¿Por qué los aviones comerciales no usan superficies de cola totalmente móviles como mi avión RC? [duplicar]

Lo que es mejor y más fácil para los modelos a pequeña escala no es necesariamente mejor para los aviones más grandes.

Primero, no se puede decir que la parte fija "no hace nada". La cola es principalmente un estabilizador; sin él, un avión normal no volará en absoluto. Solo así es una superficie de control, lo que permite que vuele bien y como tú quieras.

En consecuencia, el tamaño de la cola se debe principalmente a consideraciones de estabilidad. Para el control, necesita una cierta cantidad y no mucho más. Si tiene una cola que se mueve todo, es posible que necesite moverla muy levemente, o de lo contrario el control se volverá demasiado sensible. Esto no es necesariamente más fácil de hacer.

Desde el punto de vista del diseño, la cola en movimiento requiere que todo el estabilizador esté unido a un solo eje. En un pequeño avión RC puedes permitirte hacerlo con un simple cable. En un avión grande, esto se traduce en algo más grande que la tubería de suministro de agua de un suburbio: los estabilizadores de aviones como el A380 o el An-124 son más grandes que las alas de algunos aviones comerciales. Además del problema de la escala, esto lo convierte en un punto único de falla, lo que lo hace aún más pesado para ser confiable.

Otro problema de diseño es el buen acoplamiento aerodinámico entre la cola móvil y el fuselaje. A menudo, los diseñadores tienen que inventar algo como esto (A330):

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En general, suele ser más fácil y liviano hacer una cola convencional y colocarle un elevador (y un timón).

Sin embargo, bastantes aviones tienen un estabilizador en movimiento. Hay varias razones diferentes para esto.

1. Para adaptarse a una amplia gama de ubicaciones del centro de gravedad (CG), es decir, distribución de la carga y/o diferentes configuraciones aerodinámicas (por ejemplo, flaps). Esto requiere una gran cantidad de control. Pero este control suele ser 'lento': la carga o configuración no cambia en fracciones de segundo. Entonces, la cola se divide entre la parte lenta que se mueve por completo y proporciona el llamado ajuste y el elevador convencional rápido. La mayoría de los aviones comerciales tienen ese arreglo, como el A330 de la imagen de arriba. Pero los más grandes, los An-124 y -225, no lo usan: demasiado fuerte. Confían completamente en el ascensor.

   Rara vez existe tal demanda de cola vertical: los aviones son más o menos simétricos, por lo que rara vez encontrará un estabilizador vertical en movimiento como este.

2. Proporcionar un equilibrio de carga más fácil para aviones pequeños con control reversible , es decir, aquellos en los que las superficies de control se mueven por la fuerza muscular del piloto. Si construye un elevador con bisagras normales, puede ser bastante difícil moverlo a alta velocidad. Se utilizan varios trucos para que la fuerza sea cómoda (que debe ser 'justa', ni demasiado ni demasiado pequeña). Pero una de las soluciones sencillas es hacer que toda la cola se mueva alrededor de un eje cuidadosamente elegido. Para aeronaves GA más pequeñas, el problema de la escala aún no es tan grave, por lo que muchos diseños utilizan este enfoque, por ejemplo, Piper PA28

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   (Lo que ve en el borde de salida no es un elevador tradicional, es la pestaña anti-servo que proporciona la fuerza 'justa').

3. Eficiencia de control de ascensor normal. A veces, los aviones solo necesitan más control del que puede proporcionar la cola de tamaño normal. Esto se aplica principalmente a los aviones supersónicos ágiles. Hay varias razones para ello:

   • Las maniobras ágiles obviamente necesitan más control;
   • A velocidades supersónicas, la estabilidad de cabeceo (y por lo tanto el esfuerzo de control) aumenta significativamente;
   • Cae la eficiencia de los ascensores. La cuestión es que, a velocidades subsónicas, el elevador normal redistribuye el flujo de aire sobre la cola de manera que se ve afectado más aire de lo que supone solo el área del elevador. la relacion es$\sqrt \frac{S_{elevator}}{S_{tail}}$, por lo que si tiene ascensor ocupando la mitad de la cola, su eficiencia no será sólo$0.5$, pero$\sqrt 0.5 \approx 0.7$en comparación con el estabilizador en movimiento desviado al mismo ángulo. Pero a velocidades supersónicas esto no se aplica, y la relación es simplemente lineal. Entonces, las superficies en movimiento tienen más sentido. De vez en cuando, incluso puede encontrar una cola vertical que se mueve todo, como en Tu-160 (tenga en cuenta que también tiene una cola horizontal que se mueve todo):

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Para un pequeño avión RC que viaja a baja velocidad, su diseño funcionaría muy bien. Sin embargo, este tipo de diseños tienen limitaciones estructurales. Para una configuración de estabilizador vertical y horizontal totalmente móvil, todas las fuerzas ejercidas sobre las superficies de control se transferirían a un cojinete móvil. Este sería un punto único de falla si el rodamiento fallara. Normalmente, el estabilizador vertical o el estabilizador horizontal usarían varios pernos para sujetarlo al fuselaje. En algunos aviones, estas superficies de control están soldadas. Esto distribuye las tensiones de manera más equitativa. Yo vuelo un Piper Cherokee con un estabilizador horizontal totalmente móvil (estabilizador) y una de nuestras comprobaciones previas es asegurarnos de que no haya cesión en el rodamiento. Si el rodamiento fuera a fallar tendríamos un mal día.

Bueno, lo hacen hasta cierto punto.

Los aviones comerciales grandes tienen rangos de CG considerablemente más grandes que sus contrapartes más pequeñas para acomodar una amplia gama de cargas, así como cambios en el Cp debido a los efectos de compresibilidad en números de Mach altos y cambios de AoA. Para adaptarse a esto, la mayoría de los aviones utilizan un plano de cola móvil completo para el ajuste de cabeceo, por lo que el piloto agrega una superficie de control de elevador adicional para la autoridad de cabeceo. Esto ofrece un compromiso entre un paso excelente y una resistencia y un peso mínimos, en lugar de accionar todo el plano de cola. Ahora, antes se han implementado planos de cola completamente móviles para el control de cabeceo, como señala Ron Beyer en el L-1011. Pero no es muy común.

Las superficies de cola fijas deben proporcionar un efecto de aleta pasiva para la estabilidad. Si tiene una cola que vuela todo, tiende a querer arrastrarse hacia el flujo de aire, por lo que necesita una de dos cosas; control hidráulico, donde la superficie de control está rígidamente posicionada por actuadores y la sensación de control es por resortes (el F-86 tenía una cola horizontal operada hidráulicamente que volaba completamente), o si no es hidráulica, la superficie necesita una pestaña anti-servo (como el C-177 y casi todas las colas de estabilizadores operados por cable que existen) para proporcionar una fuerza restauradora sensible a la velocidad que impulsa la superficie a una posición determinada, la mano lo sostiene allí y para proporcionar un gradiente de fuerza de palanca deseable (fuerza creciente con el desplazamiento de la velocidad de compensación ). La pestaña anti-servo también proporciona la función de ajuste de tono al cambiar su punto neutral cuando ajusta el ajuste,

Hay algunos planeadores que tienen todas las colas voladoras sin pestañas de servo, y estos dependen de un resorte elástico en el circuito de control del elevador para toda su estabilidad de cabeceo libre de palos. Solía ​​volar un planeador llamado LS-1 que era así, y el bungee no era particularmente rígido, y el avión tenía un cabeceo divergente si soltaba la palanca, pero estaba bien si la sujetaba.

Y un avión como el Cardinal o el Cherokee, con una cola estabilizadora operada manualmente, sería bastante difícil de controlar sin la pestaña antiservo. La barra de control de la pestaña es un elemento de inspección muy crítico en un prevuelo. La principal ventaja de las colas voladoras es una mayor autoridad de control para un área de superficie determinada (el Cardinal tiene una potencia de cola ENORME en comparación con aviones similares) y la capacidad de ajustar con precisión el gradiente de sensación de cabeceo según cómo se engrana la pestaña antiservo.

Su avión RC se sale con la suya sin pestaña anti-servo porque los servos eléctricos mantienen la superficie en una posición determinada. Básicamente lo mismo que los controles hidráulicos.

La familia Zenith de construcciones caseras utiliza un timón totalmente volador sin aleta vertical fija. Esto normalmente no funcionaría tan bien sin una aleta fija para proporcionar una fuerza de veleta pasiva, pero el Zenith se sale con la suya al tener un área de superficie vertical de fuselaje muy grande detrás de las alas. De lo contrario, tendría que tener una pestaña antiservo para el timón en ausencia de una aleta vertical.

En su mayoría se reduce a forzar el movimiento de toda la superficie de control que requeriría un punto de conexión enormemente reforzado que restaría valor a la necesidad principal de un avión comercial, que transporta carga, ya sean personas o cosas. Los aviones militares lo usan para obtener una gran ganancia en maniobrabilidad, pero la mayoría de los pasajeros se angustian un poco si su 737 se para repentinamente sobre su cola con un ligero movimiento de muñeca del piloto.