¿Por qué la estabilidad direccional disminuye a velocidades supersónicas?

A medida que un avión acelera a través de la región transónica desde un flujo subsónico total hasta un flujo supersónico total, su estabilidad direccional o de guiñada disminuye. ¿Qué provoca esta reducción?

Respuestas (2)

Es una combinación de varios efectos:

  1. Aeroelasticidad: con las fuerzas más altas a alta velocidad, la estructura se deforma de tal manera que se reduce el ángulo de flujo efectivo en la superficie de la cola.
  2. La pendiente de la curva de sustentación supersónica de la superficie de la cola disminuye con Mach mientras que la del fuselaje permanece más o menos constante, por lo que con un Mach más alto, la contribución de la cola a la estabilidad se reduce mientras que la contribución desestabilizadora del fuselaje permanece igual.
  3. Ubicación de la cola: a velocidad supersónica, la densidad del aire en la parte superior del fuselaje se reduce mientras que en la parte inferior aumenta. Dado que la vertical se encuentra en la parte superior del fuselaje, vuela en aire enrarecido. Las aletas ventrales, por otro lado, se vuelven más efectivas.

La pendiente de la curva de elevación supersónica es de aproximadamente

C L α = 4 METRO a 2 − 1 ⋅ ( 1 − λ 2 ⋅ A R ⋅ METRO a 2 − 1 )
Tenga en cuenta que el segundo término es para la influencia de la superficie triangular en la punta donde se reduce la diferencia de presión. Sin embargo, muestra que la pendiente de la curva de sustentación de la vertical disminuye al aumentar el número de Mach.

Para el fuselaje, la pendiente de la curva de sustentación es la de un cuerpo esbelto:

C L α = π ⋅ A R 2
Tenga en cuenta que esta ecuación es independiente de Mach, por lo que la contribución del fuselaje desestabilizador se mantiene constante en Mach.

Para conocer la influencia beneficiosa de las aletas ventrales, consulte el siguiente diagrama publicado por Lockheed en The F-104 Strafighter Test Pilot's Notebook de Glenn L. Reaves ( fuente ):

Contribución de la aleta ventral del F-104 a la estabilidad direccional

Gracias. Eso parece aclararlo muy bien.
mientras que la contribución desestabilizadora del fuselaje se mantiene igual ¿ por qué se mantiene igual ? ¿No avanza el centro de presión?
@Abdullah: El fuselaje se comporta como un cuerpo delgado, su centro de presión ya está cerca de la punta y las fuerzas sobre él no cambian mucho con el número de Mach.
¿Estás diciendo sub vs supersónico o supersónico vs más supersónico? Quiero decir, a velocidades subsónicas, tenemos efectos de viscosidad que simplemente no funcionan tanto a Mach>1
Supongo que la sensibilidad a la aeroelasticidad debe variar mucho según las ubicaciones relativas de los motores y las aletas de cola. Por ejemplo, si la cola estuviera rígidamente montada sobre un solo motor, la línea de empuje tendería a moverse con ella.
@GuyInchbald: Gran parte del empuje supersónico se crea en la entrada. Sí, la flexión del fuselaje también doblará el empuje de la boquilla, pero en la aleta debe agregar el efecto de torsión. El uso de superficies aerodinámicas supersónicas delgadas le dará una rigidez torsional relativamente pequeña. En total, el efecto desestabilizador del empuje de la tobera se suma a la pérdida de estabilidad direccional que sufre la cola elástica, pero no mucho.
Sí, de hecho. Sin embargo, seguirá siendo sensible al diseño mecánico.
"A velocidad supersónica, la densidad del aire en la parte superior del fuselaje se reduce mientras que en la parte inferior aumenta". ¿Porqué es eso?
@JZYL Debido a la compresibilidad y el deseo de volar en un ángulo de ataque para crear suficiente sustentación. El aire en la parte superior es más delgado que el aire en la parte inferior de las alas y el fuselaje. Y esto empeora con números de Mach más altos. Recuerde que a velocidad subsónica es la presión la que más cambia, mientras que a velocidad supersónica los cambios de densidad se vuelven dominantes.

Porque:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Aquí se ve un fuselaje visto desde arriba. La línea horizontal en el extremo derecho de la elipse es la aleta caudal. En la parte superior hay un avión subsónico y en la parte inferior uno supersónico. Las líneas delgadas son presión, las gruesas son fuerzas y las flechas muestran la dirección y magnitud del flujo.

Como puede ver, a velocidades subsónicas la succión es más dominante, por lo tanto, la cola, donde ocurre más succión, produce más fuerza lateral, estabilizando el avión.

EDITAR: Sin embargo, este efecto no es tan significativo.

El siguiente diagrama muestra el cono de cola del mismo avión.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Como puede ver, lo mismo sucede con la aleta caudal. Pero el efecto de este movimiento del centro de presión no puede ser tan significativo. Sin embargo, la mitad trasera del estabilizador se vuelve menos efectiva a velocidad supersónica debido a que está en la "estela" de baja presión de lo que sea que esté adelante (el fuselaje, como dijo Peter, o incluso la sección frontal de la aleta misma) como son las estelas. más definida a estas altas velocidades.

El X-15 tenía una aleta trasera en forma de cuña debido a esto.

Entonces, si la presión lateral aumenta tanto en la nariz, ¿por qué no aumenta también en una proporción similar en la aleta caudal?
Déjame añadir otro diagrama.
@GuyInchbald, ¿por qué no aumenta también en una proporción similar en la aleta caudal? Te falta un punto. El efecto desestabilizador de la presión sobre el cono de morro aumenta mientras que el efecto estabilizador de la presión sobre el cono de cola disminuye.
¡Claro que me falta algo, por eso pregunto! Gracias de todos modos, pero encuentro que el análisis de Peter es más convincente.
@GuyInchbald Está bien, incluso yo lo voté. Solo estaba aclarando mi respuesta porque la malinterpretaste.
¿Hice? Prefiero pensar que debes haberme malinterpretado para concluir que estaba interpretando algo. Pero tú y yo hemos estado aquí antes, deberíamos dejarlo pasar.
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