¿Por qué los aviones no tienen timones en los alerones?

El propósito del timón es controlar el rumbo de la aeronave. Gira la aeronave creando un momento aerodinámico sobre el eje vertical de la aeronave. El momento es producto de la fuerza aerodinámica y el brazo.

_{imagen: NASA}

La fuerza aerodinámica es la fuerza lateral sobre el timón, el brazo es la distancia entre el timón y el centro de gravedad de la aeronave.

Si el timón estuviera en los alerones, la fuerza lateral del timón actuaría a una corta distancia detrás del centro de gravedad, reduciendo mucho la efectividad.

Sería posible tener frenos de aire en las puntas de las alas y usar frenos diferenciales para crear el momento de rotación. Esto se hace, por ejemplo, en el B2 que no tiene un estabilizador vertical. La complejidad añadida y el aumento de peso lo convierten en una opción poco atractiva para los aviones convencionales.

Respuesta corta:

• Las colas verticales crean más momento de guiñada por unidad de arrastre.
• Las colas verticales crean un momento de balanceo menos adverso para un momento de guiñada dado.

El timón funciona creando una fuerza lateral, al igual que un ala crea sustentación. Esto incurre en una pequeña cantidad de arrastre (alrededor de una décima parte de la fuerza lateral).

Incluso en un ala en flecha, su brazo de palanca en dirección longitudinal es pequeño en comparación con la envergadura. Si las aletas se usaran como timones, serían más eficientes como dispositivos de arrastre, porque entonces su fuerza actuaría sobre una palanca más larga. Esto se ha hecho en alas voladoras (tenga en cuenta que el planeador sin cola SB-13 tiene una desviación máxima del timón de 70 ° para crear resistencia).

SB-13 en vuelo ( fuente de la imagen )

Esto hace que el uso de un timón sea mucho más eficiente para crear un momento de guiñada que el uso de winglets.

La desviación de los timones de los alerones también cambiará la distribución de sustentación en el ala, por lo que no solo crean un momento de guiñada, sino también un momento de balanceo. Las colas verticales que están muy por encima del eje de balanceo también agregan un momento de balanceo, pero esto es comparativamente pequeño al momento de balanceo de un winglet con timón en un ala de alta relación de aspecto. En ambos casos, el momento de balanceo actúa en contra de la dirección de balanceo deseada, por lo que es preferible nuevamente crear el momento de guiñada con la cola vertical.

Es posible, pero no tan útil.

controlabilidad

Para maximizar el momento incluido por el timón (o mantener el timón lo más pequeño posible para proporcionar este momento), debe colocar el timón lo más lejos posible (en sentido longitudinal) del centro de gravedad. Esto aumenta el momento inducido y, por lo tanto, la eficacia del timón. En un avión comercial normal, tendrás un tubo con alas en el medio y, por lo tanto, la parte más trasera para colocar el timón está al final del tubo. En el avión de la imagen, la parte más atrasada es la punta del ala, por lo que tiene sentido colocar el timón allí.

Razones estructurales

Si coloca el timón al final, esto significará que habrá fuerzas sustanciales inducidas en la punta del ala si usa el timón. Esto significa que se agregará un momento de flexión sustancial al ala, lo que la hará mucho más pesada. Esto se analiza con más detalle en Winglet vs extensión de tramo

Las respuestas existentes pasan por alto lo que parece ser una respuesta bastante obvia: los winglets son una ocurrencia tardía, añadida a diseños existentes y probados (por ejemplo, 737) para mejorar la economía de combustible. Ponerles timones requeriría tender cables de control, tal vez fortalecer la estructura del ala, etc., en lugar de simplemente atornillar nuevas puntas.

Tal vez podría diseñar un nuevo avión comercial desde cero para hacer esto, pero nuevamente, ¿por qué abandonar un diseño básico probado a menos que se obtengan grandes ganancias?