¿Los estabilizadores horizontales proporcionan algún tipo de sustentación?

¿Los estabilizadores horizontales de los aviones jumbo y más pequeños proporcionan alguna sustentación? Además de mantener el ángulo de ataque de la aeronave, ¿pueden realizar la función dual que incluye también agregar algo de sustentación? ¿Existen diseños de aeronaves que también utilicen estabilizadores horizontales para sustentación, aparte de las aeronaves de ala delta?

No sé sobre aviones de pasajeros, específicamente, pero estoy casi seguro de que lo he visto afirmar que un estabilizador puede producir sustentación a baja velocidad, particularmente con el C de G hacia atrás (pero aún dentro de los límites), pero no puedo encontrar la referencia. El contexto era con respecto a los planeadores: el autor estaba explicando que este no es el beneficio que podría parecer (y ciertamente no vale la pena aspirar a lograr una C de G en popa) porque esta sustentación tiene el costo de una mayor resistencia que si fuera fueron generados por el ala.
Esta pregunta no puede responderse sin dar lugar a un debate. Incluso si preguntas a diferentes profesores universitarios, obtienes respuestas diferentes. La mayoría de la gente piensa que el estabilizador solo crea fuerzas descendentes (como puede ver a continuación), que es lo que les han dicho una y otra vez, pero esto no lo hace más o menos correcto. Todo lo que sé es que las matemáticas también permiten que el estabilizador cree una sustentación hacia arriba con la aeronave aún siendo estable y controlable y, dependiendo de la situación del vuelo, puede tener una sustentación positiva significativa.
@sdenham: Si la sustentación es proporcional a las relaciones de aspecto respectivas, la sustentación moderada de la cola producirá la menor resistencia inducida en general. Eso es lo que buscan los buenos pilotos de parapente de competición. Sin embargo, su piloto de planeador de fin de semana común y corriente se sentirá más cómodo con una sustentación neutral o ligeramente negativa en la cola. Aquí es donde quizás hayas leído sobre la elevación de cola positiva.
@PeterKämpf Gracias por el enlace, aunque esa no es la referencia en la que estoy pensando. Creo que fue de una publicación de blog de un fabricante alemán de planeadores, o alojada por él, tal vez Glaser-Dirks, y podría haber sido un predecesor de este: dg-flugzeugbau.de/en/library/optimum-cg-sailplanes
@PeterKämpf ¿los pilotos de planeadores canard de la competencia (si es que existen) apuntarían a una sustentación positiva o neutral?
@qqjkztd: Sin duda, un impulso positivo. El planeador canard usaría un canard de alta relación de aspecto con mucha inclinación.
"¿Hay algún diseño de aeronave que también use estabilizadores horizontales para sustentación?" -- absolutamente -- vea la respuesta relacionada " Aviation.stackexchange.com/questions/22087/…

Respuestas (5)

El estabilizador horizontal proporciona sustentación, pero generalmente en dirección negativa. ¿Podría uno proporcionar elevación positiva?

La respuesta depende de la ubicación de cg.

Adelante CG, la respuesta es no.

A popa del CG, la respuesta es sí, pero solo si el CG estaba a popa del centro de sustentación.

En otras palabras, cuanto más adelante se compara el centro de gravedad con el centro de sustentación, más carga aerodinámica debe proporcionar la cola. La sustentación de la punzada horizontal en la "dirección incorrecta" debe ser contrarrestada por el ala y, por lo tanto, hay más resistencia inducida. Para un peso bruto y un empuje/potencia de aeronave dados, habrá una velocidad de crucero más alta con un centro de gravedad más hacia atrás.

Existen límites prácticos para las posiciones extremas del CG hacia adelante y hacia atrás, por lo que cada avión tiene un "envolvente" permitido para cargar por margen de seguridad.

Las aeronaves están diseñadas para tener un rango de ubicaciones de CG permitidas para facilitar la carga antes del vuelo (especialmente para aeronaves de carga), y también para permitir que los pasajeros y la tripulación se muevan por la cabina durante el vuelo.

Los estabilizadores horizontales podrían tener un tamaño más pequeño, pero eso disminuiría la flexibilidad de carga, disminuiría la comodidad de los pasajeros y disminuiría el rendimiento de manejo de la aeronave; a menudo, todas las superficies aerodinámicas y las superficies de control se diseñan teniendo en cuenta muchos factores, para una buena armonía de control, un buen andar en aire agitado, para la estabilidad en las aproximaciones por instrumentos, para cargas flexibles de varias configuraciones de pasajeros / bodegas de carga de la cubierta principal y del vientre, etc.

Los diseños de alas voladoras y alas delta vienen a la mente como aeronaves sin estabilizadores horizontales, como Northrup Spirit o Convair Delta Dart.

Su otra pregunta, ¿diseñarían los fabricantes estabilizadores horizontales para proporcionar sustentación? Con suerte, ya puede ver que este no es un objetivo de diseño. El diseño de las alas es tan avanzado que los diseñadores están creando alas asombrosamente hermosas y de alto rendimiento que son más eficientes para crear sustentación. Mire un ala Gulfstream V o un ala Boeing 747. No es eficiente crear un ala que no funcione muy bien y luego necesite una superficie adicional para ayudar a generar más sustentación. Las excepciones a eso podrían ser los biplanos o triplanos, ya que usaban varias alas más cortas en lugar de 1 ala más larga, pero eso no es práctico en el transporte aéreo. ¿Cuántos biplanos Boeing y triplanos Airbus ves viajando por el mundo? Simplemente es mejor poner toda la sustentación necesaria en un diseño de ala única.

Influencia de la posición del centro de gravedad en el rendimiento de la aeronave

"El estabilizador horizontal proporciona sustentación, pero generalmente en la dirección negativa. ¿Podría uno proporcionar sustentación positiva?" La respuesta depende principalmente de la actitud de cabeceo prevista, antes de considerar la ubicación del centro de gravedad en condiciones de vuelo recto y nivelado.
Para aumentar el cabeceo, la cola proporciona una cierta cantidad de fuerza hacia abajo (el vector de sustentación apunta hacia la Tierra). Para disminuir el cabeceo, la cola proporciona menos fuerza hacia abajo, pero sigue siendo sustentación negativa. Para una aeronave de categoría de transporte cuyos límites de factor de carga son +2,5 gy -1,0 g, casi no es necesario tener sustentación positiva proveniente de la cola.

Como regla general, si la superficie pequeña está adelante del ala principal, se levanta. Si está detrás del ala principal, se eleva hacia abajo (la mayor parte del tiempo).

Esta es una simplificación excesiva, pero es muy útil para ayudarte a imaginar lo que está pasando en tu mente.

Un avión con una cola normal es como un balancín, excepto que el pivote no es un punto sólido, sino el medio de la fuerza de sustentación generada por el ala. Un extremo del balancín tiene el centro de gravedad tratando de inclinarlo hacia adelante, como un niño sentado en el asiento, y el otro extremo es usted empujando hacia abajo para sostener al niño, o en el caso del avión, la cola horizontal empuja hacia abajo contra el momento del centro de gravedad que actúa delante del centro de sustentación, para mantenerlo en equilibrio. Si rompieras la cola horizontal, el avión apuntaría directamente al suelo, como si soltaras el asiento del balancín en tu extremo y dejaras caer al niño.

Un avión con una superficie canard en la parte delantera y un ala grande en la parte trasera se parece más a un camión volquete. Hay un eje grande en la parte trasera que soporta la mayor parte del peso y un eje pequeño en la parte delantera que soporta una minoría del peso.

Ambos ejes están aguantando, y ambas superficies del avión canard se están levantando, pero las de atrás están haciendo la mayor parte del trabajo real. El centro de gravedad está cerca del extremo con el eje grande (el ala principal), y el eje en el extremo delantero (la superficie canard) solo realiza una pequeña parte del total de sustentación (o levantamiento) porque su trabajo consiste principalmente en control (control sobre el cabeceo y la velocidad en el avión, control sobre la dirección y el frenado en el camión).

Los aviones con tres superficies, tanto la cola como la parte trasera y un canard en la parte delantera, son como un balancín pero con un pequeño palo de apoyo debajo del niño para ayudar a sostenerlo para que no tengas que empujar hacia abajo con tanta fuerza. tu final (la cola). Una especie de híbrido de balancín/camión volquete, se podría decir.

¿No es posible tener un diseño que mueva las alas un poco hacia adelante hasta el punto de que los estabilizadores horizontales no sean necesarios?
Sí, más o menos... se les llama alas voladoras y usan formas aerodinámicas especiales que son naturalmente estables en el tono al generar el "balancín" que equilibra la fuerza aerodinámica justo en el borde de fuga. Es el mismo equilibrio de fuerzas, solo que todo hecho dentro de la cuerda del ala. Dado que el acto de equilibrio del sube y baja se realiza sobre un brazo extremadamente corto: el borde de fuga está mucho más cerca del centro de sustentación que la cola hacia atrás, el rango del centro de gravedad es muy restringido y tienden a ser muy difíciles de controlar en paso. Por eso no los ves por todas partes. Buena configuración para planeadores aunque.
Una aeronave con un estabilizador horizontal convencional (de cola) está diseñada con el centro de gravedad por delante del centro de presión: una fuerza de morro hacia abajo. El estabilizador proporciona una fuerza que actúa "hacia abajo" en la cola (opuesta a la sustentación generada por el ala) para oponerse y equilibrar la fuerza de morro hacia abajo. Esto proporciona estabilidad de cabeceo: devuelve la aeronave a su cabeceo original cuando ha sido perturbado por una fuerza hacia arriba o hacia abajo como la que resultaría de una turbulencia. Sin este mecanismo de amortiguación, el avión sería sensible al cabeceo hasta el punto de no poder volar.

Cualquier diseño canard utilizará el estabilizador horizontal para la elevación.

Históricamente, los aviones de pasajeros usaban carga aerodinámica en sus colas para tener suficiente estabilidad longitudinal estática, pero los diseños más recientes usan una pequeña cantidad de sustentación en crucero y mantienen la estabilidad por medios artificiales. A veces se utiliza un tanque de cola para desplazar el centro de gravedad lo suficiente hacia atrás.

La elevación de la cola en vuelo compensado varía cuando se utiliza un perfil aerodinámico combado . Las alas que usan perfiles aerodinámicos combados generalmente darán como resultado una elevación de la cola positiva en un ángulo de ataque alto y en ubicaciones de centro de gravedad moderado a trasero. Por lo general, la carga de la cola debe ser baja para permitir suficiente margen para maniobrar.

Tenga en cuenta que la comba negativa del perfil aerodinámico en la raíz de un plano de cola ayuda a mantener las isobaras en la superficie en flecha paralelas a la raíz, por lo que esto no es una indicación inmediata de cargas de cola predominantemente negativas. La inclinación negativa del morro en la cola también ayuda a retrasar la separación del flujo en la cola con cargas negativas altas, que son necesarias para compensar la aeronave con flaps completos.

Lo contrario. Generalmente, la cola empuja hacia abajo en el avión. Mientras que las alas empujan el fuselaje hacia arriba, el estabilizador horizontal empuja la cola hacia abajo. Sí, esto aumenta la carga en las alas.

Mire de cerca el perfil aerodinámico en un estabilizador horizontal, puede ver que está invertido.

Además, si observa el rango de movimiento de los estabilizadores horizontales completamente móviles en los aviones, la gran mayoría de su rango es AoA negativo.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Fuente

Ascensor es ascensor. Actúa aproximadamente perpendicular a la cuerda de un perfil aerodinámico; a qué lado de esa línea de cuerda depende solo de la superficie aerodinámica y el ángulo de ataque. Lo que usted llama 'antiascenso' es el impulso generado por el estabilizador horizontal que actúa 'hacia abajo' (hacia la superficie inferior del fuselaje) en vuelo convencional . La sustentación no se ve afectada en absoluto por la orientación de la aeronave en relación con la gravedad.
@a.fuera bien....

Por razones de estabilidad, las colas generan una fuerza descendente.

En teoría, sería posible hacer que una puñalada horizontal genere sustentación (fuerza hacia arriba) al compensar la inestabilidad resultante con un sistema de vuelo por cable, pero el sistema de ala/cola siempre sería menos eficiente para generar sustentación que simplemente hacer que el ala principal un poco más grande.

Este es un concepto erróneo viejo y difícil de disipar. Hice que los pilotos de aviones insistieran en ello, pero sigue estando mal. La estabilidad con cargas de cola positivas es posible; todo lo que necesita es menos sustentación por área en la superficie trasera .
Estoy de acuerdo en que para la estabilidad longitudinal, el CG debe estar por delante del centro de presión CP. Pero también necesita para la estabilidad que cuando el ángulo de ataque del ala principal = 0, el momento alrededor del CG debe ser positivo. De lo contrario, tienes un dardo de césped. Para obtener esto, necesita fuerza hacia abajo en la cola cuando el ala principal está en elevación cero. Seguro que la cola generará fuerza hacia abajo en una configuración estable durante al menos algunas condiciones de vuelo. No lo he pensado más allá de eso.
Por supuesto, tienes una carga aerodinámica en la cola si el avión es estable y el ala tiene elevación cero. ¿De qué otra manera cumpliría la condición de menos sustentación por área en la cola? Pero la mayoría de las veces el ala produce una sustentación positiva considerable, para eso está diseñada. Esto también deja suficiente margen para una elevación positiva en la cola. Y si el centro de gravedad está por delante del centro de presión, el avión cabeceará hacia abajo. Ambos deben estar en la misma ubicación longitudinal para un vuelo recto.
¿Los estabilizadores horizontales proporcionan algún tipo de sustentación?
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