para los mismos cambios de momento de cabeceo.
• Por la misma razón, el ala no puede utilizar todo su potencial de sustentación porque el canard tiene que entrar en pérdida primero.
• Dado que la envergadura del canard es más pequeña que la del ala, la estela del canard golpeará el ala y alterará la distribución de sustentación en ese lugar.
• Para la estabilidad direccional todavía se necesita una cola, aunque solo se usa para superficies verticales. Alternativamente, el ala canard se puede barrer y se pueden usar winglets para la estabilidad direccional, pero agregar barrido reducirá la eficiencia del ala.

Todo esto pone al bulo en clara desventaja. Funciona, pero tiene un precio.

¿Por qué no hay alas voladoras?

• Las alas voladoras tienen amortiguación de paso bajo y un rango de centro de gravedad muy limitado.
• A menudo no pueden tener flaps de borde de fuga para sustentación adicional durante el vuelo lento, por lo que sus velocidades de despegue y aterrizaje son más altas que las de un avión con cola comparable. O la carga alar tiene que hacerse más baja, lo que duele a alta velocidad.
• A pesar de que un buen diseño de ala voladora tiene alas en flecha, no se adaptan bien a altas velocidades transónicas. Las superficies aerodinámicas de sus alas no pueden tener carga trasera, por lo que el número de Mach crítico con el mismo coeficiente de sustentación es mucho más bajo que para las configuraciones convencionales.

El diseño canard tiene serias limitaciones que la cola no tiene. El más grande es obtener la respuesta deseable de tono frente a velocidad para brindar una buena estabilidad de tono, con las características adecuadas de búsqueda de velocidad sin palos, mientras se tiene la autoridad adecuada a baja velocidad.

Con la cola en la parte trasera en la configuración del avión como un balancín, es fácil obtener las respuestas adecuadas (acelerar, cabecear, desacelerar, cabecear, etc.).

Con una superficie de sustentación en la parte delantera (configuración de avión como una mesa), la respuesta de cabeceo requerida a la velocidad se obtiene mediante el uso de un perfil canard con una pendiente de sustentación más pronunciada que el ala principal, de modo que cuando acelera, el el avión cabecea y viceversa. Con una cola regular, el perfil aerodinámico puede ser una lámina de madera contrachapada y todavía funciona bien.

Los diseños de Rutan utilizaron desde el principio un perfil aerodinámico canard desarrollado por la Universidad de Glasgow que tenía la característica de pendiente de elevación requerida. Desafortunadamente, este perfil aerodinámico era muy sensible a la perturbación laminar y volar bajo la lluvia podía tener un gran efecto en el ajuste (se inclinaban bajo la lluvia, no fuera de control, pero lo suficiente como para ser un problema). Una solución curita para esto fue agregar Vortex Generators al bulo. Más tarde se desarrolló un nuevo perfil aerodinámico que no tenía sensibilidad a la lluvia.

Casi todos los beneficios teóricos del bulo se anularon en el mundo real, que es la verdadera razón por la que la configuración es rara. No se trata de una conspiración contra los bulos; simplemente no funcionan tan bien en el equilibrio de compromisos que hace un avión.

Sí, no pueden entrar en pérdida/girar, pero también puedes hacer que un avión normal lo haga (Ercoupe). El VariEZe/Long-EZ tiene altas velocidades de despegue y aterrizaje y sí, no puede girar, pero si lo deja después de una falla en el motor, es probable que se lastime de todos modos.

Rutan desarrolló un planeador llamado Solitaire que usaba una superficie canard. Uno pensaría que eso optimizaría las ventajas del canard para hacer el planeador perfecto. No tuvo éxito porque desarrolló altas tasas de descenso a la velocidad de giro térmico (normalmente se gira justo por encima de la pérdida, a la velocidad mínima de descenso). Es un tipo brillante, pero todos los diseños de Rutan son construidos en casa o aviones especiales en los que se puede vivir con las limitaciones.

¿Qué pasa con la producción en masa? Bueno, tienes el Beech Starship. Una catástrofe para Beechcraft, que casi los lleva a la bancarrota. El único lugar en el que se ven canards en el mundo de la producción es como superficies complementarias a la superficie estabilizadora principal, la cola horizontal.

Los Wright pusieron una superficie de elevación en la parte delantera porque parecía lo más lógico en ese momento. La superficie se movió hacia atrás con bastante rapidez a medida que avanzaban los aviones.

Los Wright originalmente adoptaron el bulo para hacer que el avión fuera inestable, con la creencia errónea de que un avión estable respondería con lentitud a los controles. El primer avión que voló en Europa, el Santos-Dumont 14bis, fue un bulo que logró tener el mismo problema que los Wright adoptaron para evitar. Unos años más tarde, Horatio Barber en el Reino Unido produjo un avión canard estable y volable, el Valkyre. Resultó tener características de estancamiento más seguras que sus contemporáneos. Paralelamente y también en el Reino Unido, JW Dunne desarrolló el ala en flecha sin cola, también por su estabilidad y propiedades seguras de pérdida. Mientras tanto, otros en Francia, EE. UU. y el Reino Unido, incluidos los Wright, desarrollaron tipos de Wright con cola y bulo antes de abandonar el bulo. Tanto el canard como el sin cola resultaron demasiado difíciles de acertar, mientras que el plano de cola era mucho más tolerante con el mal diseño y más fácil de adaptar a las circunstancias. Los franceses lideraron la moda emergente, pero habría importado poco quién lo hiciera, y cuando Bleriot voló por el Canal de la Mancha, el plano de cola ya se estaba convirtiendo en convencional en las tres principales naciones aeronáuticas.

Eventualmente, los otros tipos encontrarían nichos adecuados, algunos bastante importantes, pero la historia general solo podría haber ido en una dirección.

Diferentes aplicaciones tienen diferentes óptimos, en aviación como en la mayoría de las otras cosas. Si está maximizando una combinación de rendimiento general, visión delantera del piloto (en el aterrizaje con el morro hacia arriba y la actitud de rodaje de un diseño de tren convencional, que era casi todo lo que había antes de 1930) y el costo/peso de la construcción, es bastante fácil. ver que obtienes más o menos los diseños que teníamos entonces, que conducen a los diseños que tenemos ahora.

Dicho esto, si algo se hubiera inventado antes o después de lo que fue, podría haber cambiado el resultado final cincuenta o setenta y cinco años después. Si el equipo de triciclo se hubiera vuelto popular antes de que los portaaviones ganaran el teatro de combate naval del Pacífico, podríamos haber visto diseños en servicio en 1945 que fueron abandonados en nuestra historia: aviones como el Curtis XP-55 Ascender, por ejemplo, o el similar. Diseños alemanes y japoneses que nunca entraron en servicio, a pesar de la promesa de un mejor rendimiento y características de vuelo que el motor del tractor, diseños de diseño convencionales que los precedieron.

Otros factores podrían haber dado lugar fácilmente a que los aviones sin cola pasaran a primer plano (como el caza a reacción Cutlass de la década de 1950 o el bombardero YB-49): tanto esos como los canards pueden hacerse lo suficientemente estables y dar suficiente rendimiento para una tarea determinada. en general, pero la industria tiene mucha más experiencia con diseños conversacionales que tanto los diseñadores como los clientes se sienten más cómodos con el elevador en la parte trasera y la hélice en el frente, y no importa qué tan bien vuelen los diseños extraños de Rutan.

En cuanto al estabilizador horizontal montado en la parte trasera, el rastro inexorable de la naturaleza y el error durante un tiempo ilimitado han dado la respuesta. Los canards funcionan muy bien con deltas, pero los deltas no son tan eficientes como las alas rectas en el importante análisis de sustentación/resistencia. Las aves tienen más de 100 millones de años de historia. Los suyos están detrás del ala.

Pero para los objetos voladores humanos, las flechas han existido por mucho más tiempo y, de hecho, forman parte de la comprensión del vuelo. Los arqueros pueden mantener una potencia de golpe considerable a larga distancia colocando el centro de gravedad hacia adelante para que la flecha se incline hacia abajo para mantener la velocidad, como un avión. El plano de cola montado en la parte trasera también ayuda a inclinar el morro hacia abajo cuando el avión se hunde. Ambos factores ayudan a recuperar la velocidad aerodinámica y el ángulo de ataque adecuado en caso de pérdida.

Los estabilizadores verticales tienen más posibilidades y se pueden montar tanto en las puntas de las alas como en la parte trasera del fuselaje. Pero con las computadoras de ajuste a bordo activas, nos volvemos más como pájaros, controlando finamente nuestras superficies aerodinámicas. Esto ayudará a eliminar la necesidad de pesados ​​estabilizadores que producen arrastre y conducirá a una mayor eficiencia de combustible.

Aviones que "comen como un pájaro".

Eso por sí solo parece implicar que el plano de cola es la opción superior a cualquier otro diseño, pero ¿realmente lo es? ¿O fue solo un caso de inercia tecnológica y económica?

Un poco de ambos. Y además de las características tecnológicas discutidas en otras respuestas, uno no debe olvidarse de la historia aquí. El plano de cola/motor delantero tiene sus desventajas, pero al mismo tiempo una increíble ventaja de desarrollo debido a la Segunda Guerra Mundial. Los aviones de configuración estándar permiten configuraciones muy ágiles, algo de lo que dependen los luchadores. Y aunque se probaron muchas otras configuraciones durante la guerra, se prestó más atención a las estándar. Como resultado, el conocimiento para su construcción se generalizó después de la guerra y se utilizó para desarrollos civiles.

Es un poco como la pregunta de por qué el automóvil eléctrico que alguna vez fue líder fue eliminado por los automóviles de gasolina; nuevamente, la Primera Guerra Mundial desempeñó un papel importante. Si bien cargar baterías no es una molestia en un entorno civil desarrollado, se vuelve casi imposible en condiciones de guerra: aquí la gasolina tiene una ventaja logística increíble, ya que mover unos cuantos barriles de gasolina es fácil de hacer, en contraste con la instalación de generadores de energía para cargar baterías. .

No siempre es la guerra, ya que la escala económica también funciona, como por qué nuestras computadoras modernas casi todas se vuelven a ensamblar en el núcleo de construcciones simplificadas de mini computadoras, y ahora se agregan grandes esfuerzos para 'dessimplificarlas' nuevamente.

Para volar, un ala debe mantener su ángulo de ataque dentro de cierto rango. Si el AOA es demasiado bajo, el ala no produce sustentación. Si el AOA es demasiado alto, el aire que se mueve por encima no puede seguir el contorno del ala, se separa y provoca una reducción de la sustentación (pérdida aerodinámica). Los diseños que emplean estabilidad pasiva para mantener un AOA adecuado harán que la aeronave vuele con mayor seguridad porque no requieren que el piloto esté monitoreando activamente el AOA y haciendo correcciones constantes. La configuración del plano de cola coloca el centro de masa de la aeronave por delante del centro de sustentación del ala, con el plano de cola creando una fuerza descendente de contrapeso. A medida que aumenta la velocidad aerodinámica, aumenta la sustentación y también lo hace la carga aerodinámica en el plano de cola, lo que hace que la aeronave se incline hacia arriba y disminuya la velocidad. A medida que disminuye la velocidad aerodinámica, disminuye la sustentación, y también lo hace la carga aerodinámica del plano de cola, haciendo que la aeronave se incline hacia abajo y acelere. De manera similar, si una perturbación levanta el morro, aumentando su ángulo de ataque, reduce la carga aerodinámica en el plano de cola, restaurando la actitud de cabeceo; si una perturbación inclina el morro hacia abajo, esto aumenta la carga aerodinámica en el plano de cola, restaurando nuevamente la actitud. La configuración del plano de cola es, por lo tanto, naturalmente (pasivamente) estable en el tono, lo que favorece en gran medida su uso.

Un inconveniente de la configuración del plano de cola es que el plano de cola se opone a parte de la sustentación del ala, lo que hace que sea menos eficiente energéticamente que otras configuraciones como el canard. Una configuración canard también se puede diseñar con estabilidad pasiva, pero es más difícil hacerlo bien, especialmente cuando se trata de cosas como la recuperación de pérdida.