¿Por qué no es posible ubicar el timón frente al centro de gravedad de un avión?

Efecto sobre los coeficientes aerodinámicos

Es posible ubicar una aleta vertical, así como una superficie de control, por delante del centro de gravedad.$c_{n_r}$(momento de guiñada inducido o amortiguación de guiñada) probablemente no cambiará mucho, en igualdad de condiciones.$c_{n_\beta}$(momento de guiñada inducido por deslizamiento lateral o estabilidad direccional), por otro lado, se reducirá, quizás volviéndose negativo. Por lo tanto, cualquier deslizamiento lateral dará como resultado un momento de guiñada que aumenta el deslizamiento lateral. Expresado en términos de teoría de control lineal, este será un polo en el plano de la derecha cuando graficas la solución compleja de las ecuaciones de movimiento. Es una configuración inestable.

control activo

Como mencionó Peter, es posible mantener el control en esta configuración por medio del control activo. El control activo tiende a ser algo agotador para un operador humano, si es que es posible. Por cierto, este tipo de inestabilidad existía en el eje lateral del Wright Flyer de 1903 , que estaba configurado con un bulo de proporciones considerables. Según los informes, fue bastante agotador mantenerse estable.

CP por delante de CG

Hay ventajas en tener un centro de presión por delante del centro de gravedad, siendo la principal la agilidad. Volviendo a los términos de control, cuanto más se mueven los polos hacia la derecha, hacia la inestabilidad, más rápida o nerviosa es la respuesta. El F-16 está configurado de esta manera y ha sido el estándar de maniobrabilidad durante bastante tiempo, requiriendo computadoras y cables de vuelo para aumentar la estabilidad.

Superficies de control por delante del CG

También es ventajoso para la maniobrabilidad tener superficies de control delante del CG. En este caso, es para evitar una característica de control denominada respuesta de "fase no mínima". Para un avión convencional con configuración de cola, cuando se ordena un ascenso, la cola es forzada hacia abajo, lo que conduce a una reducción neta en la sustentación hasta que se desarrolla un aumento del ángulo de ataque. Esta es una respuesta de fase no mínima. Era necesario ir inicialmente en la dirección opuesta a la que se deseaba. En configuraciones canard no es así, primero sube el morro, luego sube todo.

Póngalos juntos...

Las superficies de control delanteras, el centro de presión delantero y un sistema de aumento de la estabilidad con una presión dinámica adecuada lo convierten en un gran paquete maniobrable. Esta es una receta común para los misiles tácticos.

Bueno, lo es. Se ha hecho desde quizás 160 millones de años .

La rama Pterodactyloidea de los saurios voladores tenía picos largos, en la mayoría de los casos equilibrados por una gran estructura ósea en la parte posterior de la cabeza, que proporcionaba control lateral. Esta es la única parte de su cuerpo con un área lateral notable, por lo que ninguna otra parte de su cuerpo podría tener un propósito similar. Controlar la dirección de esta manera ayuda a cambiar de rumbo inmediatamente a lo que sea que mire el animal.

_{Pterodactylus antiquus ( fuente de la imagen )}

Dado que la cabeza estaba por delante de su centro de gravedad, la configuración es estáticamente inestable y necesita correcciones de control continuas. Por otro lado, proporciona respuestas muy rápidas. Esto funciona y ha sido probado varias veces por modelos voladores con forma de pterosaurio .

Otra rama, la Rhamphorhynchoidea , tenía una cola que proporcionaba un control lateral y longitudinal adicional. Sin embargo, los paleobiólogos siguen discutiendo si la punta de la cola estaba orientada horizontal o verticalmente durante el vuelo.

En los tiempos modernos, el ahorro de peso y resistencia fue la motivación para colocar la aleta en la punta de un avión. La propuesta de avión espacial británico HOTOL tenía una aleta controlada activamente justo encima de la nariz del fuselaje. Además, muchos misiles aire-aire tienen sus superficies de control móviles cerca de la punta y están equilibradas por aletas más grandes en la parte posterior. Ambos juntos los convierten en bulos en control lateral y longitudinal.