¿Hay casos en los que un doble estabilizador horizontal es útil?

El principal propósito aerodinámico de la puñalada horizontal (o ciertos canards ) es proporcionar estabilidad longitudinal .

Si el alerón trasero con el motor 5 y 6 vuela "hacia arriba", como el alerón principal, contrarrestará la estabilidad longitudinal del estabilizador horizontal. Si el alerón trasero vuela hacia abajo, como el h-stab, entonces es simplemente extraño, ya que el h-stab se puede hacer tan grande como sea necesario.

Si todo lo que desea hacer es agregar motores adicionales, se pueden montar en el ala principal, como en el bombardero B-52 de ocho motores:

o el jet de carga de seis motores Antonov An-225:

@rbp tiene una buena respuesta. Me gustaría agregarle algo.

Para la mayoría de las aeronaves, la puñalada horizontal proporciona estabilidad y resistencia, pero relativamente poca sustentación. El ala proporciona el 100% de la sustentación y todo lo demás proporciona estabilidad. Y, por supuesto, todo en el flujo de aire (aparte de los motores, que proporcionan empuje) proporciona resistencia.

Compare eso con un canard, que proporciona estabilidad y sustentación (y algo de arrastre, coincidente con la sustentación). El canard generalmente proporciona del 10 al 20% de la sustentación, y el ala principal proporciona el resto. Al colocar el canard al frente y diseñarlo para que entre en pérdida antes que el ala principal, el canard no podrá levantar la nariz lo suficiente como para causar que el ala principal entre en pérdida. No es 100% seguro; todavía hay casos en los que un avión canard puede entrar en pérdida, pero son realmente oscuros. Dick Rutan, quien se desempeñó como piloto de pruebas para los diseños de aviones basados ​​​​en canard de Burt Rutan, bromeó una vez que podría tomar uno de los aviones de Burt y tratar como un loco para que se detenga, pero "no me divierte; todo lo que obtuve fue ejercicio".

A fines de la década de 1980, Airbus comenzó a diseñar el plano de cola para proporcionar una sustentación significativa. Después del despegue, desplazan parte del peso hacia atrás (generalmente moviendo el combustible) y lo aprovechan. Airbus ha estado utilizando esto durante más de una década para lograr una mayor eficiencia de combustible de sus aviones. Con controles de vuelo fly-by-wire mejorados, han llegado al punto en que no tienen que esperar hasta después del despegue. El C-17 también utiliza esta idea (incluido el fly-by-wire). Pero tengo entendido que el plano de cola proporciona no más del 10% de la sustentación del ala principal.

Para el avión ficticio, querían que el avión pudiera flotar. Entonces tienen motores principales que pueden pivotar hacia abajo. Sin embargo, cuando está en un vuelo estacionario, necesita algo de elevación hacia adelante y hacia atrás del centro de gravedad (CG) para proporcionar estabilidad y traslación hacia adelante y hacia atrás. Poner motores en la cola proporciona eso. Hacer que el plano de cola sea un ala de 1/2 envergadura, con la cantidad adecuada de sustentación, garantiza que el plano de cola proporcionará aproximadamente 1/3 de la sustentación total. Lo que significa que, cuando los motores giran hacia abajo para flotar, el ala proporciona 2/3 de la sustentación total y el plano de cola proporciona 1/3. De esta manera, el avión se equilibra en vuelo normal y en vuelo estacionario.

Me hubiera gustado ver un avión grande con el ala principal detrás de CG y canards, con motores en los canards (o tal vez montados en el fuselaje, cerca de los canards). Pero se fueron con un look más "familiar"; no hay aviones de carga pesada con bulos como los que estoy describiendo. Tanto el Tu-144 como el Valkyrie tienen canards, pero no tan grandes.

Un F-35 tiene la cola del motor girando hacia abajo, detrás del CG, y tiene un "ventilador de elevación" adelante del CG. Un Harrier tiene un total de 4 columnas descendentes de aire que salen del motor cuando se cierne, dos adelante del CG, dos atrás.

¿Tienen una superarma nefasta en la parte trasera del fuselaje? Eso podría requerir la sustentación adicional y, lo que es más importante, el desplazamiento de esa sustentación más hacia atrás para mantener el centro de sustentación cerca del centro de gravedad. Eso también explicaría los motores adicionales, ya que se necesita potencia adicional.

También necesita motores adicionales para mantener la apariencia de equilibrio al realizar maniobras VTOL (aunque esto sugeriría nuevamente que el peso se ha desplazado hacia atrás en gran medida detrás del ala "normal")

Sin embargo, en general, es un mal diseño que no sería la forma ideal de manejar ninguna de esas cosas, es principalmente para el factor genial.

El estabilizador horizontal doble se ha introducido recientemente también en el mundo de los helicópteros con el H160, pero por una razón ligeramente diferente.

Estabilizador horizontal en el H160. Fuente https://en.m.wikipedia.org/wiki/Airbus_Helicopters_H160#/media/File%3AH160_Tail.JPG

El estabilizador horizontal en helicópteros proporciona principalmente estabilización de cabeceo como en un avión convencional, además de alguna otra función útil como, por ejemplo, limitar la actitud de cabeceo del fuselaje en vuelo hacia adelante, dando menos resistencia.

La posición estándar del estabilizador horizontal es en el extremo más alejado del brazo de cola ya que esta posición maximiza sus características estructurales y aerodinámicas; de todos modos también tiene algún inconveniente. En vuelo estacionario, la estela del rotor principal no llega al estabilizador ya que se contrae y se mueve hacia abajo:

Estela del rotor principal en vuelo estacionario. El estabilizador horizontal estaría en el extremo derecho del brazo de cola, justo antes del rotor de cola y fuera de la estela.

Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de avance, la estela se sesga cada vez más hacia atrás y, a cierta velocidad, choca contra el estabilizador horizontal:

Estela del rotor principal en vuelo hacia delante. Ambas imágenes de esta presentación que, a su vez, utiliza imágenes de JG Leishman, Principios de aerodinámica de helicópteros.

En ese punto, el estabilizador, que ya está generando una elevación estabilizadora hacia abajo, genera una descarga aún mayor que hace que el fuselaje se levante más o menos repentinamente. Lo contrario es cierto cuando el helicóptero reduce la velocidad y el estabilizador sale de la estela. Este fenómeno se llama... bueno, pitch-up.

Entonces, un estabilizador horizontal debe tener:

1. una gran superficie para generar suficiente sustentación para estabilizar el helicóptero, pero
2. una superficie pequeña (idealmente cero) también para minimizar el cabeceo.

Una solución inteligente a esta contradicción viene de notar que:

1. la sustentación estabilizadora es proporcional a la velocidad de vuelo (principalmente horizontal) mientras que
2. la fuerza de cabeceo es proporcional a la estela del rotor principal (principalmente vertical).

Dividir la superficie del estabilizador en una configuración de biplano resuelve esta contradicción: la fuerza estabilizadora en cabeceo no cambia ya que la sustentación estabilizadora total es la misma, pero la estela del rotor ahora ve solo la mitad superior del estabilizador ya que la mitad inferior está a la sombra del uno superior Inteligente de hecho.

Para agregar a las respuestas de @ Meower68 y @ rbp, la configuración de la nave es básicamente un ala convencional con una cola de biplano. Tales colas datan de los días pioneros de la aviación. La variante exacta aquí es un seqsuiplano invertido en voladizo; desde entonces, tanto los biplanos voladizos como los sesquiplanos invertidos han volado con éxito.

Otro concepto que data de esos días es la cola de elevación. Siempre que no trabaje tan duro como para desestabilizar el avión, una cola levantada puede descargar el ala de manera útil. Un estabilizador inferior de elevación sin duda habría sido útil en el diseño ficticio para soportar el peso de los motores adicionales sin alterar el ajuste.

Alguien dijo que los motores avanzan cuando pivotan al modo vertical. De hecho, también serían necesarios motores adicionales en una ubicación en popa para mantener el ajuste.

En general, el diseño es una locura, pero no un ladrido.

Mi único pensamiento es que si ese alerón trasero realmente genera mucha sustentación, y si el frente es más bulboso (y por lo tanto más pesado), ese avión simplemente se inclinará hacia adelante en vuelo (si es que alguna vez despegó) y ir cola sobre la cabeza hasta que se estrelle.

Básicamente, el centro de sustentación (entre las dos alas) estará muy por detrás del centro de masa (muy por delante de las alas), y eso generalmente no termina bien.

Un estabilizador horizontal doble ha sido útil durante los primeros días de la aviación, por razones estructurales con respecto a los bombarderos pesados.

Aviones como Vickers Vimy o Handley Page Type O , tenían un estabilizador horizontal biplano aproximadamente del tamaño de un caza Nieuport 11 , y usaban los mismos principios de construcción que otras alas aerodinámicas delgadas de esa época, que es una estructura de armadura rígida y liviana.

Un elevador de biplano fue útil para mejorar el arco de tiro de un artillero, donde el artillero se encuentra cerca del ala, como con el Hannover CL.II, III y IV, pero era una solución muy rara, e incluso en su CL .V lo abandonaron. En un avión de transporte, podría resultar en menos colisiones entre los vehículos terrestres y la cola, pero no ofrece ventajas estructurales o de vuelo.

En cualquier caso, daría como resultado más resistencia y peso y menos eficiencia aerodinámica. Cada vez que un perfil aerodinámico se superpone a otro, el área de baja presión de arriba y el área de alta presión de abajo interfieren, lo que reduce drásticamente la sustentación y al mismo tiempo aumenta la resistencia. Escalonarlos no ayuda mucho, y el espacio necesario para reducir esto debe ser enorme en comparación con la cuerda de los perfiles aerodinámicos. Peor aún, también agrega dos puntas extra, donde se generan vórtices cuando el aire de alta y baja presión se derrama por los extremos, y se mezcla, de ahí que en muchos casos se coloquen los timones para actuar y las placas de los extremos.