¿Por qué no debo usar una "cola de elevación" en mi diseño ultraligero?

Puede usar una "cola" de elevación para cualquier diseño de avión, pero dependerá del diseño. El único requisito para una aeronave en vuelo naturalmente estable es que debe tener un margen estático positivo razonablemente bueno. Y para que eso suceda, la superficie de vuelo trasera debe tener una carga alar más baja que la superficie de vuelo delantera; esto no significa necesariamente carga aerodinámica, aunque es una manera fácil de cumplir con la regla.

En un caso extremo, debe usar una "cola" de elevación o la aeronave no tendría suficiente sustentación para volar. Estos son aviones canard como el Rutan Long-EZ. Ahora, puedes argumentar que la cosa en la parte de atrás no es una cola sino un ala. Sí, si insistiera en clasificar los aviones por categorías rígidas, entonces la superficie de vuelo trasera de los aviones canard normalmente se llama "alas", pero esta mentalidad hará que uno se ciegue a lo que realmente sucede con la estabilidad del avión a medida que cambia el diseño de la forma en planta.

Colocación de CG, fuerzas en la cola y forma en planta

La ubicación correcta del CG para la estabilidad depende de varias cosas, incluida la distancia entre las alas y los estabilizadores y el perfil aerodinámico de las alas, pero el factor dominante es la relación entre el área de las alas y el área del estabilizador.

La mayoría de los aviones a gran escala, incluidos los ultraligeros, tienden a tener estabilizadores muy pequeños:

En esta configuración, el rango estable del CG suele estar entre el borde de ataque de las alas y el punto medio de la cuerda. Por lo general, esto se manifiesta en la regla general de entre el 25% y el 33% del acorde, pero para los valores reales, debe calcular el CG en función del margen estático deseado.

Notarás que la mayoría de los modelos de aviones tienden a tener estabilizadores más grandes. Esto es especialmente cierto para los modelos que no son a escala y aún más para los modelos de vuelo libre:

En esta configuración, el CG para el mismo margen estático (estabilidad) parece estar bastante atrás. En la mayoría de los casos es el 50% de la cuerda, justo cerca de la mitad de las alas. Solo aparece de esa manera en comparación con aviones a escala real o modelos a escala. Aerodinámicamente, la ubicación del CG brinda exactamente el mismo nivel de estabilidad.

Aquí es cuando algunos aviones pueden comenzar a recortarse con una cola de elevación. Algunos aviones del mundo real con grandes colas como el Avro Lancaster pueden, en algunas condiciones, volar como si la cola se estuviera levantando.

A medida que aumenta el tamaño del estabilizador, el CG para un vuelo estable se desplaza más hacia atrás:

Esto se ve comúnmente en los modelos de duración de vuelo libre. Casi todos los aviones con tal forma en planta tienen una "cola" de elevación. Es raro ver un avión real con esta forma en planta, sin embargo, hay un diseño muy famoso en el que obviamente puedes ver la cola que se levanta: el Pou-de-Ciel:

(Tenga en cuenta que el diseño original del Pou-de-Ciel tiene una falla catastrófica donde el alerón trasero interactúa con la corriente descendente del alerón delantero; las revisiones posteriores movieron el alerón varias pulgadas hacia atrás; NO CONSTRUYA ESTO a menos que conozca todos los problemas)

Si cambia aún más la relación entre las superficies de sustentación delantera y trasera, terminará con un ala en tándem. Si ha estado siguiendo la tendencia en este punto, creo que puede ver hacia dónde va esto: sí, el CG se mueve aún más atrás:

El CG típico para alas en tándem está completamente fuera de las alas delanteras y se sienta entre las alas delanteras y traseras. Recuerde, todas las formas en planta hasta ahora, incluida esta, se calcularon para tener exactamente el mismo margen estático: todas son igualmente estables.

Todos los aviones en tándem tienen superficies de vuelo delanteras y traseras configuradas para elevarse.

Los tándems son menos raros en los aviones tripulados que la configuración casi en tándem anterior. La más conocida es probablemente la hermosa Rutan Quickie:

A medida que avanzamos en cambiar la relación entre las superficies de vuelo delanteras y traseras, eventualmente terminaremos con la configuración canard:

Canards obviamente tienen una superficie de vuelo trasera de elevación. Tanto es así que la gente instintivamente se refiere a ellos como "alas". Y el CG se mueve aún más hacia atrás (en relación con la superficie de vuelo delantera, obviamente está frente a las "alas").

TL;RD

Como puede ver, el clima o no que su cola se levante o genere carga aerodinámica no es simplemente una elección que haga. En algunos casos, se verá obligado a levantar la cola. En algunos casos, dependerá de su maniobra actual. Todo depende del diseño de tu avión.

Nota al margen: ¿Por qué la mayoría de los aviones tienen estabilizadores (relativamente) pequeños?

Hay dos razones principales por las que la mayoría de los diseñadores optaron por hacer la cola pequeña:

Lo primero es reducir el peso en la cola. Cuanto más grande sea la cola, más difícil será obtener la distribución de peso adecuada para el CG correcto. Sin embargo, tenga en cuenta que esto se debe principalmente a que la mayoría de los diseñadores utilizan la sabiduría convencional porque, como vemos arriba, si hace que la cola sea lo suficientemente grande, puede mover su CG más hacia atrás para obtener exactamente la misma estabilidad.

Pero esto nos lleva a la segunda razón: reducir la resistencia. Cuanto más grande es la cola, más arrastre genera. Los tándems son el peor de los casos en los que tanto las alas como la "cola" generan la misma cantidad de resistencia inducida. Sin embargo, varios diseñadores como Burt Rutan han aprovechado las características de los aviones de ala en tándem para producir diseños muy eficientes.

Cuando quería un buen ascenso y planeo, usaba CG en popa y una cola levantada...

Todo va muy bien, hasta que te estancas y tienes que recuperarte. Los modelos generalmente tienen una relación de empuje a peso mucho más alta que los aviones recreativos a gran escala, que generalmente son 1: 4.

Con un CG en popa, la cola tenderá a "hundirse" hacia abajo a medida que disminuya la velocidad, lo que dará como resultado un ángulo de ataque más alto, produciendo un deslizamiento recto como el terciopelo hasta el punto de pérdida. Definitivamente no quieres esta escala completa.

Los modelos con cola pesada requieren menos recorte con el cambio de velocidad, pero la falta de "estabilidad estática" es peligrosa en vuelo lento. El exceso de potencia cubre una "multitud de pecados" con los modelos porque agregar aceleración puede aumentar la velocidad del aire casi instantáneamente, mientras que a escala completa pueden pasar preciosos segundos teniendo que acelerar más peso con proporcionalmente menos empuje.

Es el poder lo que permite el ascenso, no la "cola levantada". Simplemente no desea uno con una fuerza descendente excesiva, que no solo puede ser el resultado de un CG excesivamente hacia adelante, sino también un ángulo de empuje hacia abajo excesivo de una hélice montada en la nariz.

Si quiere "volver a levantar los pies del suelo", ¿por qué no volar con un instructor en un diseño seguro y probado como un Cessna 172? Tienen toda la teoría resuelta y lista, dejándote con un avión seguro y divertido para volar.

Con una cola convencional (carga aerodinámica), un centro de gravedad por delante del centro de presión haría que el morro descendiera a medida que disminuía la velocidad aerodinámica. A menor velocidad aerodinámica, menor carga aerodinámica. Este cabeceo con el morro hacia abajo aumentaría la velocidad del aire hasta que se alcance una estasis. El sistema sería estáticamente estable, disminuyendo la carga de trabajo del piloto.

Si movió el centro de gravedad más hacia atrás para levantar la cola, a medida que disminuía la velocidad, esto haría que la nariz se inclinara hacia arriba. A menor velocidad aerodinámica, menor sustentación hacia arriba. Este cabeceo con el morro hacia arriba haría que la velocidad del aire disminuyera aún más, lo que provocaría un mayor cabeceo con el morro hacia arriba. El sistema sería estáticamente inestable, aumentando la carga de trabajo del piloto.

Puede colocar el CG aproximadamente en el mismo lugar que el centro de presión. Incluso podría equilibrar el sistema para proporcionar cantidades iguales de fuerza de elevación y torsión con el centro de gravedad entre las dos superficies de elevación. Desafortunadamente, tener dos superficies de sustentación de diferentes tamaños y diseños crearía diferentes proporciones de la fuerza total de sustentación a medida que varía la velocidad aerodinámica.

Además, un CG más cercano al timón y al elevador (específicamente al timón) haría más difícil la recuperación de una entrada en pérdida y/o barrena. El brazo de momento de la fuerza correctiva sería menor.

Si desea una tasa de caída baja, asegúrese de que la resistencia inducida sea baja. Esto se puede lograr mejor con un ala ancha con una superficie de cola pequeña . Distribuir el área del ala entre dos alas por igual dará como resultado que un ala grande vuele en la corriente descendente de otra ala grande y una mayor resistencia inducida en total.

Con una envergadura de solo 25 pies y una masa total de entre 120 y 150 kg, la carga de su envergadura será de 18 kg/m (12 lbs/ft). Esto es claramente demasiado alto para térmicas débiles, por lo que se necesita más envergadura para volar. La relación de aspecto no lo es todo : el arrastre inducido está dominado por la carga de tramo, así que manténgalo bajo.

Optar por un ala voladora como primer diseño es muy ambicioso : una superficie de cola decente facilita mucho las cosas. Mantenga baja la carga de esta superficie de cola para tener suficiente margen para maniobrar. Sí, una ubicación del centro de gravedad más adelantada (= mayor carga aerodinámica de la cola) brinda una mejor resistencia al giro, pero al seleccionar un perfil aerodinámico en la punta del ala con un buen comportamiento posterior a la pérdida, puede obtener el mismo beneficio con un mejor rendimiento general.